高中生物第三节基因控制蛋白质的合成第2课示范教案-苏教版.doc

第二课时　遗传密码的破译

师:上节课，我们了解了证明RNA与蛋白质关系的两个实验及Marmur和Duty利用DNA—RNA杂合技术、采用侵染枯草杆菌的噬菌体SP8为材料进行实验。从科学家的实验中可以清楚地看出，基因控制蛋白质合成的过程，可分为两个步骤。
师:基因控制蛋白质合成的过程，可分为哪两个步骤？

生第一步是基因的遗传信息传递给RNA，此步可称为“转录”；第二步是转录出的RNA在核糖体通过指导蛋白质合成来表达信息，此步可称为“翻译”。
师:当沃森和克里克发现了DNA分子双螺旋结构后，全世界的科学家都认为破译遗传密码是下一个重大的研究课题。这时，人们首先想到了电报密码。
课件展示：
发电报人发报图像与接电报人的图像
师:比如说“胰岛素”的电报密码是“3534　3213　2728”这样一串数字，这一密码通过电波传到目的地后，又按密码翻译成“胰岛素”。
师:组成蛋白质的氨基酸一般有多少种？
生一般有20种。
师:氨基酸有20种，RNA有四种核苷酸，四种碱基AGCU如何决定20种氨基酸？(要求学生进行逻辑推理)
生(1)一个碱基决定一个氨基酸只能决定4种，41＝4不行。
(2)两个碱基决定一个氨基酸只能决定16种，42＝16不行。
(3)三个碱基决定一个氨基酸只能决定64种，43＝64足够有余。
师:实验验证，1961年英国的克里克和同事用实验证明一个氨基酸是由信使RNA的三个碱基决定即三联体密码子，可能有一些密码子并不为氨基酸编码，而某种氨基酸可能被一种以上的密码子所决定。前一种情况称为密码的剩余，后一种情况称为密码的兼并。
师:给出三个遗传字母，它所对应的氨基酸究竟是哪种呢？这就是遗传密码的破译问题。
师:遗传密码是怎样的呢？
　板　书：
积极思维：遗传密码是怎样破译的？

课件展示：
1960年，一些青年科学家来到美国国立卫生研究院，和那里从事体外蛋白质人工合成研究的尼论贝格一起开始了破译遗传密码的研究。研究的核心是哪种RNA可以促进多肽的合成。他们创造性地设计并实施了相关实验。
实验步骤：
(1)把大量的大肠杆菌细胞磨碎，制成无细胞提取液，用DNA酶处理这种提取液使细菌的DNA降解，然后通过离心沉淀，除去细胞壁和质膜。剩下的上清液中含有蛋白质合成所必需的核糖体、tRNA、蛋白质因子和酶系统，这时细菌的mRNA由于寿命很短早就降解了。
(2)采用了蛋白质的体外合成技术，在每支试管中分别加入一种氨基酸，再加入上述制成的细菌无细胞提取液，加入人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，观察结果。
师:(1)为什么要除去细胞提取液中的DNA和mRNA?
(2)上述科学家的实验能够说明什么问题？
(3)如果加入的是只含两个碱基UC合成的多聚核苷酸链，又会出现了什么结果呢？
学生活动：学生分组讨论代表回答。
生甲:因为实验中要以人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸作模板，除去细胞提取液中的DNA和mRNA是为了消除干扰。
生乙:实验结果是加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链。说明了苯丙氨酸的RNA的密码子之一是UUU。
生丙:如果加入的是只含两个碱基UC合成的多聚核苷酸链，并用它们作模板进行大量的离体情况下的蛋白质合成的实验。结果发现合成的蛋白质中有苯丙氨酸，再次证明了苯丙氨酸的密码子是UUU。另外还有赖氨酸、亮氨酸、酪氨酸、异亮氨酸。由于U和A是随机排列的，所以会出现密码子UUU、AAA、UUA、UAU、AUU。
师:怎么知道赖氨酸的密码子是AAA的呢？
生在蛋白质的体外合成技术中，在每支试管中分别加入一种氨基酸，再加入上述制成的细菌无细胞提取液，加入人工合成的RNA多聚腺嘌呤核苷酸，观察结果，则发现加入了赖氨酸的试管中出现了多聚赖氨酸的肽链。
师:亮氨酸、酪氨酸、异亮氨酸的密码子能确定吗？
生无法确定。
师:(1)上述困难很快就被科学家解决了，他成功地合成了具有规则重复碱基序列的多聚核苷酸链，其中有用两种核苷酸聚合而成的，也有用三种或四种核苷酸聚合而成的。例如：用尿嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸组成的具有规则重复碱基序列的多核苷酸链，它的碱基序列是：……UCUCUCUCUCUCUCUCUCUC……简写为(UC)n，上述序列按三个碱基一组应读成……UCUCUC、UCU……从而形成具有规则重复的(交替)UCU和CUC密码子。用这种多聚核苷酸链作模板，在离体情况下进行蛋白质的合成，他发现合成的蛋白质中只有两种氨基酸，即丝氨酸和亮氨酸。这说明UCU和CUC两个密码子中的一个可能是丝氨酸或亮氨酸的密码子。
(2)规则碱基序列多核苷酸合成实验结果
多聚核苷酸链mRNA
交替的阅读密码组
合成的多肽
(AC)n
ACA CAC ACA CAC ACA…
苏—组—苏—组—……
(AG)n
AGA GAG AGA GAG AGA…
精—谷—精—谷—……
(AAG)n
AAG AAG AAG AAG AAG…

