3遺傳密碼的破譯教學(xué)設(shè)計教案

1、   教學(xué)準(zhǔn)備 1.   教學(xué)目標(biāo) 1.知識與技能（1）說出遺傳密碼的閱讀方式。（2）說出遺傳密碼的破譯過程，包括伽莫夫的三聯(lián)體推斷，克里克的實驗證據(jù)，尼倫伯格和馬太的蛋白質(zhì)的體外合成實驗。2.過程與方法（1）感受和重溫科學(xué)家的思維歷程。（2）類比的學(xué)習(xí)方法。3.情感態(tài)度與價值觀（1）對科學(xué)家那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新的精神還有那種巧妙的構(gòu)思表達(dá)敬佩。（2）認(rèn)同遺傳密碼的破譯對生物學(xué)發(fā)展的重要意義。2.   教學(xué)重點/難點 教學(xué)重點遺傳密碼的破譯過程，引導(dǎo)學(xué)生感受這種思維過程并產(chǎn)生與科學(xué)家的思維共鳴。教學(xué)難點1.克里克的T4噬菌體實驗

2、。2.尼倫伯格和馬太設(shè)計的蛋白質(zhì)體外合成實驗。3.   教學(xué)用具 多媒體4.   標(biāo)簽 生物,教案   教學(xué)過程 情境創(chuàng)設(shè)在第1節(jié)我們學(xué)習(xí)了有關(guān)基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程，我們知道了核酸中的堿基序列就是遺傳信息，翻譯實際上就是將mRNA中的堿基序列翻譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列，那堿基序列與氨基酸序列是如何對應(yīng)的呢？就是通過密碼子。（呈現(xiàn)密碼子表）現(xiàn)在大家已經(jīng)十分清楚了這些遺傳密碼，而當(dāng)時是經(jīng)過許多科學(xué)家艱辛的思考和探索，最后被幾個年輕人的富有創(chuàng)新的實驗才破譯的，這個過程充滿了思維的智慧。那這些遺傳密碼是怎樣被破譯的呢？讓我們重新重溫一下這段

3、科學(xué)史，追尋科學(xué)家探索的足跡，對我們的思維會有好的啟迪作用的。師生互動1.研究背景在孟德爾遺傳規(guī)律于1900年被再次證實之后，許多科學(xué)家投入到遺傳問題的研究上來，試圖揭示基因的本質(zhì)和作用原理。1941年比德爾（G.Beadle）和塔特姆（E.Tatum）的工作則強有力地證明了基因突變引起了酶的改變，而且每一種基因一定控制著一種特定酶的合成，從而提出了一個基因一種酶的假說。人們逐步地認(rèn)識到基因和蛋白質(zhì)的關(guān)系。“中心法則”提出后更為明確地指出了遺傳信息傳遞的方向，總體上來說是從DNARNA蛋白質(zhì)。那DNA和蛋白質(zhì)之間究竟是什么關(guān)系？或者說DNA是如何決定蛋白質(zhì)？這個有趣而深奧的問題在五十年代末就開

4、始引起了一批研究者的極大興趣。1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的什么是生命一書中就大膽地預(yù)言，染色體是由一些同分異構(gòu)的單體分子連續(xù)所組成。這種連續(xù)體的精確性組成了遺傳密碼。他認(rèn)為同分異構(gòu)單體可能作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個符號：“·”“”，通過排列組合來儲存遺傳信息。那什么是莫爾斯電碼呢？我們來看下面的資料：莫爾斯電碼，是由美國畫家和電報發(fā)明人莫爾斯于1838年發(fā)明的一套有“點”和“劃”構(gòu)成的系統(tǒng)，通過“點”和“劃”間隔的不同排列順序來表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點符號。1844年在美國國會的財政支持下，莫爾斯開設(shè)了從馬里蘭州的巴爾地摩到美國首都華盛頓的第一條使用“莫爾斯碼”通信

