高中生物第三節(jié)基因控制蛋白質(zhì)的合成第2課示范教案蘇教版

1、第二課時遺傳密碼的破譯導入新課師 : 上節(jié)課，我們了解了證明RNA 與蛋白質(zhì)關(guān)系的兩個實驗及Marmur 和 Duty利用DNA RNA雜合技術(shù)、采用侵染枯草桿菌的噬菌體SP8 為材料進行實驗。從科學家的實驗中可以清楚地看出，基因控制蛋白質(zhì)合成的過程，可分為兩個步驟。師 : 基因控制蛋白質(zhì)合成的過程，可分為哪兩個步驟？推進新課生第一步是基因的遺傳信息傳遞給RNA，此步可稱為“轉(zhuǎn)錄”；第二步是轉(zhuǎn)錄出的RNA在核糖體通過指導蛋白質(zhì)合成來表達信息，此步可稱為“翻譯”。師 : 當沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了 DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)后，全世界的科學家都認為破譯遺傳密碼是下一個重大的研究課題。這時，人們首先想到了電報

2、密碼。課件展示：發(fā)電報人發(fā)報圖像與接電報人的圖像師 : 比如說“胰島素”的電報密碼是“ 3534 3213 2728”這樣一串數(shù)字，這一密碼通過電波傳到目的地后，又按密碼翻譯成“胰島素”。師 : 組成蛋白質(zhì)的氨基酸一般有多少種？生一般有 20種。師 : 氨基酸有20 種， RNA有四種核苷酸，四種堿基AGCU如何決定20 種氨基酸？ ( 要求學生進行邏輯推理 )生 (1) 一個堿基決定一個氨基酸只能決定4 種， 414不行。(2)兩個堿基決定一個氨基酸只能決定16 種， 42 16不行。(3)三個堿基決定一個氨基酸只能決定64 種， 43 64足夠有余。師 : 實驗驗證， 1961 年英國的克

3、里克和同事用實驗證明一個氨基酸是由信使RNA的三個堿基決定即三聯(lián)體密碼子， 可能有一些密碼子并不為氨基酸編碼， 而某種氨基酸可能被一種以上的密碼子所決定。前一種情況稱為密碼的剩余，后一種情況稱為密碼的兼并。師 : 給出三個遺傳字母， 它所對應(yīng)的氨基酸究竟是哪種呢？這就是遺傳密碼的破譯問題。師 : 遺傳密碼是怎樣的呢？板 書：積極思維：遺傳密碼是怎樣破譯的？課件展示：1960 年，一些青年科學家來到美國國立衛(wèi)生研究院，和那里從事體外蛋白質(zhì)人工合成研究的尼論貝格一起開始了破譯遺傳密碼的研究。 研究的核心是哪種 RNA可以促進多肽的合成。他們創(chuàng)造性地設(shè)計并實施了相關(guān)實驗。實驗步驟：(1) 把大量的大

4、腸桿菌細胞磨碎，制成無細胞提取液，用 DNA酶處理這種提取液使細菌的 DNA降解，然后通過離心沉淀， 除去細胞壁和質(zhì)膜。 剩下的上清液中含有蛋白質(zhì)合成所必用心愛心專心1需的核糖體、 tRNA、蛋白質(zhì)因子和酶系統(tǒng)，這時細菌的mRNA由于壽命很短早就降解了。(2) 采用了蛋白質(zhì)的體外合成技術(shù)，在每支試管中分別加入一種氨基酸，再加入上述制成的細菌無細胞提取液，加入人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，觀察結(jié)果。師 : (1) 為什么要除去細胞提取液中的DNA和 mRNA?(2) 上述科學家的實驗?zāi)軌蛘f明什么問題？(3) 如果加入的是只含兩個堿基 UC合成的多聚核苷酸鏈，又會出現(xiàn)了什么結(jié)果呢？學生活動：

5、學生分組討論，代表回答。生甲 : 因為實驗中要以人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸作模板，除去細胞提取液中的DNA和 mRNA是為了消除干擾。生乙 : 實驗結(jié)果是加入了苯丙氨酸的試管中出現(xiàn)了多聚苯丙氨酸的肽鏈。說明了苯丙氨酸的 RNA的密碼子之一是UUU。生丙 : 如果加入的是只含兩個堿基UC合成的多聚核苷酸鏈，并用它們作模板進行大量的離體情況下的蛋白質(zhì)合成的實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)合成的蛋白質(zhì)中有苯丙氨酸，再次證明了苯丙氨酸的密碼子是UUU。另外還有賴氨酸、亮氨酸、酪氨酸、異亮氨酸。由于U和 A 是隨機排列的，所以會出現(xiàn)密碼子UUU、AAA、 UUA、 UAU、 AUU。師 : 怎么知道賴氨酸的密碼子是

