遗传密码的破译教学设计教案精编.pdf

《遗传密码的破译教学设计教案精编.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《遗传密码的破译教学设计教案精编.pdf（10页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、教学准备 1. 教学目标 1. 知识与技能 （1）说出遗传密码的阅读方式。 （2）说出遗传密码的破译过程，包括伽莫夫的三联体推断，克里克的实验证据，尼 伦伯格和马太的蛋白质的体外合成实验。 2. 过程与方法 （1）感受和重温科学家的思维历程。 （2）类比的学习方法。 3. 情感态度与价值观 （1）对科学家那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神还有那种巧妙的构思表达敬佩。 （2）认同遗传密码的破译对生物学发展的重要意义。 2. 教学重点 / 难点 教学重点 遗传密码的破译过程，引导学生感受这种思维过程并产生与科学家的思维共鸣。 教学难点 1. 克里克的T4 噬菌体实验。 2. 尼伦伯格和马太设计的蛋白

2、质体外合成实验。 3. 教学用具 多媒体 4. 标签 生物 , 教案 教学过程 情境创设 在第 1 节我们学习了有关基因指导蛋白质合成的过程，我们知道了核酸中的碱 基序列就是遗传信息，翻译实际上就是将mRNA 中的碱基序列翻译为蛋白质的氨 基酸序列，那碱基序列与氨基酸序列是如何对应的呢？就是通过密码子。（呈 现密码子表） 现在大家已经十分清楚了这些遗传密码，而当时是经过许多科学家艰辛的思考 和探索，最后被几个年轻人的富有创新的实验才破译的，这个过程充满了思维 的智慧。那这些遗传密码是怎样被破译的呢？让我们重新重温一下这段科学史， 追寻科学家探索的足迹，对我们的思维会有好的启迪作用的。 师生互动

3、 1. 研究背景 在孟德尔遗传规律于1900 年被再次证实之后，许多科学家投入到遗传问题的研 究上来，试图揭示基因的本质和作用原理。 1941年比德尔（ G.Beadle）和塔特姆（ E.Tatum）的工作则强有力地证明了基 因突变引起了酶的改变，而且每一种基因一定控制着一种特定酶的合成，从而 提出了一个基因一种酶的假说。人们逐步地认识到基因和蛋白质的关系。 “中心法则”提出后更为明确地指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从 DNA RNA 蛋白质。那 DNA 和蛋白质之间究竟是什么关系？或者说DNA 是如何 决定蛋白质？这个有趣而深奥的问题在五十年代末就开始引起了一批研究者的 极大兴趣。

4、1944年，理论物理学家薛定谔发表的什么是生命一书中就大胆地预言，染 色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗 传密码。他认为同分异构单体可能作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号： “”“”，通过排列组合来储存遗传信息。 那什么是莫尔斯电码呢？我们来看下面的资料： 莫尔斯电码，是由美国画家和电报发明人莫尔斯于1838 年发明的一套有“点” 和“划”构成的系统，通过“点”和“划”间隔的不同排列顺序来表达不同的 英文字母、数字和标点符号。1844年在美国国会的财政支持下，莫尔斯开设了 从马里兰州的巴尔地摩到美国首都华盛顿的第一条使用“莫尔斯码”通信的电 报线路， 1851

5、年，在欧洲国家有关方面的支持下，莫尔斯码经过简化，以后就 一直成为国际通用标准通信电码。电报的发明、莫尔斯码的使用改变了人类社 会的面貌。随着社会的进步、科学的发展，有更先进的通信方式在等待着我们 使用，但电报“莫尔斯”码通信在业余无线电中占有重要的地位。国际电信联 盟制定的“无线电规则”中明确指出：任何人请求领取使用业余电台设备执照， 都应该证明其能够准确地用手发和用耳接收“莫尔斯”电码信号组成的电文。 虽然今天计算机技术给自动或半自动收发电报创造了条件，但每一位真正的爱 好者仍必须并且也可以通过自我训练掌握人工收发报技术。莫尔斯电码本身并 无机密可言，它仅仅只是一种工具。 ：短音念作“滴（

