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1、第3節(jié) 遺傳密碼的破譯(應(yīng)城市第二高級(jí)中學(xué) 張亞軍)教學(xué)目標(biāo):1 說(shuō)出遺傳密碼的閱讀方式2 說(shuō)出遺傳密碼的破譯過(guò)程，包括伽莫夫的三聯(lián)體推斷，克里克的實(shí)驗(yàn)推斷，尼倫伯格和馬太的蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn):遺傳密碼的破譯過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生感受這種思維過(guò)程并產(chǎn)生與科學(xué)家的思維共鳴教學(xué)難點(diǎn):1 克里克的T4噬菌體實(shí)驗(yàn)2 尼倫伯格和馬太的蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排1課時(shí)教學(xué)過(guò)程:導(dǎo)入:生活中到處都是密碼,正確的解讀密碼有時(shí)是非常有用的,如:二戰(zhàn)中因圖靈發(fā)明了密碼破譯機(jī)而有效的獲取敵方軍情 ,從而徹底的扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)爭(zhēng)的形勢(shì).研究背景: 1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表大膽地預(yù)言：染色體是由一些同分異構(gòu)的單體連續(xù)所

2、組成。這種連續(xù)體的精確性組成了遺傳密碼。同分異構(gòu)單體可能作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個(gè)符號(hào)：“ ”、“”，通過(guò)排列組合來(lái)儲(chǔ)存遺傳信息。 (什么是莫爾思電碼呢？它是由美國(guó)畫(huà)家和電報(bào)發(fā)明人發(fā)明的一套有“點(diǎn)”和“劃”構(gòu)成的系統(tǒng)，通過(guò)“點(diǎn)”和“劃”間隔的不同順序來(lái)表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字、和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。請(qǐng)根據(jù)莫爾思電碼表，將書(shū)本中問(wèn)題探討中的那段電文譯成英文。學(xué)生：where are genes located學(xué)生：基因位于DNA上)要破譯一個(gè)未知的密碼，一般的思路就是比較信息，即密碼和譯文。和一般的破譯密碼不同的是，遺傳密碼是全然未知的。遺傳密碼的“ ”、“”是什么?怎么方式儲(chǔ)存遺傳信息?1953年沃

3、森和克里克建立DNA雙螺旋模型，給予科學(xué)家們很大的激勵(lì)。破譯遺傳密碼成了勢(shì)在必行的工作。 (1944年，薛定諤在遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是尚未明確，十年后DNA雙螺旋模型才得以建立的背景下：將遺傳信息設(shè)想成一種電碼式的遺傳密碼，實(shí)在是一種超越時(shí)代的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)。) 對(duì)于遺傳密碼來(lái)說(shuō)最簡(jiǎn)單的破譯方法應(yīng)是將DNA順序或mRNA順序和蛋白質(zhì)（多肽鏈）相比較。DNA、mRNA 4種堿基蛋白質(zhì)的氨基酸 20種四種堿基20種氨基酸（蛋白質(zhì)的）呢？此處:加強(qiáng)學(xué)生討論探究1 遺傳密碼的閱讀方式的探索1954年科普作家伽莫夫在理論上嘗試了遺傳密碼的解讀 伽莫夫是用數(shù)學(xué)的排列組合的方法在理論上作出推測(cè)的，后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一

4、推測(cè)是完全正確的。(他設(shè)想：若一種堿基與一種氨基酸對(duì)應(yīng)的話(huà)，那么只可能產(chǎn)生4種氨基酸，而已知的天然氨基酸有20種，因此不可由一種堿基對(duì)應(yīng)一種氨基酸,若2個(gè)堿基與一種氨基酸對(duì)應(yīng)的話(huà)4種堿基共有16種不同的排列組合，也不足以編碼20種氨基酸,因此他認(rèn)為3個(gè)堿基編碼一種氨基酸就可以解決問(wèn)題。4個(gè)堿基與一種氨基酸對(duì)應(yīng)的話(huà)就會(huì)產(chǎn)生256種排列組合。相比較而言。只有三聯(lián)體較為符合20種氨基酸) 此處:加強(qiáng)學(xué)生討論探究接下來(lái)，人們不禁要問(wèn)在三聯(lián)體中的每個(gè)堿基只讀一次還是重復(fù)閱讀呢？以重疊閱讀和非重疊方式閱讀DNA序列會(huì)有什么不同？學(xué)生互動(dòng):用四種顏色的磁鐵代替4中堿基來(lái)替代一段堿基序列(GGTTCGCACG

5、CT) (當(dāng)圖中的DNA的第3個(gè)堿基發(fā)生改變的時(shí)，如果密碼子是非重疊的，這一改變將影響多少個(gè)氨基酸？生：一個(gè)如果密碼子是重疊的，這一改變又將影響多少個(gè)氨基酸？生：三個(gè)1957年布倫納（Brenner.S）從理論上對(duì)蛋白質(zhì)的氨基酸順序分析：指出不存在氨基酸的鄰位限制作用。否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性。遺傳密碼真的是以3個(gè)堿基為一組嗎?遺傳密碼的閱讀方式究竟是重疊的還是非重疊的?密碼之間是否有分隔符?解答這些問(wèn)題不能只靠理論推導(dǎo),必須拿出實(shí)驗(yàn)證據(jù)2 遺傳密碼的驗(yàn)證（克里克實(shí)驗(yàn)） 1961年，克里克和他的同事設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們用T4噬菌體染色體上的一個(gè)基因通過(guò)原黃素處理可以使DNA脫落和插入單個(gè)

