高中生物 第四章 基因的表達(dá) 4.3 遺傳密碼的破譯教案 新人教版必修2

1、第四章 基因的表達(dá) 4.3 遺傳密碼的破譯教學(xué)重點(diǎn)遺傳密碼的破譯過程。教學(xué)難點(diǎn)1尼倫伯格和馬太設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)。2運(yùn)用數(shù)學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)方法探究“堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系”。 教學(xué)策略本節(jié)的主要內(nèi)容是遺傳密碼的破譯過程，是對本章第1節(jié)的重要補(bǔ)充。學(xué)生在第1節(jié)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了遺傳密碼，但并不了解遺傳密碼是如何破譯的，本節(jié)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識遺傳密碼的破譯過程，使學(xué)生通過這一研究過程學(xué)習(xí)其中蘊(yùn)含的科學(xué)研究方法。1采用類比的學(xué)習(xí)方法，使復(fù)雜的問題更容易理解。2以分析“尼倫伯格和馬太實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)思路為突破口，初步理解遺傳密碼的破譯方法。教學(xué)方法探究式教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生通過數(shù)學(xué)方法推理和猜想“堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系”

2、；根據(jù)科學(xué)資料，運(yùn)用英語詞句類比推理“堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系”；借鑒科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)方法，小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究與體驗(yàn)破譯遺傳密碼的方法和過程。教學(xué)過程 一、導(dǎo)入新課以“問題探討”導(dǎo)入本課的學(xué)習(xí)。教師引導(dǎo)學(xué)生思考P73“問題探討”，討論后回答問題。提示1： 根據(jù)莫爾思密碼表，將書本中用莫爾思密碼編寫的問題譯成英文就是：where are genes located。二、新課教學(xué)要破譯一個(gè)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。對遺傳密碼來說最簡單的破譯方法就是將DNA順序或mRNA順序和多肽相比較。但和一般的破譯密碼不同的是，遺傳信息的譯文蛋白質(zhì)的順序是已知的，未知的都是

3、密碼。莫爾思密碼是由美國畫家和電報(bào)發(fā)明人發(fā)明的一套有“點(diǎn)”和“劃”構(gòu)成的系統(tǒng)，通過“點(diǎn)”和“劃”間隔的不同順序來表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號。（一）遺傳密碼的閱讀方式構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種，而mRNA上的堿基只有4種，這就出現(xiàn)幾個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸的問題，請大家探討一下幾個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸？學(xué)生探討：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，而已知的天然氨基酸有20種，因此不可由一種堿基對應(yīng)一種氨基酸。若2個(gè)堿基與一種氨基酸對應(yīng)的話，4種堿基共有16種不同的排列組合，也不足以編碼20種氨基酸。3個(gè)堿基編碼一種氨基酸就可以解決問題。4個(gè)堿基與一種氨基酸對應(yīng)的話，就會產(chǎn)

4、生256種排列組合。相比較而言，只有三聯(lián)體較為符合20種氨基酸。過渡：人們不禁要問在三聯(lián)體中的每個(gè)堿基只讀一次還是重復(fù)閱讀呢？以重疊閱讀和非重疊方式閱讀DNA序列會有什么不同？教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀P74圖4-10。思考與討論：1當(dāng)圖4-10中DNA的第三個(gè)堿基（T）發(fā)生改變時(shí)，如果密碼是非重疊的，這一改變將影響多少個(gè)氨基酸？如果密碼是重疊的，又將產(chǎn)生怎樣的影響？提示：密碼是非重疊的：1個(gè)氨基酸；密碼是重疊的：3個(gè)氨基酸。2. 當(dāng)圖4-10中DNA的第三個(gè)堿基（T）后插入一個(gè)堿基A，時(shí)，如果密碼是非重疊的，這一改變將影響多少個(gè)氨基酸？如果密碼是重疊的，又將產(chǎn)生怎樣的影響？如果插入2個(gè)、3個(gè)堿基呢？提

5、示：如果密碼是非重疊的：插入1、2個(gè)堿基，將會影響后面所有的氨基酸（無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)），插入3個(gè)堿基將會在原氨基酸序列中多一個(gè)氨基酸。如果密碼是重疊的：如果插入1個(gè)堿基，影響3個(gè)氨基酸，多肽比原正常多肽多1個(gè)氨基酸；如果插入2個(gè)堿基：影響4個(gè)氨基酸，多肽比原正常多肽多2個(gè)氨基酸；如果插入3個(gè)堿基：影響5個(gè)氨基酸，多肽比原正常多肽多3個(gè)氨基酸。（二）克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)（三）遺傳密碼對應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)馬太和尼倫伯格和克里克的方法和思路完全不同，他們采用的體外合成蛋白質(zhì)的技術(shù)。制備去模板的細(xì)胞提取液：即除去DNA和mRNA，此時(shí)細(xì)胞提取液中含有核糖體、ATP及各種氨基酸，是一個(gè)完整的翻譯系統(tǒng)。加入