5、的電報線路，1851年，在歐洲國家有關(guān)方面的支持下，莫爾斯碼經(jīng)過簡化，以后就一直成為國際通用標(biāo)準(zhǔn)通信電碼。電報的發(fā)明、莫爾斯碼的使用改變了人類社會的面貌。隨著社會的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展，有更先進(jìn)的通信方式在等待著我們使用，但電報“莫爾斯”碼通信在業(yè)余無線電中占有重要的地位。國際電信聯(lián)盟制定的“無線電規(guī)則”中明確指出：任何人請求領(lǐng)取使用業(yè)余電臺設(shè)備執(zhí)照，都應(yīng)該證明其能夠準(zhǔn)確地用手發(fā)和用耳接收“莫爾斯”電碼信號組成的電文。雖然今天計算機技術(shù)給自動或半自動收發(fā)電報創(chuàng)造了條件，但每一位真正的愛好者仍必須并且也可以通過自我訓(xùn)練掌握人工收發(fā)報技術(shù)。莫爾斯電碼本身并無機密可言，它僅僅只是一種工具。·：

6、短音念作“滴（di）”：長音念作“答（da）”請根據(jù)莫爾斯電碼表，將書本中問題探討中的那段電文譯成英文。（學(xué)生：翻譯后是：where are genes located）你能用莫爾斯電碼來回答這個問題嗎？（學(xué)生：··/·/·基因位于DNA上）很好，我們通過莫爾斯電碼大致體驗了“翻譯”的過程，無論從電文譯成英文還是從英文譯成電文都離不開莫爾斯密碼表，而我們知道后來被確認(rèn)的蛋白質(zhì)的合成過程中也正是有類似這樣的密碼子。而當(dāng)時遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是尚未明確的，十年后DNA雙螺旋模型才得以建立，在這樣的背景下能將遺傳信息設(shè)想成一種電碼式的遺傳密碼形式，實在是一種超越

7、時代的遠(yuǎn)見卓識。到1953年雙螺旋模型的建立，給予科學(xué)家們以很大的激勵。破譯遺傳密碼也就成了勢在必行的工作。要破譯一個未知的密碼，一般的思路就是比較編碼的信息，即密碼和相應(yīng)的譯文。對于遺傳密碼來說最簡單的破譯方法應(yīng)是將DNA順序或mRNA順序和多肽相比較。但和一般破譯密碼不同的是，遺傳信息的譯文蛋白質(zhì)的順序是已知的，未知的都是密碼。1954年Sanger用紙層析分析了胰島素的結(jié)構(gòu)后，對蛋白質(zhì)的氨基酸序列了解得越來越多。但是直到1965年前后經(jīng)歷了十年時間，多位科學(xué)家的執(zhí)著研究才破譯了密碼，其中最為重要的幾項工作其思路之新穎、方法之精巧都閃爍著科學(xué)的智慧之光。2.遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索1

8、954年科普作家伽莫夫G.Gamor對破譯密碼首先提出了挑戰(zhàn)。他以著有奇異王國的湯姆金斯等優(yōu)秀的科學(xué)幻想作品而著稱，具有豐富的想象力，但他不是一位實驗科學(xué)家，所以只能從理論上來嘗試密碼的解讀。當(dāng)年，他在自然Nature雜志首次發(fā)表了遺傳密碼的理論研究的文章，指出“氨基酸正好按DNA的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)入各自的洞穴”。他設(shè)想：若一種堿基與一種氨基酸對應(yīng)的話，那么只可能產(chǎn)生4種氨基酸，而已知天然的氨基酸約有20種，因此不可由一個堿基編碼一種氨基酸。若2個堿基編碼一種氨基酸的話，4種堿基共有42=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個堿基編碼一種氨基酸的就可以解決問題。雖然4個堿基組

9、成三聯(lián)密碼，經(jīng)排列組合可產(chǎn)生43=64種不同形式，要比20種氨基酸大兩倍多。但若是四聯(lián)密碼，就會產(chǎn)生44=256種排列組合。相比之下只有三聯(lián)體（triplet）較為符合20種氨基酸。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的，后來的實驗證實這一推測是完全正確的。接下來，人們不禁又要問在三聯(lián)體中的每個堿基作為信息只讀一次還是重復(fù)閱讀呢？以重疊和非重疊方式閱讀DNA序列會有什么不同呢？呈現(xiàn)圖片（課本P74“以重疊和非重疊方式閱讀DNA序列”），思考：當(dāng)圖中的DNA的第三個堿基T發(fā)生改變時，如果密碼子是非重疊的，這一改變將影響多少個氨基酸？（學(xué)生：將可能影響1個氨基酸）如果密碼子是重疊的，這一

