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高一生物集体备课4-1-基因指导蛋白质的合成

[日期:2011-07-12]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:460[字体: ]

一、 教学目标

1.概述遗传信息的转录和翻译。

2.运用数学方法,分析碱基与氨基酸的对应关系。

二、教学重点和难点

1.教学重点

遗传信息转录和翻译的过程。

2.教学难点

遗传信息的翻译过程。

三、教学策略

本节内容是本章的开篇,是本章学习的基础,也是教学的难点所在,可用2课时。在教学设计中,要处理好以下几个方面的问题。

1.作好本章的引子。

学生学习第3章《基因的本质》后,已经对基因产生了浓厚的兴趣,想进一步探知有关基因的各种问题,此时教师如果能够设计一个精彩的、充满悬念的引子,则能为本章的学习奠定基础。

教师可以利用第一节开头的“问题探讨”引出恐龙能否复活的话题,让学生提出正反方观点,形成思维上的矛盾冲突。然后,教师可以引导学生欣赏本章章图,通过辨别章图的内容(细胞核中的染色体、DNA、基因和细胞质中的蛋白质),提出问题“细胞核中的基因是如何通过指导细胞质中的蛋白质合成来控制生物的性状的呢”,进一步制造悬念。最后,教师指出通过本节内容的学习,就可以解答大家的疑问,从而顺利切入主题。

2.准确把握主干知识与侧枝内容的教学要求。

本节主干知识是遗传信息的转录和翻译的过程,侧枝内容是DNA与RNA结构的比较、核糖与脱氧核糖的比较、三种不同种类的RNA以及遗传密码的组成。在侧枝内容中,前两个知识点在《分子与细胞》模块中已经学习过,在这里只须作简短的回顾和比较;后两个知识点虽然是新内容,但也不必加深和拓展,学生只需要初步了解即可。在教学中,处理主干知识和侧枝内容的关系时,教师要做到合理分配时间,明确不同内容的教学要求。

由于本节内容不仅抽象复杂,而且涉及的物质种类也比较多,因此学生往往会陷入“学习时都懂,学完了都不懂”的困惑之中。因此,教师要注意将知识及时进行归纳、比较和总结。例如,DNA与RNA结构的比较、三种RNA功能的比较、转录与翻译过程的比较,等等。总之,教师既要让学生了解各个知识点间的内在关系,又要能简洁、清晰地概述转录和翻译的过程。

3.充分利用教材中的插图。

本节教材的特点之一是插图多而且复杂。插图包括结构示意图、化学组成区别图、转录过程流程图、翻译过程流程图和一个mRNA分子上的多个核糖体同时合成多条肽链示意图等。能否处理好教材中的插图,是本节教学成败的关键因素之一。

教师在备课时,一定要仔细分辨并揣摩插图所表达的意思,并能将不同的插图内容与教学流程有机地结合起来。在对插图的处理上,还应分清主次和轻重。例如,图44和图46分别是转录和翻译的流程图,是学生应掌握的主要内容,要讲清、讲透;图41和图42是让学生区分核糖与脱氧核糖、DNA与RNA化学组成的差异,教师在此只需提醒学生依图区分即可;而图43和图45只需了解;至于多个核糖体同时合成多条肽链的示意图,也只是为了帮助学生理解教材小字部分的内容,不需作过多的解释。

此外还应注意,教材在呈现教学内容时,采用图文并茂的方式来揭示转录与翻译的动态过程。因此,教师不仅要利用插图达到形象和直观的教学效果,还应配合教材中的文字描述作深入浅出的讲解,使文字信息与图形信息结合起来,让学生感知到基因的表达是一个多层次的、动态的、相互协调和配合的过程。

有条件的学校,还要尽可能利用多媒体课件进行教学。多媒体课件可以形象、生动地反映基因表达的过程,这是纸质教材难以做到的。在运用多媒体教学时,教师应注意选择时机,以达到帮助学生化解难点,化抽象为形象的目的。不能整节课由多媒体取代,完全弃图不用,从而忽视了学生识图、辨图和分析释图的技能培养。教师应穿针引线,构筑多媒体与图形之间的有机组合。建议在学生分析图形之后,再配合多媒体整合各个图形,展示完整的基因表达过程。

