人教课标版高中生物必修2第4章《遗传密码的破译(选学)》教学设计

教学设计 教材分析 本课内容属于选学，由教师根据实际的教学进度等情况进行自主安排。本节课主要阐述了遗传密码破译的过程，是对本章第一节“基因指导蛋白质的合成”的一个非常重要的补充。第一节“基因指导蛋白质的合成”中虽然学习了遗传密码，但是，学生并不了解遗传密码到底是怎样被破译的，破译的过程和方法学生都不清楚，所以，学生通过本节课内容的学习，可以深刻地感受到破译过程的艰辛，并使学生通过这一研究过程学习其中蕴涵的科学研究方法——类比的研究方法。 在理解遗传密码的阅读方式时，有非重叠的阅读方式和重叠的阅读方式，到底是哪一种，我们是利用不同的阅读方式来阅读同一段DNA的碱基序列，然后通过实验证据，最后证明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。 在学习“遗传密码对应规则”的时候，通过重现尼伦伯格和马太的实验，分析研究不同的氨基酸到底是由怎样的遗传密码来进行编码的，最终破译了第一个遗传密码，即苯丙氨酸对应的密码子应该是UUU。后来，科学家沿着尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成的思路，不断地改进实验方法，终于破译出了全部的遗传密码，并在此基础上编制出了密码子表。 通过本课内容的学习，我们不仅要让学生掌握关于密码子的知识，知道密码子对应规则发现的历程，更要让学生学习科学家们在探索过程中的精神，以及科学的探索方法，做到学以致用，这才是我们真正要让学生理解和掌握的。 三维目标 1．说出遗传密码的阅读方式。 2．说出遗传密码的破译过程。 3．理解类比的研究方法。 4．能够运用证据和逻辑分析实验现象，得出结论。 内容提要

教学重点和难点 1．遗传密码的破译过程。 2．尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成实验。 课时安排 1课时 课前准备 1．教学过程中配套的学案 2．蛋白质体外合成的实验示意图 教学过程 导入新课 1．情境导入 莫尔斯密码，是由美国画家和电报发明人莫尔斯先生于1838年发明的一套由“点”和“划”构成的系统，通过“点”和“划”间隔的不同排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。 我们一起来看课本上的“问题探讨”，发现，要破译用莫尔斯密码编写的问题并把它译成英文，必须要根据教材中提供的莫尔斯密码表才行，这和我们的遗传密码编码氨基酸有着非常相似的地方。 2．复习导入 我们在学习第1节“基因指导蛋白质的合成”的时候，知道氨基酸是由密码子来进行编码的，而所谓的密码子，就是信使RNA上3个相邻的碱基。为什么密码子是信使RNA上3个相邻的碱基呢？它是怎样被发现的呢？又是怎样被验证的呢？ 今天，我们就来一起研究这个问题。 推进新课 学习目标一：遗传密码的阅读方式 [方法引导] 我们在利用莫尔斯密码表来写出问题的时候，其中每个密码子之间都是用斜线分隔开的，阅读的时候只要逐个翻译密码就可以了。假如我们的遗传密码也可以用这种方法的话，那么，3个碱基决定1个氨基酸，只需要以3个碱基为1个阅读单位，依次阅读。 但是，从理论上来说，还有一种阅读方式是重叠的阅读方式。 科学家为什么要研究遗传密码的阅读方式呢？因为，即使是同一个碱基序列，不同的阅读方式解读出来的含义是完全不同的，所以要正确地理解遗传密码的含义，就必须掌握遗传密码的阅读方式。 现在，我们来看这样的例子。 思考：请同学们按照不同的遗传密码的阅读方式来阅读下列碱基序列，看看结果有何区别？ 碱基序列：GGTTCGCACGCT 学生讨论回答。 点拨：以非重叠的阅读方式进行阅读，是按照GGT、TCG、CAC、GCT进行的，如果是按照重叠的阅读方式进行阅读，是按照GGT、GTT、TTC、TCG、CGC、GCA、CAC、ACG、CGC、GCT进行的，我们发现，两种不同的阅读方式，“阅读”出来的氨基酸的种类和数目都是不一样的。所以，要正确地理解遗传密码的含义，就必须掌握遗传密码的阅读方式。 再思考：假如在上面的碱基序列中的第3个碱基后面，再插入一个碱基(例如A)，按照两种不同的阅读方式，结果有何异同？如果插入3个碱基呢？ 学生讨论回答。 点拨：按照非重叠的阅读方式进行阅读，除了前3个碱基决定的氨基酸不变外，后面的都要发生改变。假如是按照重叠的方式进行阅读，除了决定的第一个氨基酸不变外，后面的所有被决定的氨基酸都会发生改变。如果插入3个碱基，按照非重叠的方式进行阅读，在决定的第二个氨基酸后面会插入一个新的氨基酸，后面被决定的氨基酸都不发生改变。假如按照重叠的方式进行阅读，第一个氨基酸不发生改变，后面会插入5个新的氨基酸，其后又不发生改变。 学习目标二：克里克的实验证据 [合作探究] 遗传密码的阅读到底是非重叠的阅读方式呢，还是以重叠的方式阅读的呢？遗传密码真的是以3个碱基为一组的吗？我们提出的这些疑问，仅仅靠理论推导是不行的，必须通过实验获得第一手资料作为证据，才有充分的说服力，才能得到人们的认可。 科学家克里克和他的同事们通过大量的实验工作，于1961年找到了让我们疑惑了很久的答案。 现在，让我来重现科学家克里克和他的同事们所做的实验。 实验重现：以T4噬菌体为实验材料，在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；增加或者删除两个碱基，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，却合成了具有正常功能的蛋白质。 思考：为什么会出现这样的结果呢？ 类比分析：参照教材中的例子，句中的每个单词都由3个字母组成，7个单词连成一句。当第3个单词中插入字母R，仍然按照3个字母组成一个单词的阅读方式阅读，从插入处开始的所有单词都被改变。若第3和第4个单词中分别插入字母R，从插入处开始的所有单词都被改变。当第3、4、5个单词中都插入1个字母时，除了插入处的单词外，其他部分的单词都没有改变。 学生讨论。 点拨：氨基酸是由信使RNA上3个相邻的碱基形成的密码子来决定的。实验可以证明：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。 学习目标三：遗传密码对应规则的发现 1．遗传密码对应规则的发现 [方法引导] 通过科学家克里克和他的同事们所做的实验，我们可以得出遗传密码的总体特征，但是，我们并不能够说明3个碱基对应的是哪一个氨基酸。同样的，我们必须借助实验来破译由3个碱基排列成的1个密码子对应的氨基酸到底是哪一种。 就在科学家克里克和他的同事们完成他们的实验的同一年，有两个年轻人做了个实验，破译了第一个密码，这两个年轻人是尼伦伯格和马太。让我们一起来看他们的实验。 实验重现：这是一个蛋白质在体外合成的技术。他们在每支试管中分别加入一种氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，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。 思考：(1)为什么要除去细胞提取液的DNA和mRNA? (2)如果你是尼伦伯格或者马太，你将如何设计对照组实验，确保你的重大发现得到同行的认可？ (3)实验结果说明了什么？ 学生讨论回答。 点拨：(1)假如不除去细胞提取液的DNA和mRNA，那么，细胞中原有的mRNA会作为合成蛋白质的模板干扰实验结果，细胞中原有的DNA可能作为mRNA合成的模板，而新合成的mRNA也会干扰实验结果，因此需要除去细胞提取液中的DNA和mRNA。 (2)作为对照实验的试管中，所有成分都与实验组的试管相同，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸。 (3)实验结果说明：多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成，而多聚尿嘧啶核苷酸的碱基序列是由许多个尿嘧啶组成的(UUU„„)，可见尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链。结合克里克得出的3个碱基决定1个氨基酸的实验结论，与苯丙氨酸对应的密码子应该是UUU。 注意：教材中安排的蛋白质体外合成的实验示意图，旨在帮助学生进行理解这个实验的设计思路，因此，作为示意图，课本上只展示了4种氨基酸。其实，在实际实验中，测试的是组成蛋白质的20种氨基酸。在这20种氨基酸中，只有加入了苯丙氨酸的试管才出现了多聚苯丙氨酸组成的肽链。 2．对比克里克和尼伦伯格的实验 克里克的T4噬菌体实验 尼伦伯格体外蛋白质合成实验 主要思路前提 找到使DNA脱落或插入单个碱基的方法——原黄素处理 多核苷酸磷酸化酶的发现，为得到poly U提供条件

