3-遗传密码的破译-教学设计-教案.docx

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1、教学打算1 .教学目标1 .学问与技能(1)说出遗传密码的阅读方式。(2)说出遗传密码的破译过程，包括伽莫夫的三联体推断，克里克的试验证据，尼 伦伯格和马太的蛋白质的体外合成试验。2 .过程与方法(1)感受和重温科学家的思维历程。(2)类比的学习方法。3 .情感看法与价值观(1)对科学家那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神还有那种奇妙的构思表达钦佩。(2)认同遗传密码的破译对生物学发展的重要意义。2 .教学重点/难点教学重点遗传密码的破译过程，引导学生感受这种思维过程并产生与科学家的思维共鸣。教学难点1 .克里克的T4噬菌体试验。2 .尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成试验。3 .教学用具多媒体4

2、 .标签生物,教案I教学过程情境创设第3节 遗传密码的破译（选学）“遗传密码的破隹1944年薛定泻 预言:遗传密码可能与莫尔斯电码类似，通过排列组合来1195a年伽莫夫 用数学的方法椎断3个碱基编码一个氨基酸1957年Brenner. S在理论上否定了遗传密码重叠阅读的可能性1961年克里克 第一个用T,噬菌体实验证明了遗传密码中3个破基1965年破还了全部的密码1961年尼伦伯格 利用无细胞系统进行体外重组破逢了第一个遗传?在第1节我们学习了有关基因指导蛋白质合成的过程，我们知道了核酸中的碱 基序列就是遗传信息，翻译事实上就是将mRNA中的碱基序列翻译为蛋白质的氨 基酸序列，那碱基序列与氨基

3、酸序列是如何对应的呢？就是通过密码子。(呈 现密码子表) 现在大家已经特别清晰了这些遗传密码，而当时是经过很多科学家艰辛的思索 和探究，最终被几个年轻人的富有创新的试验才破译的，这个过程充溢了思维 的才智。那这些遗传密码是怎样被破译的呢？让我们重新重温一下这段科学史, 追寻科学家探究的踪迹，对我们的思维会有好的启迪作用的。师生互动1 .探讨背景在孟德尔遗传规律于1900年被再次证明之后，很多科学家投入到遗传问题的探 讨上来，试图揭示基因的本质和作用原理。1941年比德尔(G. Beadle)和塔特姆(E. Tatum)的工作则强有力地证明白基 因突变引起了酶的变更，而且每一种基因肯定限制着一种

4、特定酶的合成，从而 提出了一个基因一种酶的假说。人们逐步地相识到基因和蛋白质的关系。“中心法则”提出后更为明确地指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从 DNAfRNAf蛋白质。那DNA和蛋白质之间原委是什么关系？或者说DNA是如何 确定蛋白质？这个好玩而深邃的问题在五十年头末就起先引起了一批探讨者的 极大爱好。1944年，理论物理学家薛定谓发表的什么是生命一书中就大胆地预言，染 色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗 传密码。他认为同分异构单体可能作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：“”“一”，通过排列组合来储存遗传信息。那什么是莫尔斯电码呢？我们来看下面的资料

5、：莫尔斯电码，是由美国画家和电报独创人莫尔斯于1838年独创的一套有“点” 和“划”构成的系统，通过“点”和“划”间隔的不同排列依次来表达不同的 英文字母、数字和标点符号。1844年在美国国会的财政支持下，莫尔斯开设了 从马里兰州的巴尔地摩到美国首都华盛顿的第一条运用“莫尔斯码”通信的电 报线路，1851年，在欧洲国家有关方面的支持下，莫尔斯码经过简化，以后就 始终成为国际通用标准通信电码。电报的独创、莫尔斯码的运用变更了人类社 会的面貌。随着社会的进步、科学的发展，有更先进的通信方式在等待着我们 运用，但电报“莫尔斯”码通信在业余无线电中占有重要的地位。国际电信联 盟制定的“无线电规则”中明