4. 处理好学生应答与教学推进的关系。

本节教学需要师生之间有良好的互动基础,教师应设计运用好教材中的问题串,以利于将问题步步深入,使教学活动能够顺利推进。例如,转录过程以“为什么RNA适于做DNA的信使呢?”和“DNA的遗传信息是怎么传给mRNA的?”等问句串连起来;翻译过程以“碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的?”和“游离的氨基酸是怎样运送到合成蛋白质的‘生产线’上的呢?”等问题引导,营造出探求、推理和发现的科学研究氛围,诱导学生积极应答,参与讨论。

另一方面,还需要注意教学推进的层次感。本节问题起始于细胞核中的DNA如何指导细胞质内蛋白质合成,是将问题从细胞水平深入到分子水平;最后肽链合成了,还要在细胞中发挥作用,因此还需要回归到细胞水平。教师要注意教材结尾的一段文字,以此引导学生从不同层次上认识基因表达的意义。

四、答案和提示

(一)问题探讨

提示:此节问题探讨意在引导学生思考DNA在生物体内有哪些作用,又是如何发挥作用的。一种生物的整套DNA分子中贮存着该种生物生长、发育等生命活动所需的全部遗传信息,也可以说是构建生物体的蓝图。但是,从DNA到具有各种性状的生物体,需要通过极其复杂的基因表达及其调控过程才能实现,因此,在可预见的将来,利用DNA分子来使灭绝的生物复活仍是难以做到的。

(二)思考与讨论一

1.提示:可以从所需条件、过程中的具体步骤和过程中所表现出的规律等角度来分析。例如,转录与复制都需要模板、都遵循碱基互补配对规律,等等。碱基互补配对规律能够保证遗传信息传递的准确性。

2.转录成的RNA的碱基序列,与作为模板的DNA单链的碱基序列之间的碱基是互补配对关系,与DNA双链间碱基互补配对不同的是,RNA链中与DNA链的A配对的是U,不是T;与DNA另一条链的碱基序列基本相同,只是DNA链上T的位置,RNA链上是U。

(三)思考与讨论二

1.最多能编码16种氨基酸。

2.至少需要3个碱基。

(四)思考与讨论三

1.对应的氨基酸序列是:甲硫氨酸—谷氨酸—丙氨酸—半胱氨酸—脯氨酸—丝氨酸—赖氨酸—脯氨酸。

2.提示:这是一道开放性较强的题,答案并不惟一,旨在培养学生的分析能力和发散性思维。通过这一事实可以想到生物都具有相同的遗传语言,所有生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的,等等。

3. 提示:此题具有一定的开放性,旨在促进学生积极思考,不必对答案作统一要求。可以从增强密码容错性的角度来解释,当密码子中有一个碱基改变时,由于密码的简并性,可能并不会改变其对应的氨基酸;也可以从密码子使用频率来考虑,当某种氨基酸使用频率高时,几种不同的密码子都编码一种氨基酸可以保证翻译的速度。

(五)思考与讨论四

1.提示:此题旨在检查对蛋白质合成过程的理解。可以参照教材中图46的表示方法来绘制。

2.提示:根据mRNA的碱基序列和密码子表就可以写出肽链的氨基酸序列。

(六)想像空间

DNA相当于总司令。在战争中,如果总司令总是深入前沿阵地直接指挥,就会影响他指挥全局。DNA被核膜限制在细胞核内,使转录和翻译过程分隔在细胞的不同区域进行,有利于这两项重要生命活动的高效、准确。

(七)练习

基础题

1.TGCCTAGAA;UGCCUAGAA;3;3;半胱氨酸、亮氨酸和谷氨酸。

2.C。

拓展题

1.提示:可以将变化后的密码子分别写出,然后查密码子表,看看变化了的密码子分别对应哪种氨基酸。这个实例说明密码的简并性在一定程度上能防止由于碱基的改变而导致的遗传信息的改变。

2.提示:因为几个密码子可能编码同一种氨基酸,有些碱基序列并不编码氨基酸,如终止密码等,所以只能根据碱基序列写出确定的氨基酸序列,而不能根据氨基酸序列写出确定的碱基序列。遗传信息的传递就是在这一过程中损失的。

