視頻標(biāo)簽：遺傳密碼的破譯

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視頻課題：人教版高中生物必修二4.3遺傳密碼的破譯-內(nèi)蒙古 - 通遼

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4.3   遺傳密碼的破譯  
1  教材分析 
“遺傳密碼的破譯”是必修2《分子與細(xì)胞》第4章第3節(jié)的內(nèi)容，屬于選學(xué)內(nèi)容。該內(nèi)容雖然為選學(xué)，但遺傳密碼的破譯這一事件本身在生物學(xué)史上占有重要地位；具有很高的科學(xué)教育價值，體現(xiàn)了科學(xué)理論和科學(xué)實驗在科學(xué)研究中的重要作用；符合課程標(biāo)準(zhǔn)“總結(jié)人類對遺傳物質(zhì)的探索過程”的要求。本節(jié)課通過將遺傳密碼破譯過程中的重要實驗加以優(yōu)化整合，可以引導(dǎo)學(xué)生主動探究科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中展現(xiàn)出來的創(chuàng)造性的實驗設(shè)計思想。通過學(xué)生主動探究性學(xué)習(xí)，能使學(xué)生“親自”經(jīng)歷科學(xué)理論發(fā)現(xiàn)過程的艱辛并體會科學(xué)設(shè)計實驗的重要性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。所以將這節(jié)內(nèi)容納入課堂授課范圍。 
2  學(xué)情分析 
（1）學(xué)生通過本章第1、2節(jié)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)對基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的具體過程有了很清楚的認(rèn)識，而且在學(xué)習(xí)的過程中很多學(xué)生對“密碼子表”的由來表示出濃厚的興趣。而且學(xué)生已經(jīng)自學(xué)了第五章第1節(jié)“基因突變和基因重組”中關(guān)于鐮刀型細(xì)胞貧血癥的原因，為學(xué)習(xí)破譯遺傳密碼的實驗打下了一定的基礎(chǔ)。 
（2）經(jīng)過了高一一年的學(xué)習(xí)，學(xué)生們已經(jīng)具備了較強(qiáng)的設(shè)計實驗、分析實驗的能力。“假說演繹法”、“類比推理法”、“同位素標(biāo)記技術(shù)”等這些已經(jīng)熟練掌握的理論方法和實驗技術(shù)都將運用到本節(jié)課的學(xué)習(xí)中，所以在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下，學(xué)生應(yīng)該可以更貼近科學(xué)家的思想，體會實驗設(shè)計的快樂。 
（3）在有設(shè)計實驗等問題時，以小組討論的方式合作探究，更容易達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。 
3  教學(xué)目標(biāo) 
3.1  知識目標(biāo) 
概括mRNA的堿基序列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列的對應(yīng)關(guān)系；掌握遺傳密碼的閱讀方式。 3.2  能力目標(biāo) 
通過再現(xiàn)科學(xué)史，培養(yǎng)實驗設(shè)計與科學(xué)探究能力；通過小組合作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)
團(tuán)隊精神和合作意識。 3.3  情感態(tài)度與價值觀目標(biāo) 
體驗科學(xué)探究過程，感受科學(xué)知識發(fā)現(xiàn)的艱辛和漫長；理解科學(xué)的本質(zhì)，感受生物科學(xué)動態(tài)連續(xù)的發(fā)展過程；培養(yǎng)敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神。 
4  教學(xué)重點和難點 
4.1 教學(xué)重點 
遺傳密碼的破譯過程，體驗科學(xué)探究的方法態(tài)度。 4.2 教學(xué)難點 
遺傳密碼閱讀方式的實驗證據(jù)，無細(xì)胞系統(tǒng)破譯遺傳密碼的實驗設(shè)計。 
5 教學(xué)策略和手段 
學(xué)生分析資料和教師問題串引導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)方式；學(xué)生個體學(xué)習(xí)和小組合作探究學(xué)習(xí)相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式；學(xué)生展示實驗設(shè)計和教師引導(dǎo)總結(jié)相結(jié)合的教學(xué)策略。 
6 教學(xué)過程 
6.1 導(dǎo)入新課 
播放視頻-電視劇《潛伏》片段：抗日戰(zhàn)爭年代，地下工作者通過電臺密碼聯(lián)系彼此。將4個一組的數(shù)字密碼，通過查閱密碼本，翻譯成漢語。通過播放視頻，引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的思維從開始就處于活躍的狀態(tài)。提問學(xué)生問題探討中的莫爾斯密碼答案。 
不管是視頻中出現(xiàn)的將數(shù)字轉(zhuǎn)換為漢語，還是問題探討中將莫爾斯電報密碼轉(zhuǎn)換成英文，都要用到密碼子本。同樣，4個字母寫成的“核苷酸語言”轉(zhuǎn)換成20個字母寫成的“氨基酸語言”，也要用到密碼表。在看不見摸不著的細(xì)胞內(nèi)，所遵循的密碼子表是如何被破譯的呢？ 
讓我們沿著科學(xué)家的足跡，體會從抽象理論分析到具體實驗研究中，科學(xué)家們呈現(xiàn)給我們的新穎的思路和精巧的實驗設(shè)計。 6.2 堿基和氨基酸的對應(yīng)關(guān)系 
思考并填寫學(xué)案：4個字母寫成的“核苷酸語言”如何決定20個字母寫成的“氨基酸語言”？ 
學(xué)生回答：若2個堿基決定一個氨基酸，只能編碼16種；若3個堿基決定一個氨基酸，則能編碼64種；若4個堿基決定一個氨基酸，則能編碼256種。 
教師總結(jié)：4個堿基決定一個氨基酸，編碼256種，雖然保證了20種氨基酸都被包含在內(nèi)，但是不符合生物在億萬年進(jìn)化過程中形成的經(jīng)濟(jì)原則，所以3
 
