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1、第四章基因的表达 第三节 遗传密码的破译（选学）导入新课导入新课 （问题导入）mRNA是怎样把其中的碱基序列转化为蛋白质中相应氨基酸排列次序的？mRNA的碱基与氨基酸之间是如何对应的？1954年科普作家年科普作家伽莫夫伽莫夫伽莫夫伽莫夫(G.GamorG.Gamor)对破译密码首先提出对破译密码首先提出了挑战。当年，他在了挑战。当年，他在自然自然Nature杂志首次发表了遗传杂志首次发表了遗传密码的理论研究的文章，指出密码的理论研究的文章，指出三个碱基编码一个氨基酸三个碱基编码一个氨基酸三个碱基编码一个氨基酸三个碱基编码一个氨基酸。1.遗传密遗传密码阅读方码阅读方式式 接下来，人们不禁又接下来
2、，人们不禁又要问在三联体中的每个碱要问在三联体中的每个碱基作为信息只读一次还是基作为信息只读一次还是重复阅读呢？以重叠和非重复阅读呢？以重叠和非重叠方式阅读重叠方式阅读DNA序列会序列会有什么不同呢？有什么不同呢？问题探究问题探究学生活动学生活动1.当图中当图中DNA的第三个碱基的第三个碱基(T)发生改变时发生改变时,如果密码是非重叠如果密码是非重叠的的,这一改变将影响这一改变将影响_个氨基个氨基酸酸,如果是重叠的又将影响如果是重叠的又将影响_个氨基酸。个氨基酸。132.在图中在图中DNA的第三个碱基的第三个碱基(T)后插入一个碱基后插入一个碱基A,如果密码是如果密码是非重叠的非重叠的,这一改
3、变将影响这一改变将影响_个氨基酸个氨基酸,如果密码是重叠的如果密码是重叠的,又将影响又将影响_个氨基酸。个氨基酸。33思考与思考与讨论讨论伽莫夫伽莫夫伽莫夫伽莫夫指出的指出的三个碱基编码一个三个碱基编码一个三个碱基编码一个三个碱基编码一个氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸正确吗？阅读方式究竟是正确吗？阅读方式究竟是重叠还是非重叠的？密码之间是重叠还是非重叠的？密码之间是否有分隔符？否有分隔符？下面将通过同学们的探究性学习下面将通过同学们的探究性学习活动，研究碱基与氨基酸之间的活动，研究碱基与氨基酸之间的对应关系。对应关系。深入探究深入探究2.从数学角度认识碱基与氨基酸的对应关系资料资料1 1：mRNAm
4、RNA只有只有4 4种碱基，而组成蛋白质种碱基，而组成蛋白质的氨基酸有的氨基酸有2020种，这四种碱基是怎么决定种，这四种碱基是怎么决定蛋白质的蛋白质的2020种氨基酸的呢？如果种氨基酸的呢？如果1 1个碱基个碱基决定一个氨基酸，那么决定一个氨基酸，那么4 4种碱基只能决定种碱基只能决定4 4种氨基酸，显然这种组合是不够的。种氨基酸，显然这种组合是不够的。想一想，想一想，如果如果2 2个相邻碱基决定一种氨个相邻碱基决定一种氨基酸呢？基酸呢？如果如果3 3个相邻碱基决定一种氨个相邻碱基决定一种氨基酸呢？基酸呢？由此分析你认为应该由多少个由此分析你认为应该由多少个碱基编码一个氨基酸，碱基编码一个氨
5、基酸，4 4种碱基才足以组种碱基才足以组合出构成蛋白质的合出构成蛋白质的2020种氨基酸？种氨基酸？2、从数学角度认识碱基与氨基酸的对应关系学生通过数学运算、小组讨论、推理猜想，即可确定“理论上应理论上应该是三个碱基决定一个氨基酸该是三个碱基决定一个氨基酸”。上述结论仅为数学推理，如何证上述结论仅为数学推理，如何证明呢？明呢？引入科学资料2资资料料2：上世纪上世纪50506060年代，年代，DNADNA分子结构分子结构的发现者克里克研究表明：在的发现者克里克研究表明：在T4T4噬菌体的噬菌体的相关碱基序列中增加或者删除一个碱基，相关碱基序列中增加或者删除一个碱基，无法产生正常功能的蛋白质；增加