6、 di ）” ：长音念作“答（ da）” 请根据莫尔斯电码表，将书本中问题探讨中的那段电文译成英文。 （学生：翻译后是： where are genes located） 你能用莫尔斯电码来回答这个问题吗？ （学生： / / 基因位于 DNA上） 很好，我们通过莫尔斯电码大致体验了“翻译”的过程，无论从电文译成英文 还是从英文译成电文都离不开莫尔斯密码表，而我们知道后来被确认的蛋白质 的合成过程中也正是有类似这样的密码子。 而当时遗传物质的化学本质是尚未明确的，十年后DNA双螺旋模型才得以建立， 在这样的背景下能将遗传信息设想成一种电码式的遗传密码形式，实在是一种 超越时代的远见卓识。到195

7、3 年双螺旋模型的建立，给予科学家们以很大的激 励。破译遗传密码也就成了势在必行的工作。 要破译一个未知的密码，一般的思路就是比较编码的信息，即密码和相应的译 文。对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将DNA 顺序或 mRNA 顺序和多肽相 比较。但和一般破译密码不同的是，遗传信息的译文蛋白质的顺序是已知 的，未知的都是密码。 1954年 Sanger 用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋 白质的氨基酸序列了解得越来越多。但是直到1965 年前后经历了十年时间，多 位科学家的执著研究才破译了密码，其中最为重要的几项工作其思路之新颖、 方法之精巧都闪烁着科学的智慧之光。 2. 遗传密码的试拼与阅读

8、方式的探索 1954年科普作家伽莫夫G.Gamor对破译密码首先提出了挑战。他以著有奇异 王国的汤姆金斯等优秀的科学幻想作品而著称，具有丰富的想象力，但他不 是一位实验科学家，所以只能从理论上来尝试密码的解读。当年，他在自然 Nature 杂志首次发表了遗传密码的理论研究的文章，指出“氨基酸正好按 DNA 的螺旋结构进入各自的洞穴”。他设想： 若一种碱基与一种氨基酸对应的话，那么只可能产生4 种氨基酸，而已知天然 的氨基酸约有 20 种，因此不可由一个碱基编码一种氨基酸。 若 2 个碱基编码一种氨基酸的话，4 种碱基共有 42=16种不同的排列组合，也 不足以编码 20 种氨基酸。 因此他认为

9、 3 个碱基编码一种氨基酸的就可以解决问题。虽然4 个碱基组成三 联密码，经排列组合可产生43=64种不同形式，要比20 种氨基酸大两倍多。 但若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。 相比之下只有三联体（ triplet）较为符合 20 种氨基酸。 伽莫夫是用数学的排列组合的方法在理论上作出推测的，后来的实验证实这一 推测是完全正确的。 接下来，人们不禁又要问在三联体中的每个碱基作为信息只读一次还是重复阅 读呢？以重叠和非重叠方式阅读DNA 序列会有什么不同呢？呈现图片（课本 P74“以重叠和非重叠方式阅读DNA序列”），思考： 当图中的 DNA 的第三个碱基 T 发生改变时，如果密码

10、子是非重叠的，这一改变 将影响多少个氨基酸？ （学生：将可能影响1 个氨基酸） 如果密码子是重叠的，这一改变又将影响多少个氨基酸？ （学生：将可能影响3 个氨基酸） 当图中的 DNA的第三个碱基T 后插入一个碱基A 的话，如果密码子是非重叠的， 这一改变将影响多少个氨基酸？ （学生：将会影响后面所有的氨基酸） 如果插入两个碱基呢？ （学生：也会影响后面所有的氨基酸） 如果插入 3 个碱基呢？ （学生：将会在原氨基酸序列中多一个氨基酸） 当图中的 DNA 的第三个碱基 T 后插入一个碱基 A的话，如果密码子是重叠的， 这一改变将影响多少个氨基酸？插入2 个、3 个氨基酸呢？ （学生：如果插入1

