2021人教版高中生物必修二4.3《遗传密码的破译(选学)》word教案2
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教案 B
教学重点
遗传密码的破译过程。
教学难点
1.尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成实验。
2.运用数学方法及实验方法探究“碱基与氨基酸的对应关系”。
教学策略
本节的主要内容是遗传密码的破译过程,是对本章第1节的重要补充。学生在第1节中已经学习了遗传密码,但并不了解遗传密码是如何破译的,本节引导学生认识遗传密码的破译过程,使学生通过这一研究过程学习其中蕴含的科学研究方法。
1.采用类比的学习方法,使复杂的问题更容易理解。
2.以分析“尼伦伯格和马太实验”的设计思路为突破口,初步理解遗传密码的破译方法。
教学方法
探究式教学。
引导学生通过数学方法推理和猜想“碱基与氨基酸的对应关系”;根据科学资料,运用英语词句类比推理“碱基与氨基酸的对应关系”;借鉴科学家的实验方法,小组合作设计实验方案,探究与体验破译遗传密码的方法和过程。
教学过程
一、导入新课
以“问题探讨”导入本课的学习。
教师引导学生思考P73“问题探讨”,讨论后回答问题。
提示1:根据莫尔思密码表,将书本中用莫尔思密码编写的问题译成英文就是:where are genes located。
二、新课教学
要破译一个未知的密码,一般的思路就是比较编码的信息,即密码和相应的译文。对遗传密码来说最简单的破译方法就是将DNA顺序或mRNA顺序和多肽相比较。但和一般的破译密码不同的是,遗传信息的译文——蛋白质的顺序是已知的,未知的都是密码。
莫尔思密码是由美国画家和电报发明人发明的一套有“点”和“划”构成的系统,通过“点”和“划”间隔的不同顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。
(一)遗传密码的阅读方式
构成蛋白质的氨基酸有20种,而mRNA上的碱基只有4种,这就出现几个碱基决定一
个氨基酸的问题,请大家探讨一下几个碱基决定一个氨基酸?
学生探讨:
若一种碱基与一种氨基酸对应的话,那么只可能产生4种氨基酸,而已知的天然氨基酸有20种,因此不可由一种碱基对应一种氨基酸。
若2个碱基与一种氨基酸对应的话,4种碱基共有16种不同的排列组合,也不足以编码20种氨基酸。
3个碱基编码一种氨基酸就可以解决问题。4个碱基与一种氨基酸对应的话,就会产生256种排列组合。相比较而言,只有三联体较为符合20种氨基酸。
过渡:人们不禁要问在三联体中的每个碱基只读一次还是重复阅读呢?以重叠阅读和非重叠方式阅读DNA序列会有什么不同?
教师引导学生阅读P74图4-10。
思考与讨论:
1.当图4-10中DNA的第三个碱基(T)发生改变时,如果密码是非重叠的,这一改变将影响多少个氨基酸?如果密码是重叠的,又将产生怎样的影响?
提示:密码是非重叠的:1个氨基酸;密码是重叠的:3个氨基酸。
2.当图4-10中DNA的第三个碱基(T)后插入一个碱基A,时,如果密码是非重叠的,这一改变将影响多少个氨基酸?如果密码是重叠的,又将产生怎样的影响?如果插入2个、3个碱基呢?
提示:如果密码是非重叠的:插入1、2个碱基,将会影响后面所有的氨基酸(无法产生正常功能的蛋白质),插入3个碱基将会在原氨基酸序列中多一个氨基酸。
如果密码是重叠的:
如果插入1个碱基,影响3个氨基酸,多肽比原正常多肽多1个氨基酸;
如果插入2个碱基:影响4个氨基酸,多肽比原正常多肽多2个氨基酸;
如果插入3个碱基:影响5个氨基酸,多肽比原正常多肽多3个氨基酸。
(二)克里克的实验证据
(三)遗传密码对应规则的发现
马太和尼伦伯格和克里克的方法和思路完全不同,他们采用的体外合成蛋白质的技术。制备去模板的细胞提取液:即除去DNA和mRNA,此时细胞提取液中含有核糖体、A TP及各种氨基酸,是一个完整的翻译系统。加入多聚尿嘧啶核苷酸代替天然的mRNA,发现合成了单一的多肽,既多聚苯丙氨酸。这一结果不仅证实了无细胞系统的成功,也说明UUU 是苯丙氨酸的密码子。
资料2:1961年,尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液,建立了一种利用人工合成的RNA在试管里合成多肽链的实验系统,其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分。利用这个实验系统,尼伦伯格和马太设计了一个巧妙的实验,破译了第一个遗传密码,即UUU-苯丙氨酸。
如果是你,如何设计实验破译遗传密码?
提示:实验提供有多个试管和20种氨基酸溶液
学生根据资料内容,分组讨论,大胆探究,设计方案。
实验方案设计过程面临3个问题:合成怎样的RNA作为模板?需要一组还是多组实验?氨基酸怎样加入?
总结:用单核苷酸人工合成RNA,分多个实验组,分别加入不同的氨基酸,即可破译UUU-苯丙氨酸。
上述方法只能确定4种氨基酸的遗传密码,即只能破译AAA是赖氨酸的密码子,CCC 是脯氨酸的密码子,GGG是甘氨酸的密码子,UUU是苯丙氨酸的密码子。所以密码子中肯定还有2种或3种碱基组合的情况。
引入科学资料
材料3:1966年科学家霍拉纳发明了一种新的RNA合成方法,通过这种方法合成的RNA 可以是2个、3个或4个碱基为单位的重复序列,例如:将A、C两种核苷酸缩合为ACACACACAC……长链,以它作人工信使进行蛋白质合成,结果发现产物是苏氨酸和组氨酸的多聚体,说明苏氨酸的密码子可能是ACA,也可能是CAC;同样,组氨酸的密码子可能是CAC,也可能是ACA。
如何证明组氨酸和苏氨酸的密码子是ACA还是CAC呢?请设计实验证明。
提示:参考霍拉纳的设计方法。
学生小组讨论、大胆设想、制定方案、对比分析。
学生设想:再用类似的方法合成含有苏氨酸或组氨酸的多聚体,如果其模板RNA上有ACA或CAC,即可确定方案:如合成(CAA)n长链,重复上述实验,合成产物为谷氨酰胺、天冬酰胺和苏氨酸的多聚体。
将科学家和自己的实验结果对比分析,即可确定ACA是苏氨酸的密码子,CAC是组氨酸的密码子。
运用此类方法就可以破译其他氨基酸的遗传密码。所有遗传密码破译之后就得到了课本第65页的密码子表。
(四)遗传密码的特点:
1.不间断性
mRNA的三联体密码是连续排列的,相邻密码之间无核苷酸间隔。所以若在某基因编码区(能指导蛋白质合成的区域)的DNA序列或mRNA中间插入或删除1~2个核苷酸,则其后的三联体组合方式都会改变,不能合成正常的蛋白质。
2.不重叠性
对于特定的三联体密码而言,其中的每个核苷酸都具有不重叠性。例如如果RNA分子UCAGACUGC的密码解读顺序为:UCA、GAC、UGC,则它不可以同时解读为:UCA、CAG、AGA、GAC……等,不重叠性使密码解读简单而准确无误,并且,当一个核苷酸被异常核苷酸取代时,不会在肽链中影响到多个氨基酸。
3.简并性
绝大多数氨基酸具有2个以上不同的密码子,这一现象称做简并性,编码相同氨基酸的密码子称同义密码子。由于兼并性,某些DNA碱基变化不会引起相应蛋白质的氨基酸序列改变。