AGA AGA AGA AGA AGA…
赖—赖—赖—赖—……

精—精—精—精—……

(GUA)n
GUA GUA GUA GUA GUA…

AGU AGU AGU AGU AGU…
缬—缬—缬—缬—……

丝—丝—丝—丝—……

(UAUC)n
UAU CUA UCU AUC UAU…
酪—亮—丝—异亮—……
(3)从上表中可以看出，赖氨酸的密码子为AAG；精氨酸的为AGA；谷氨酸的为GAA；缬氨酸的为GUA等。
(4)由于这一基本方法的应用，破译遗传密码的研究进展很快，到了1967年就确定了全部密码。遗传学上把mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基，叫做一个“遗传密码子”。
　板　书：
20种氨基酸的遗传密码子表

师:从密码子表中，你可以看出有哪些特点？
学生活动：学生小组讨论，回答。
生甲:除蛋氨酸和色氨酸外，其他氨基酸都有两种以上的密码子。如CUU、CUC、CUA都是亮氨酸的密码子。对应于一种氨基酸的密码子不止一种时，常常只是密码子中和第三个碱基发生变化。
生乙:蛋氨酸为起始密码子，蛋白质多肽链的起始端都是从蛋氨酸开始的。
生丙:表中UAA、UAG、UGA这三个密码子没有对应的氨基酸，叫做终止密码。在蛋白质合成中，当正在增长的多肽链遇到其中任何一个时，即停止增长，蛋白质合成到此完成。
生丁:在全部64个密码子中，61个密码子负责20种氨基酸的翻译，1个是起始密码，3个是终止密码。

上述密码表主要是用大肠杆菌做实验得到的，后来用家兔、两栖类、植物组织和人类的细胞做实验也得到同样的结果，由于在所有的生物里DNA的四种碱基和蛋白质中的20种氨基酸都是相同的，所以，很可能整个生物界存在着同样的遗传密码，也就是说，上述的密码表适用于所有的生物。
师:同学们知道，我国科学家已经破译哪些生物的遗传密码？
生:我国科学家首次破译了一种嗜热菌的遗传密码；黑猩猩的第22号染色体被破译；成功破译了水稻的遗传密码。
师:遗传密码的破译、测序方法的建立以及体外重组的实现是基因工程的三大基石。因此在遗传密码破译后仅2～3年的时间这项工作就获得了诺贝尔奖。