6、AAA的呢？生在蛋白質(zhì)的體外合成技術(shù)中， 在每支試管中分別加入一種氨基酸， 再加入上述制成的細菌無細胞提取液， 加入人工合成的 RNA多聚腺嘌呤核苷酸， 觀察結(jié)果， 則發(fā)現(xiàn)加入了賴氨酸的試管中出現(xiàn)了多聚賴氨酸的肽鏈。師 : 亮氨酸、酪氨酸、異亮氨酸的密碼子能確定嗎？生無法確定。師 : (1) 上述困難很快就被科學家解決了， 他成功地合成了具有規(guī)則重復堿基序列的多聚核苷酸鏈，其中有用兩種核苷酸聚合而成的，也有用三種或四種核苷酸聚合而成的。例如：用尿嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸組成的具有規(guī)則重復堿基序列的多核苷酸鏈，它的堿基序列是： UCUCUCUCUCUCUCUCUCUC簡寫為 (UC) n，上述序

7、列按三個堿基一組應(yīng)讀成 UCU、CUC、UCU從而形成具有規(guī)則重復的 ( 交替 )UCU和 CUC密碼子。用這種多聚核苷酸鏈作模板，在離體情況下進行蛋白質(zhì)的合成， 他發(fā)現(xiàn)合成的蛋白質(zhì)中只有兩種氨基酸， 即絲氨酸和亮氨酸。這說明 UCU和 CUC兩個密碼子中的一個可能是絲氨酸或亮氨酸的密碼子。(2) 規(guī)則堿基序列多核苷酸合成實驗結(jié)果多聚核苷酸鏈mRNA交替的閱讀密碼組合成的多肽(AC) nACA CAC ACA CAC ACA蘇組蘇組(AG)nAGA GAG AGA GAG AGA精谷精谷(AAG)nAAG AAG AAG AAG AAGAGA AGA AGA AGA AGA賴賴賴賴精精精精(G

8、UA)nGUA GUA GUA GUA GUAAGU AGU AGU AGU AGU纈纈纈纈絲絲絲絲(UAUC)nUAU CUA UCU AUC UAU酪亮絲異亮(3)從上表中可以看出，賴氨酸的密碼子為AAG；精氨酸的為AGA；谷氨酸的為GAA；纈氨酸的為GUA等。(4) 由于這一基本方法的應(yīng)用， 破譯遺傳密碼的研究進展很快， 到了 1967 年就確定了全部密碼。 遺傳學上把mRNA上決定一個氨基酸的3 個相鄰的堿基， 叫做一個“遺傳密碼子”。板 書：用心愛心專心220 種氨基酸的遺傳密碼子表師 : 從密碼子表中，你可以看出有哪些特點？學生活動： 學生小組討論，回答。生甲 : 除蛋氨酸和色氨酸

9、外，其他氨基酸都有兩種以上的密碼子。如CUU、 CUC、 CUA都是亮氨酸的密碼子。對應(yīng)于一種氨基酸的密碼子不止一種時，常常只是密碼子中和第三個堿基發(fā)生變化。生乙 : 蛋氨酸為起始密碼子，蛋白質(zhì)多肽鏈的起始端都是從蛋氨酸開始的。生丙 : 表中 UAA、 UAG、UGA這三個密碼子沒有對應(yīng)的氨基酸，叫做終止密碼。在蛋白質(zhì)合成中，當正在增長的多肽鏈遇到其中任何一個時，即停止增長，蛋白質(zhì)合成到此完成。生丁 : 在全部 64 個密碼子中， 61 個密碼子負責20 種氨基酸的翻譯，1 個是起始密碼， 3個是終止密碼。課堂小結(jié)上述密碼表主要是用大腸桿菌做實驗得到的，后來用家兔、 兩棲類、 植物組織和人類的

10、細胞做實驗也得到同樣的結(jié)果，由于在所有的生物里DNA的四種堿基和蛋白質(zhì)中的20 種氨基酸都是相同的，所以，很可能整個生物界存在著同樣的遺傳密碼，也就是說，上述的密碼表適用于所有的生物。師 : 同學們知道，我國科學家已經(jīng)破譯哪些生物的遺傳密碼？生 : 我國科學家首次破譯了一種嗜熱菌的遺傳密碼； 黑猩猩的第 22 號染色體被破譯； 成功破譯了水稻的遺傳密碼。師 : 遺傳密碼的破譯、測序方法的建立以及體外重組的實現(xiàn)是基因工程的三大基石。因此在遺傳密碼破譯后僅 2 3 年的時間這項工作就獲得了諾貝爾獎。二、遺傳密碼的破譯1積極思維遺傳密碼是怎樣破譯的？2 20 種氨基酸的密碼子表1分子生物學的黃金時代

