第4章  基因的表達

第1節(jié)  基因指導蛋白質的合成

【三維目標】

1.知識與技能：

（1）說明基因與遺傳信息的關系

（2）概述遺傳信息的轉錄和翻譯的過程。

2.過程與方法

（1）通過指導學生設計并制作轉錄和翻譯過程的剪紙的模型，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力。
（2）通過DNA和RNA的對照掌握類比方法。

（3）通過RNA的堿基決定氨基酸的學習，掌握先邏輯推理再經實驗驗證的方法。

（4）通過遺傳信息的傳遞與表達的學習，建立信息意識，學會從信息角度認識事物的方法。

（5）利用課本插圖和課件，培養(yǎng)和發(fā)展學生的讀圖能力；提高分析、類比歸納的學習方法。

3.情感態(tài)度與價值觀：

（1）體驗基因表達過程的和諧美，基因表達原理的邏輯美、簡約美。

（2）認同人類探索基因表達的奧秘的過程仍未終結。

（3）通過介紹科學史實，開闊學生的眼界，對學生進行熱愛科學、探求真理的教育。

（4）感悟科學破解遺傳密碼的過程。

【教學重點】

遺傳信息轉錄和翻譯的過程。

【教學難點】

遺傳信息的翻譯過程。

【教具準備】

1.用軟紙皮剪出一個DNA模型和帶有不同堿基的核糖核苷酸若干。

2.翻譯過程示意剪貼畫。

【課時安排】

1課時

【教學過程】

一、課前準備

教師：

利用第3章的“自我檢測”分析學生對“基因是什么”的理解情況。

學生：

以八個人為學習小組，用軟紙皮按教材圖4-4剪出一個DNA模型和帶有不同堿基的核糖核苷酸24個。

二、情境創(chuàng)設

教師：生命為什么如此多姿多彩？教師引導學生回答。

學生：蛋白質是生命的體現(xiàn)者，而蛋白質結構是多種多樣的。自然引出蛋白質的合成。

教師：誰控制蛋白質的合成？

學生：基因。

教師：是不是有基因就能合成蛋白質呢？真的能復制恐龍嗎？基因怎樣指導蛋白質的合成呢？（展示細胞的亞顯微結構）

學生：從上一章的學習，我們知道，基因是有遺傳效應的DNA片段；DNA主要存在于細胞核中，而蛋白質的合成是在細胞質中進行的。那么，DNA攜帶的遺傳信息是怎樣傳遞到細胞質中去的呢？當遺傳信息到達細胞質后，細胞又是怎樣解讀的呢？

教師：同學們的思考很好，下面我們一起來討論。

三、教學過程

（一）遺傳信息的轉錄

師生互動

1.RNA的類型

教師：科學家發(fā)現(xiàn)：能夠作為傳達DNA信息的信使是RNA。即：DNA→RNA→蛋白質。為什么RNA適于作DNA的信使呢？DNA和RNA的區(qū)別？RNA有幾種？（展示教材圖4-1、圖4-2和圖4-3）