11、个碱基，影响 3 个氨基酸，多肽比原正常多肽多1 个氨基 酸） （学生：如果插入2 个碱基，影响 4 个氨基酸，多肽比原正常多肽多2 个氨基 酸） （学生：如果插入3 个碱基，影响 5 个氨基酸，多肽比原正常多肽多3 个氨基 酸） 如果从效率上来考虑，你觉得哪种阅读方式效率更高呢？ 伽莫夫也许是考虑到效率的问题，认为一个碱基可能被重复读多次，也就是说 遗传密码的阅读是完全重叠的，因此氨基酸数目和核苷酸数目存在着一对一的 关系。这一假定非常简洁地解释了核苷酸间距和多肽链上邻接氨基酸的间距 （0.36 nm）之间显示了明显的相关性。 若真如此，重叠密码对多肽链上氨基酸的序列就形成了一种限制。例如，

12、具有 完全重叠密码的密码子ATC ，后面接着的密码子一定是TC开头，那么相应的氨 基酸的顺序也会受到限制。再者若是重叠密码，那么任何一个碱基的突变都会 影响到相连的3 个重叠密码子，即三个氨基酸都会发生改变，但事实并非如此。 1957年 Brenner.S 发表了一篇令人兴奋的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸顺 序分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的 可能性。同时人们也发现在镰刀型细胞贫血的例子中，血红蛋白中仅有一个氨 基酸发生改变。说明伽莫夫的后一推论是错误的。这就是智者千虑，必有一失。 很多著名的科学家也有过类似的失误。在资料较少的情况下，对未知的真理作 出推断

13、，难免会发生偏差，但瑕不掩瑜，人们对他们的那种敏锐、大胆、睿智 和创新的精神，巧妙的构思仍敬佩不已。 3. 遗传密码子的验证（克里克的实验） 三联密码是否真实存在呢？如果真实存在，那么共有64 个密码子，而氨基酸只 有 20 种，那么多余的 44 种有何用处呢？ 1957年克里克 Crick 等为了解释这个问题提出了一个设想。首先认为如AAA ， GGG ，CCC ，TTT这四个三联体，分别由相同的碱基构成，解读的起始位置有可 能发生差错，因此可能是“无义”密码子。这样余下的只有60 个密码子。接着 他们又设想，例如ATT和 GCA 若分别编码氨基酸a 和 b，若这两个密码子连续 排列成 AT

14、TGCAATT在起读时若发生错位就会产生TTG ，TGC ，CAA 和 AAT等 顺序就是错读，这些错读的重叠密码也是无意义的，也就是说一个顺序有3 种 读法，其中只有一种是有意义的，而其余的两种都是无义密码，这样（60 1/3=20）有义密码子只有20 个，似乎是很圆满地解释了氨基酸数目和密码子总 数之间的矛盾，但后来的实验证明，此设想也是重蹈Gemor的覆辙。 直到 1961 年克里克 Crick 和 Brenner.S 等设计了一个实验，有力地证实了三联 密码的真实性。他们用T4噬菌体染色体上的一个基因通过用原黄素处理，可以 使 DNA 脱落或插入单个碱基，插入叫“加字”突变，脱落叫“减

15、字”突变，无 论加字和减字都可以引起移码突变。Crick 小组用这种方法获得一系列的T4噬 菌体“加字”和“减字”突变，再进行杂交来获得加入或减少一个、两个、三 个的不同碱基数的系列突变。 通过这样的方法他们发现加入或减少一个和两个碱基都会引起噬菌体突变，无 法产生正常功能的蛋白，而加入或减少3 个碱基时却可以合成正常功能的蛋白 质，为什么会这样呢？我们结合课本P74上的有关句子中插入英语字母对语句 产生的变化来理解，进行类比分析。 克里克用实验的结果证明每个密码的确是由3 个碱基组成的。克里克对遗传密 码提出了 4 个特点：（ 1）3 个碱基一组，编码一个氨基酸。（2）密码是不重 叠的。（

