人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第2节 基因表达与性状的关系教学设计

第四章 基因的表达 4.3 遗传密码的破译

教学重点

遗传密码的破译过程。

教学难点

1．尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成实验。

2．运用数学方法及实验方法探究“碱基与氨基酸的对应关系”。

教学策略

本节的主要内容是遗传密码的破译过程，是对本章第1节的重要补充。学生在第1节中已经学习了遗传密码，但并不了解遗传密码是如何破译的，本节引导学生认识遗传密码的破译过程，使学生通过这一研究过程学习其中蕴含的科学研究方法。

1．采用类比的学习方法，使复杂的问题更容易理解。

2．以分析“尼伦伯格和马太实验”的设计思路为突破口，初步理解遗传密码的破译方法。

教学方法

探究式教学。

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。

教学过程

    一、导入新课

以“问题探讨”导入本课的学习。

教师引导学生思考P73“问题探讨”，讨论后回答问题。

提示1： 根据莫尔思密码表，将书本中用莫尔思密码编写的问题译成英文就是：where are genes located。

二、新课教学

要破译一个未知的密码，一般的思路就是比较编码的信息，即密码和相应的译文。对遗传密码来说最简单的破译方法就是将DNA顺序或mRNA顺序和多肽相比较。但和一般的破译密码不同的是，遗传信息的译文——蛋白质的顺序是已知的，未知的都是密码。

莫尔思密码是由美国画家和电报发明人发明的一套有“点”和“划”构成的系统，通过“点”和“划”间隔的不同顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。

（一）遗传密码的阅读方式

构成蛋白质的氨基酸有20种，而mRNA上的碱基只有4种，这就出现几个碱基决定一个氨基酸的问题，请大家探讨一下几个碱基决定一个氨基酸？

学生探讨：

若一种碱基与一种氨基酸对应的话，那么只可能产生4种氨基酸，而已知的天然氨基酸有20种，因此不可由一种碱基对应一种氨基酸。

若2个碱基与一种氨基酸对应的话，4种碱基共有16种不同的排列组合，也不足以编码20种氨基酸。

3个碱基编码一种氨基酸就可以解决问题。4个碱基与一种氨基酸对应的话，就会产生256种排列组合。相比较而言，只有三联体较为符合20种氨基酸。

过渡：人们不禁要问在三联体中的每个碱基只读一次还是重复阅读呢？以重叠阅读和非重叠方式阅读DNA序列会有什么不同？

教师引导学生阅读P74图4-10。

思考与讨论：

1．当图4-10中DNA的第三个碱基（T）发生改变时，如果密码是非重叠的，这一改变将影响多少个氨基酸？如果密码是重叠的，又将产生怎样的影响？

提示：密码是非重叠的：1个氨基酸；密码是重叠的：3个氨基酸。

2. 当图4-10中DNA的第三个碱基（T）后插入一个碱基A，时，如果密码是非重叠的，这一改变将影响多少个氨基酸？如果密码是重叠的，又将产生怎样的影响？如果插入2个、3个碱基呢？

提示：如果密码是非重叠的：插入1、2个碱基，将会影响后面所有的氨基酸（无法产生正常功能的蛋白质），插入3个碱基将会在原氨基酸序列中多一个氨基酸。

如果密码是重叠的：

如果插入1个碱基，影响3个氨基酸，多肽比原正常多肽多1个氨基酸；

如果插入2个碱基：影响4个氨基酸，多肽比原正常多肽多2个氨基酸；

如果插入3个碱基：影响5个氨基酸，多肽比原正常多肽多3个氨基酸。

（二）克里克的实验证据

（三）遗传密码对应规则的发现

马太和尼伦伯格和克里克的方法和思路完全不同，他们采用的体外合成蛋白质的技术。制备去模板的细胞提取液：即除去DNA和mRNA，此时细胞提取液中含有核糖体、ATP及各种氨基酸，是一个完整的翻译系统。加入多聚尿嘧啶核苷酸代替天然的mRNA，发现合成了单一的多肽，既多聚苯丙氨酸。这一结果不仅证实了无细胞系统的成功，也说明UUU是苯丙氨酸的密码子。

资料2：1961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：合成怎样的RNA作为模板？需要一组还是多组实验？氨基酸怎样加入？

总结：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。

上述方法只能确定4种氨基酸的遗传密码，即只能破译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。所以密码子中肯定还有2种或3种碱基组合的情况。

引入科学资料

材料3：1966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。

学生设想：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得到了课本第65页的密码子表。

（四）遗传密码的特点：

1．不间断性

mRNA的三联体密码是连续排列的，相邻密码之间无核苷酸间隔。所以若在某基因编码区（能指导蛋白质合成的区域）的DNA序列或mRNA中间插入或删除1~2个核苷酸，则其后的三联体组合方式都会改变，不能合成正常的蛋白质。

2．不重叠性

对于特定的三联体密码而言，其中的每个核苷酸都具有不重叠性。例如如果RNA分子UCAGACUGC的密码解读顺序为：UCA、GAC、UGC，则它不可以同时解读为：UCA、CAG、AGA、GAC……等，不重叠性使密码解读简单而准确无误，并且，当一个核苷酸被异常核苷酸取代时，不会在肽链中影响到多个氨基酸。

3．简并性

绝大多数氨基酸具有2个以上不同的密码子，这一现象称做简并性，编码相同氨基酸的密码子称同义密码子。由于兼并性，某些DNA碱基变化不会引起相应蛋白质的氨基酸序列改变。

4．通用性

除线粒体的个别密码外，生物界通用一套遗传密码，细菌、动物和植物等不同物种之间， 蛋白质合成机制及其mRNA都是可以互换的。例如，真核生物的基因可以在原核生物中表达，反之亦然。

