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文檔簡介
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)計的蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗。2運(yùn)用數(shù)學(xué)方法及實(shí)驗方法探究“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”的設(shè)計思路為突破口,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)驗方法,小組合作設(shè)計實(shí)驗方案,探究與體驗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)幾個堿基決定一個氨基酸的問題,請大家探討一下幾個堿基決定一個氨基酸?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個堿基編碼一種氨基酸就可以解決問題。4個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的第三個堿基(T)發(fā)生改變時,如果密碼是非重疊的,這一改變將影響多少個氨基酸?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個氨基酸;密碼是重疊的:3個氨基酸。2. 當(dāng)圖4-10中DNA的第三個堿基(T)后插入一個堿基A,時,如果密碼是非重疊的,這一改變將影響多少個氨基酸?如果密碼是重疊的,又將產(chǎn)生怎樣的影響?如果插入2個、3個堿基呢?提
5、示:如果密碼是非重疊的:插入1、2個堿基,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個堿基將會在原氨基酸序列中多一個氨基酸。如果密碼是重疊的: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;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;如果插入3個堿基:影響5個氨基酸,多肽比原正常多肽多3個氨基酸。(二)克里克的實(shí)驗證據(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,此時細(xì)胞提取液中含有核糖體、ATP及各種氨基酸,是一個完整的翻譯系統(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。利用這個實(shí)驗系統(tǒng),尼倫伯格和馬太設(shè)計了一個巧妙的實(shí)驗,破譯了第一個遺傳密碼,即UUU-苯丙氨酸。如果是你,如何設(shè)計實(shí)驗破譯遺傳密碼?提示:實(shí)驗提供有多個試管和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)計方案。實(shí)驗方案設(shè)計過程面臨3個問題:合成怎樣的RNA作為模板?需要一組還是多組
7、實(shí)驗?氨基酸怎樣加入?總結(jié):用單核苷酸人工合成RNA,分多個實(shí)驗組,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、3個或4個堿基為單位的重復(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?請設(shè)計實(shí)驗證明。提示:參考霍拉納的設(shè)計方法。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,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的密碼解讀順序為:UCA、GAC、UGC,則它不可以同時解讀為: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)一個核苷酸被異常核苷酸取代時,不會在肽鏈中影響到多個氨基酸。3簡并性絕大多數(shù)氨基酸具有2個以上不同的密碼子,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,同時又是起始密碼。三、例題精析: 例1:已知某tRNA一端的三個堿基序列是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上決定一個氨基酸的三個相鄰的堿基。(1)據(jù)理論推測,mRNA上的三個相鄰的堿基可以構(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,檢驗一個密碼子是否含有三個堿基。如果密碼子是連續(xù)翻譯的: 假如一個密碼子中含有兩個或四個堿基,則該RNA指導(dǎo)合成的多肽中應(yīng)由_種氨基酸組成。假如一個密碼子中含有三個堿
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,三個相鄰的堿基構(gòu)成一個密碼子,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,假如一個密碼子中含有兩個或四個堿基,則密碼子為CU或CUCU,決定一種氨基酸。假如一個密碼子中含有三個堿基,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、一個用實(shí)驗證明遺傳密碼中每相鄰三個堿基編碼一個氨基酸( )A伽莫夫 B克里克 C尼倫伯格 D馬太2 在一個DNA分子中如果插入了一個堿基對,則 ( )A不能轉(zhuǎn)錄 B在轉(zhuǎn)錄時造成插入點(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誤的是( )A能決定氨基酸的密碼子有64個BCTA肯定不
15、是密碼子C一種氨基酸可有一到多個對應(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 B20個 C61個 D64個71959年,人們終于實(shí)驗證實(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增添一個堿基 B減少一個堿基C改變一個堿基 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)的基因的某個位點(diǎn)上發(fā)
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