10、改變又將影響多少個氨基酸？（學(xué)生：將可能影響3個氨基酸）當(dāng)圖中的DNA的第三個堿基T后插入一個堿基A的話，如果密碼子是非重疊的，這一改變將影響多少個氨基酸？（學(xué)生：將會影響后面所有的氨基酸）如果插入兩個堿基呢？（學(xué)生：也會影響后面所有的氨基酸）如果插入3個堿基呢？（學(xué)生：將會在原氨基酸序列中多一個氨基酸）當(dāng)圖中的DNA的第三個堿基T后插入一個堿基A的話，如果密碼子是重疊的，這一改變將影響多少個氨基酸？插入2個、3個氨基酸呢？（學(xué)生：如果插入1個堿基，影響3個氨基酸，多肽比原正常多肽多1個氨基酸）（學(xué)生：如果插入2個堿基，影響4個氨基酸，多肽比原正常多肽多2個氨基酸）（學(xué)生：如果插入3個堿基，影

11、響5個氨基酸，多肽比原正常多肽多3個氨基酸）如果從效率上來考慮，你覺得哪種閱讀方式效率更高呢？伽莫夫也許是考慮到效率的問題，認(rèn)為一個堿基可能被重復(fù)讀多次，也就是說遺傳密碼的閱讀是完全重疊的，因此氨基酸數(shù)目和核苷酸數(shù)目存在著一對一的關(guān)系。這一假定非常簡潔地解釋了核苷酸間距和多肽鏈上鄰接氨基酸的間距（0.36 nm）之間顯示了明顯的相關(guān)性。若真如此，重疊密碼對多肽鏈上氨基酸的序列就形成了一種限制。例如，具有完全重疊密碼的密碼子ATC，后面接著的密碼子一定是TC開頭，那么相應(yīng)的氨基酸的順序也會受到限制。再者若是重疊密碼，那么任何一個堿基的突變都會影響到相連的3個重疊密碼子，即三個氨基酸都會發(fā)生改變，

12、但事實并非如此。1957年Brenner.S發(fā)表了一篇令人興奮的理論文章，他通過蛋白質(zhì)的氨基酸順序分析，發(fā)現(xiàn)不存在氨基酸的鄰位限制作用，從而否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性。同時人們也發(fā)現(xiàn)在鐮刀型細(xì)胞貧血的例子中，血紅蛋白中僅有一個氨基酸發(fā)生改變。說明伽莫夫的后一推論是錯誤的。這就是智者千慮，必有一失。很多著名的科學(xué)家也有過類似的失誤。在資料較少的情況下，對未知的真理作出推斷，難免會發(fā)生偏差，但瑕不掩瑜，人們對他們的那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新的精神，巧妙的構(gòu)思仍敬佩不已。3.遺傳密碼子的驗證（克里克的實驗）三聯(lián)密碼是否真實存在呢？如果真實存在，那么共有64個密碼子，而氨基酸只有20種，那么多余的

13、44種有何用處呢？1957年克里克Crick等為了解釋這個問題提出了一個設(shè)想。首先認(rèn)為如AAA，GGG，CCC，TTT這四個三聯(lián)體，分別由相同的堿基構(gòu)成，解讀的起始位置有可能發(fā)生差錯，因此可能是“無義”密碼子。這樣余下的只有60個密碼子。接著他們又設(shè)想，例如ATT和GCA若分別編碼氨基酸a和b，若這兩個密碼子連續(xù)排列成ATTGCAATT在起讀時若發(fā)生錯位就會產(chǎn)生TTG，TGC，CAA和AAT等順序就是錯讀，這些錯讀的重疊密碼也是無意義的，也就是說一個順序有3種讀法，其中只有一種是有意義的，而其余的兩種都是無義密碼，這樣（60×1/3=20）有義密碼子只有20個，似乎是很圓滿地解釋了氨

14、基酸數(shù)目和密碼子總數(shù)之間的矛盾，但后來的實驗證明，此設(shè)想也是重蹈Gemor的覆轍。直到1961年克里克Crick和Brenner.S等設(shè)計了一個實驗，有力地證實了三聯(lián)密碼的真實性。他們用T4噬菌體染色體上的一個基因通過用原黃素處理，可以使DNA脫落或插入單個堿基，插入叫“加字”突變，脫落叫“減字”突變，無論加字和減字都可以引起移碼突變。Crick小組用這種方法獲得一系列的T4噬菌體“加字”和“減字”突變，再進(jìn)行雜交來獲得加入或減少一個、兩個、三個的不同堿基數(shù)的系列突變。通過這樣的方法他們發(fā)現(xiàn)加入或減少一個和兩個堿基都會引起噬菌體突變，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白，而加入或減少3個堿基時卻可以合成正常