                    
             
                    
                            3 
 
個堿基編碼一個氨基酸最恰當(dāng)。 
教師評價：著名物理學(xué)家伽莫夫也是這樣認(rèn)為的！1954年，伽莫夫?qū)⑺�的猜想寫成文章發(fā)表，同行評價他的想法為“天才的猜想”，同學(xué)們的想法和天才猜想相接當(dāng)近！（鼓勵學(xué)生，激發(fā)探究的欲望） 6.3 遺傳密碼的閱讀方式 
伽莫夫同時認(rèn)為，遺傳密碼的閱讀方式是3個一組重疊閱讀。但是克里克卻認(rèn)為是非重疊閱讀。到底哪一種閱讀方式在生物體中真實存在且更為合理呢？為了更直觀的體會遺傳信息的閱讀情況，同學(xué)們可以采用類比推理的方法來模擬。 
請同學(xué)們思考、填表，并把自己的結(jié)果與小組成員討論。 以不同方式閱讀以下片段：-GGTTCGCACGCT- 
 會形成/影響幾個氨基酸 
堿基序列 重疊方式閱讀 
非重疊方式閱讀 
-GGTTCGCACGCT- 
10個 4個 插入一個A -GGTATCGCACGCT- 
11個，影響3個 
4個，影響3個 
插入兩個A -GGTAATCGCACGCT- 
12個，影響4個 4個，影響3個 
插入三個A -GGTAAATCGCACGCT- 
13個，影響5個 5個，影響1個 
教師總結(jié)：生物體在外界環(huán)境不斷變化的情況下，總有保持自身穩(wěn)定的傾向。也就是說哪一種情況影響最小，哪種就更符合生物體。非重疊閱讀方式在插入3個堿基的情況下影響了1個氨基酸，而重疊閱讀方式影響5個氨基酸，所以我們推測：非重疊閱讀方式更符合。 6.4 遺傳密碼對應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn) 
理論推理必須服從于實驗證據(jù)。請同學(xué)們閱讀以下資料，分析理論推理是如何被實驗所證實的。 
資料1：1961年，克里克與布雷納合作，利用大腸桿菌的T4噬菌體做移碼突變實驗。用藥物處理T4噬菌體，研究某個基因堿基發(fā)生增加或缺失對其所編碼的蛋白質(zhì)影響。T4噬菌體野生型能在大腸桿菌K菌株上生長，形成嗜菌斑。 
實驗結(jié)果：缺失一個核苷酸時，在K菌株上不生長，插入一個核苷酸時，在K菌株上不生長；缺失兩個核苷酸時，在K菌株上不生長，插入兩個核苷酸時，在K菌株上不生長；缺失三個核苷酸時，在K菌株上生長，插入三個核苷酸時，
 
                    
             
