高中生物 第4章 第1节《基因指导蛋白质的合成》教学设计 新人教版必修21

课 题第4章第1节 基因指导蛋白质的合成教 学 目 的（1）概述遗传信息的翻译（2）理解“密码子”的概念及其特点（2）运用数学方法，分析碱基与氨基酸的对应关系（3）能够利用图解、文字和图表等形式阐述翻译的过程（5）体验科学研究的过程，以及基因表达过程的逻辑美、简约美与和谐美。教 学 重 点“密码子”的概念遗传信息翻译的过程教 学 难 点遗传信息翻译的过程教具、实验器材卡片（核糖体、tRNA、氨基酸）、动画（转录与翻译过程）教 学 内 容备 注导入：（1）情境：谍战片中电报发送与接收的基本原理的介绍与模拟：嘀嗒声与的记录数字汉字之间的关系。（2）复习：细胞核中的DNA在指导细胞质中核糖体上蛋白质的合成时，需要RNA作为信使，即将遗传信息先传递给mRNA，再由mRNA传递给蛋白质。在DNA中遗传信息是指4种碱基（AGCT）的排列顺序。当DNA将遗传信息传递给mRNA时，其对应关系主要是依据碱基互补配对原则，即AD-UR ; TD-AR；CD-GR ; GD-CR。这一过程被称为转录。转录完成后，遗传信息则蕴藏在了mRNA的4种碱基（AGCU）的排列顺序中。（3）疑问：今天这节课，我们要接着学习mRNA上的遗传信息是如何传递给核糖体上的蛋白质的。这一过程称为翻译。学习翻译如何进行，与之前的情报工作一样，关键在于先弄懂mRNA与蛋白质之间的对应关系。mRNA上的遗传信息是指4种碱基的排列顺序，那蛋白质中的信息是指什么呢？提示：遗传信息是一种排列顺序，那蛋白质中的排列顺序是什么？通过必修一的学习已知蛋白质合成过程中的第一步是，其基本单位，20种氨基酸，在核糖体上通过脱水缩合形成肽链。氨基酸的排列顺序可以决定蛋白质的种类。因此遗传信息在蛋白质中首先体现为氨基酸的排列顺序。因此，翻译的过程可以这么描述：游离在细胞质中的各种氨基酸，就以mRNA为模板合成具有一定氨基酸的蛋白质。一、碱基与氨基酸之间的对应关系过渡：寻找mRNA上4种碱基与20种氨基酸之间的对应关系，则是了解翻译过程要解决的第一个关键问题。下面我们就一起来推测一下4种碱基与20种氨基酸之间的对应关系是怎样的。（1）推测如果类似于碱基互补配对原则，一个碱基只能决定一个氨基酸，是否可以？（不行，因为这样只能决定4种氨基酸。）那怎样的对应关系才能多于4种呢？如果2个碱基决定一个氨基酸，那样最多能编码多少种氨基酸呢？（44=16种）这样还是不足以编码20种氨基酸。请大家沿着这种思路，思考一下：至少要多少个碱基决定一个氨基酸，才足够编码20种氨基酸？（3个，444=6420）（2）密码子表这样的推测对不对呢？需要有实验来证实。其实，早在1954俄国科学家伽莫夫就跟我们一样，运用数学的方法，作出了这样的推测。6年后，也就是在1961年，大家熟悉的英国科学家克里克则第一个用实验证明了这个推测的正确性，即mRNA上每3个相邻的碱基决定1个氨基酸。这样碱基与氨基酸之间的对应关系得到了揭晓，科学界就将mRNA上每3个相邻的碱基称作1个遗传密码子，到了1965年，科学家终于破译了20种氨基酸所对应的64种遗传密码子，并将这64种遗传密码子编成了一张密码子表，如书P65所示。请大家尝试地寻找以下密码子所决定的氨基酸：UAU、UAC、UAG、AUG。（酪氨酸、酪氨酸、终止、甲硫氨酸（起始）（注：在第一个学生回答出相应的第一个氨基酸后）总结密码子表的查阅方法：第一个字母前列，第二个字母行，第三个字母后列。分析： UAU和UAG所决定的氨基酸一样，为什么？（组成蛋白质的氨基酸只有20种，而密码子却有64种，所以一种氨基酸可能会有几个密码子，这种现象称作密码子的简并性。）分析：密码的简并性对生物的生存发展有什么意义？（增强密码的容错性，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；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。）分析：一种氨基酸可能会有几个密码子，那一个密码子是否能决定几种氨基酸呢？（不能，一个密码子只能决定一种氨基酸。）分析：密码子UAG对应的是“终止”，表明其不编码氨基酸，即如果遇到这样的密码子，翻译过程就要结束。分析：有终止密码子，那起始密码子呢？（从表中可以看出有两个氨基酸下方标注“起始”两个字，也就说这两个氨基酸是作为一条肽链开始的第一个氨基酸，那么编码这两个氨基酸的密码子，相应就成为起始密码子，即AUG和GUG）分析：以上这张密码子表的得出可以说是生物学上的一个重大成就，因为其解开几乎所有生物的蛋白质合成之谜。