6、确指出：任何人恳求领取运用业余电台设备执照, 都应当证明其能够精确地用手发和用耳接收“莫尔斯”电码信号组成的电文。虽然今日计算机技术给自动或半自动收发电报创建了条件，但每一位真正的爱好者仍必需并且也可以通过自我训练驾驭人工收发报技术。莫尔斯电码本身并 无机密可言，它仅仅只是一种工具。:短音念作“滴(di) ”：长音念作“答(da) ”A： B： C： D： E： F： G： H： I： J： K： L： M：N：一 0：P： Q：S： T：- U：一 V：一 W： X：一 ,一.Y.：Z： ? ： /： 数码（长码）1 ：2. 3： 4. 5： 6：一 7： 8： 9： 0：请依据莫尔斯电码表

7、，将书本中问题探讨中的那段电文译成英文。(学生： 翻译后是：where are genes located)你能用莫尔斯电码来回答这个问题吗？(学生：一 /一/基因位于DNA上) 很好，我们通过莫尔斯电码大致体验了 “翻译”的过程，无论从电文译成英文 还是从英文译成电文都离不开莫尔斯密码表，而我们知道后来被确认的蛋白质 的合成过程中也正是有类似这样的密码子。而当时遗传物质的化学本质是尚未明确的，十年后DNA双螺旋模型才得以建立, 在这样的背景下能将遗传信息设想成一种电码式的遗传密码形式，实在是一种 超越时代的远见卓识。到1953年双螺旋模型的建立，赐予科学家们以很大的激 励。破译遗传密码也就成

8、了势在必行的工作。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。对于遗传密码来说最简洁的破译方法应是将DNA依次或mRNA依次和多肽相 比较。但和一般破译密码不同的是，遗传信息的译文一一蛋白质的依次是已知 的，未知的都是密码。1954年Sanger用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋 白质的氨基酸序列了解得越来越多。但是直到1965年前后经验了十年时间，多 位科学家的执著探讨才破译了密码，其中最为重要的几项工作其思路之新奇、 方法之精致都闪耀着科学的才智之光。2 .遗传密码的试拼与阅读方式的探究1954年科普作家伽莫夫G.Gamor对破译密码首先提出了挑战。他以著有奇

9、异 王国的汤姆金斯等优秀的科学幻想作品而著称，具有丰富的想象力，但他不 是一位试验科学家，所以只能从理论上来尝试密码的解读。当年，他在自然 Nature杂志首次发表了遗传密码的理论探讨的文章，指出“氨基酸正好按 DNA的螺旋结构进入各自的洞窟”。他设想：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，而已知自然 的氨基酸约有20种，因此不行由一个碱基编码一种氨基酸。若2个碱基编码一种氨基酸的话，4种碱基共有42=16种不同的排列组合，也 不足以编码20种氨基酸。因此他认为3个碱基编码一种氨基酸的就可以解决问题。虽然4个碱基组成三 联密码，经排列组合可产生43=64种不同形式，要比20

10、种氨基酸大两倍多。但若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。相比之下只有三联体（triplet）较为符合20种氨基酸。伽莫夫是用数学的排列组合的方法在理论上作出推想的，后来的试验证明这一 推想是完全正确的。接下来，人们不禁又要问在三联体中的每个碱基作为信息只读一次还是重复阅 读呢？以重叠和非重叠方式阅读DNA序列会有什么不同呢？呈现图片（课本 P74 以重叠和非重叠方式阅读DNA序列”），思索：当图中的DNA的第三个碱基T发生变更时，假如密码子是非重叠的，这一变更 将影响多少个氨基酸？（学生：将可能影响1个氨基酸）假如密码子是重叠的，这一变更又将影响多少个氨基酸？（学生：将可能影响3个氨