學生：閱讀教材P•62-63的內容和觀察以上圖片。

教師：引導學生回答以上問題。

學生1：RNA是另一類核酸，它的分子結構與DNA很相似，適于作DNA的信使的原因是：

①它也是由基本單位——核苷酸連接而成，由核糖、磷酸、堿基(C、G、A、U(尿嘧啶))共同組成核苷酸，它也能儲存遺傳信息。

②在RNA與DNA的關系中，也遵循“堿基互補配對原則”，但由于RNA中沒有T，DNA中沒有U，所以當RNA與DNA有關系時，U與A配對。

③RNA一般是單鏈，而且比DNA短，因此能夠通過核孔，從細胞核轉移到細胞質中。

學生2：RNA與DNA的區(qū)別有兩點：

①嘧啶堿有一個不同。RNA是尿嘧啶（U），DNA則為胸腺嘧啶（T）。

②五碳糖不同：RNA是核糖，DNA是脫氧核糖，這樣一來組成RNA的基本單位就是核糖核苷酸，DNA則為脫氧核苷酸。

學生3：RNA的種類：

①信使RNA——mRNA。顧名思義，這種RNA起的是信使——傳遞信息的作用（第一位同學講的那種）。

②轉運RNA——tRNA。這種 RNA擔負的是運輸?shù)娜蝿?。其三葉草型結構的一端可以連接特定的氨基酸。

③核糖體RNA——rRNA。

教師：同學們回答得很精彩（掌聲）。DNA的遺傳信息是怎樣傳給mRNA的呢？

教師：指導學生閱讀教材P•63的第四自然段和圖4-4，然后完成下列填空。

2.轉錄

（1）轉錄的定義：在細胞核中，以DNA的一條鏈為模板合成mRNA的過程。

（2）轉錄的場所：細胞核。

（3）轉錄的模板：DNA分子的一條鏈。

（4）轉錄的原料：四種核糖核苷酸。

（5）轉錄的條件：ATP（能量）、酶。

（6）轉錄時的堿基配對：

            A   T   C   G

DNA   ─┴─┴─┴─┴─

          ─┴─┴─┴─┴─

    RNA     U   A   G   C

（7）轉錄的產物：mRNA。

以上劃線部分由學生回答，教師更正。

（8）轉錄的過程：教師講解，學生觀看，然后學生分組利用預先剪好DNA模型和帶有不同堿基的核糖核苷酸按圖4-4的步驟模擬轉錄的過程——合成mRNA。

學生操作，教師巡視指導，各組展示結果。如下：

mRNA：┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻  

   A   U   G   C   A   C   U   G   G   C    G   U    U   G   C   U   G   U   C   C   U   U   A   A

教師精講

通過以上的分析和同學們的操作，同學們應該深刻地認識到轉錄的過程就是：首先是RNA聚合酶結合在DNA的模板區(qū)上，該部位的雙螺旋解開成為單鏈。接著以一條DNA為模板，按堿基互補配對原則，利用細胞核內游離的核糖核苷酸，在RNA聚合酶的作用下合成一條RNA鏈。最后合成的RNA鏈逐漸被甩開，解旋的兩條DNA鏈很快又結合在一起，恢復為原來的雙螺旋結構，DNA上的遺傳信息就被傳到了mRNA上，mRNA通過核孔進入細胞質中，開始它新的歷程——翻譯。在轉錄的過程中，DNA只有一條鏈為模板，這已經被科學家的實驗證明。Marmur和Duty利用DNA—RNA雜合技術、采用侵染枯草桿菌的噬菌體SP8為材料進行實驗。噬菌體SP8的DNA分子由兩條堿基組成很不平均的鏈構成，其中一條鏈富含嘌呤，另一條互補鏈則富含嘧啶。因為嘌呤比嘧啶重，因此富含嘌呤的“重”鏈與富含嘧啶的“輕”鏈在加熱變性后可用密度梯度離心分開。實驗者在SP8侵染后，從枯草桿菌中分離出RNA，分別與 DNA的重鏈和輕鏈混合并緩慢冷卻。他們發(fā)現(xiàn)SP8侵染后形成的RNA只跟重鏈形成DNA—RNA的雜合分子。顯然，RNA是桿菌DNA中的一條鏈轉錄產生的。

（二）遺傳信息的翻譯

師生互動

教師：組成生物體蛋白質的氨基酸有20種，RNA有四種核苷酸，四種堿基AGCU，如何決定20種氨基酸？請各學習小組把推理過程寫出來。

學生的邏輯推理：

一個堿基決定一個氨基酸只能決定4種，4¹=4，不行。

二個堿基決定一個氨基酸只能決定14種，4²=16，不行。

三個堿基決定一個氨基酸只能決定64種，4³=64，足夠有余。

教師：同學們推理得真好！其實同學們所做的也就是破解遺傳密碼過程的一步。1961年英國的克里克和同事用實驗證明一個氨基酸是由信使RNA的三個堿基決定即三聯(lián)體密碼子。也就是說mRNA上3個相鄰的堿基決定1個氨基酸，每3個這樣的堿基又稱做1個密碼子。