二、遗传密码的破译
1．积极思维　遗传密码是怎样破译的？
2．20种氨基酸的密码子表

1．分子生物学的黄金时代
随着DNA分子结构的解开，人们清楚地了解了复制的机制，并且明白了遗传信息的保存方式。事实上，DNA就像一本只由四个遗传字母A、C、T、G写成的书。这四个字母的不同排列次序就寓含了遗传信息。紧接着就产生了一个问题：这本书应该如何读呢？如下：ATCGGTCATGCA……这一串由遗传字母构成的序列应该两个两个，还是三个三个，还是四个四个，还是……读下去？换句话说，如果遗传字母A、C、G、T，在功能上被读成字。那么究竟几个字母恰好对应一个字(或者说叫密码子)呢？
人们知道在生命活动中起到重要作用的蛋白质是由20种氨基酸构成的。而人们又容易推测出遗传信息事实上是通过决定蛋白质的结构来间接地控制细胞的化学过程。于是，如果一个密码子可对应于一个氨基酸的话，我们的问题就是密码子由几个字母构成才能形成所有的氨基酸呢？
如果密码子由一个字母构成，那么只能得到四种氨基酸；如果密码子由两个字母构成，那么可得到16种氨基酸，仍然不够。如果密码子由三个字母构成，那么可得到64种氨基酸。看来由三个遗传字母构成一个密码子就足够了。因此，通过数学知识得到的结论是，蛋白质中的氨基酸是由三个一组连续排列的碱基编码的，这种编码方式被称为三联体密码子。克里克和布伦纳进行的一系列巧妙的遗传学实验证实了这一点。
这样，我们就知道了密码子是由三个遗传字母构成的。DNA中某一具体的核苷酸三联体被探明是与蛋白质中某一具体的氨基酸相对应的。或者说，遗传密码是按三联体形式阅读的。
给出三个遗传字母，它所对应的氨基酸究竟是哪种呢？这就是遗传密码的破译问题。第一个被破译的密码子是：UUU，苯丙氨酸。随后不久，通过构思巧妙的实验，在短短时间中，人们就完全破译了遗传密码。
还有一个容易想到的问题：由T、A、C、G四种遗传字母构成三联体密码子，一共有64种情况。但氨基酸却只有20种。那么一定会出现多个密码子对应同一个氨基酸的情况出现。事实正是如此。这种现象被称为遗传密码子的兼并。而编码同一个氨基酸的密码子被称为同义密码子。
遗传密码的解开是分子生物学中的重大突破。人们一旦搞清楚了DNA中核苷酸的次序对应于蛋白质中氨基酸的次序，那么就可以回答蛋白质是如何按照DNA的信息制造出来的了，此过程称基因表达。
2．基因工程与医药创新
自20世纪40～50年代间相继发现青霉素等系列抗生素，甾体激素和维生素等生物合成药物已形成了生物医药新领域。由于它们卓越的疗效和巨大的经济效益，兴起了现代新生物技术的大发展，特别是70年代基因的发现，重组DNA的获得成功，震动了医学、农业、畜牧业等整个生命学科，开创了人为地控制生命和育种新领域——基因工程，在生命学科总领域中成为最活跃，进展最快的学科。到80年代，已有以基因工程合成首个人体活性蛋白的多肽重组胰岛素，并很快地投向市场应用。自1993年以来至今仅十年内，仅以美国、日本和中国三个国家为例，已研制成功约300多项新的基因工程药物，有的已投向市场，有的已被批准分别进入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期临床试验；发展之神速不仅为医药开发空前未有，在整个科学发展史上来说也是罕见的。揭开生命的奥秘，掌握了基因重组的秘密。人类基因组蕴藏有人类生、老、病、死的遗传密码；破译这些信息将为诊断各种疾病、研制新药和新的有效疗法带来一场大革命，破译人类遗传密码和掌握基因重组不亚于人类登上月球的“阿波罗计划”。

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用心 爱心 专心