11、基酸）当图中的DNA的第三个碱基T后插入一个碱基A的话，假如密码子是非重叠的, 这一变更将影响多少个氨基酸？（学生：将会影响后面全部的氨基酸）假如插入两个碱基呢？（学生：也会影响后面全部的氨基酸）假如插入3个碱基呢？（学生：将会在原氨基酸序列中多一个氨基酸）当图中的DNA的第三个碱基T后插入一个碱基A的话，假如密码子是重叠的， 这一变更将影响多少个氨基酸？插入2个、3个氨基酸呢？（学生：假如插入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）（学生：假如插入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）（学生：假如插入3个碱基，影响5个氨基酸，多肽比原正常多肽多3个氨基

12、酸）假如从效率上来考虑，你觉得哪种阅读方式效率更高呢？伽莫夫或许是考虑到效率的问题，认为一个碱基可能被重复读多次，也就是说 遗传密码的阅读是完全重叠的，因此氨基酸数目和核甘酸数目存在着一对一的 关系。这一假定特别简洁地说明白核甘酸间距和多肽链上邻接氨基酸的间距（0. 36 nm）之间显示了明显的相关性。若真如此，重叠密码对多肽链上氨基酸的序列就形成了一种限制。例如，具有 完全重叠密码的密码子ATC,后面接着的密码子肯定是TC开头，那么相应的氨 基酸的依次也会受到限制。再者若是重叠密码，那么任何一个碱基的突变都会 影响到相连的3个重叠密码子，即三个氨基酸都会发生变更，但事实并非如此。1957年B

13、renner. S发表了一篇令人兴奋的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸依 次分析，发觉不存在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的 可能性。同时人们也发觉在镰刀型细胞贫血的例子中，血红蛋白中仅有一个氨 基酸发生变更。说明伽莫夫的后一推论是错误的。这就是智者千虑，必有一失。 很多闻名的科学家也有过类似的失误。在资料较少的状况下，对未知的真理作 出推断，难免会发生偏差，但白璧微瑕，人们对他们的那种敏锐、大胆、睿智 和创新的精神，奇妙的构思仍钦佩不已。3 .遗传密码子的验证（克里克的试验）三联密码是否真实存在呢？假如真实存在，那么共有64个密码子，而氨基酸只 有20种，那么多余的44种有何

14、用处呢？1957年克里克Crick等为了说明这个问题提出了一个设想。首先认为如AAA, GGG, CCC, TTT这四个三联体，分别由相同的碱基构成，解读的起始位置有可 能发生差错，因此可能是“无义”密码子。这样余下的只有60个密码子。接着 他们又设想，例如ATT和GCA若分别编码氨基酸a和b,若这两个密码子连续 排列成ATTGCAATT在起读时若发生错位就会产生TTG, TGC, CAA和AAT等 依次就是错读，这些错读的重叠密码也是无意义的，也就是说一个依次有3种 读法，其中只有一种是有意义的，而其余的两种都是无义密码，这样（60X 1/3=20）有义密码子只有20个，好像是很圆满地说明白

15、氨基酸数目和密码子总 数之间的冲突，但后来的试验证明，此设想也是重蹈Gemor的覆辙。直到1961年克里克Crick和Brenner. S等设计了一个试验，有力地证明白三联 密码的真实性。他们用T4噬菌体染色体上的一个基因通过用原黄素处理，可以 使DNA脱落或插入单个碱基，插入叫“加字”突变，脱落叫“减字”突变，无 论加字和减字都可以引起移码突变。Crick小组用这种方法获得一系列的T4噬 菌体“加字”和“减字”突变，再进行杂交来获得加入或削减一个、两个、三 个的不同碱基数的系列突变。通过这样的方法他们发觉加入或削减一个和两个碱基都会引起噬菌体突变，无 法产生正常功能的蛋白，而加入或削减3个碱