6、多聚尿嘧啶核苷酸代替天然的mRNA，發(fā)現(xiàn)合成了單一的多肽，既多聚苯丙氨酸。這一結(jié)果不僅證實(shí)了無細(xì)胞系統(tǒng)的成功，也說明UUU是苯丙氨酸的密碼子。資料2：1961年，尼倫伯格和馬太利用大腸桿菌的破碎細(xì)胞溶液，建立了一種利用人工合成的RNA在試管里合成多肽鏈的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中含有核糖體等合成蛋白質(zhì)所需的各種成分。利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，尼倫伯格和馬太設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，破譯了第一個(gè)遺傳密碼，即UUU-苯丙氨酸。如果是你，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)破譯遺傳密碼？提示：實(shí)驗(yàn)提供有多個(gè)試管和20種氨基酸溶液學(xué)生根據(jù)資料內(nèi)容，分組討論，大膽探究，設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程面臨3個(gè)問題：合成怎樣的RNA作為模板？需要一組還是多組

7、實(shí)驗(yàn)？氨基酸怎樣加入？總結(jié)：用單核苷酸人工合成RNA，分多個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別加入不同的氨基酸，即可破譯UUU-苯丙氨酸。上述方法只能確定4種氨基酸的遺傳密碼，即只能破譯AAA是賴氨酸的密碼子，CCC是脯氨酸的密碼子，GGG是甘氨酸的密碼子，UUU是苯丙氨酸的密碼子。所以密碼子中肯定還有2種或3種堿基組合的情況。引入科學(xué)資料材料3：1966年科學(xué)家霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，通過這種方法合成的RNA可以是2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)堿基為單位的重復(fù)序列，例如：將A、C兩種核苷酸縮合為ACACACACAC長鏈，以它作人工信使進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是蘇氨酸和組氨酸的多聚體，說明蘇氨酸的密碼子可能是AC

8、A，也可能是CAC；同樣，組氨酸的密碼子可能是CAC，也可能是ACA。如何證明組氨酸和蘇氨酸的密碼子是ACA還是CAC呢？請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明。提示：參考霍拉納的設(shè)計(jì)方法。學(xué)生小組討論、大膽設(shè)想、制定方案、對比分析。 學(xué)生設(shè)想：再用類似的方法合成含有蘇氨酸或組氨酸的多聚體，如果其模板RNA上有ACA或CAC，即可確定方案：如合成（CAA）n長鏈，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，合成產(chǎn)物為谷氨酰胺、天冬酰胺和蘇氨酸的多聚體。將科學(xué)家和自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析，即可確定ACA是蘇氨酸的密碼子，CAC是組氨酸的密碼子。運(yùn)用此類方法就可以破譯其他氨基酸的遺傳密碼。所有遺傳密碼破譯之后就得到了課本第65頁的密碼子表。（四）遺傳密

9、碼的特點(diǎn)：1不間斷性 mRNA的三聯(lián)體密碼是連續(xù)排列的，相鄰密碼之間無核苷酸間隔。所以若在某基因編碼區(qū)（能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的區(qū)域）的DNA序列或mRNA中間插入或刪除12個(gè)核苷酸，則其后的三聯(lián)體組合方式都會改變，不能合成正常的蛋白質(zhì)。2不重疊性對于特定的三聯(lián)體密碼而言，其中的每個(gè)核苷酸都具有不重疊性。例如如果RNA分子UCAGACUGC的密碼解讀順序?yàn)椋篣CA、GAC、UGC，則它不可以同時(shí)解讀為：UCA、CAG、AGA、GAC等，不重疊性使密碼解讀簡單而準(zhǔn)確無誤，并且，當(dāng)一個(gè)核苷酸被異常核苷酸取代時(shí)，不會在肽鏈中影響到多個(gè)氨基酸。3簡并性絕大多數(shù)氨基酸具有2個(gè)以上不同的密碼子，這一現(xiàn)象稱做簡并

10、性，編碼相同氨基酸的密碼子稱同義密碼子。由于兼并性，某些DNA堿基變化不會引起相應(yīng)蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變。4通用性除線粒體的個(gè)別密碼外，生物界通用一套遺傳密碼，細(xì)菌、動物和植物等不同物種之間， 蛋白質(zhì)合成機(jī)制及其mRNA都是可以互換的。例如，真核生物的基因可以在原核生物中表達(dá)，反之亦然。5起始密碼與終止密碼 UAG、UAA、UGA為終止密碼，它們不為任何氨基酸編碼，而代表蛋白質(zhì)翻譯的終止。AUG是甲硫氨酸的密碼，同時(shí)又是起始密碼。三、例題精析： 例1：已知某tRNA一端的三個(gè)堿基序列是GAU，它轉(zhuǎn)運(yùn)的是亮氨酸，那么決定此氨基酸的密碼子是下面哪個(gè)堿基序列轉(zhuǎn)錄來的？ （ ）AGAT BGAU CC

