第3节《遗传密码的破译》 (应城市第二高级中学张亚军) 教学目标 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 的实验推断,尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验 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.尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验 课时安排 1课时 教学过程 导入:生活中到处都是密码,正确的解读密码有时是非常有用的,如 战中因图灵发明了密码破译机而有效的获取敌方军情,从而彻底的 扭转战争的形势 研究背景: 1944年,理论物理学家薛定谔发表大胆地预言:染色体是由 些同分异构的单体连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗传密 码。同分异构单体可能作为一般民用的莫尔新电码的两个符号 通过排列组合来储存遗传信息 第1页
第 1 页 第3节 《遗传密码的破译》 (应城市第二高级中学 张亚军) 教学目标: 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 的实验推断，尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验 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． 尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验 课时安排 1 课时 教学过程: 导入:生活中到处都是密码,正确的解读密码有时是非常有用的,如:二 战中因图灵发明了密码破译机而有效的获取敌方军情 ,从而彻底的 扭转战争的形势. 研究背景: 1944 年，理论物理学家薛定谔发表大胆地预言：染色体是由一 些同分异构的单体连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗传密 码。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
(什么是莫尔思电码呢?它是由美国画家和电报发明人发明的 套有“点”和“划”构成的系统,通过“点”和“划”间隔的不同 顺序来表达不同的英文字母、数字、和标点符号。请根据莫尔思电码 表,将书本中问题探讨中的那段电文译成英文。 学生: where are genes located 学生:基因位于DNA上 要破译一个未知的密码,一般的思路就是比较信息,即密码和译 文。和一般的破译密码不同的是,遗传密码是全然未知的。遗传密码 的“”、“”是什么?怎么方式储存遗传信息? 1953年沃森和克里克建立DNA双螺旋模型,给予科学家们很大 的激励。破译遗传密码成了势在必行的工作。 (1944年,薛定谔在遗传物质的化学本质是尚未明确,十年后DNA 双螺旋模型才得以建立的背景下:将遗传信息设想成一种电码式的遗 传密码,实在是一种超越时代的远见阜识。) 对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将DNA顺序或mRNA 顺序和蛋白质(多肽链)相比较 DNA、mRNA—4种碱基 蛋白质的氨基酸—20种 四种碱基—20种氨基酸(蛋白质的)呢? 此处:加强学生讨论探究 1.遗传密码的阅读方式的探索 1954年科普作家伽莫夫在理论上尝试了遗传密码的解读 第2页
第 2 页 (什么是莫尔思电码呢？它是由美国画家和电报发明人发明的 一套有“点”和“划”构成的系统，通过“点”和“划”间隔的不同 顺序来表达不同的英文字母、数字、和标点符号。请根据莫尔思电码 表，将书本中问题探讨中的那段电文译成英文。 学生：where are genes located 学生：基因位于 DNA 上) 要破译一个未知的密码，一般的思路就是比较信息，即密码和译 文。和一般的破译密码不同的是，遗传密码是全然未知的。遗传密码 的“· ”、“—”是什么?怎么方式储存遗传信息? 1953 年沃森和克里克建立 DNA 双螺旋模型，给予科学家们很大 的激励。破译遗传密码成了势在必行的工作。 (1944 年，薛定谔在遗传物质的化学本质是尚未明确，十年后 DNA 双螺旋模型才得以建立的背景下：将遗传信息设想成一种电码式的遗 传密码，实在是一种超越时代的远见卓识。) 对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将 DNA 顺序或 mRNA 顺序和蛋白质（多肽链）相比较。 DNA、mRNA —4 种碱基 蛋白质的氨基酸—20 种 四种碱基—20 种氨基酸（蛋白质的）呢？ 此处:加强学生讨论探究 1． 遗传密码的阅读方式的探索 1954 年科普作家伽莫夫在理论上尝试了遗传密码的解读