16、3）碱基的顺序是从固定起点解读的。（4）密码是简并的，即某个特 定的氨基酸可以由几个碱基三联体来编码。否定了他们以前的解释，即64 种密 码子中只有 20 种编码，其余的 44 种都是无意的这一推测。从他们的实验结果 来看，如果以前的解释是正确的话，那么任何移码突变都将是无义突变，那么 T4噬菌体突变体的那个区域应当很小，但其实不然，发生移码仍可翻译，只不 过肽链的顺序发生很大的改变，而不是产生很短的肽链。 4. 遗传密码对应规则的发现 那如何找出 64 种密码子到底对应哪种氨基酸呢？ 在美国国立卫生研究院（NIH）从事研究工作的青年科学家尼伦伯格 M.W.Nirenberg 在读到第一篇发现

17、mRNA 的报道之后，就决定计划建立一种无细 胞反应系统，来揭开遗传密码之谜。 他们的方法和思路与克里克的完全不同，他们采用的体外合成蛋白质的技术 （呈现书中蛋白质体外合成的实验示意图）： （1）去模板：用 DNA酶处理细胞抽提物，使DNA降解，除去原有的细胞模板。 在抽提物含有核糖体、 ATP及各种氨基酸，除mRNA 以外，是一个完整的翻译系 统。由于 DNA 被降解，所以不再转录新的mRNA ，即使原来残留的mRNA 因其半 衰期很短，也很快会降解掉。 （2）加入 polyU：Nirenberg 成功地破坏了翻译系统中的内源mRNA ，这样从理 论上来说若加入任何外源mRNA 就可以按新的

18、信息合成蛋白。他们采用了多核苷 酸磷酸化酶，仅以尿苷二磷酸为底物，人工合成polyU。当他们把人工合成的 polyU 加入这种无细胞系统中代替天然的mRNA 时，惊喜地发现果真合成了单一 的多肽，即多聚苯丙氨酸，它的氨基酸残基全是苯丙氨酸，这一结果不仅证实 了无细胞系统的成功，同时还表明UUU 是苯丙氨酸的密码子。 这是第一个遗传密码子被破译。尼伦伯格的实验巧妙之处在于利用无细胞系统 进行体外合成蛋白质，他这富有创新的实验方法为他带来了重大的成功！ 请问为什么要去除细胞提取液中的DNA和 mRNA ？ （学生：防止细胞原有的DNA 和 mRNA 中的遗传信息起作用干扰实验结果） 如果你是尼伦伯

19、格，你将如何设计对照实验，确保你的重大发现是正确的？ （学生：在对照实验中的所有试管中加入成分均不变，但是不加入多聚尿嘧啶 核苷酸） 实验做到这里，你能想到其他的密码如何破译吗？ （学生：加入不同的人工合成的多聚核苷酸进行实验） 很好，尼伦伯格也用同样的方法分别加入polyA、polyC 和 polyG 结果相应地获 得了多聚赖氨酸、多聚脯氨酸和多聚甘氨酸。Nirenberg 利用无细胞系统体外 合成蛋白质不仅顺利地破译了4 个密码子，同时了证实了Crick 等原先认为 AAA ，UUU ，GGG ，CCC 是无义密码子的推测是错误的。 在接下来的六七年里，科学家沿着体外合成蛋白质的思路，不断

20、地改进实验方 法，破译出了全部的密码子，并编制出了密码子表。这项工作成为生物学史上 的一个伟大的里程碑！为人类探索和提示生命的本质的研究向前迈进一大步， 为后面分子遗传生物学的发展有着重要的推动作用。遗传密码的破译、测序方 法的建立以及体外重组的实现是基因工程的三大基石。 教师精讲 我们注意整个破译过程中科学家思维的变化，薛定谔是以富有远见卓识的大胆 的想象来预测遗传密码的形式的，伽莫夫通过数学的排列组合的计算来推测密 码子是由三个碱基组成的，同时他也预测了密码的阅读方式，尽管智者千虑， 必有一失，但巧妙的构思依然显示了其睿智和创新。克里克则是巧妙地设计实 验，利用原黄素处理噬菌体，使DNA