15、功能的蛋白質(zhì)，為什么會這樣呢？我們結(jié)合課本P74上的有關(guān)句子中插入英語字母對語句產(chǎn)生的變化來理解，進(jìn)行類比分析?？死锟擞脤嶒灥慕Y(jié)果證明每個密碼的確是由3個堿基組成的?？死锟藢z傳密碼提出了4個特點：（1）3個堿基一組，編碼一個氨基酸。（2）密碼是不重疊的。（3）堿基的順序是從固定起點解讀的。（4）密碼是簡并的，即某個特定的氨基酸可以由幾個堿基三聯(lián)體來編碼。否定了他們以前的解釋，即64種密碼子中只有20種編碼，其余的44種都是無意的這一推測。從他們的實驗結(jié)果來看，如果以前的解釋是正確的話，那么任何移碼突變都將是無義突變，那么T4噬菌體突變體的那個區(qū)域應(yīng)當(dāng)很小，但其實不然，發(fā)生移碼仍可翻譯，只不過

16、肽鏈的順序發(fā)生很大的改變，而不是產(chǎn)生很短的肽鏈。4.遺傳密碼對應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)那如何找出64種密碼子到底對應(yīng)哪種氨基酸呢？在美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）從事研究工作的青年科學(xué)家尼倫伯格M.W.Nirenberg在讀到第一篇發(fā)現(xiàn)mRNA的報道之后，就決定計劃建立一種無細(xì)胞反應(yīng)系統(tǒng)，來揭開遺傳密碼之謎。他們的方法和思路與克里克的完全不同，他們采用的體外合成蛋白質(zhì)的技術(shù)（呈現(xiàn)書中蛋白質(zhì)體外合成的實驗示意圖）：（1）去模板：用DNA酶處理細(xì)胞抽提物，使DNA降解，除去原有的細(xì)胞模板。在抽提物含有核糖體、ATP及各種氨基酸，除mRNA以外，是一個完整的翻譯系統(tǒng)。由于DNA被降解，所以不再轉(zhuǎn)錄新的mRNA，即

17、使原來殘留的mRNA因其半衰期很短，也很快會降解掉。（2）加入polyU：Nirenberg成功地破壞了翻譯系統(tǒng)中的內(nèi)源mRNA，這樣從理論上來說若加入任何外源mRNA就可以按新的信息合成蛋白。他們采用了多核苷酸磷酸化酶，僅以尿苷二磷酸為底物，人工合成polyU。當(dāng)他們把人工合成的polyU加入這種無細(xì)胞系統(tǒng)中代替天然的mRNA時，驚喜地發(fā)現(xiàn)果真合成了單一的多肽，即多聚苯丙氨酸，它的氨基酸殘基全是苯丙氨酸，這一結(jié)果不僅證實了無細(xì)胞系統(tǒng)的成功，同時還表明UUU是苯丙氨酸的密碼子。這是第一個遺傳密碼子被破譯。尼倫伯格的實驗巧妙之處在于利用無細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外合成蛋白質(zhì)，他這富有創(chuàng)新的實驗方法為他帶來

18、了重大的成功！請問為什么要去除細(xì)胞提取液中的DNA和mRNA？（學(xué)生：防止細(xì)胞原有的DNA和mRNA中的遺傳信息起作用干擾實驗結(jié)果）如果你是尼倫伯格，你將如何設(shè)計對照實驗，確保你的重大發(fā)現(xiàn)是正確的？（學(xué)生：在對照實驗中的所有試管中加入成分均不變，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸）實驗做到這里，你能想到其他的密碼如何破譯嗎？（學(xué)生：加入不同的人工合成的多聚核苷酸進(jìn)行實驗）很好，尼倫伯格也用同樣的方法分別加入polyA、polyC和polyG結(jié)果相應(yīng)地獲得了多聚賴氨酸、多聚脯氨酸和多聚甘氨酸。Nirenberg利用無細(xì)胞系統(tǒng)體外合成蛋白質(zhì)不僅順利地破譯了4個密碼子，同時了證實了Crick等原先認(rèn)為AAA