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。(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,而已知的天然氨基酸有 20种,因此不可由一种碱基对应一种氨基酸若2个碱基与一种氨基 酸对应的话4种碱基共有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3个碱基编码一种氨基酸就可以解决问题。4个碱 基与一种氨基酸对应的话就会产生256种排列组合。相比较而言。只 有三联体较为符合20种氨基酸) 此处:加强学生讨论探究 接下来,人们不禁要问在三联体中的每个碱基只读一次还是重复 阅读呢?以重叠阅读和非重叠方式阅读DNA序列会有什么不同? 学生互动四种颜色的磁铁代替4中碱基来替代一段碱基序列 (GGTTCGCACGCT (当图中的DNA的第3个碱基发生改变的时,如果密码子是 非重叠的,这一改变将影响多少个氨基酸? 生:一个 如果密码子是重叠的,这一改变又将影响多少个氨基酸? 生:三个 1957年布伦纳( Brenner s)从理论上对蛋白质的氨基酸顺序分析: 指出不存在氨基酸的邻位限制作用。否定了遗传密码重叠阅读的可能 性 遗传密码真的是以3个碱基为一组吗?遗传密码的阅读方式究竟 第3页
第 3 页 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。(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，而已知的天然氨基酸有 20 种，因此不可由一种碱基对应一种氨基酸,若 2 个碱基与一种氨基 酸对应的话 4 种碱基共有 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 3 个碱基编码一种氨基酸就可以解决问题。4 个碱 基与一种氨基酸对应的话就会产生 256 种排列组合。相比较而言。只 有三联体较为符合 20 种氨基酸) 此处:加强学生讨论探究 接下来，人们不禁要问在三联体中的每个碱基只读一次还是重复 阅读呢？以重叠阅读和非重叠方式阅读 DNA 序列会有什么不同？ 学生互动:用四种颜色的磁铁代替 4 中碱基来替代一段碱基序列 (GGTTCGCACGCT) ((当图中的 DNA 的第 3 个碱基发生改变的时，如果密码子是 非重叠的，这一改变将影响多少个氨基酸？ 生：一个 如果密码子是重叠的，这一改变又将影响多少个氨基酸？ 生：三个 1957 年布伦纳（Brenner.S）从理论上对蛋白质的氨基酸顺序分析： 指出不存在氨基酸的邻位限制作用。否定了遗传密码重叠阅读的可能 性。 遗传密码真的是以 3 个碱基为一组吗?遗传密码的阅读方式究竟
是重叠的还是非重叠的?密码之间是否有分隔符? 解答这些问题不能只靠理论推导,必须拿出实验证据 2 遗传密码的验证(克里克实验) 1961年,克里克和他的同事设计了一个实验,他们用T4噬菌体 染色体上的一个基因通过原黄素处理可以使DNA脱落和插入单个碱 基,通过这样的方法他们发现加入或减少一个或两个碱基都会引起噬 菌体突变,无法产生正常的蛋白质,而加入或减少三个碱基却可以合 成正常的蛋白质,为什么会这样呢? 当图中的DNA的第3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? 生:将会影响后面所有的氨基酸 如果插入两个碱基呢? 生:也会影响后面所有的氨基酸 如果插入3个碱基呢? 生:将会在原氨基酸的序列中多一个氨基酸 当图中的DNA的的第3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?如果插入2个,3个呢? 生:如果插入1个碱基,影响3个氨基酸,多肽比原来正常多肽多1 个氨基酸 生:如果插入2个碱基,影响4个氨基酸,多肽比原来正常多肽多2 个氨基酸 生:如果插入3个碱基,影响5个氨基酸,多肽比原来正常多肽多3 第4页
第 4 页 是重叠的还是非重叠的?密码之间是否有分隔符? 解答这些问题不能只靠理论推导,必须拿出实验证据 2． 遗传密码的验证（克里克实验） 1961 年，克里克和他的同事设计了一个实验，他们用 T4 噬菌体 染色体上的一个基因通过原黄素处理可以使 DNA 脱落和插入单个碱 基，通过这样的方法他们发现加入或减少一个或两个碱基都会引起噬 菌体突变，无法产生正常的蛋白质，而加入或减少三个碱基却可以合 成正常的蛋白质，为什么会这样呢？ 当图中的 DNA 的第 3 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？ 生：将会影响后面所有的氨基酸 如果插入两个碱基呢？ 生：也会影响后面所有的氨基酸 如果插入 3 个碱基呢？ 生：将会在原氨基酸的序列中多一个氨基酸 当图中的 DNA 的的第 3 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？如果插入2 个，3 个呢？ 生：如果插入 1 个碱基，影响 3 个氨基酸，多肽比原来正常多肽多 1 个氨基酸 生：如果插入 2 个碱基，影响 4 个氨基酸，多肽比原来正常多肽多 2 个氨基酸 生：如果插入 3 个碱基，影响 5 个氨基酸，多肽比原来正常多肽多 3