21、脱落或插入单个碱基的方法从实验上证明 了伽莫夫的三联体密码子的推测，由理论走向实验，为密码子的破译迈出重要 的一步。而尼伦伯格的实验则更富有创新性，他建立巧妙的无细胞系统进行体 外蛋白质合成，成功地破译了第一个密码子，随后的方法不断创新最终破译了 所有的密码子。他的贡献不仅仅在于对遗传密码的破译，更重要的也在对生物 研究方法上开启了新的思维方式。 归结起来，我们看到，敏锐、大胆、睿智和创新是科学家的重要素养，也正如 尼伦伯格在 1968 年获得诺贝尔生理学或医学奖时说过：一个善于捕捉细节的人 才是能领略事物真谛的人。 课堂小结 本节的主要内容是遗传密码的破译过程。自从“一基因一酶”学说建立（1

22、941 年）以后，人们逐步地认识到基因和蛋白的关系。“中心法则”提出后更为明 确地指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从DNA RNA 蛋白质。那 DNA 和蛋白质之间究竟是什么关系？或者说DNA 是如何决定蛋白质？这个有趣而深 奥的问题在 20 世纪 50 年代末就开始引起了一批研究者的极大兴趣。早在遗传 物质的化学本质尚未确定之前，1944年理论物理学家薛定谔发表的什么是生 命一书中就大胆地预言，染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。 这种连续体的精确性组成了遗传密码。他认为同分异构单体可能作为一般民用 的莫尔斯电码的两个符号：“”“”，通过排列组合来储存遗传信息。 1954年科普

23、作家伽莫夫G.Gamor对破译密码首先提出了挑战，他用数学的方法 推断 3 个碱基编码一个氨基酸。但人们不禁要问在三联体中的每个碱基作为信 息只读一次还是重复阅读呢？1957年 Brenner.S 发表理论文章，他通过蛋白质 的氨基酸顺序分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用，从而在理论上否定了 遗传密码重叠阅读的可能性。而克里克在1961 年第一个用 T4 噬菌体实验证明 了遗传密码中 3 个碱基编码一个氨基酸。同一年尼伦伯格和马太利用无细胞系 统进行体外重组破译了第一个遗传密码。后来尼伦伯格和他的小组采用了一把 钥匙开一把锁的思路，一举破译了全部的密码。 课后习题 1. 在下列基因的改变中，

24、合成出具有正常功能蛋白质的可能性最大的是 A.在相关的基因的碱基序列中删除或增加一个碱基对 B.在相关的基因的碱基序列中删除或增加两个碱基对 C.在相关的基因的碱基序列中删除或增加三个碱基对 D.在相关的基因的碱基序列中删除或增加四个碱基对 解析：此题考查基因中碱基数量发生突变时对合成蛋白质的影响，当插入1、2 的倍数个碱基时，都会对后面的所有的氨基酸有影响。当插入3 个碱基时，则 可能对部分氨基酸有影响，所以C是最可能合成具有正常功能蛋白质。 答案： C 2. 最早提出 3 个碱基编码一个氨基酸的科学家和首次用实验的方法加以证明的 科学家分别是 A.克里克、伽莫 夫 B. 克里克、沃森 C.摩尔根、尼伦伯 格 D. 伽莫夫、克里克 解析：此题考查的是科学史。 答案： D 3. 采用蛋白质体外合成的技术揭示遗传密码实验中，改变下列哪项操作，即可 测出全部的遗传密码与氨基酸的对应规则 A.无 DNA和 mRNA 细胞的提取液 B. 人 工合成的多聚核苷酸 C.加入的氨基酸种类和数 量 D. 测定多肽链中氨基酸种类的方法 解析：此题考查了尼伦伯格的实验，通过改变人工模板多聚核苷酸可以测出不 同密码子。 答案： B 板书