第4章  基因的表達(dá)

第1節(jié)  基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成

【三維目標(biāo)】

1.知識與技能：

（1）說明基因與遺傳信息的關(guān)系

（2）概述遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程。

2.過程與方法

（1）通過指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計并制作轉(zhuǎn)錄和翻譯過程的剪紙的模型，培養(yǎng)學(xué)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(xué)習(xí)，掌握先邏輯推理再經(jīng)實驗驗證的方法。

（4）通過遺傳信息的傳遞與表達(dá)的學(xué)習(xí)，建立信息意識，學(xué)會從信息角度認(rèn)識事物的方法。

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

3.情感態(tài)度與價值觀：

（1）體驗基因表達(dá)過程的和諧美，基因表達(dá)原理的邏輯美、簡約美。

（2）認(rèn)同人類探索基因表達(dá)的奧秘的過程仍未終結(jié)。

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

（4）感悟科學(xué)破解遺傳密碼的過程。

【教學(xué)重點】

遺傳信息轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程。

【教學(xué)難點】

遺傳信息的翻譯過程。

【教具準(zhǔn)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(xué)過程】

一、課前準(zhǔn)備

教師：

利用第3章的“自我檢測”分析學(xué)生對“基因是什么”的理解情況。

學(xué)生：

以八個人為學(xué)習(xí)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(shè)

教師：生命為什么如此多姿多彩？教師引導(dǎo)學(xué)生回答。

學(xué)生：蛋白質(zhì)是生命的體現(xiàn)者，而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是多種多樣的。自然引出蛋白質(zhì)的合成。

教師：誰控制蛋白質(zhì)的合成？

學(xué)生：基因。

教師：是不是有基因就能合成蛋白質(zhì)呢？真的能復(fù)制恐龍嗎？基因怎樣指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成呢？（展示細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)）

學(xué)生：從上一章的學(xué)習(xí)，我們知道，基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段；DNA主要存在于細(xì)胞核中，而蛋白質(zhì)的合成是在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的。那么，DNA攜帶的遺傳信息是怎樣傳遞到細(xì)胞質(zhì)中去的呢？當(dāng)遺傳信息到達(dá)細(xì)胞質(zhì)后，細(xì)胞又是怎樣解讀的呢？

教師：同學(xué)們的思考很好，下面我們一起來討論。

三、教學(xué)過程

（一）遺傳信息的轉(zhuǎn)錄

師生互動

1.RNA的類型

教師：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：能夠作為傳達(dá)DNA信息的信使是RNA。即：DNA→RNA→蛋白質(zhì)。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(xué)生：閱讀教材P•62-63的內(nèi)容和觀察以上圖片。

教師：引導(dǎo)學(xué)生回答以上問題。

學(xué)生1：RNA是另一類核酸，它的分子結(jié)構(gòu)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(guān)系中，也遵循“堿基互補(bǔ)配對原則”，但由于RNA中沒有T，DNA中沒有U，所以當(dāng)RNA與DNA有關(guān)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(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。

學(xué)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(xué)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(xué)講的那種）。

②轉(zhuǎn)運RNA——tRNA。這種 RNA擔(dān)負(fù)的是運輸?shù)娜蝿?wù)。其三葉草型結(jié)構(gòu)的一端可以連接特定的氨基酸。

③核糖體RNA——rRNA。

教師：同學(xué)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(dǎo)學(xué)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(zhuǎn)錄

（1）轉(zhuǎn)錄的定義：在細(xì)胞核中，以DNA的一條鏈為模板合成mRNA的過程。

（2）轉(zhuǎn)錄的場所：細(xì)胞核。

（3）轉(zhuǎn)錄的模板：DNA分子的一條鏈。

（4）轉(zhuǎn)錄的原料：四種核糖核苷酸。

（5）轉(zhuǎn)錄的條件：ATP（能量）、酶。

（6）轉(zhuǎn)錄時的堿基配對：

            A   T   C   G

DNA   ─┴─┴─┴─┴─

          ─┴─┴─┴─┴─

    RNA     U   A   G   C

（7）轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物：mRNA。

以上劃線部分由學(xué)生回答，教師更正。

（8）轉(zhuǎn)錄的過程：教師講解，學(xué)生觀看，然后學(xué)生分組利用預(yù)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(zhuǎn)錄的過程——合成mRNA。

學(xué)生操作，教師巡視指導(dǎo)，各組展示結(jié)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(xué)們的操作，同學(xué)們應(yīng)該深刻地認(rèn)識到轉(zhuǎn)錄的過程就是：首先是RNA聚合酶結(jié)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(bǔ)配對原則，利用細(xì)胞核內(nèi)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(jié)合在一起，恢復(fù)為原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，DNA上的遺傳信息就被傳到了mRNA上，mRNA通過核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，開始它新的歷程——翻譯。在轉(zhuǎn)錄的過程中，DNA只有一條鏈為模板，這已經(jīng)被科學(xué)家的實驗證明。Marmur和Duty利用DNA—RNA雜合技術(shù)、采用侵染枯草桿菌的噬菌體SP8為材料進(jìn)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(gòu)成，其中一條鏈富含嘌呤，另一條互補(bǔ)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(zhuǎn)錄產(chǎn)生的。

（二）遺傳信息的翻譯

師生互動

教師：組成生物體蛋白質(zhì)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(xué)習(xí)小組把推理過程寫出來。

