资源简介

教学设计
课程基本信息
学科 生物 年级 高一 学期 秋季
课题 遗传密码的破译
教科书 书 名：生物学必修二遗传与进化 出版社：人民教育出版社
教学目标
运用假说演绎法，并结合数学推理、类比分析，归纳总结遗传密码的阅读方式。 通过思考问题串，感悟科学探究的基本思路和方法，并尝试设计实验，进一步探究遗传密码对应规则。 通过学习遗传密码破译的科学史，体验逻辑推理和实验论证在科学探究中的重要作用；感受生物科学动态连续的发展过程，树立辩证唯物主义的哲学观。
教学重难点
教学重点： 1. 遗传密码阅读方式 2. 遗传密码的破译过程 教学难点： 1. 遗传密码对应规则的实验证据 2. 无细胞系统破译遗传密码的三核苷酸实验设计
教学过程
环节教学重难点教师活动学生活动设计意图新课导入摩斯密码翻译展示一段摩斯密码，请学生根据左侧提供的摩斯密码表，将其译成英文。 【过渡】在合成蛋白质时，也需要将mRNA中的“核苷酸语言”翻译成蛋白质中的“氨基酸语言”。 提出问题：二者之间究竟如何对应的？结合摩斯密码表对密码进行翻译： Where are genes located？利用摩斯密码吸激发学生学习兴趣。通过类比，引导学生思考碱基与氨基酸对应关系，引出本节课主题——遗传密码的破译。新课教学遗传密码阅读方式1.决定氨基酸的碱基数目——作出假设 （1）【布置任务1】 请推测，核酸上的碱基（4种）和氨基酸（21种）之间是如何对应的？几个碱基决定一种氨基酸？请运用排列组合的知识，计算2个、3个或4个相邻碱基分别能编码几种氨基酸？你觉得哪种情况更合理？ （2）结合计算结果解释 256种虽然保证了21种氨基酸都被包含在内，但远大于21种，这不符合生物进化过程中的经济原则，所以3个碱基编码一个氨基酸的假设最为恰当，这三个相邻的碱基我们称之为密码子。 （3）展示史实 上世纪50年代著名的物理学家伽莫夫正是在此数学推理的基础上提出了这一假设，同行都评价这是一个“天才的猜想”。 【过渡】遗传密码的三个碱基中，每个碱基作为信息只读一次还是重复阅读呢？ 2.重叠阅读与非重叠阅读——演绎推理 （1）【布置任务2】 GGTTCGCACGCT 引导学生演绎推理： 请以该碱基序列为例，推测两种阅读方式下能翻译出的氨基酸有几个？ 当图中碱基序列的第三个碱基(T)发生改变时，推测两种阅读方式下被影响的氨基酸有几个？ （2）展示科学事实 1957年，科学家阐明了镰状细胞贫血的分子机制：血红蛋白基因发生了碱基替换突变(A取代了T)，导致正常血红蛋白多肽链上第6个谷氨酸被缬氨酸取代。 【设问】不过，这一事实就能证明 “3个碱基编码1个氨基酸，并且以非重叠方式阅读”这一假设是正确的吗？ 显然不能。 【过渡】直到1961年克里克设计了一个实验，才有力地证实了遗传密码的阅读方式。 （3）展示克里克实验 1961年，克里克以T4噬菌体为材料，研究其中的某个碱基的增加或减少对其所编码的蛋白质的影响。他发现： 增加或删除1个或2个碱基，不能产生功能正常的蛋白质； 增加或删除3个碱基，可以产生功能正常的蛋白质。 【提问】为什么DNA上删掉三个碱基，对噬菌体合成蛋白质无影响，删掉一个或两个碱基，影响却那么大？ （4）【布置任务3】 引导学生类比分析： The fat cat ate the big rat. 删去句子中第2个字母，第2、3个字母，第2、3、4个字母，语意会有什么变化？ 3.归纳总结——得出结论 （1）遗传密码中3个碱基编码1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。 【过渡】但克里克的实验无法说明一个密码子对应的究竟是哪个氨基酸。 如果能够创造一个体外合成蛋白质的无细胞系统，加入人工合成的已知序列的RNA，再通过分析新合成蛋白的氨基酸序列，就可以推断密码子和氨基酸的对应关系。 （1）通过数学推理得出： 若2个碱基决定一个氨基酸，只能编码16种，还差一点； 若3个碱基决定一个氨基酸，则能编码64种，能够满足； 若4个碱基决定一个氨基酸，则能编码256种，数量过剩。 （2）作出假设： 3个碱基编码一个氨基酸。 演绎推理回答： 非重叠阅读——4个氨基酸；重叠阅读——10个氨基酸 非重叠阅读——影响1个氨基酸；重叠阅读，1个碱基涉及3个密码子，影响3个氨基酸。 结合事实继续推理： 重叠阅读的可能性较小，非重叠阅读可能较大。 类比分析： 删除1或2个字母，语意完全改变；删去3个字母，恰好只少了一个单词，语意变化较小。 思考、总结实验结论 将“假说演绎法”贯穿“遗传密码阅读方式的探索”，培养学生掌握基本的科学研究方法，发展科学思维。 引导学生利用数学排列组合知识进行计算，实现跨学科知识融合。 通过类比分析，帮助学生更形象地理解克里克的实验结果，进一步归纳总结遗传密码的阅读方式。 遗传密码对应规则1.