16、基时却可以合成正常功能的蛋白 质，为什么会这样呢？我们结合课本P74上的有关句子中插入英语字母对语句 产生的变更来理解，进行类比分析。克里克用试验的结果证明每个密码的确是由3个碱基组成的。克里克对遗传密 码提出了 4个特点：（1） 3个碱基一组，编码一个氨基酸。（2）密码是不重 叠的。（3）碱基的依次是从固定起点解读的。（4）密码是简并的，即某个特 定的氨基酸可以由几个碱基三联体来编码。否定了他们以前的说明，即64种密 码子中只有20种编码，其余的44种都是无意的这一推想。从他们的试验结果 来看，假如以前的说明是正确的话，那么任何移码突变都将是无义突变，那么 T4噬菌体突变体的那个区域应当很小

17、，但其实不然，发生移码仍可翻译，只不 过肽链的依次发生很大的变更，而不是产生很短的肽链。4 .遗传密码对应规则的发觉那如何找出64种密码子究竟对应哪种氨基酸呢？在美国国立卫生探讨院（NIH）从事探讨工作的青年科学家尼伦伯格在读到第一 篇发觉niRNA的报道之后，就确定安排建立一种无细胞反应系统，来揭开遗传密 码之谜。他们的方法和思路与克里克的完全不同，他们采纳的体外合成蛋白质的技术（呈现书中蛋白质体外合成的试验示意图）：（1）去模板：用DNA酶处理细胞抽提物，使DNA降解，除去原有的细胞模板。 在抽提物含有核糖体、ATP及各种氨基酸，除mRNA以外，是一个完整的翻译系 统。由于DNA被降解，所

18、以不再转录新的mRNA,即使原来残留的mRNA因其半 衰期很短，也很快会降解掉。（2）加入polyU： Nirenberg胜利地破坏了翻译系统中的内源mRNA,这样从理 论上来说若加入任何外源mRNA就可以按新的信息合成蛋白。他们采纳了多核首 酸磷酸化酶，仅以尿甘二磷酸为底物，人工合成polyU。当他们把人工合成的polyU加入这种无细胞系统中代替自然的mRNA时，惊喜地发觉果真合成了单一 的多肽，即多聚苯丙氨酸，它的氨基酸残基全是苯丙氨酸，这一结果不仅证明 白无细胞系统的胜利，同时还表明UUU是苯丙氨酸的密码子。这是第一个遗传密码子被破译。尼伦伯格的试验奇妙之处在于利用无细胞系统 进行体外合

19、成蛋白质，他这富有创新的试验方法为他带来了重大的胜利！请问为什么要去除细胞提取液中的DNA和mRNA?（学生：防止细胞原有的DNA和mRNA中的遗传信息起作用干扰试验结果）假如你是尼伦伯格，你将如何设计比照试验，确保你的重大发觉是正确的？（学生：在比照试验中的全部试管中加入成分均不变，但是不加入多聚尿喀咤 核甘酸）试验做到这里，你能想到其他的密码如何破译吗？（学生：加入不同的人工合成的多聚核甘酸进行试验）很好，尼伦伯格也用同样的方法分别加入polyA、polyC和polyG结果相应地获 得了多聚赖氨酸、多聚脯氨酸和多聚甘氨酸。Nirenberg利用无细胞系统体外 合成蛋白质不仅顺当地破译了 4

20、个密码子，同时了证明白Crick等原先认为 AAA, UUU, GGG, CCC是无义密码子的推想是错误的。在接下来的六七年里，科学家沿着体外合成蛋白质的思路，不断地改进试验方 法，破译出了全部的密码子，并编制出了密码子表。这项工作成为生物学史上 的一个宏大的里程碑！为人类探究和提示生命的本质的探讨向前迈进一大步， 为后面分子遗传生物学的发展有着重要的推动作用。遗传密码的破译、测序方 法的建立以及体外重组的实现是基因工程的三大基石。老师精讲我们留意整个破译过程中科学家思维的变更，薛定谓是以富有远见卓识的大胆 的想象来预料遗传密码的形式的，伽莫夫通过数学的排列组合的计算来推想密 码子是由三个碱基