6、或删除无法产生正常功能的蛋白质；增加或删除两个碱基，也不能产生正常功能的蛋白质；两个碱基，也不能产生正常功能的蛋白质；但是，当增加或者删除三个碱基时，却合但是，当增加或者删除三个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。成了具有正常功能的蛋白质。3.1 克里克T4噬菌体实验 提示：把提示：把THE FAT CAT ATE THE BIG RAT中的单词看作决定一个氨基酸的密中的单词看作决定一个氨基酸的密码子码子 为什么会产生这样的现象呢？为什么会产生这样的现象呢？请分析找出原因请分析找出原因 3、科学实验3、科学实验3.1 克里克T4噬菌体实验 THE FAT CAT ATE THE BIG RA
7、T试着插入或删去其中的一个、两个、三试着插入或删去其中的一个、两个、三个字母，看后面的语意会有什么变化？个字母，看后面的语意会有什么变化？通过小组推演讨论，会发现只有插入或通过小组推演讨论，会发现只有插入或删去其中的三个字母，后面的语意才不删去其中的三个字母，后面的语意才不变。究其原因为三个字母组成一个单词。变。究其原因为三个字母组成一个单词。类比推理即可得知类比推理即可得知：“出现上述现象的出现上述现象的原因是，原因是，信使信使RNA上的每三个碱基决定上的每三个碱基决定一个氨基酸一个氨基酸”。引入科学资料引入科学资料3资料资料3：19611961年，尼伦伯格和马太利用大年，尼伦伯格和马太利用
8、大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用人工合成的人工合成的RNARNA在试管里合成多肽链的实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验系统，其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分。利用这个实验系统，尼伦需的各种成分。利用这个实验系统，尼伦伯格和马太设计了一个巧妙的实验，破译伯格和马太设计了一个巧妙的实验，破译了第一个遗传密码，即了第一个遗传密码，即UUU-UUU-苯丙氨酸。苯丙氨酸。如果是你，如何设计实验破译遗传密码？如果是你，如何设计实验破译遗传密码？提示：实验提供有多个试管和提示：实验提供有多个试管和2020种氨基酸溶液。种氨基酸溶液
9、。3、科学实验3.2 尼伦伯格和马太的大肠杆菌实验 3.2 尼伦伯格和马太的大肠杆菌实验 3、科学实验学生根据资料内容，分组讨论，大胆探学生根据资料内容，分组讨论，大胆探究，设计方案。究，设计方案。实验方案设计过程面临实验方案设计过程面临3个问题：个问题：合成怎样的合成怎样的RNA作为模板？作为模板？需要一组还是多组实验？需要一组还是多组实验？氨基酸怎样加入？氨基酸怎样加入？教师引导教师引导鼓励，学生思考探究、鼓励，学生思考探究、讨论讨论争争辩辩，达成共，达成共识识：用用单单核苷酸人工合成核苷酸人工合成RNARNA，分多个，分多个实验组实验组，分，分别别加入不同的加入不同的氨基酸，即可破氨基酸
10、，即可破译译UUU-UUU-苯丙氨酸。苯丙氨酸。3.2尼伦伯格和马太的大肠杆菌实验 3、科学实验上述方法只能破译上述方法只能破译AAA是赖氨酸的是赖氨酸的密码子，密码子，CCC是脯氨酸的密码子，是脯氨酸的密码子，GGG是甘氨酸的密码子，是甘氨酸的密码子，UUU是是苯丙氨酸的密码子。只能确定苯丙氨酸的密码子。只能确定4种种氨基酸的遗传密码，所以密码子中氨基酸的遗传密码，所以密码子中肯定还有肯定还有2种或种或3种碱基组合的情况。种碱基组合的情况。引入科学资料引入科学资料4材料材料4：19661966年科学家霍拉纳发明了一种年科学家霍拉纳发明了一种新的新的RNARNA合成方法，通过这种方法合成的合成
11、方法，通过这种方法合成的RNARNA可以是可以是2 2个、个、3 3个或个或4 4个碱基为单位的重个碱基为单位的重复序列，例如复序列，例如:将将A A、C C两种核苷酸缩合为两种核苷酸缩合为ACACACACACACACACACAC长链，以它作人工信使进长链，以它作人工信使进行蛋白质合成，结果发现产物是苏氨酸和行蛋白质合成，结果发现产物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，说明苏氨酸的密码子可组氨酸的多聚体，说明苏氨酸的密码子可能是能是ACAACA，也可能是，也可能是CACCAC；同样，组氨酸的；同样，组氨酸的密码子可能是密码子可能是CACCAC，也可能是，也可能是ACAACA。3.3霍拉纳的RNA重复序列