五、参考资料

1.核糖体的结构

核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒,可以解离为两个亚基,每个亚基都含有一个相对分子质量较大的rRNA和许多不同的蛋白质分子。这些大分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合,从而完成核糖体不同亚基的组装。原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。在真核生物核糖体中,RNA约占3/5,蛋白质约占2/5。原核生物、真核生物细胞质及细胞器中的核糖体存在很大的差异。

核糖体上的活性中心不止一个,每一个这样的中心都由一组特殊的蛋白质构成。虽然有些蛋白质本身具有催化功能,但若将它们从核糖体上分离出来时,催化功能就会完全消失。所以,核糖体是一个许多酶的集合体,单个酶或蛋白只有在这个总体结构内才具有催化性质,它们在这一结构中共同承担了蛋白质生物合成的任务。核糖体中许多蛋白质(可能还包括tRNA)的主要功能可能就是建立这种总体结构,使各个活性中心处于适当的相互协调的关系之中。

2.核糖体的功能

核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽然在不同生物体内其大小有别,但组织结构基本相同,而且执行的功能也完全相同。

在多肽合成过程中,不同的tRNA将相应的氨基酸带到蛋白质合成部位,并与mRNA进行专一性的相互作用,以选择对信息专一的AA-tRNA(氨酰tRNA)。核糖体还必须能同时容纳另一种携带肽链的tRNA,即肽基mtRNA(peptidyl-tRNA),并使之处于肽键易于生成的位置上。核糖体必须包括至少5个活性中心,即mRNA结合部位、结合或接受AA-tRNA部位(A位)、结合或接受肽基tRNA的部位、肽基转移部位(P位)及形成肽键的部位(转肽酶中心)。此外,还应有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。

核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序列特异性识别,如起始部分识别、密码子与反密码子的相互作用等,mRNA的结合位点也在小亚基上。大亚基具有携带氨基酸和tRNA的功能。此外,肽键的形成、AA-tRNA、肽基-tRNA的结合位、P位、转肽酶中心等都在大亚基上完成。

核糖体在体内及体外都可解离为亚基或结合成70S/80S的颗粒。在翻译的起始阶段需要游离的亚基,随后才结合成70S/80S颗粒,开始翻译进程。大肠杆菌中的起始因子IF-3与小亚基结合,阻碍了后者与大亚基的结合,从而控制翻译起始过程。体外反应体系中,核糖体的解离或结合取决于离子浓度。在大肠杆菌内,Mg2+浓度在10-3 mol/L以下时,70S解离为亚基,浓度达10-2 mol/L时则形成稳定的70S颗粒。mRNA链上一般每40个核苷酸有一个核糖体。肽链释放后,核糖体脱离mRNA解聚成亚基,直接参与另一轮蛋白质的合成,或两个亚基结合生成稳定的核糖体,不参与蛋白质合成。

3.密码子和tRNA

所谓“翻译”就是将mRNA上的遗传密码翻译为蛋白质的过程。在64个密码子中有61个是各种氨基酸的密码子。一种氨基酸可以只有一个密码子,如色氨酸只有UGG一个密码子;也可以有数个密码子,如苏氨酸有4个密码子,ACU、ACC、ACA和ACG。一种氨基酸可以由几种不同的密码子决定的现象叫做密码子的简并性。此外,还有三个密码子UAA、UAG、UGA,它们并不决定任何氨基酸,但在蛋白质合成过程中,它们却是肽链增长的停止信号,所以又把这三个密码子叫做终止密码子。另外,密码子AUG和GUG除了分别决定甲硫氨酸和缬氨酸以外,还是翻译的起始信号,叫做起始密码子。应该指出,当AUG和GUG不在起始点时,编码甲硫氨酸和缬氨酸;在起始点时,原核细胞的翻译过程证明,AUG将编码甲酰甲硫氨酸。肽链开始合成后不久,甲酰基会被甲酰基酶切除掉,有些原核细胞中甚至还可以切除邻近开头的几个氨基酸。至于GUG作为起始密码子,到目前为止只在一种噬菌体的蛋白质中发现过,在正常情况下,它是缬氨酸的密码子,但当缺少起始密码子时,可以由它来充当。