个氨基酸) 类比分析:几个碱基编码一个氨基酸? 原句中每个单词都有3个字母组成,7个单词连成一句 THE FAT CAT ATE THE BIG RAT ①在原第2个单词中插入一个字母R。 THE FAR/TCA TAT ETHEBI GRAT ②在原第2个单词中插入二个字母R THE FAR/RTC ATA TET HEB IGR AT ③在原第2个单词中插入三个字母 THE FAR/ROT/CAT ATE THE BIG RAT 当插入1、2个碱基时,会对后面所以的氨基酸产生影响。当插入3 个碱基时,则可能对部分的氨基酸有影响,所以有可能合成正常功能 的蛋白质) 结论: ①遗传密码中3个碱基编码一个氨基酸 ②遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的方式阅读,编码之 间没有分隔符 同年,马太和尼伦伯格和克里克的方法和思路完全不同,他们采 用的体外合成蛋白质的技术,对遗传密码对应的规则发起了挑战 3.遗传密码对应规则的发现 1961年,尼伦伯格和马太利用破碎的细胞溶液建立了一种利用人工 合成的RNA在试管里合成多肽链的实验系统,破译了第一个遗传密 第5页
第 5 页 个氨基酸)) 类比分析：几个碱基编码一个氨基酸？ 原句中每个单词都有 3 个字母组成，7 个单词连成一句 THE FAT CAT ATE THE BIG RAT ①在原第 2 个单词中插入一个字母 R。 THE FA R /TCA TAT ETH EBI GRA T ②在原第 2 个单词中插入二个字母 R。 THE FAR /RTC ATA TET HEB IGR AT ③在原第 2 个单词中插入三个字母。 THE FAR /ROT / CAT ATE THE BIG RAT 当插入 1、2 个碱基时，会对后面所以的氨基酸产生影响。当插入 3 个碱基时，则可能对部分的氨基酸有影响，所以有可能合成正常功能 的蛋白质)) 结论： ①遗传密码中 3 个 碱基编码一个氨基酸 ②遗传密码从一个固定的起点开始,以 非重叠 的方式阅读，编码之 间 没有 分隔符 同年,马太和尼伦伯格和克里克的方法和思路完全不同，他们采 用的体外合成蛋白质的技术, 对遗传密码对应的规则发起了挑战 3． 遗传密码对应规则的发现 1961 年，尼伦伯格和马太利用破碎的细胞溶液建立了一种利用人工 合成的 RNA 在试管里合成多肽链的实验系统，破译了第一个遗传密
码 如果是你,如何设计实验破译遗传密码? (1)去(原细胞中模板:每只试管中加入除去DNA和mRNA细胞 提取液。 (在细胞提取液中含有核糖体、ATP及各种成分的完整系统) (2)加(人工合成的)模版:每只试管中加入加入多聚尿嘧啶核苷酸代 替天然的mRNA (3)加材料:每只试管中加入一种氨基酸 (发现合成了单一的多肽,既多聚苯丙氨酸。这一结果不仅证实 了无细胞系统的成功,也说明UUU是苯丙氨酸的密码子。) 这一结果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。 在接下来的六七年里,科学家沿着体外合成蛋白质的思路, 不断地改进实验方法,破译出了全部的密码子 结束语 我们注意到整个破译过程有薛定谔大胆的想象,伽莫夫的睿智的 逻辑思维推理,克里克及尼伦伯格敏锐的创新性实验;他们的贡献不 仅仅是对遗传密码的破译,更重要的是对生物研究方法上开启了新的 思维方式 归结起来:大胆、睿智、敏锐和创新是科学家的重要素养。 专家点评: 本节课从开始就注重了引领学生形成正确的世界观在课程的进 第6页
第 6 页 码。 如果是你，如何设计实验破译遗传密码？ （1）去(原细胞中)模板：每只试管中加入除去 DNA 和 mRNA 细胞 提取液。 (在细胞提取液中含有核糖体、ATP 及各种成分的完整系统) （2）加(人工合成的)模版:每只试管中加入加入多聚尿嘧啶核苷酸代 替天然的 mRNA （3）加材料:每只试管中加入一种氨基酸 (发现合成了单一的多肽，既多聚苯丙氨酸。这一结果不仅证实 了无细胞系统的成功，也说明 UUU 是苯丙氨酸的密码子。) 这一结果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。 在接下来的六七年里，科学家沿着体外合成蛋白质的思路， 不断地改进实验方法，破译出了全部的密码子。 结束语: 我们注意到整个破译过程有薛定谔大胆的想象，伽莫夫的睿智的 逻辑思维推理，克里克及尼伦伯格敏锐的创新性实验；他们的贡献不 仅仅是对遗传密码的破译，更重要的是对生物研究方法上开启了新的 思维方式。 归结起来：大胆、睿智、敏锐和创新是科学家的重要素养。 专家点评: 本节课从开始就注重了引领学生形成正确的世界观,在课程的进
行中多处体现对学生的思想启发、逻辑思维能力及分析能力的培养; 同时,注重了学生的科学素养的培养及合作探究能力的锻炼从而引导 学生自主的对相应知识的获取及理解 总的来说:是一节很好的示范课 点评人刘红秋(教研员,高中特级教师) 第7页
第 7 页 行中多处体现对学生的思想启发、逻辑思维能力及分析能力的培养; 同时,注重了学生的科学素养的培养及合作探究能力的锻炼;从而引导 学生自主的对相应知识的获取及理解. 总的来说:是一节很好的示范课. 点评人:刘红秋(教研员,高中特级教师)