优势 不需要理解蛋白质合成过程，就能作出推断密码子的总体特征 快速，直接

不足 证据相对间接，工作量较大 需要首先了解细胞中蛋白质合成所需的条件 课堂小结 克里克用实验证明了遗传密码中的3个碱基编码1个氨基酸，而且，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。尼伦伯格和马太又破译了第一个遗传密码，此后，科学家又相继破译出了全部的遗传密码。 板书设计 第3节 遗传密码的破译 一、遗传密码的阅读方式 二、克里克的实验证据 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

三、遗传密码对应规则的发现 教学反思 本节课的内容虽然不是很多，但是具体内容比较抽象，比如说遗传密码的阅读方式，到底是非重叠的阅读方式，还是重叠的阅读方式，用实实在在的DNA碱基序列去探讨就显得容易得多，这样，学生也非常容易理解并且接受。另外，“克里克的实验证据”这部分内容也并不容易理解，在这里，我们就可以运用类比的方法，对实例进行分析，再对实验进行分析，让学生真正理解这部分内容到底阐述了些什么，以此来帮助学生理解。在处理“遗传密码对应规则的发现”这部分内容时，相对来说比较轻松，学生也能够理解这个实验说明的问题。同时，学生对科学的探索也有了新的认识。 课后延伸 1．生活中的生物学 随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前，特别是当人们了解到遗传密码是由RNA转录表达的以后，生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密，而是开始跃跃欲试，设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性。如果将一种生物的DNA中的某个遗传密码片段连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织一下，就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型，这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同。这种做法就像技术科学的工程设计，按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就称为“基因工程”，或者说是“遗传工程”。 2．遗传密码破译的历程 (1)1944年理论物理学家薛定谔发表的《什么是生命》一书中就大胆地预言，遗传密码可能与莫尔斯密码类似，通过排列组合来储存遗传信息。 (2)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。 (3)1957年Brenner.S发表文章，在理论上否定了遗传密码重叠阅读的可能性。 (4)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。