12、翻译实验 如何证明组氨酸和苏氨酸的密码子是如何证明组氨酸和苏氨酸的密码子是ACAACA还是还是CACCAC呢？请设计实验证明。呢？请设计实验证明。提示：参考霍拉纳的设计方法。提示：参考霍拉纳的设计方法。3、科学实验3.3霍拉纳的RNA重复序列翻译实验 3、科学实验学生小组讨论、大胆设想、制定方案、学生小组讨论、大胆设想、制定方案、对比分析。对比分析。方案：方案：如合成（如合成（CAA）n长链，重复长链，重复上述实验，合成产物为谷氨酰胺、天上述实验，合成产物为谷氨酰胺、天冬酰胺和苏氨酸的多聚体。如果是冬酰胺和苏氨酸的多聚体。如果是(ACC)n可以吗？可以吗？将科学家和自己的实验结果对比分析，将科
13、学家和自己的实验结果对比分析，即可确定即可确定ACA是苏氨酸的密码子，是苏氨酸的密码子，CAC是组氨酸的密码子。是组氨酸的密码子。设想：设想：再用类似的方法合成含有苏再用类似的方法合成含有苏氨酸或组氨酸的多聚体，如果其模氨酸或组氨酸的多聚体，如果其模板板RNA上有上有ACA或或CAC，即可确定。，即可确定。3.3霍拉纳的RNA重复序列翻译实验 3 3、科学实验、科学实验运用此类方法就可以破译其他氨运用此类方法就可以破译其他氨基酸的遗传密码。所有遗传密码基酸的遗传密码。所有遗传密码破译之后就等到了课本第破译之后就等到了课本第65页的页的密码子表。密码子表。请认真阅读密码子表，分析回答下列问题，请
14、认真阅读密码子表，分析回答下列问题，总结遗传密码的特点。总结遗传密码的特点。4、遗传密码的特点 1 1、在、在mRNAmRNA上两个密码子之间有无核苷酸上两个密码子之间有无核苷酸隔开？隔开？2 2、一个氨基酸具有、一个氨基酸具有1 1个、个、2 2个还是个还是2 2个以个以上的密码子？上的密码子？3 3、密码子都决定氨基酸吗？、密码子都决定氨基酸吗？4 4、将人的胰岛素基因导入大肠杆菌，控、将人的胰岛素基因导入大肠杆菌，控制合成了人的胰岛素，说明什么？制合成了人的胰岛素，说明什么？分析归纳，表达交流。分析归纳，表达交流。4、遗传密码的特点 密码子具有密码子具有 连续性、简并性、连续性、简并性、
15、通用性、通用性、不重叠性不重叠性 今天，我们沿着科学家的足今天，我们沿着科学家的足迹，运用数学方法和科学实验探迹，运用数学方法和科学实验探究了究了“氨基酸和碱基之间的数量氨基酸和碱基之间的数量关系关系”，获取了破译氨基酸密码，获取了破译氨基酸密码子的科学实验方法，在今后的学子的科学实验方法，在今后的学习中我们要借鉴、创新及运用这习中我们要借鉴、创新及运用这些方法来解决生物学问题。些方法来解决生物学问题。小小 结结6、拓展练习5、课堂练习假如，我们利用假如，我们利用(UUC)UC)n n核苷酸长链核苷酸长链合成了含有丝氨酸的多肽，那么丝合成了含有丝氨酸的多肽，那么丝氨酸可能的密码子是什么？如何运
16、氨酸可能的密码子是什么？如何运用实验方法确证苏氨酸的密码子究用实验方法确证苏氨酸的密码子究竟是什么？竟是什么？采用蛋白质体外合成的技术揭示遗传密码实采用蛋白质体外合成的技术揭示遗传密码实验中，改变下列哪项操作，即可测出全部的遗传密验中，改变下列哪项操作，即可测出全部的遗传密码与氨基酸的对应规则：码与氨基酸的对应规则：()A无无DNA和和mRNA细胞的提取液细胞的提取液B人工合成的多聚核苷酸人工合成的多聚核苷酸C加入的氨基酸种类和数量加入的氨基酸种类和数量D测定多肽链中氨基酸种类的方法测定多肽链中氨基酸种类的方法 B B用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体来确用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体来确定密码子定密码子重复顺序重复顺序可组成的三联可组成的三联密码密码多肽的氨基酸多肽的氨基酸组成组成(UC)nUCU-CUC丝丝-亮亮(UUC)n(UUC);(UCU);(CUU)苯丙氨酸苯丙氨酸,丝氨丝氨酸酸,亮氨酸亮氨酸(UUAC)n(UUA-CUU-ACU-UAC)亮亮-亮亮-苏苏-酪酪提示：