學(xué)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(xué)們推理得真好！其實同學(xué)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(xué)家尼倫伯格和同學(xué)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(xué)家已將20種氨基酸的密碼全部破譯。銀幕出示密碼表并結(jié)合思考和討論三各個學(xué)習(xí)小組展開討論，教師總結(jié)討論結(jié)果。銀幕展示如下：

1.對應(yīng)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(yuǎn)或近的親緣關(guān)系，或者生物都具有相同的遺傳語言，或者生命在本質(zhì)上是統(tǒng)一。

3.從密碼的簡并性我們能認(rèn)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(zhì)氨基酸的種類，也有可能蛋白質(zhì)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(jìn)生物的發(fā)展進(jìn)化。

教師：討論到這里，請同學(xué)們想一想氨基酸是在什么場所合成的？

學(xué)生：核糖體。

教師：mRNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后，就與蛋白質(zhì)的“裝配機(jī)器”——核糖體結(jié)合起來，形成合成蛋白質(zhì)的“生產(chǎn)線”。有了“生產(chǎn)線”，還要有：“工人”，才能生產(chǎn)產(chǎn)品。那么，游離在細(xì)胞質(zhì)的氨基酸是怎樣運送到合成蛋白質(zhì)的“生產(chǎn)線”上的呢？也是說這個“工人”是誰呢？

學(xué)生：tRNA。

教師：用PowerPoint演示教材圖4-5  tRNA的結(jié)構(gòu)示意圖。

教師：細(xì)胞質(zhì)中的氨基酸要進(jìn)入核糖體是靠搬運工搬運──tRNA來完成的，一種tRNA只能轉(zhuǎn)運一種特定的氨基酸。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運RNA中轉(zhuǎn)運甲硫氨酸的轉(zhuǎn)運RNA一端的三個堿基是UAC，只有它才能按堿基互補(bǔ)配對原則配對。因此，信使RNA中的AUG，叫做一個“密碼子”，轉(zhuǎn)運RNA的UAC叫做“反密碼子”，轉(zhuǎn)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?，核糖體中的信使RNA有許多“密碼子”，每個“密碼子”與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運RNA在哪個位置上對號入座是靠轉(zhuǎn)運RNA的反密碼子去識別。而位置則是信使RNA按遺傳信息預(yù)先定了的。（以上內(nèi)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(xué)生按教材圖4-6  蛋白質(zhì)合成示意圖利用課前準(zhǔn)備的材料完成翻譯的過程）

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

各個學(xué)習(xí)小組展示翻譯過程剪貼圖的剪貼成果。

教師：設(shè)計下列問題檢查學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(jié)合部位形成2個tRNA的結(jié)合位點。一種tRNA攜帶相應(yīng)的氨基酸進(jìn)入相應(yīng)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(xì)胞質(zhì)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(zhì)的過程,稱為遺傳信息的翻譯。

教師精講

同學(xué)們的模擬操作完成得非常出色，從同學(xué)們的成果展示和問題的回答可以看到同學(xué)們對這部分內(nèi)容掌握得不錯，同學(xué)們的操作用了不少時間，實際上，在細(xì)胞質(zhì)中，翻譯是一個快速的過程。在37℃時，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)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(jié)合多個核糖體，同時進(jìn)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(zhì)。

肽鏈合成后，就從核糖體與mRNA復(fù)合物脫離，經(jīng)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(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)分子，開始承擔(dān)細(xì)胞生命活動的各項職責(zé)。

四、評價反饋

1.DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯分別形成[   ]

A．DNA、RNA、蛋白質(zhì) B．RNA、DNA、多肽

C．RNA、DNA、核糖體 D．RNA、DNA、蛋白質(zhì)

2.一個DNA分子含有堿基60個，經(jīng)“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(zhì)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(yīng)的三個堿基的順序應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)

為了讓同學(xué)們能更好理解本節(jié)的內(nèi)容，利用下表來概括DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的內(nèi)容，如下：

七、布置作業(yè)

完成課本P•77的題。

【板書設(shè)計】

1.RNA的類型

①信使RNA——mRNA。

②轉(zhuǎn)運RNA——tRNA。

③核糖體RNA——rRNA。

2.轉(zhuǎn)錄

（1）轉(zhuǎn)錄的定義：在細(xì)胞核中，以DNA的一條鏈為模板合成mRNA的過程。

（2）轉(zhuǎn)錄的場所：細(xì)胞核。

（3）轉(zhuǎn)錄的模板：DNA分子的一條鏈。

（4）轉(zhuǎn)錄的原料：四種核糖核苷酸。

（5）轉(zhuǎn)錄的條件：ATP（能量）、酶。

（6）轉(zhuǎn)錄時的堿基配對：

                 A   T   C   G

 DNA       ─┴─┴─┴─┴─

               ─┴─┴─┴─┴─

     RNA         U   A   G   C

（7）轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物：mRNA。

（8）轉(zhuǎn)錄的過程：

教學(xué)反思

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

我引導(dǎo)學(xué)生重點學(xué)習(xí)的內(nèi)容是DNA、mRNA、tRNA三者之間的關(guān)系，給出DNA的一條鏈（作為模板鏈）的堿基排列順序，讓學(xué)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(guān)系，推導(dǎo)出有關(guān)的堿基計算公式合蛋白質(zhì)合成有關(guān)的公式，然后通過練習(xí)加以強(qiáng)化。

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