人教版高中生物必修二《遗传密码的破译》教学

遗传密码的破译

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、ATP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。