6、堿基，通過(guò)這樣的方法他們發(fā)現(xiàn)加入或減少一個(gè)或兩個(gè)堿基都會(huì)引起噬菌體突變，無(wú)法產(chǎn)生正常的蛋白質(zhì)，而加入或減少三個(gè)堿基卻可以合成正常的蛋白質(zhì)，為什么會(huì)這樣呢？ 當(dāng)圖中的DNA的第3個(gè)堿基T后插入一個(gè)堿基A的話(huà)，如果密碼子是非重疊的，這一改變將影響多少個(gè)氨基酸？生：將會(huì)影響后面所有的氨基酸如果插入兩個(gè)堿基呢？生：也會(huì)影響后面所有的氨基酸如果插入3個(gè)堿基呢？生：將會(huì)在原氨基酸的序列中多一個(gè)氨基酸當(dāng)圖中的DNA的的第3個(gè)堿基T后插入一個(gè)堿基A的話(huà)，如果密碼子是重疊的，這一改變將影響多少個(gè)氨基酸？如果插入2個(gè)，3個(gè)呢？生：如果插入1個(gè)堿基，影響3個(gè)氨基酸，多肽比原來(lái)正常多肽多1個(gè)氨基酸生：如果插入2個(gè)堿基

7、，影響4個(gè)氨基酸，多肽比原來(lái)正常多肽多2個(gè)氨基酸生：如果插入3個(gè)堿基，影響5個(gè)氨基酸，多肽比原來(lái)正常多肽多3個(gè)氨基酸)類(lèi)比分析：幾個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸？原句中每個(gè)單詞都有3個(gè)字母組成，7個(gè)單詞連成一句 THE FAT CAT ATE THE BIG RAT在原第2個(gè)單詞中插入一個(gè)字母R。 THE FA R /TCA TAT ETH EBI GRA T在原第2個(gè)單詞中插入二個(gè)字母R。 THE FAR /RTC ATA TET HEB IGR AT在原第2個(gè)單詞中插入三個(gè)字母。 THE FAR /ROT / CAT ATE THE BIG RAT當(dāng)插入1、2個(gè)堿基時(shí)，會(huì)對(duì)后面所以的氨基酸產(chǎn)生影響。

8、當(dāng)插入3個(gè)堿基時(shí)，則可能對(duì)部分的氨基酸有影響，所以有可能合成正常功能的蛋白質(zhì))結(jié)論：遺傳密碼中 3個(gè) 堿基編碼一個(gè)氨基酸遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開(kāi)始,以 非重疊 的方式閱讀，編碼之間 沒(méi)有 分隔符 同年,馬太和尼倫伯格和克里克的方法和思路完全不同，他們采用的體外合成蛋白質(zhì)的技術(shù), 對(duì)遺傳密碼對(duì)應(yīng)的規(guī)則發(fā)起了挑戰(zhàn)3 遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn) 1961年，尼倫伯格和馬太利用破碎的細(xì)胞溶液建立了一種利用人工合成的RNA在試管里合成多肽鏈的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，破譯了第一個(gè)遺傳密碼。 如果是你，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)破譯遺傳密碼？（1） 去(原細(xì)胞中)模板：每只試管中加入除去DNA和mRNA細(xì)胞提取液。 (在細(xì)胞提取液中含有

9、核糖體、ATP及各種成分的完整系統(tǒng))（2） 加(人工合成的)模版:每只試管中加入加入多聚尿嘧啶核苷酸代替天然的mRNA（3） 加材料:每只試管中加入一種氨基酸(發(fā)現(xiàn)合成了單一的多肽，既多聚苯丙氨酸。這一結(jié)果不僅證實(shí)了無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的成功，也說(shuō)明UUU是苯丙氨酸的密碼子。) 這一結(jié)果證實(shí)了無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的成功，同時(shí)還表明UUU是苯丙氨酸的密碼子，這是第一個(gè)遺傳密碼子被破譯。 在接下來(lái)的六七年里，科學(xué)家沿著體外合成蛋白質(zhì)的思路，不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，破譯出了全部的密碼子。結(jié)束語(yǔ): 我們注意到整個(gè)破譯過(guò)程有薛定諤大膽的想象，伽莫夫的睿智的邏輯思維推理，克里克及尼倫伯格敏銳的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；他們的貢獻(xiàn)不僅僅是對(duì)遺傳密碼的破譯，更重要的是對(duì)生物研究方法上開(kāi)啟了新的思維方式。 歸結(jié)起來(lái)：大膽、睿智、敏銳和創(chuàng)新是科學(xué)家的重要素養(yǎng)。專(zhuān)家點(diǎn)評(píng):本節(jié)課從開(kāi)始就注重了引領(lǐng)學(xué)生形成正確的世界觀(guān),在課程的進(jìn)行中多處體現(xiàn)對(duì)學(xué)生的思想啟發(fā)、邏輯思維能力及分析能力的培養(yǎng);同時(shí),注重了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)及合作探究能力的鍛煉;從而引導(dǎo)學(xué)生自主的對(duì)相應(yīng)知識(shí)的獲取及理解.總的來(lái)說(shuō):是一節(jié)很好的示范課.點(diǎn)評(píng)人:劉紅秋(教研員,高中特級(jí)教師)第 7 頁(yè)