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视频标签：遗传密码的破译
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视频课题：人教版高中生物必修二4.3遗传密码的破译-内蒙古 - 通辽
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4.3 遗传密码的破译
1 教材分析
“遗传密码的破译”是必修2《分子与细胞》第4章第3节的内容，属于选学内容。该内容虽然为选学，但遗传密码的破译这一事件本身在生物学史上占有重要地位；具有很高的科学教育价值，体现了科学理论和科学实验在科学研究中的重要作用；符合课程标准“总结人类对遗传物质的探索过程”的要求。本节课通过将遗传密码破译过程中的重要实验加以优化整合，可以引导学生主动探究科学发现过程中展现出来的创造性的实验设计思想。通过学生主动探究性学习，能使学生“亲自”经历科学理论发现过程的艰辛并体会科学设计实验的重要性，激发学生学习生物的兴趣，培养学生的生物科学素养。所以将这节内容纳入课堂授课范围。
2 学情分析
（1）学生通过本章第1、2节的学习，已经对基因指导蛋白质合成的具体过程有了很清楚的认识，而且在学习的过程中很多学生对“密码子表”的由来表示出浓厚的兴趣。而且学生已经自学了第五章第1节“基因突变和基因重组”中关于镰刀型细胞贫血症的原因，为学习破译遗传密码的实验打下了一定的基础。
（2）经过了高一一年的学习，学生们已经具备了较强的设计实验、分析实验的能力。“假说演绎法”、“类比推理法”、“同位素标记技术”等这些已经熟练掌握的理论方法和实验技术都将运用到本节课的学习中，所以在教师的引导和启发下，学生应该可以更贴近科学家的思想，体会实验设计的快乐。
（3）在有设计实验等问题时，以小组讨论的方式合作探究，更容易达到预期的结果。
3 教学目标
3.1 知识目标
概括mRNA的碱基序列与蛋白质中氨基酸序列的对应关系；掌握遗传密码的阅读方式。 3.2 能力目标
通过再现科学史，培养实验设计与科学探究能力；通过小组合作学习，培养
团队精神和合作意识。 3.3 情感态度与价值观目标
体验科学探究过程，感受科学知识发现的艰辛和漫长；理解科学的本质，感受生物科学动态连续的发展过程；培养敢于质疑、勇于创新的精神。
4 教学重点和难点
4.1 教学重点
遗传密码的破译过程，体验科学探究的方法态度。 4.2 教学难点
遗传密码阅读方式的实验证据，无细胞系统破译遗传密码的实验设计。
5 教学策略和手段
学生分析资料和教师问题串引导相结合的教学方式；学生个体学习和小组合作探究学习相结合的学习方式；学生展示实验设计和教师引导总结相结合的教学策略。
6 教学过程
6.1 导入新课
播放视频-电视剧《潜伏》片段：抗日战争年代，地下工作者通过电台密码联系彼此。将4个一组的数字密码，通过查阅密码本，翻译成汉语。通过播放视频，引起学生学习兴趣，使学生的思维从开始就处于活跃的状态。提问学生问题探讨中的莫尔斯密码答案。
不管是视频中出现的将数字转换为汉语，还是问题探讨中将莫尔斯电报密码转换成英文，都要用到密码子本。同样，4个字母写成的“核苷酸语言”转换成20个字母写成的“氨基酸语言”，也要用到密码表。在看不见摸不着的细胞内，所遵循的密码子表是如何被破译的呢？
让我们沿着科学家的足迹，体会从抽象理论分析到具体实验研究中，科学家们呈现给我们的新颖的思路和精巧的实验设计。 6.2 碱基和氨基酸的对应关系
思考并填写学案：4个字母写成的“核苷酸语言”如何决定20个字母写成的“氨基酸语言”？
学生回答：若2个碱基决定一个氨基酸，只能编码16种；若3个碱基决定一个氨基酸，则能编码64种；若4个碱基决定一个氨基酸，则能编码256种。
教师总结：4个碱基决定一个氨基酸，编码256种，虽然保证了20种氨基酸都被包含在内，但是不符合生物在亿万年进化过程中形成的经济原则，所以3
3
个碱基编码一个氨基酸最恰当。
教师评价：著名物理学家伽莫夫也是这样认为的！1954年，伽莫夫将他的猜想写成文章发表，同行评价他的想法为“天才的猜想”，同学们的想法和天才猜想相接当近！（鼓励学生，激发探究的欲望） 6.3 遗传密码的阅读方式
伽莫夫同时认为，遗传密码的阅读方式是3个一组重叠阅读。但是克里克却认为是非重叠阅读。到底哪一种阅读方式在生物体中真实存在且更为合理呢？为了更直观的体会遗传信息的阅读情况，同学们可以采用类比推理的方法来模拟。
请同学们思考、填表，并把自己的结果与小组成员讨论。 以不同方式阅读以下片段：-GGTTCGCACGCT-
会形成/影响几个氨基酸
碱基序列 重叠方式阅读
非重叠方式阅读
-GGTTCGCACGCT-
10个 4个 插入一个A -GGTATCGCACGCT-
11个，影响3个
4个，影响3个
插入两个A -GGTAATCGCACGCT-
12个，影响4个 4个，影响3个
插入三个A -GGTAAATCGCACGCT-
13个，影响5个 5个，影响1个
教师总结：生物体在外界环境不断变化的情况下，总有保持自身稳定的倾向。也就是说哪一种情况影响最小，哪种就更符合生物体。非重叠阅读方式在插入3个碱基的情况下影响了1个氨基酸，而重叠阅读方式影响5个氨基酸，所以我们推测：非重叠阅读方式更符合。 6.4 遗传密码对应规则的发现