19、，UUU，GGG，CCC是無義密碼子的推測是錯誤的。在接下來的六七年里，科學(xué)家沿著體外合成蛋白質(zhì)的思路，不斷地改進(jìn)實驗方法，破譯出了全部的密碼子，并編制出了密碼子表。這項工作成為生物學(xué)史上的一個偉大的里程碑！為人類探索和提示生命的本質(zhì)的研究向前邁進(jìn)一大步，為后面分子遺傳生物學(xué)的發(fā)展有著重要的推動作用。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。教師精講我們注意整個破譯過程中科學(xué)家思維的變化，薛定諤是以富有遠(yuǎn)見卓識的大膽的想象來預(yù)測遺傳密碼的形式的，伽莫夫通過數(shù)學(xué)的排列組合的計算來推測密碼子是由三個堿基組成的，同時他也預(yù)測了密碼的閱讀方式，盡管智者千慮，必有一失，但巧妙

20、的構(gòu)思依然顯示了其睿智和創(chuàng)新?？死锟藙t是巧妙地設(shè)計實驗，利用原黃素處理噬菌體，使DNA脫落或插入單個堿基的方法從實驗上證明了伽莫夫的三聯(lián)體密碼子的推測，由理論走向?qū)嶒?，為密碼子的破譯邁出重要的一步。而尼倫伯格的實驗則更富有創(chuàng)新性，他建立巧妙的無細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外蛋白質(zhì)合成，成功地破譯了第一個密碼子，隨后的方法不斷創(chuàng)新最終破譯了所有的密碼子。他的貢獻(xiàn)不僅僅在于對遺傳密碼的破譯，更重要的也在對生物研究方法上開啟了新的思維方式。歸結(jié)起來，我們看到，敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新是科學(xué)家的重要素養(yǎng)，也正如尼倫伯格在1968年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎時說過：一個善于捕捉細(xì)節(jié)的人才是能領(lǐng)略事物真諦的人。 

21、  課堂小結(jié) 本節(jié)的主要內(nèi)容是遺傳密碼的破譯過程。自從“一基因一酶”學(xué)說建立（1941年）以后，人們逐步地認(rèn)識到基因和蛋白的關(guān)系。“中心法則”提出后更為明確地指出了遺傳信息傳遞的方向，總體上來說是從DNARNA蛋白質(zhì)。那DNA和蛋白質(zhì)之間究竟是什么關(guān)系？或者說DNA是如何決定蛋白質(zhì)？這個有趣而深奧的問題在20世紀(jì)50年代末就開始引起了一批研究者的極大興趣。早在遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)尚未確定之前，1944年理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的什么是生命一書中就大膽地預(yù)言，染色體是由一些同分異構(gòu)的單體分子連續(xù)所組成。這種連續(xù)體的精確性組成了遺傳密碼。他認(rèn)為同分異構(gòu)單體可能作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個符

22、號：“·”“”，通過排列組合來儲存遺傳信息。1954年科普作家伽莫夫G.Gamor對破譯密碼首先提出了挑戰(zhàn)，他用數(shù)學(xué)的方法推斷3個堿基編碼一個氨基酸。但人們不禁要問在三聯(lián)體中的每個堿基作為信息只讀一次還是重復(fù)閱讀呢？1957年Brenner.S發(fā)表理論文章，他通過蛋白質(zhì)的氨基酸順序分析，發(fā)現(xiàn)不存在氨基酸的鄰位限制作用，從而在理論上否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性。而克里克在1961年第一個用T4噬菌體實驗證明了遺傳密碼中3個堿基編碼一個氨基酸。同一年尼倫伯格和馬太利用無細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外重組破譯了第一個遺傳密碼。后來尼倫伯格和他的小組采用了一把鑰匙開一把鎖的思路，一舉破譯了全部的密碼。&

23、#160;   課后習(xí)題 1.在下列基因的改變中，合成出具有正常功能蛋白質(zhì)的可能性最大的是A.在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加一個堿基對B.在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加兩個堿基對C.在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加三個堿基對D.在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加四個堿基對解析：此題考查基因中堿基數(shù)量發(fā)生突變時對合成蛋白質(zhì)的影響，當(dāng)插入1、2的倍數(shù)個堿基時，都會對后面的所有的氨基酸有影響。當(dāng)插入3個堿基時，則可能對部分氨基酸有影響，所以C是最可能合成具有正常功能蛋白質(zhì)。答案：C2.最早提出3個堿基編碼一個氨基酸的科學(xué)家和首次用實驗的方法加以證明的科學(xué)家分別是A.克里克、伽莫夫