同聚核苷酸对应的氨基酸的发现 （1）展示尼伦伯格和马太实验 1961年8月，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，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，其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分，成果功破译了第一个遗传密码。 实验步骤： 分别加入一种氨基酸； 除去DNA和mRNA的细胞提取液(也称为无细胞系统)； 人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸(UUUUU……) 实验结果：加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链。 【布置任务4】 实验的自变量是什么？一共需要准备几支试管？ 试管中加入的物质分别有什么作用 为什么要除去细胞提取液中的 DNA 和 mRNA 通过观察该实验现象可以得出什么结论 通过这种方法还能破译哪些遗传密码 【过渡】尼伦伯格和马太的实验标志着人类破译遗传密码的开端。但密码子肯定不全是3个相同碱基的聚合。一个密码子也可能是2种或3种不同碱基的任意排列，上述方法显然不能满足。 2.异聚核苷酸对应的氨基酸的发现 【过渡】如果能够合成指定序列的RNA，那么其他密码子的破译也就指日可待。然而，当时受技术限制，尼伦伯格只能控制合成RNA的碱基比例。 （1）展示异聚核苷酸实验 尼伦伯格在无细胞系统中加入的尿嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸比例为5：1，尿嘧啶和胞嘧啶将随机地加入到密码子的三个位点中。经检测，该模板翻译出的肽链中，苯丙氨酸与丝氨酸的比例接近5:1。 【布置任务5】 请同学们推算该mRNA中可以出现多少种密码子以及各出现的概率？哪些密码子可能编码丝氨酸？ 【过渡】：如何确定丝氨酸对应的密码子究竟是UUC、UCU、CUU？ （2）展示三核苷酸实验 1964年，尼伦伯格继续利用这样的体外无细胞系统，设计了另一种很高效的方法，他在系统中加入某种人工合成的三核苷酸作为mRNA，再加入各种氨基酸。RNA短链与核糖体结合后，可以促进tRNA携带该密码子编码的氨基酸结合到核糖体上，形成复合体，因体积较大而留在滤膜上。其他氨基酸就通过滤膜漏掉了。 【布置任务6】 设计实验探究丝氨酸的密码子。 设计提示：可用放射性元素标记14C氨基酸，测定滤膜放射性。 3.密码子表的破译 终于到了1966年，经过科学家们不断努力，成功破译了全部64个密码子，并编制了如图所示的密码子表。 思考回答： ①氨基酸的种类；21支试管。 ②氨基酸作为蛋白质合成原料；人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸作为翻译模板mRNA；细胞提取液可以为蛋白质合成提供条件，能量、酶、核糖体、tRNA等 ③原有的mRNA会作为合成蛋白质的模板，原有的DNA转录产生新的mRNA，干扰实验结果。 ④多聚尿嘧啶的碱基序列编码了由苯丙氨酸组成的肽链，再结合克里克的实验结论，得出苯丙氨酸对应的密码子是UUU ⑤破译AAA,CCC,GGG对应的氨基酸 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编码苯丙氨酸，苯丙氨酸与丝氨酸的比例接近5:1，而UUU与UUC、UCU、CUU概率之比恰为5:1，可见，丝氨酸对应的密码子就在其中。 思考回答： 在无细胞系统中仅加一种已知顺序的三核苷酸,在加入的21种氨基酸中,仅标记丝氨酸。若该密码子编码丝氨酸，当其进入核糖体后, 就会促进携带丝氨酸的tRNA与核糖体特异性结合形成复合体,留在膜上，其他氨基酸则会过膜。 若该密码子编码的不是丝氨酸，那么具有放射性的丝氨酸就不会留在膜上。 最后，若在加入某三核苷酸体系的滤膜上检测出现放射性，则证明此三核苷酸决定被标记的丝氨酸。设置问题串，引导学生思考，进而逐渐理解尼伦伯格和马太设计实验的巧妙之处。 在异聚核苷酸实验中，再次引导学生结合数学概率学知识，分析生物学问题，实现跨学科知识融合。 学生依据实验原理和目的进行实验设计，教师给予适当的提示,让学生逐步学会探究实验的方法，沿着科学家的思路完成实验过程，并从中感悟科学方法的巧妙与科学家的智慧。 课堂总结总结遗传密码破译的科学史【总结】 1.1954年科普作家伽莫夫用数学的方法推断3个碱基编码一个氨基酸。 2.1961年克里克第一个用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。 3.1961年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外合成破译了第一个遗传密码。 4.1969年科学家们破译了全部的密码。总结遗传密码破译的科学史总结遗传密码破译的科学史，感受生物学动态、连续的发展过程，培养勇于创新的精神。

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