在蛋白质合成之前,细胞内的各种氨基酸,首先在某些酶的催化作用下,与ATP结合在一起,形成带有许多能量的活化氨基酸,然后,这些被激活的氨基酸与特定的tRNA结合起来,被运送到核糖体上去。

tRNA是运载氨基酸的工具,每一种氨基酸有一种对应的tRNA。我们可以把tRNA比做翻译过程中的“译员”,它们必须“认识”两种“文字”──mRNA上的密码子“文字”和氨基酸“文字”。

tRNA是一种相对分子质量较低的RNA,一般由75个核苷酸组成。核苷酸链的一端总有CCA这样的碱基序列,氨基酸就附在有CCA的这一端上。tRNA核苷酸链的另一端有一个由3个碱基组成的反密码区,这3个碱基与mRNA上相应的密码子可以互补配对,称为反密码子。反密码子均与mRNA上的密码子配对,就保证了tRNA所携带的氨基酸在合成蛋白质时被放到正确的位置上,可见tRNA分子的特殊的结构保证了每一种tRNA只能够运载一种特定的氨基酸。

4.mRNA和hnRNA

mRNA约占细胞总RNA的3%~5%,代谢活跃,寿命较短。mRNA的核苷酸序列决定相应蛋白质的氨基酸序列,其分子长度差异很大。原核生物mRNA的转录和翻译在细胞同一空间进行,两个过程常紧密偶联,同时发生。真核生物mRNA的前体在细胞核内合成,包括内含子和外显子的整个基因均被转录,形成分子大小极不均一的hnRNA(核内不均一RNA)。hnRNA被加工为成熟的mRNA,进入细胞质指导蛋白质合成。

5.有义链与反义链

1961年,韦斯(Weiss)等发现离体系统的双链的DNA都可以作为模板,合成不同的RNA分子。马默(Marmur)在侵染枯草杆菌的噬菌体实验中发现,DNA分子两条链中只有一条具有转录功能,这条具有转录功能的链叫做模板链或反义链(antisense strand),另一条无转录功能的链叫做编码链(coding strand)或有义链(sense strand)。应该指出的是:在一条包含有若干基因的DNA分子中,各个基因的有义链,并不一定都在同一链上,也就是说,它们各自具有自己的有义链,即有的基因的有义链是3′→5′单链(下图);有的基因的有义链则是5′→3′单链。所以,也可以说DNA分子双链中的一条链对某些基因来说是有义链,而对另一些基因来说则是反义链。

有义链与反义链

6.转录过程

(1)转录起始

基因的转录是由RNA聚合酶催化进行的。基因的上游具有结合RNA聚合酶的区域,叫做启动子。启动子是一段具有特定序列的DNA,具有和RNA聚合酶特异性结合的位点,决定了基因转录的起始位点。RNA聚合酶与启动子结合后,在特定区域将DNA双螺旋两条链之间的氢键断开,使DNA解旋,形成单链区,以非编码链为模板合成RNA互补链的过程就开始了。

(2)转录延长

转录的延长是以首位核苷酸的3′-OH为基础逐个加入NTP,形成磷酸二酯键,使RNA逐步从5′向3′端延伸的过程。在原核生物,因为没有核膜的分隔,转录未完成即已开始翻译,而且在同一DNA模板上同时进行多个转录过程。电镜下看到的羽毛状图形和羽毛上的小黑点(多聚核糖体),是转录和翻译高效率的直观表现。

(3)转录终止

转录的终止在原核生物分为依赖Rho因子与非依赖Rho因子两类。在依赖Rho因子的生物类型中,因为Rho因子有ATP酶和解旋酶两种活性,能结合在转录产物的3′末端区并使转录停顿、产物RNA脱离DNA模板,所以可以终止转录。对于非依赖Rho因子的转录终止,其RNA产物3′端往往形成茎环结构,其后又有一串寡聚U。茎环结构可使RNA聚合酶变构而不再前移,寡聚U则有利于RNA脱离依附的DNA模板。因此,无论哪一种转录终止都有RNA聚合酶停顿和RNA产物脱出这两个必要过程。


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