11、隨著 DNA分子結(jié)構(gòu)的解開，人們清楚地了解了復制的機制，并且明白了遺傳信息的保存方式。事實上，DNA就像一本只由四個遺傳字母A、C、 T、 G 寫成的書。這四個字母的不同排列次序就寓含了遺傳信息。緊接著就產(chǎn)生了一個問題：這本書應(yīng)該如何讀呢？如下：ATCGGTCATGCA這一串由遺傳字母構(gòu)成的序列應(yīng)該兩個兩個，還是三個三個， 還是四個四個，還是讀下去？換句話說，如果遺傳字母A、C、 G、 T，在功能上被讀成字。那么究竟幾個字母恰好對應(yīng)一個字( 或者說叫密碼子) 呢？人們知道在生命活動中起到重要作用的蛋白質(zhì)是由20 種氨基酸構(gòu)成的。而人們又容易推測出遺傳信息事實上是通過決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)來間接地控制

12、細胞的化學過程。于是，如果一個密碼子可對應(yīng)于一個氨基酸的話， 我們的問題就是密碼子由幾個字母構(gòu)成才能形成所有的氨基酸呢？用心愛心專心3如果密碼子由一個字母構(gòu)成，那么只能得到四種氨基酸；如果密碼子由兩個字母構(gòu)成，那么可得到16 種氨基酸， 仍然不夠。 如果密碼子由三個字母構(gòu)成，那么可得到64 種氨基酸。看來由三個遺傳字母構(gòu)成一個密碼子就足夠了。因此，通過數(shù)學知識得到的結(jié)論是，蛋白質(zhì)中的氨基酸是由三個一組連續(xù)排列的堿基編碼的，這種編碼方式被稱為三聯(lián)體密碼子?？死锟撕筒紓惣{進行的一系列巧妙的遺傳學實驗證實了這一點。這樣，我們就知道了密碼子是由三個遺傳字母構(gòu)成的。DNA中某一具體的核苷酸三聯(lián)體被探明是

13、與蛋白質(zhì)中某一具體的氨基酸相對應(yīng)的?；蛘哒f，遺傳密碼是按三聯(lián)體形式閱讀的。給出三個遺傳字母，它所對應(yīng)的氨基酸究竟是哪種呢？這就是遺傳密碼的破譯問題。第一個被破譯的密碼子是： UUU，苯丙氨酸。隨后不久，通過構(gòu)思巧妙的實驗，在短短時間中，人們就完全破譯了遺傳密碼。還有一個容易想到的問題：由T、A、C、G四種遺傳字母構(gòu)成三聯(lián)體密碼子，一共有64種情況。 但氨基酸卻只有 20 種。那么一定會出現(xiàn)多個密碼子對應(yīng)同一個氨基酸的情況出現(xiàn)。事實正是如此。 這種現(xiàn)象被稱為遺傳密碼子的兼并。 而編碼同一個氨基酸的密碼子被稱為同義密碼子。遺傳密碼的解開是分子生物學中的重大突破。人們一旦搞清楚了DNA中核苷酸的次序

14、對應(yīng)于蛋白質(zhì)中氨基酸的次序，那么就可以回答蛋白質(zhì)是如何按照DNA的信息制造出來的了，此過程稱基因表達。2基因工程與醫(yī)藥創(chuàng)新自 20 世紀 4050 年代間相繼發(fā)現(xiàn)青霉素等系列抗生素，甾體激素和維生素等生物合成藥物已形成了生物醫(yī)藥新領(lǐng)域。由于它們卓越的療效和巨大的經(jīng)濟效益，興起了現(xiàn)代新生物技術(shù)的大發(fā)展，特別是70 年代基因的發(fā)現(xiàn)，重組DNA的獲得成功，震動了醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等整個生命學科，開創(chuàng)了人為地控制生命和育種新領(lǐng)域基因工程，在生命學科總領(lǐng)域中成為最活躍，進展最快的學科。到80 年代，已有以基因工程合成首個人體活性蛋白的多肽重組胰島素，并很快地投向市場應(yīng)用。自1993 年以來至今僅十年內(nèi)，僅以