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視頻標簽：遺傳密碼的破譯
所屬欄目：高中生物優質課視頻
視頻課題：人教版高中生物必修二4.3遺傳密碼的破譯-內蒙古 - 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《分子與細胞》第4章第3節的內容，屬于選學內容。該內容雖然為選學，但遺傳密碼的破譯這一事件本身在生物學史上占有重要地位；具有很高的科學教育價值，體現了科學理論和科學實驗在科學研究中的重要作用；符合課程標準“總結人類對遺傳物質的探索過程”的要求。本節課通過將遺傳密碼破譯過程中的重要實驗加以優化整合，可以引導學生主動探究科學發現過程中展現出來的創造性的實驗設計思想。通過學生主動探究性學習，能使學生“親自”經歷科學理論發現過程的艱辛并體會科學設計實驗的重要性，激發學生學習生物的興趣，培養學生的生物科學素養。所以將這節內容納入課堂授課范圍。
2 學情分析
（1）學生通過本章第1、2節的學習，已經對基因指導蛋白質合成的具體過程有了很清楚的認識，而且在學習的過程中很多學生對“密碼子表”的由來表示出濃厚的興趣。而且學生已經自學了第五章第1節“基因突變和基因重組”中關于鐮刀型細胞貧血癥的原因，為學習破譯遺傳密碼的實驗打下了一定的基礎。
（2）經過了高一一年的學習，學生們已經具備了較強的設計實驗、分析實驗的能力。“假說演繹法”、“類比推理法”、“同位素標記技術”等這些已經熟練掌握的理論方法和實驗技術都將運用到本節課的學習中，所以在教師的引導和啟發下，學生應該可以更貼近科學家的思想，體會實驗設計的快樂。
（3）在有設計實驗等問題時，以小組討論的方式合作探究，更容易達到預期的結果。
3 教學目標
3.1 知識目標
概括mRNA的堿基序列與蛋白質中氨基酸序列的對應關系；掌握遺傳密碼的閱讀方式。 3.2 能力目標
通過再現科學史，培養實驗設計與科學探究能力；通過小組合作學習，培養
團隊精神和合作意識。 3.3 情感態度與價值觀目標
體驗科學探究過程，感受科學知識發現的艱辛和漫長；理解科學的本質，感受生物科學動態連續的發展過程；培養敢于質疑、勇于創新的精神。
4 教學重點和難點
4.1 教學重點
遺傳密碼的破譯過程，體驗科學探究的方法態度。 4.2 教學難點
遺傳密碼閱讀方式的實驗證據，無細胞系統破譯遺傳密碼的實驗設計。
5 教學策略和手段
學生分析資料和教師問題串引導相結合的教學方式；學生個體學習和小組合作探究學習相結合的學習方式；學生展示實驗設計和教師引導總結相結合的教學策略。
6 教學過程
6.1 導入新課
播放視頻-電視劇《潛伏》片段：抗日戰爭年代，地下工作者通過電臺密碼聯系彼此。將4個一組的數字密碼，通過查閱密碼本，翻譯成漢語。通過播放視頻，引起學生學習興趣，使學生的思維從開始就處于活躍的狀態。提問學生問題探討中的莫爾斯密碼答案。
不管是視頻中出現的將數字轉換為漢語，還是問題探討中將莫爾斯電報密碼轉換成英文，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胞內，所遵循的密碼子表是如何被破譯的呢？
讓我們沿著科學家的足跡，體會從抽象理論分析到具體實驗研究中，科學家們呈現給我們的新穎的思路和精巧的實驗設計。 6.2 堿基和氨基酸的對應關系
思考并填寫學案：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：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，但是不符合生物在億萬年進化過程中形成的經濟原則，所以3
3
個堿基編碼一個氨基酸最恰當。
教師評價：著名物理學家伽莫夫也是這樣認為的！1954年，伽莫夫將他的猜想寫成文章發表，同行評價他的想法為“天才的猜想”，同學們的想法和天才猜想相接當近！（鼓勵學生，激發探究的欲望） 6.3 遺傳密碼的閱讀方式
伽莫夫同時認為，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，同學們可以采用類比推理的方法來模擬。
請同學們思考、填表，并把自己的結果與小組成員討論。 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：生物體在外界環境不斷變化的情況下，總有保持自身穩定的傾向。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 遺傳密碼對應規則的發現