5．起始密码与终止密码  UAG、UAA、UGA为终止密码，它们不为任何氨基酸编码，而代表蛋白质翻译的终止。AUG是甲硫氨酸的密码，同时又是起始密码。

三、例题精析：                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

例1：已知某tRNA一端的三个碱基序列是GAU，它转运的是亮氨酸，那么决定此氨基酸的密码子是下面哪个碱基序列转录来的？ （     ）

A．GAT           B．GAU            C．CUA           D．CTA

解析：从转录、翻译逆行推理。tRNA的特定的三个碱基是GAU，那么根据碱基互补配对原则，决定此氨基酸的mRNA上的密码子是CUA。mRNA是由DNA转录而来的，所以mRNA上CUA是由DNA上的GAT转录来的。

答案：A

例2：揭示基因化学本质的表述是（     ）

A．基因是遗传物质的功能单位    

B．基因是有遗传效应的DNA片段

C．基因是蕴含遗传信息的核苷酸序列   

D．基因在染色体上呈线性排列

解析：考查基因的概念，从遗传学角度，基因是控制生物性状的遗传物质的结构和功能单位；从细胞学角度，基因在染色体上呈线性排列；从分子学角度，基因是具有遗传效应的DNA片段，这也就揭示了基因的化学本质是DNA。

答案：B

例3：科学家已经证明密码子是mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。

（1）据理论推测，mRNA上的三个相邻的碱基可以构成________种排列方式，实际上决定氨基酸的密码子共有________种。

（2）第一个被科学家破译的是决定苯丙氨酸的密码子UUU。1959年，科学家M．Nireber和S．Ochoa用人工合成只含U的RNA为模板，在一定条件下合成只有苯丙氨酸组成的多肽，这里一定的条件应是____________________________________。

（3）继上述实验后，又有科学家用C、U两种碱基相同排列的mRNA为模板，检验一个密码子是否含有三个碱基。如果密码子是连续翻译的：

    ①假如一个密码子中含有两个或四个碱基，则该RNA指导合成的多肽中应由_______种氨基酸组成。

②假如一个密码子中含有三个碱基，则该RNA指导合成的多肽链中应由________种氨基酸组成。

解析：（1）mRNA上碱基共有A、G、C、U四种，三个相邻的碱基构成一个密码子，根据数学原理应有43即64种。这其中有三种是终止密码子，实际上mRNA上决定氨基酸的密码子共有61种。（2）这里一定的条件是指基因控制蛋白质合成的第二阶段既翻译阶段所需条件。（3）C、U两种碱基相间排列，假如一个密码子中含有两个或四个碱基，则密码子为CU或CUCU，决定一种氨基酸。②假如一个密码子中含有三个碱基，则密码子CUC、UCU，决定两种氨基酸。

答案：（1）43＝64  61 （2）tRNA、氨基酸、能量、酶、核糖体等 （3）①1 ② 2 

四、课后练习

1．下列哪位科学家第一个用实验证明遗传密码中每相邻三个碱基编码一个氨基酸（    ）

A．伽莫夫     B．克里克    C．尼伦伯格     D．马太

2． 在一个DNA分子中如果插入了一个碱基对，则  （    ）

A．不能转录  B．在转录时造成插入点以前的遗传密码改变

C．不能翻译  D．在转录时造成插入点以后的遗传密码改变

3． A、C、G各表示核酸的一个基本单位，则“ACG”表示的一定不是（    ）

A．基因      B．密码子       C．反密码子       D．遗传信息

4．如果DNA分子模板链上的TAA变成了TAC，那么相应的遗传密码将会      （    ）

A．由AUU变为AUG       B．由UUA变为UAC

C．由AUG变为AUU       D．由UAA变为UAC

5．关于密码子的叙述中错误的是（    ）

A．能决定氨基酸的密码子有64个

B．CTA肯定不是密码子

C．一种氨基酸可有一到多个对应的密码子

D．同一密码子在人和猴子细胞中可决定同一种氨基酸

6．组成人体蛋白质的20种氨基酸所对应的密码子共有

A．4个    B．20个     C．61个      D．64个

7．1959年，人们终于实验证实了三联体的密码，现用人工制成的CUCUCUCU…这样一条多核苷酸链，给予适当的条件（即供给核糖体、腺苷三磷酸、酶和20种氨基酸），最多可形成几种氨基酸构成的多肽链   （    ）

A．1       B．2        C．3          D．4

8．在基因中发生下列哪一种情况的突变最可能不导致性状改变  （    ）

A．增添一个碱基         B．减少一个碱基

C．改变一个碱基         D．增添或减少一组碱基

9．几种氨基酸可能的密码子如下。甘氨酸：GGU、GGC、GGA、GGG；缬氨酸：GUU、GUC、GUA、GUG；甲硫氨酸：AUG。经研究发现，在编码某蛋白质的基因的某个位点上发生了一个碱基替换，导致对应位置上的氨基酸由甘氨酸变为缬氨酸；接着由于另一个碱基的替换，该位置上的氨基酸又由缬氨酸变为甲硫氨酸，则该基因未变时的甘氨酸的密码子应该是（    ）

A．GGU     B．GGC     C．GGA     D．GGG

10．大肠杆菌某基因原有183对碱基，现经过突变，成为180对碱基（减少的碱基对与终止密码子无关），它指导合成的蛋白质分子与原来基因指导合成的蛋白质分子相比较，差异可能为  （     ）

A．只差一个氨基酸，其他顺序不变     

B．除长度相差一个氨基酸外，其他顺序也有改变

C．长度不变，但顺序改变