3遗传密码的破译教学设计教案Word文档下载推荐.docx
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（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］
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
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？
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？
将会影响后面所有的氨基酸）
如果插入两个碱基呢？
也会影响后面所有的氨基酸）
如果插入3个碱基呢？
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？
如果插入1个碱基，影响3个氨基酸，多肽比原正常多肽多1个氨基酸）
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）
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（0.36nm）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，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，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ATTGCAATT……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。
（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？
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）
如果你是尼伦伯格，你将如何设计对照实验，确保你的重大发现是正确的？
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？
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（1941年）以后，人们逐步地认识到基因和蛋白的关系。
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
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