資源簡介

教學設計
課程基本信息
學科 生物 年級 高一 學期 秋季
課題 遺傳密碼的破譯
教科書 書 名：生物學必修二遺傳與進化 出版社：人民教育出版社
教學目標
運用假說演繹法，并結合數學推理、類比分析，歸納總結遺傳密碼的閱讀方式。 通過思考問題串，感悟科學探究的基本思路和方法，并嘗試設計實驗，進一步探究遺傳密碼對應規則。 通過學習遺傳密碼破譯的科學史，體驗邏輯推理和實驗論證在科學探究中的重要作用；感受生物科學動態連續的發展過程，樹立辯證唯物主義的哲學觀。
教學重難點
教學重點： 1. 遺傳密碼閱讀方式 2. 遺傳密碼的破譯過程 教學難點： 1. 遺傳密碼對應規則的實驗證據 2. 無細胞系統破譯遺傳密碼的三核苷酸實驗設計
教學過程
環節教學重難點教師活動學生活動設計意圖新課導入摩斯密碼翻譯展示一段摩斯密碼，請學生根據左側提供的摩斯密碼表，將其譯成英文。 【過渡】在合成蛋白質時，也需要將mRNA中的“核苷酸語言”翻譯成蛋白質中的“氨基酸語言”。 提出問題：二者之間究竟如何對應的？結合摩斯密碼表對密碼進行翻譯： Where are genes located？利用摩斯密碼吸激發學生學習興趣。通過類比，引導學生思考堿基與氨基酸對應關系，引出本節課主題——遺傳密碼的破譯。新課教學遺傳密碼閱讀方式1.決定氨基酸的堿基數目——作出假設 （1）【布置任務1】 請推測，核酸上的堿基（4種）和氨基酸（21種）之間是如何對應的？幾個堿基決定一種氨基酸？請運用排列組合的知識，計算2個、3個或4個相鄰堿基分別能編碼幾種氨基酸？你覺得哪種情況更合理？ （2）結合計算結果解釋 256種雖然保證了21種氨基酸都被包含在內，但遠大于21種，這不符合生物進化過程中的經濟原則，所以3個堿基編碼一個氨基酸的假設最為恰當，這三個相鄰的堿基我們稱之為密碼子。 （3）展示史實 上世紀50年代著名的物理學家伽莫夫正是在此數學推理的基礎上提出了這一假設，同行都評價這是一個“天才的猜想”。 【過渡】遺傳密碼的三個堿基中，每個堿基作為信息只讀一次還是重復閱讀呢？ 2.重疊閱讀與非重疊閱讀——演繹推理 （1）【布置任務2】 GGTTCGCACGCT 引導學生演繹推理： 請以該堿基序列為例，推測兩種閱讀方式下能翻譯出的氨基酸有幾個？ 當圖中堿基序列的第三個堿基(T)發生改變時，推測兩種閱讀方式下被影響的氨基酸有幾個？ （2）展示科學事實 1957年，科學家闡明了鐮狀細胞貧血的分子機制：血紅蛋白基因發生了堿基替換突變(A取代了T)，導致正常血紅蛋白多肽鏈上第6個谷氨酸被纈氨酸取代。 【設問】不過，這一事實就能證明 “3個堿基編碼1個氨基酸，并且以非重疊方式閱讀”這一假設是正確的嗎？ 顯然不能。 【過渡】直到1961年克里克設計了一個實驗，才有力地證實了遺傳密碼的閱讀方式。 （3）展示克里克實驗 1961年，克里克以T4噬菌體為材料，研究其中的某個堿基的增加或減少對其所編碼的蛋白質的影響。他發現： 增加或刪除1個或2個堿基，不能產生功能正常的蛋白質； 增加或刪除3個堿基，可以產生功能正常的蛋白質。 【提問】為什么DNA上刪掉三個堿基，對噬菌體合成蛋白質無影響，刪掉一個或兩個堿基，影響卻那么大？ （4）【布置任務3】 引導學生類比分析： The fat cat ate the big rat. 刪去句子中第2個字母，第2、3個字母，第2、3、4個字母，語意會有什么變化？ 3.歸納總結——得出結論 （1）遺傳密碼中3個堿基編碼1個氨基酸。 （2）遺傳密碼從一個固定的起點開始，以非重疊的方式閱讀，編碼之間沒有分隔符。 【過渡】但克里克的實驗無法說明一個密碼子對應的究竟是哪個氨基酸。 如果能夠創造一個體外合成蛋白質的無細胞系統，加入人工合成的已知序列的RNA，再通過分析新合成蛋白的氨基酸序列，就可以推斷密碼子和氨基酸的對應關系。 （1）通過數學推理得出： 若2個堿基決定一個氨基酸，只能編碼16種，還差一點； 若3個堿基決定一個氨基酸，則能編碼64種，能夠滿足； 若4個堿基決定一個氨基酸，則能編碼256種，數量過剩。 （2）作出假設： 3個堿基編碼一個氨基酸。 演繹推理回答： 非重疊閱讀——4個氨基酸；重疊閱讀——10個氨基酸 非重疊閱讀——影響1個氨基酸；重疊閱讀，1個堿基涉及3個密碼子，影響3個氨基酸。 結合事實繼續推理： 重疊閱讀的可能性較小，非重疊閱讀可能較大。 類比分析： 刪除1或2個字母，語意完全改變；刪去3個字母，恰好只少了一個單詞，語意變化較小。 思考、總結實驗結論 將“假說演繹法”貫穿“遺傳密碼閱讀方式的探索”，培養學生掌握基本的科學研究方法，發展科學思維。 引導學生利用數學排列組合知識進行計算，實現跨學科知識融合。 通過類比分析，幫助學生更形象地理解克里克的實驗結果，進一步歸納總結遺傳密碼的閱讀方式。 遺傳密碼對應規則1.