美國年輕的生物化學家尼倫伯格和同學用人工合成方式，首先闡明了遺傳密碼的第一個字—UUU，即決定苯丙氨酸的密碼子。1967年科學家已將20種氨基酸的密碼全部破譯。銀幕出示密碼表并結合思考和討論三各個學習小組展開討論，教師總結討論結果。銀幕展示如下：

1.對應的氨基酸序列為:甲硫氨酸—谷氨酸—丙氨酸—半胱氨酸—脯氨酸—絲氨酸—賴氨酸—脯氨酸。

2.地球上幾乎所有的生物都共用一套密碼子，這一事實說明地球上的所有生物都有著或遠或近的親緣關系，或者生物都具有相同的遺傳語言，或者生命在本質上是統(tǒng)一。

3.從密碼的簡并性我們能認識到；如果密碼子中的一個堿基發(fā)生變化，可能影響到蛋白質氨基酸的種類，也有可能蛋白質氨基酸的種類不發(fā)生變化（如GAU→GAC都決定天冬氨酸），這就保證了生物遺傳的相對穩(wěn)定性，又使生物出現(xiàn)變異，從而促進生物的發(fā)展進化。

教師：討論到這里，請同學們想一想氨基酸是在什么場所合成的？

學生：核糖體。

教師：mRNA進入細胞質后，就與蛋白質的“裝配機器”——核糖體結合起來，形成合成蛋白質的“生產線”。有了“生產線”，還要有：“工人”，才能生產產品。那么，游離在細胞質的氨基酸是怎樣運送到合成蛋白質的“生產線”上的呢？也是說這個“工人”是誰呢？

學生：tRNA。

教師：用PowerPoint演示教材圖4-5  tRNA的結構示意圖。

教師：細胞質中的氨基酸要進入核糖體是靠搬運工搬運──tRNA來完成的，一種tRNA只能轉運一種特定的氨基酸。轉運RNA的另一端有三個堿基，能與信使RNA堿基相配對。例如：信使RNA上的三個堿基AUG就是一個三聯(lián)體密碼子，轉運RNA中轉運甲硫氨酸的轉運RNA一端的三個堿基是UAC，只有它才能按堿基互補配對原則配對。因此，信使RNA中的AUG，叫做一個“密碼子”，轉運RNA的UAC叫做“反密碼子”，轉運氨基酸的RNA一端的三個堿基是CGA就不能去和信使RNA中的AUG配對?？傊颂求w中的信使RNA有許多“密碼子”，每個“密碼子”與轉運特定氨基酸的RNA，能夠堿基配對，才能對號入座。也就是說一種轉運RNA在哪個位置上對號入座是靠轉運RNA的反密碼子去識別。而位置則是信使RNA按遺傳信息預先定了的。（以上內容教師用翻譯過程的Flash動畫展示，邊展示邊講解，講解完讓學生按教材圖4-6  蛋白質合成示意圖利用課前準備的材料完成翻譯的過程）