                    
                            4 
 
在K菌株上生長。 
學(xué)生能根據(jù)類比推理和克里克的實驗證據(jù)，得出“3個堿基編碼1個氨基酸” 的結(jié)論。 
資料2：在克里克實驗之前，1957年英格蘭姆（英）就已經(jīng)闡明了鐮刀型細(xì)胞貧血癥的分子機(jī)制：由于正常人血紅蛋白基因產(chǎn)生了堿基替換突變（T取代了A），導(dǎo)致正常血紅蛋白多肽鏈上第六個氨基酸—谷氨酸被纈氨酸取代而異常。這個實驗證實了遺傳密碼的閱讀方式為非重疊閱讀。 
綜合以上兩個資料，學(xué)生們能理解式的認(rèn)同克里克的實驗結(jié)論“遺傳密碼從一個固定的起點開始，以非重疊的方式閱讀”。 6.4.1多聚核苷酸實驗 
科學(xué)家仍然不能確定哪幾個堿基決定哪個氨基酸。 
資料3： 1961年，美國兩位年輕的生化學(xué)家尼倫伯格和馬太利用大腸桿菌的破碎細(xì)胞溶液，建立利用人工合成的RNA在試管合成多肽鏈的實驗系統(tǒng)，破譯了第一個遺傳密碼。 
實驗步驟：每支試管中均加入 
①除去DNA和mRNA的破碎細(xì)胞溶液（也稱為無細(xì)胞系統(tǒng)） ②人工合成的多聚尿嘧啶核苷（UUU……） ③分別加入一種氨基酸 
學(xué)生思考，分組討論，小組代表回答： 
（1）一共準(zhǔn)備幾個試管？試管中要加入什么物質(zhì)？作用是什么？ 
（2）無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系中含有什么物質(zhì)？他們?yōu)榈鞍踪|(zhì)合成提供了什么條件？ 
（3）為什么要除去破碎細(xì)胞溶液中存在的DNA和mRNA？ （4）可能觀察到什么現(xiàn)象，得出什么結(jié)論？ 
（5）如果你是尼倫伯格或馬太，需要怎樣設(shè)計對照實驗，才有說服力？ （6）破碎的細(xì)胞溶液中有氨基酸嗎？如果有，是否會影響尼倫伯格和馬太設(shè)計的實驗結(jié)果？ 
（7）通過這種方法還破譯了哪些遺傳密碼？ 
教師總結(jié)：尼倫伯格和馬太的實驗是一個帶有里程碑性質(zhì)的實驗，它指出了完全闡明遺傳密碼的途徑。通過這個實驗，我們知道了苯丙氨酸的密碼子為UUU。那是不是所有的遺傳密碼都能用這個方法破譯呢？顯然不是，因為密碼子并不都是重復(fù)的三核苷酸序列。 6.4.2 其他三核苷酸實驗 
資料4：截至到1964年，與破譯遺傳密碼相關(guān)的研究進(jìn)展和技術(shù)手段如下：  
 
                    
             
                    
                            5 
 
（1）能在體外合成各種tRNA  
（2）能合成全部的64種三核苷酸（如，AUG、GCA等）  
（3）在無細(xì)胞系統(tǒng)中，特殊的三核苷酸能夠促使特殊的氨酰tRNA（氨基酸與tRNA結(jié)合后的物質(zhì)）與核糖體結(jié)合。氨酰-tRNA與核糖體結(jié)合后形成體積較大的復(fù)合體。 
（4）硝酸纖維膜是一種具有一定孔徑的濾膜，體積大的物體可以留在濾膜上，而體積小的物體可以透過濾膜。       
  
學(xué)生分組合作，設(shè)計實驗，以蘇氨酸的密碼子為例，概述實驗設(shè)計思路。 學(xué)生表述他們的設(shè)計思路之后，教師給與肯定并補(bǔ)充完善：清除內(nèi)源mRNA后把人工合成的某三核苷酸(ACA)加入無細(xì)胞體系中（包含tRNA、核糖體）；將該體系分成20支試管，在每個試管中加入20種氨基酸（其中各有一種氨基酸被
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C標(biāo)記）；35度保溫培育1小時后，用硝酸纖維膜過濾并檢測放射性情況。 結(jié)論：若加入ACA的試管中出現(xiàn)放射性，則證明該
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C標(biāo)記的氨基酸是由
ACA決定的。 
教師總結(jié)： 1964年，尼倫伯格等科學(xué)家用此實驗方法，破譯了50多種密碼子。在只給出研究進(jìn)展和有限提示的情況下，同學(xué)們通過小組討論，展示了清晰的實驗設(shè)計思路，體現(xiàn)了實驗設(shè)計思想，非常難得。 
7 課下作業(yè) 
   1966年，科學(xué)家霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，合成出了以2個、3個或4個堿基為單位的RNA重復(fù)序列，進(jìn)行RNA重復(fù)序列翻譯實驗。如表： 在無細(xì)胞體系中提供的多聚核苷酸鏈 
在無細(xì)胞體系中生成的肽鏈 
（AC）n：
蘇氨酸、組氨酸 
 
                    
             
                    
                            6 
 
（1）上述兩組實驗結(jié)果說明，蘇氨酸的密碼子是           ，組氨酸的密碼子
是         。 
（2）有人說，RNA的重復(fù)序列-ACACACACACACACACACACAC—翻譯出來的產(chǎn)物是蘇氨酸和組氨酸的多聚體，這個結(jié)果同時還能證明“決定1個氨基酸的密碼子是由相鄰3個堿基組成的，而不是兩個”。這個觀點正確嗎？ 
8 教學(xué)反思 
本節(jié)課，以遺傳密碼破譯的科學(xué)史為主線，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。探究性學(xué)習(xí)注重分析思考，注重設(shè)計實驗，在學(xué)生親自參與探究的過程中，理解科學(xué)的本質(zhì)。 
    通過小組合作，小組展示，其他小組點評，提問等環(huán)節(jié)，使學(xué)生體會了科學(xué)過程的評價與反思，加深了對本小組實驗設(shè)計的理解，對科學(xué)素養(yǎng)的提高起到了重要的作用。

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