同聚核苷酸對應的氨基酸的發現 （1）展示尼倫伯格和馬太實驗 1961年8月，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，其中含有核糖體等合成蛋白質所需的各種成分，成果功破譯了第一個遺傳密碼。 實驗步驟： 分別加入一種氨基酸； 除去DNA和mRNA的細胞提取液(也稱為無細胞系統)； 人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸(UUUUU……) 實驗結果：加入了苯丙氨酸的試管中出現了多聚苯丙氨酸的肽鏈。 【布置任務4】 實驗的自變量是什么？一共需要準備幾支試管？ 試管中加入的物質分別有什么作用 為什么要除去細胞提取液中的 DNA 和 mRNA 通過觀察該實驗現象可以得出什么結論 通過這種方法還能破譯哪些遺傳密碼 【過渡】尼倫伯格和馬太的實驗標志著人類破譯遺傳密碼的開端。但密碼子肯定不全是3個相同堿基的聚合。一個密碼子也可能是2種或3種不同堿基的任意排列，上述方法顯然不能滿足。 2.異聚核苷酸對應的氨基酸的發現 【過渡】如果能夠合成指定序列的RNA，那么其他密碼子的破譯也就指日可待。然而，當時受技術限制，尼倫伯格只能控制合成RNA的堿基比例。 （1）展示異聚核苷酸實驗 尼倫伯格在無細胞系統中加入的尿嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸比例為5：1，尿嘧啶和胞嘧啶將隨機地加入到密碼子的三個位點中。經檢測，該模板翻譯出的肽鏈中，苯丙氨酸與絲氨酸的比例接近5:1。 【布置任務5】 請同學們推算該mRNA中可以出現多少種密碼子以及各出現的概率？哪些密碼子可能編碼絲氨酸？ 【過渡】：如何確定絲氨酸對應的密碼子究竟是UUC、UCU、CUU？ （2）展示三核苷酸實驗 1964年，尼倫伯格繼續利用這樣的體外無細胞系統，設計了另一種很高效的方法，他在系統中加入某種人工合成的三核苷酸作為mRNA，再加入各種氨基酸。RNA短鏈與核糖體結合后，可以促進tRNA攜帶該密碼子編碼的氨基酸結合到核糖體上，形成復合體，因體積較大而留在濾膜上。其他氨基酸就通過濾膜漏掉了。 【布置任務6】 設計實驗探究絲氨酸的密碼子。 設計提示：可用放射性元素標記14C氨基酸，測定濾膜放射性。 3.密碼子表的破譯 終于到了1966年，經過科學家們不斷努力，成功破譯了全部64個密碼子，并編制了如圖所示的密碼子表。 思考回答： ①氨基酸的種類；21支試管。 ②氨基酸作為蛋白質合成原料；人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸作為翻譯模板mRNA；細胞提取液可以為蛋白質合成提供條件，能量、酶、核糖體、tRNA等 ③原有的mRNA會作為合成蛋白質的模板，原有的DNA轉錄產生新的mRNA，干擾實驗結果。 ④多聚尿嘧啶的堿基序列編碼了由苯丙氨酸組成的肽鏈，再結合克里克的實驗結論，得出苯丙氨酸對應的密碼子是UUU ⑤破譯AAA,CCC,GGG對應的氨基酸 思考回答： P(UUU) = (5/6)3=125/216 P(CCC) = (1/6)3 =1/216 P(UUC/UCU/CUU)=(1/6)·(5/6)2=25/216 P(UCC/CUC/CCU)=(5/6)·(1/6)2=5/216 已知UUU編碼苯丙氨酸，苯丙氨酸與絲氨酸的比例接近5:1，而UUU與UUC、UCU、CUU概率之比恰為5:1，可見，絲氨酸對應的密碼子就在其中。 思考回答： 在無細胞系統中僅加一種已知順序的三核苷酸,在加入的21種氨基酸中,僅標記絲氨酸。若該密碼子編碼絲氨酸，當其進入核糖體后, 就會促進攜帶絲氨酸的tRNA與核糖體特異性結合形成復合體,留在膜上，其他氨基酸則會過膜。 若該密碼子編碼的不是絲氨酸，那么具有放射性的絲氨酸就不會留在膜上。 最后，若在加入某三核苷酸體系的濾膜上檢測出現放射性，則證明此三核苷酸決定被標記的絲氨酸。設置問題串，引導學生思考，進而逐漸理解尼倫伯格和馬太設計實驗的巧妙之處。 在異聚核苷酸實驗中，再次引導學生結合數學概率學知識，分析生物學問題，實現跨學科知識融合。 學生依據實驗原理和目的進行實驗設計，教師給予適當的提示,讓學生逐步學會探究實驗的方法，沿著科學家的思路完成實驗過程，并從中感悟科學方法的巧妙與科學家的智慧。 課堂總結總結遺傳密碼破譯的科學史【總結】 1.1954年科普作家伽莫夫用數學的方法推斷3個堿基編碼一個氨基酸。 2.1961年克里克第一個用T4噬菌體實驗證明了遺傳密碼中3個堿基編碼一個氨基酸。 3.1961年尼倫伯格和馬太利用無細胞系統進行體外合成破譯了第一個遺傳密碼。 4.1969年科學家們破譯了全部的密碼。總結遺傳密碼破譯的科學史總結遺傳密碼破譯的科學史，感受生物學動態、連續的發展過程，培養勇于創新的精神。

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