高中生物 第四章 基因的表達 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 4.3 遺傳密碼的破譯教學重點遺傳密碼的破譯過程。教學難點1尼倫伯格和馬太設計的蛋白質體外合成實驗。2運用數學方法及實驗方法探究“堿基與氨基酸的對應關系”。 教學策略本節(jié)的主要內容是遺傳密碼的破譯過程，是對本章第1節(jié)的重要補充。學生在第1節(jié)中已經學習了遺傳密碼，但并不了解遺傳密碼是如何破譯的，本節(jié)引導學生認識遺傳密碼的破譯過程，使學生通過這一研究過程學習其中蘊含的科學研究方法。1采用類比的學習方法，使復雜的問題更容易理解。2以分析“尼倫伯格和馬太實驗”的設計思路為突破口，初步理解遺傳密碼的破譯方法。教學方法探究式教學。引導學生通過數學方法推理和猜想“堿基與氨基酸的對應關系”

2、；根據科學資料，運用英語詞句類比推理“堿基與氨基酸的對應關系”；借鑒科學家的實驗方法，小組合作設計實驗方案，探究與體驗破譯遺傳密碼的方法和過程。教學過程 一、導入新課以“問題探討”導入本課的學習。教師引導學生思考P73“問題探討”，討論后回答問題。提示1： 根據莫爾思密碼表，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”和“劃”構成的系統(tǒng)，通過“點”和“劃”間隔的不同順序來表達不同的英文字母、數字和標點符號。（一）遺傳密碼的閱讀方式構成蛋白質的氨基酸有20種，而mRNA上的堿基只有4種，這就出現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？學生探討：若一種堿基與一種氨基酸對應的話，那么只可能產生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一種氨基酸。若2個堿基與一種氨基酸對應的話，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的話，就會產

4、生256種排列組合。相比較而言，只有三聯體較為符合20種氨基酸。過渡：人們不禁要問在三聯體中的每個堿基只讀一次還是重復閱讀呢？以重疊閱讀和非重疊方式閱讀DNA序列會有什么不同？教師引導學生閱讀P74圖4-10。思考與討論：1當圖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（無法產生正常功能的蛋白質），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）克里克的實驗證據（三）遺傳密碼對應規(guī)則的發(fā)現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的技術。制備去模板的細胞提取液：即除去DNA和mRNA，此時細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)現合成了單一的多肽，既多聚苯丙氨酸。這一結果不僅證實了無細胞系統(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驗系統(tǒng)，其中含有核糖體等合成蛋白質所需的各種成分。利用這個實驗系統(tǒng)，尼倫伯格和馬太設計了一個巧妙的實驗，破譯了第一個遺傳密碼，即UUU-苯丙氨酸。如果是你，如何設計實驗破譯遺傳密碼？提示：實驗提供有多個試管和20種氨基酸溶液學生根據資料內容，分組討論，大膽探究，設計方案。實驗方案設計過程面臨3個問題：合成怎樣的RNA作為模板？需要一組還是多組

7、實驗？氨基酸怎樣加入？總結：用單核苷酸人工合成RNA，分多個實驗組，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。引入科學資料材料3：1966年科學家霍拉納發(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，以它作人工信使進行蛋白質合成，結果發(fā)現產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？請設計實驗證明。提示：參考霍拉納的設計方法。學生小組討論、大膽設想、制定方案、對比分析。 學生設想：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，重復上述實驗，合成產物為谷氨酰胺、天冬酰胺和蘇氨酸的多聚體。將科學家和自己的實驗結果對比分析，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：1不間斷性 mRNA的三聯體密碼是連續(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)（能指導蛋白質合成的區(qū)域）的DNA序列或mRNA中間插入或刪除12個核苷酸，則其后的三聯體組合方式都會改變，不能合成正常的蛋白質。2不重疊性對于特定的三聯體密碼而言，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確無誤，并且，當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簡并性絕大多數氨基酸具有2個以上不同的密碼子，這一現象稱做簡并

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蛋白質的氨基酸序列改變。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，細菌、動物和植物等不同物種之間， 蛋白質合成機制及其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，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，它轉運的是亮氨酸，那么決定此氨基酸的密碼子是下面哪個堿基序列轉錄來的？ （ ）AGAT BGAU CC

11、UA DCTA解析：從轉錄、翻譯逆行推理。tRNA的特定的三個堿基是GAU，那么根據堿基互補配對原則，決定此氨基酸的mRNA上的密碼子是CUA。mRNA是由DNA轉錄而來的，所以mRNA上CUA是由DNA上的GAT轉錄來的。答案：A例2：揭示基因化學本質的表述是（ ）A基因是遺傳物質的功能單位B基因是有遺傳效應的DNA片段C基因是蘊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，從遺傳學角度，基因是控制生物性狀的遺傳物質的結構和功能單位；從細胞學角度，基因在染色體上呈線性排列；從分子學角度，基因是具有遺傳效應的DNA片段，這也就揭示了基因的化學本質是DNA。答案：B例3：

12、科學家已經證明密碼子是mRNA上決定一個氨基酸的三個相鄰的堿基。（1）據理論推測，mRNA上的三個相鄰的堿基可以構成_種排列方式，實際上決定氨基酸的密碼子共有_種。（2）第一個被科學家破譯的是決定苯丙氨酸的密碼子UUU。1959年，科學家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，這里一定的條件應是_。（3）繼上述實驗后，又有科學家用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指導合成的多肽中應由_種氨基酸組成。假如一個密碼子中含有三個堿

13、基，則該RNA指導合成的多肽鏈中應由_種氨基酸組成。解析：（1）mRNA上堿基共有A、G、C、U四種，三個相鄰的堿基構成一個密碼子，根據數學原理應有43即64種。這其中有三種是終止密碼子，實際上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1下列哪位科學家第

14、一個用實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不能轉錄 B在轉錄時造成插入點以前的遺傳密碼改變C不能翻譯 D在轉錄時造成插入點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的密碼子D同一密碼子在人和猴子細胞中可決定同一種氨基酸6組成人體蛋白質的20種氨基酸所對應的密碼子共有A4個 B20個 C61個 D64個71959年，人們終于實驗證實了三聯體的密碼，現用人工制成的CUCUCUCU這樣一條多核苷酸鏈，給予適當的條件（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。經研究發(fā)現，在編碼某蛋白質的基因的某個位點上發(fā)