《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:
⑴、遗传密码是如何破译的 ⑵、遗传密码有哪些特点 2、能力目标:
⑴、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 ⑵、通过再现科学史培养学生实验设计与科学探究能力 ⑶、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:
⑴、通过再现科学史让学生体验科学方法与科学态度
⑵、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
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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，①如果2个相邻碱基决定一种氨基酸呢?②如果3个相邻碱基决定一种氨基酸呢?③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50~60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
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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。
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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
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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、UUU 3.3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。
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人教版高中生物必修二第四章第3节《遗传密码的破译(选学)》 教学设计