理論推理必須服從于實驗證據。請同學們閱讀以下資料，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生增加或缺失對其所編碼的蛋白質影響。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。
學生能根據類比推理和克里克的實驗證據，得出“3個堿基編碼1個氨基酸” 的結論。
資料2：在克里克實驗之前，1957年英格蘭姆（英）就已經闡明了鐮刀型細胞貧血癥的分子機制：由于正常人血紅蛋白基因產生了堿基替換突變（T取代了A），導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，學生們能理解式的認同克里克的實驗結論“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家尼倫伯格和馬太利用大腸桿菌的破碎細胞溶液，建立利用人工合成的RNA在試管合成多肽鏈的實驗系統，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的破碎細胞溶液（也稱為無細胞系統） ②人工合成的多聚尿嘧啶核苷（UUU……） ③分別加入一種氨基酸
學生思考，分組討論，小組代表回答：
（1）一共準備幾個試管？試管中要加入什么物質？作用是什么？
（2）無細胞蛋白質合成體系中含有什么物質？他們為蛋白質合成提供了什么條件？
（3）為什么要除去破碎細胞溶液中存在的DNA和mRNA？ （4）可能觀察到什么現象，得出什么結論？
（5）如果你是尼倫伯格或馬太，需要怎樣設計對照實驗，才有說服力？ （6）破碎的細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計的實驗結果？
（7）通過這種方法還破譯了哪些遺傳密碼？
教師總結：尼倫伯格和馬太的實驗是一個帶有里程碑性質的實驗，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的研究進展和技術手段如下：
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（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）在無細胞系統中，特殊的三核苷酸能夠促使特殊的氨酰tRNA（氨基酸與tRNA結合后的物質）與核糖體結合。氨酰-tRNA與核糖體結合后形成體積較大的復合體。
（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。
學生分組合作，設計實驗，以蘇氨酸的密碼子為例，概述實驗設計思路。 學生表述他們的設計思路之后，教師給與肯定并補充完善：清除內源mRNA后把人工合成的某三核苷酸(ACA)加入無細胞體系中（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。 結論：若加入ACA的試管中出現放射性，則證明該
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C標記的氨基酸是由
ACA決定的。
教師總結： 1964年，尼倫伯格等科學家用此實驗方法，破譯了50多種密碼子。在只給出研究進展和有限提示的情況下，同學們通過小組討論，展示了清晰的實驗設計思路，體現了實驗設計思想，非常難得。
7 課下作業
1966年，科學家霍拉納發明了一種新的RNA合成方法，合成出了以2個、3個或4個堿基為單位的RNA重復序列，進行RNA重復序列翻譯實驗。如表： 在無細胞體系中提供的多聚核苷酸鏈
在無細胞體系中生成的肽鏈
（AC）n：
蘇氨酸、組氨酸
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（1）上述兩組實驗結果說明，蘇氨酸的密碼子是 ，組氨酸的密碼子
是 。
（2）有人說，RNA的重復序列-ACACACACACACACACACACAC—翻譯出來的產物是蘇氨酸和組氨酸的多聚體，這個結果同時還能證明“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 教學反思
本節課，以遺傳密碼破譯的科學史為主線，引導學生進行探究性學習。探究性學習注重分析思考，注重設計實驗，在學生親自參與探究的過程中，理解科學的本質。
通過小組合作，小組展示，其他小組點評，提問等環節，使學生體會了科學過程的評價與反思，加深了對本小組實驗設計的理解，對科學素養的提高起到了重要的作用。
視頻來源：優質課網 www.jjlqy.cn