11、UA DCTA解析：從轉(zhuǎn)錄、翻譯逆行推理。tRNA的特定的三個(gè)堿基是GAU，那么根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，決定此氨基酸的mRNA上的密碼子是CUA。mRNA是由DNA轉(zhuǎn)錄而來的，所以mRNA上CUA是由DNA上的GAT轉(zhuǎn)錄來的。答案：A例2：揭示基因化學(xué)本質(zhì)的表述是（ ）A基因是遺傳物質(zhì)的功能單位B基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段C基因是蘊(yùn)含遺傳信息的核苷酸序列D基因在染色體上呈線性排列解析：考查基因的概念，從遺傳學(xué)角度，基因是控制生物性狀的遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能單位；從細(xì)胞學(xué)角度，基因在染色體上呈線性排列；從分子學(xué)角度，基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，這也就揭示了基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA。答案：B例3：

12、科學(xué)家已經(jīng)證明密碼子是mRNA上決定一個(gè)氨基酸的三個(gè)相鄰的堿基。（1）據(jù)理論推測，mRNA上的三個(gè)相鄰的堿基可以構(gòu)成_種排列方式，實(shí)際上決定氨基酸的密碼子共有_種。（2）第一個(gè)被科學(xué)家破譯的是決定苯丙氨酸的密碼子UUU。1959年，科學(xué)家MNireber和SOchoa用人工合成只含U的RNA為模板，在一定條件下合成只有苯丙氨酸組成的多肽，這里一定的條件應(yīng)是_。（3）繼上述實(shí)驗(yàn)后，又有科學(xué)家用C、U兩種堿基相同排列的mRNA為模板，檢驗(yàn)一個(gè)密碼子是否含有三個(gè)堿基。如果密碼子是連續(xù)翻譯的： 假如一個(gè)密碼子中含有兩個(gè)或四個(gè)堿基，則該RNA指導(dǎo)合成的多肽中應(yīng)由_種氨基酸組成。假如一個(gè)密碼子中含有三個(gè)堿

13、基，則該RNA指導(dǎo)合成的多肽鏈中應(yīng)由_種氨基酸組成。解析：（1）mRNA上堿基共有A、G、C、U四種，三個(gè)相鄰的堿基構(gòu)成一個(gè)密碼子，根據(jù)數(shù)學(xué)原理應(yīng)有43即64種。這其中有三種是終止密碼子，實(shí)際上mRNA上決定氨基酸的密碼子共有61種。（2）這里一定的條件是指基因控制蛋白質(zhì)合成的第二階段既翻譯階段所需條件。（3）C、U兩種堿基相間排列，假如一個(gè)密碼子中含有兩個(gè)或四個(gè)堿基，則密碼子為CU或CUCU，決定一種氨基酸。假如一個(gè)密碼子中含有三個(gè)堿基，則密碼子CUC、UCU，決定兩種氨基酸。答案：（1）4364 61 （2）tRNA、氨基酸、能量、酶、核糖體等 （3）1 2 四、課后練習(xí)1下列哪位科學(xué)家第

14、一個(gè)用實(shí)驗(yàn)證明遺傳密碼中每相鄰三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸（ ）A伽莫夫 B克里克 C尼倫伯格 D馬太2 在一個(gè)DNA分子中如果插入了一個(gè)堿基對，則 （ ）A不能轉(zhuǎn)錄 B在轉(zhuǎn)錄時(shí)造成插入點(diǎn)以前的遺傳密碼改變C不能翻譯 D在轉(zhuǎn)錄時(shí)造成插入點(diǎn)以后的遺傳密碼改變3 A、C、G各表示核酸的一個(gè)基本單位，則“ACG”表示的一定不是（ ）A基因 B密碼子 C反密碼子 D遺傳信息4如果DNA分子模板鏈上的TAA變成了TAC，那么相應(yīng)的遺傳密碼將會 （ ）A由AUU變?yōu)锳UG B由UUA變?yōu)閁ACC由AUG變?yōu)锳UU D由UAA變?yōu)閁AC5關(guān)于密碼子的敘述中錯(cuò)誤的是（ ）A能決定氨基酸的密碼子有64個(gè)BCTA肯定不

15、是密碼子C一種氨基酸可有一到多個(gè)對應(yīng)的密碼子D同一密碼子在人和猴子細(xì)胞中可決定同一種氨基酸6組成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸所對應(yīng)的密碼子共有A4個(gè) B20個(gè) C61個(gè) D64個(gè)71959年，人們終于實(shí)驗(yàn)證實(shí)了三聯(lián)體的密碼，現(xiàn)用人工制成的CUCUCUCU這樣一條多核苷酸鏈，給予適當(dāng)?shù)臈l件（即供給核糖體、腺苷三磷酸、酶和20種氨基酸），最多可形成幾種氨基酸構(gòu)成的多肽鏈 （ ）A1 B2 C3 D48在基因中發(fā)生下列哪一種情況的突變最可能不導(dǎo)致性狀改變 （ ）A增添一個(gè)堿基 B減少一個(gè)堿基C改變一個(gè)堿基 D增添或減少一組堿基9幾種氨基酸可能的密碼子如下。甘氨酸：GGU、GGC、GGA、GGG；纈氨酸：GUU、GUC、GUA、GUG；甲硫氨酸：AUG。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在編碼某蛋白質(zhì)的基因的某個(gè)位點(diǎn)上發(fā)