21、组成的，同时他也预料了密码的阅读方式，尽管智者千虑， 必有一失，但奇妙的构思依旧显示了其睿智和创新。克里克则是奇妙地设计试 验，利用原黄素处理噬菌体，使DNA脱落或插入单个碱基的方法从试验上证明 白伽莫夫的三联体密码子的推想，由理论走向试验，为密码子的破译迈出重要 的一步。而尼伦伯格的试验则更富有创新性，他建立奇妙的无细胞系统进行体 外蛋白质合成，胜利地破译了第一个密码子，随后的方法不断创新最终破译了 全部的密码子。他的贡献不仅仅在于对遗传密码的破译，更重要的也在对生物 探讨方法上开启了新的思维方式。归结起来，我们看到，敏锐、大胆、睿智和创新是科学家的重要素养，也正如 尼伦伯格在1968年获得

22、诺贝尔生理学或医学奖时说过：一个擅长捕获细微环节 的人才是能领会事物真谛的人。课堂小结本节的主要内容是遗传密码的破译过程。自从“一基因一酶”学说建立（1941 年）以后，人们逐步地相识到基因和蛋白的关系。“中心法则”提出后更为明 确地指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从DNA-RNA-蛋白质。那DNA 和蛋白质之间原委是什么关系？或者说DNA是如何确定蛋白质？这个好玩而深 邃的问题在20世纪50年头末就起先引起了一批探讨者的极大爱好。早在遗传 物质的化学本质尚未确定之前，1944年理论物理学家薛定愕发表的什么是生 命一书中就大胆地预言，染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。 这种连续

23、体的精确性组成了遗传密码。他认为同分异构单体可能作为一般民用 的莫尔斯电码的两个符号：“”“一”，通过排列组合来储存遗传信息。1954年科普作家伽莫夫G. Gamor对破译密码首先提出了挑战，他用数学的方法 推断3个碱基编码一个氨基酸。但人们不禁要问在三联体中的每个碱基作为信 息只读一次还是重复阅读呢？ 1957年Brenner. S发表理论文章，他通过蛋白质 的氨基酸依次分析，发觉不存在氨基酸的邻位限制作用，从而在理论上否定了 遗传密码重叠阅读的可能性。而克里克在1961年第一个用T4噬菌体试验证明 白遗传密码中3个碱基编码一个氨基酸。同一年尼伦伯格和马太利用无细胞系 统进行体外重组破译了第

24、一个遗传密码。后来尼伦伯格和他的小组采纳了一把 钥匙开一把锁的思路，一举破译了全部的密码。| 课后习题1 .在下列基因的变更中，合成出具有正常功能蛋白质的可能性最大的是A.在相关的基因的碱基序列中删除或增加一个碱基对B.在相关的基因的碱基序列中删除或增加两个碱基对C.在相关的基因的碱基序列中删除或增加三个碱基对D.在相关的基因的碱基序列中删除或增加四个碱基对解析：此题考查基因中碱基数量发生突变时对合成蛋白质的影响，当插入1、2 的倍数个碱基时，都会对后面的全部的氨基酸有影响。当插入3个碱基时，则 可能对部分氨基酸有影响，所以C是最可能合成具有正常功能蛋白质。答案：C2 .最早提出3个碱基编码一个氨基酸的科学家和首次用试验的方法加以证明的 科学家分别是A.克里克、伽莫夫B.克里克、沃森C.摩尔根、尼伦伯格D.伽莫夫、克里克解析：此题考查的是科学史。答案：D3.采纳蛋白质体外合成的技术揭示遗传密码试验中，变更下列哪项操作，即可 测出全部的遗传密码与氨基酸的对应规则A.无DNA和mRNA细胞的提取液B.人工合成的多聚核甘酸C.加入的氨基酸种类和数量D.测定多肽链中氨基酸种类的方法解析：此题考查了尼伦伯格的试验，通过变更人工模板多聚核甘酸可以测出不 同密码子。答案：B板书