學生：利用上節(jié)課轉錄成的mRNA模型作為翻譯的模板和課前準備的材料按教材圖4-6動手操作蛋白質的合成過程。學生主動完成對翻譯過程的學習。

各個學習小組展示翻譯過程剪貼圖的剪貼成果。

教師：設計下列問題檢查學生自主學習掌握的情況。

1.按圖4-6所示的正在合成的肽鏈的氨基酸序列是：甲硫氨酸—組氨酸—色氨酸—精氨酸—半胱氨酸—半胱氨酸—脯氨酸

2.翻譯的起始碼是:AUG，GUG。  終止碼是:UAA，UAG，UGA。        

3.決定氨基酸的密碼子   61   種。

4.翻譯的位點:一個核糖體與mRNA的結合部位形成2個tRNA的結合位點。一種tRNA攜帶相應的氨基酸進入相應的位點。

5.肽鏈由各相鄰的氨基酸通過肽鍵連接形成。

6.翻譯的概念：游離在細胞質中的各種氨基酸,以mRNA為模板合成具有一定氨基酸順序的蛋白質的過程,稱為遺傳信息的翻譯。

教師精講

同學們的模擬操作完成得非常出色，從同學們的成果展示和問題的回答可以看到同學們對這部分內容掌握得不錯，同學們的操作用了不少時間，實際上，在細胞質中，翻譯是一個快速的過程。在37℃時，細菌細胞內合肽鏈的速度約為每秒連接15個氨基酸。通常，一個mRNA分子上可以相繼結合多個核糖體，同時進行多條肽鏈的合成（展示教材的圖），因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成出大量的蛋白質。

肽鏈合成后，就從核糖體與mRNA復合物脫離，經過一系列步驟，被運送到各自的“崗位”，盤曲折疊成具有特定空間結構和功能的蛋白質分子，開始承擔細胞生命活動的各項職責。

四、評價反饋

1.DNA復制、轉錄、翻譯分別形成[   ]

A．DNA、RNA、蛋白質 B．RNA、DNA、多肽

C．RNA、DNA、核糖體 D．RNA、DNA、蛋白質

2.一個DNA分子含有堿基60個，經“翻譯”后合成的一條多肽鏈中最多含有肽鍵[   ]

A．10個   B．9個  C．30個  D．29個

3.遺傳密碼位于[  ]

A．蛋白質分子上    B．DNA分子上    C．RNA分子上    D．信使RNA分子上

4.若某肽鏈的第一個氨基酸的密碼子為AUG，那么控制這個氨基酸的DNA模板鏈上相應的三個堿基的順序應為[   ]

A．UAC    B．AUG     C．ATG      D．TAC

5.一條多肽鏈中有氨基酸1000個，則作為合成該多肽的模板信使RNA和用來轉錄信使RNA的DNA分子分別至少要有堿基多少個？[   ]

A．3000個和3000個    B．1000個和2000個    

C．3000個和6000個   D．2000個和4000個

6.一個轉運RNA的3個堿基為CGA，此RNA運載的氨基酸是[   ]

A．酪氨酸(UAC)    B．谷氨酸(GAG)   C．精氨酸(CGA)     D．丙氨酸(GCU) 

五、課堂小結

為了讓同學們能更好理解本節(jié)的內容，利用下表來概括DNA的復制和轉錄的內容，如下：

七、布置作業(yè)

完成課本P•77的題。

【板書設計】

1.RNA的類型

①信使RNA——mRNA。

②轉運RNA——tRNA。

③核糖體RNA——rRNA。

2.轉錄

（1）轉錄的定義：在細胞核中，以DNA的一條鏈為模板合成mRNA的過程。

（2）轉錄的場所：細胞核。

（3）轉錄的模板：DNA分子的一條鏈。

（4）轉錄的原料：四種核糖核苷酸。

（5）轉錄的條件：ATP（能量）、酶。

（6）轉錄時的堿基配對：

                 A   T   C   G

 DNA       ─┴─┴─┴─┴─

               ─┴─┴─┴─┴─

     RNA         U   A   G   C

（7）轉錄的產物：mRNA。

（8）轉錄的過程：

教學反思

本節(jié)的核心內容是從分子水平上闡明遺傳物質的在生物體內是如何起作用的，即轉錄和翻譯的過程。

我引導學生重點學習的內容是DNA、mRNA、tRNA三者之間的關系，給出DNA的一條鏈（作為模板鏈）的堿基排列順序，讓學生寫出DNA的另一條鏈（非模板鏈）、mRNA及一系列tRNA的堿基排列順序，并找出三者之間的關系，推導出有關的堿基計算公式合蛋白質合成有關的公式，然后通過練習加以強化。

本節(jié)內容較多，為了在1課時內高效完成教學任務，需要學生在充分預習的基礎上重點處理難點——翻譯。由于內容抽象，通過課件演示、學生動手操作模擬翻譯過程能更好的幫助學生理解知識。