理论推理必须服从于实验证据。请同学们阅读以下资料，分析理论推理是如何被实验所证实的。
资料1：1961年，克里克与布雷纳合作，利用大肠杆菌的T4噬菌体做移码突变实验。用药物处理T4噬菌体，研究某个基因碱基发生增加或缺失对其所编码的蛋白质影响。T4噬菌体野生型能在大肠杆菌K菌株上生长，形成嗜菌斑。
实验结果：缺失一个核苷酸时，在K菌株上不生长，插入一个核苷酸时，在K菌株上不生长；缺失两个核苷酸时，在K菌株上不生长，插入两个核苷酸时，在K菌株上不生长；缺失三个核苷酸时，在K菌株上生长，插入三个核苷酸时，
4
在K菌株上生长。
学生能根据类比推理和克里克的实验证据，得出“3个碱基编码1个氨基酸” 的结论。
资料2：在克里克实验之前，1957年英格兰姆（英）就已经阐明了镰刀型细胞贫血症的分子机制：由于正常人血红蛋白基因产生了碱基替换突变（T取代了A），导致正常血红蛋白多肽链上第六个氨基酸—谷氨酸被缬氨酸取代而异常。这个实验证实了遗传密码的阅读方式为非重叠阅读。
综合以上两个资料，学生们能理解式的认同克里克的实验结论“遗传密码从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读”。 6.4.1多聚核苷酸实验
科学家仍然不能确定哪几个碱基决定哪个氨基酸。
资料3： 1961年，美国两位年轻的生化学家尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立利用人工合成的RNA在试管合成多肽链的实验系统，破译了第一个遗传密码。
实验步骤：每支试管中均加入
①除去DNA和mRNA的破碎细胞溶液（也称为无细胞系统） ②人工合成的多聚尿嘧啶核苷（UUU……） ③分别加入一种氨基酸
学生思考，分组讨论，小组代表回答：
（1）一共准备几个试管？试管中要加入什么物质？作用是什么？
（2）无细胞蛋白质合成体系中含有什么物质？他们为蛋白质合成提供了什么条件？
（3）为什么要除去破碎细胞溶液中存在的DNA和mRNA？ （4）可能观察到什么现象，得出什么结论？
（5）如果你是尼伦伯格或马太，需要怎样设计对照实验，才有说服力？ （6）破碎的细胞溶液中有氨基酸吗？如果有，是否会影响尼伦伯格和马太设计的实验结果？
（7）通过这种方法还破译了哪些遗传密码？
教师总结：尼伦伯格和马太的实验是一个带有里程碑性质的实验，它指出了完全阐明遗传密码的途径。通过这个实验，我们知道了苯丙氨酸的密码子为UUU。那是不是所有的遗传密码都能用这个方法破译呢？显然不是，因为密码子并不都是重复的三核苷酸序列。 6.4.2 其他三核苷酸实验
资料4：截至到1964年，与破译遗传密码相关的研究进展和技术手段如下：
5
（1）能在体外合成各种tRNA
（2）能合成全部的64种三核苷酸（如，AUG、GCA等）
（3）在无细胞系统中，特殊的三核苷酸能够促使特殊的氨酰tRNA（氨基酸与tRNA结合后的物质）与核糖体结合。氨酰-tRNA与核糖体结合后形成体积较大的复合体。
（4）硝酸纤维膜是一种具有一定孔径的滤膜，体积大的物体可以留在滤膜上，而体积小的物体可以透过滤膜。
学生分组合作，设计实验，以苏氨酸的密码子为例，概述实验设计思路。 学生表述他们的设计思路之后，教师给与肯定并补充完善：清除内源mRNA后把人工合成的某三核苷酸(ACA)加入无细胞体系中（包含tRNA、核糖体）；将该体系分成20支试管，在每个试管中加入20种氨基酸（其中各有一种氨基酸被
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C标记）；35度保温培育1小时后，用硝酸纤维膜过滤并检测放射性情况。 结论：若加入ACA的试管中出现放射性，则证明该
14
C标记的氨基酸是由
ACA决定的。
教师总结： 1964年，尼伦伯格等科学家用此实验方法，破译了50多种密码子。在只给出研究进展和有限提示的情况下，同学们通过小组讨论，展示了清晰的实验设计思路，体现了实验设计思想，非常难得。
7 课下作业
1966年，科学家霍拉纳发明了一种新的RNA合成方法，合成出了以2个、3个或4个碱基为单位的RNA重复序列，进行RNA重复序列翻译实验。如表： 在无细胞体系中提供的多聚核苷酸链
在无细胞体系中生成的肽链
（AC）n：
苏氨酸、组氨酸
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（1）上述两组实验结果说明，苏氨酸的密码子是 ，组氨酸的密码子
是 。
（2）有人说，RNA的重复序列-ACACACACACACACACACACAC—翻译出来的产物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，这个结果同时还能证明“决定1个氨基酸的密码子是由相邻3个碱基组成的，而不是两个”。这个观点正确吗？
8 教学反思
本节课，以遗传密码破译的科学史为主线，引导学生进行探究性学习。探究性学习注重分析思考，注重设计实验，在学生亲自参与探究的过程中，理解科学的本质。
通过小组合作，小组展示，其他小组点评，提问等环节，使学生体会了科学过程的评价与反思，加深了对本小组实验设计的理解，对科学素养的提高起到了重要的作用。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
