遗传密码的破译教学设计桐城八中 毛玉一、 教材分析这节课是必修二分子与细胞第四章第三节的内容，属于选学范围。虽然是选学内容，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，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，为学生学习探究方法提供了难得的范例。所以，将这节内容纳入课堂授课范围。二、 学情分析同学们在第一节学习了基因的表达，即遗传信息的转录和翻译。熟悉了遗传密码子表以及遗传密码子在翻译过程中的重要作用，理解了碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的，对进一步了解遗传密码子是如何破译的，有强烈的兴趣。三、 教学目标1、知识目标:、遗传密码是如何破译的、遗传密码有哪些特点2、能力目标:、从数学的角度认识碱基与氨基酸的对应关系训练学生科学推理能力、通过再现科学史培养学生实验设计与科学探究能力、通过总结遗传密码的特点训练学生对比分析、归纳总结能力3、情感目标:、通过再现科学史让学生体验科学方法与科学态度、通过再现科学史让学生感受科学知识发现过程的艰辛和漫长四、 教学重难点教学重点遗传密码的破译过程教学难点遗传密码的破译过程五、 教学方法引导学生通过数学方法推理和猜想“碱基与氨基酸的对应关系”;根据科学资料，运用英语词句类比推理“碱基与氨基酸的对应关系”;借鉴科学家的实验方法，小组合作设计实验方案，探究与体验破译遗传密码的方法和过程。六、 教学过程1、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?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对应关系。2、从数学角度认识碱基与氨基酸的对应关系资料1:mRNA只有4种碱基，而组成蛋白质的氨基酸有20种，这四种碱基是怎么决定蛋白质的20种氨基酸的呢?如果1个碱基决定一个氨基酸，那么4种碱基只能决定4种氨基酸，显然这种组合是不够的。想一想，如果2个相邻碱基决定一种氨基酸呢?如果3个相邻碱基决定一种氨基酸呢?由此分析你认为应该由多少个碱基编码一个氨基酸，4种碱基才足以组合出构成蛋白质的20种氨基酸?学生通过数学运算、小组讨论、推理猜想，即可确定“理论上应该是三个碱基决定一个氨基酸”。上述结论仅为数学推理，如何证明呢？留下问题一。3、遗传密码的阅读方式思考与讨论：（1）、当图中DNA的第三个碱基(T)发生改变时,如果密码是非重叠的,这一改变将影响_个氨基酸,如果是重叠的又将影响_个氨基酸；（2）、在图中DNA的第三个碱基(T)后插入一个碱基A,如果密码是非重叠的,这一改变将影响_个氨基酸,如果密码是重叠的,又将影响_个氨基酸。那遗传密码的阅读方式是重叠的还是非重叠的呢？这是问题二。4、科学实验4.1 克里克T4噬菌体实验资料2:上世纪5060年代，DNA分子结构的发现者克里克研究表明:在T4噬菌体的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。为什么会产生这样的现象呢?请分析找出原因。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码子THE FAT CAT ATE THE BIG RAT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?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，后面的语意才不变。究其原因为三个字母组成一个单词。类比推理即可得知：出现上述现象的原因是，信使RNA上的每三个碱基决定一个氨基酸；且以非重叠方式阅读。回答了前面两个疑问。那么，如何破解遗传密码呢?4.2 尼伦伯格和马太的大肠杆菌实验资料3:1961年，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用人工合成的RNA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，破译了第一个遗传密码，即UUU-苯丙氨酸。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20种氨基酸溶液。)学生根据资料内容，分组讨论，大胆探究，设计方案。实验方案设计过程面临3个问题:(1)合成怎样的RNA作为模板?(2)需要一组还是多组实验?(3)氨基酸怎样加入?教师引导鼓励，学生思考探究、讨论争辩，达成共识:用单核苷酸人工合成RNA，分多个实验组，分别加入不同的氨基酸，即可破译UUU-苯丙氨酸。上述方法只能破译AAA是赖氨酸的密码子，CCC是脯氨酸的密码子，GGG是甘氨酸的密码子，UUU是苯丙氨酸的密码子。只能确定4种氨基酸的遗传密码，所以密码子中肯定还有2种或3种碱基组合的情况。怎样破译其他的遗传密码呢?4.3霍拉纳的RNA重复序列翻译实验材料4:1966年科学家霍拉纳发明了一种新的RNA合成方法，通过这种方法合成的RNA可以是2个、3个或4个碱基为单位的重复序列，例如:将A、C两种核苷酸缩合为ACACACACAC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组氨酸的多聚体，说明苏氨酸的密码子可能是ACA，也可能是CAC;同样，组氨酸的密码子可能是CAC，也可能是ACA。如何证明组氨酸和苏氨酸的密码子是ACA还是CAC呢?请设计实验证明。( 提示:参考霍拉纳的设计方法。)学生小组讨论、大胆设想、制定方案、对比分析。设想:再用类似的方法合成含有苏氨酸或组氨酸的多聚体，如果其模板RNA上有ACA或CAC，即可确定。方案:如合成(CAA)n长链，重复上述实验，合成产物为谷氨酰胺、天冬酰胺和苏氨酸的多聚体。将科学家和自己的实验结果对比分析，即可确定ACA是苏氨酸的密码子，CAC是组氨酸的密码子。运用此类方法就可以破译其他氨基酸的遗传密码。所有遗传密码破译之后就等到了课本第65页的密码子表。5、小结今天，我们沿着科学家的足迹，运用数学方法和科学实验探究了“氨基酸和碱基之间的数量关系”，了解了遗传密码的阅读方式，获取了破译氨基酸密码子的科学实验方法，在今后的学习中我们要借鉴、创新及运用这些方法来解决生物学问题。6、布置作业假如，我们利用(ACU)n核苷酸长链合成了含有苏氨酸的多肽，那么苏氨酸可能的密码子有哪些?如何运用实验方法确证苏氨酸的密码子究竟是什么?七、 板书设计第3节 遗传密码的破译1、从数学角度认识碱基与氨基酸的对应关系理论上应该是三个碱基决定一个氨基酸2、遗传密码的阅读方式非重叠方式、重叠方式3、科学家破译遗传密码的过程3.1克里克T4噬菌体实验 RNA上的每3个碱基决定一个氨基酸3.2 尼伦伯格和马太的大肠杆菌实验 破译了遗传密码AAA、GGG、CCC、UUU3.3霍拉纳的RNA重复序列翻译实验 破译了其他遗传密码八、 教学反思本节课内容的重难点是遗传密码的破译过程，破译过程是由三个实验展开的，因为课堂时间的限制，在实际教学授课时，讲解较多，留给学生讨论的时间比较少。这是这节课最大的不足的地方。引入了课本上没有的霍拉纳的RNA重复序列翻译实验，丰富充实了课堂内容，也使遗传密码的破译过程更加完整。原本担心学生对这节内容难以理解，但发现学生的潜能是无限的，在充分理解了尼伦伯格和马太的大肠杆菌实验后，对不同碱基的遗传密码破译，也能充分理解。第 5 页