也就是说，这张密码子表适用于地球上几乎所有的生物，即密码子具有通用性。密码子的通用性对生命的起源有什么启示？（生物都具有相同的遗传密码，说明所有生物可能有共同的起源，或者生命在本质上是统一的）二、翻译的过程过渡：弄懂了4种碱基与20种氨基酸之间的对应关系，下面我们就一起来分析一下翻译过程使如何进行的。（黑板上贴有：mRNA（画），核糖体2个，tRNA7个，氨基酸若干）（1）第一步：黑板上是一条已转录完成的mRNA，这条mRNA被称为前体mRNA，其通过一定的修饰后形成成熟的mRNA，如何修饰，以后选修模块会进行学习，成熟mRNA就可以穿过核孔进入了细胞质，现在请一位同学来黑板上演示一下翻译过程中第一个氨基酸是如何合成的。（学生需要完成的步骤有：在mRNA上与核糖体结合；将氨基酸连接到对应的tRNA上；将携带有甲硫氨酸的tRNA进入核糖体的相应位置与起始密码子AUG互补配对。）提问并分析翻译的第一步：mRNA结合到核糖体小亚基的相应位点；tRNA根据其上的反密码子携带相应的氨基酸；当tRNA与mRNA完成碱基互补配对，则将氨基酸携带进入核糖体大亚基的相应位点。这样就完成了第一个密码子的编码。（在讲解的同时，PPT上显示相应的文字）（提问：回忆tRNA的结构，如何确定一端所携带氨基酸的种类？引出“反密码子”，并完成黑板上其他几个tRNA与氨基酸之间的结合）（2）第二步接着我们一起来编码第二个密码子。第二个密码子是UGC还是GCA还是CAC？即密码子在mRNA上的阅读方式是怎样？因此，在正确了解翻译过程不仅仅理解碱基与氨基酸之间的对应关系，还要掌握密码的阅读方式。能够用什么样的实验来证实密码子的阅读是否是重叠还是非重叠的呢？提供的实验设计思路：实验设计1：总编码的氨基酸总数比较。例如这条mRNA如果是按照重叠的方式进行阅读，那么能编码的氨基酸总数是多少个？（21个）。而如果是按照非重叠的方式进行阅读，那么能编码的氨基酸总数是多少个？（7个）。这样通过实验计算出编码的氨基酸数目，就可以证实密码子的阅读方式。实验设计2：通过改变一个碱基，判断其对编码出氨基酸的影响。例如改变第4个碱基为G：如果非重叠，这只影响第二个氨基酸，由组氨酸变为天冬氨酸；如果是重叠，则将影响三个氨基酸，第二个、第三个、第四个，即由原来的UGCGCACAC变为UGGGGAGAC，氨基酸由原来的半胱氨酸-丙氨酸-组氨酸变为色氨酸-甘氨酸-天冬氨酸。这样根据氨基酸种类发生的变化就可以证实密码子的阅读方式。实验设计3：若是通过删除或增添碱基的方式，是否可以也可以证实密码子的阅读方式？请大家课下进行思考。现在我们来看一下科学家的研究结果，证实了密码子的阅读方式是非重叠的。那么我们就可以确定编码第二个氨基酸的密码子应该为CAC。找到与密码子碱基互补配对的反密码子的tRNA，将其结合到核糖体上，在密码子与反密码子完成碱基互补配对的同时，第二个氨基酸进入到核糖体上的位点2。（3）第三步两个氨基酸之间如何形成肽链？（需要发生脱水缩合）是的，进入这两个位点的氨基酸会在相应酶的催化下完成脱水缩合，即形成肽键并脱去1分子的水，形成二肽。在形成2肽的同时，第一个氨基酸则通过肽键而转移到位点2。（4）第四步这时，核糖体大亚基上的两个与tRNA结合的位点都被占满了，如何进行第3个密码子的编码？（占据位点1的tRNA由于其上的氨基酸已离开，则本身也离开位点1到细胞质中重新结合对应的氨基酸；而位点2的tRNA则携带者其上的二肽进入位点，这样核糖体则可以读取第三个密码子。接着就重复第二步。）黑板上继续演示第三个氨基酸的进入，剩余步骤由PPT演示完成。这样的翻译过程会一直进行下去吗？（不会，当遇到终止密码子时，翻译则停止。）分析：之前在分析密码表时，知道了终止密码子没有对应的氨基酸，为什么没有呢？究其原因在于在细胞内没有相应的tRNA，即没有对应的反密码子存在。所以细胞内除去3个终止密码子，细胞内的反密码子只有61种。以上就是翻译的过程。（5）肽链进一步修饰形成蛋白质当遇到终止密码子时，肽链合成结束，则脱离核糖体上，这样的肽链就可以成为成熟的蛋白质以作为生命活动的承担者和体现者了吗？（不能，合成的肽链，需要进行进一步的加工修饰，通过盘曲折叠形成具有一定空间结构的蛋白质才可以承担细胞生命活动的各项职责。这些进一步的加工修饰主要是在内质网、高尔基体等细胞器完成的，同时还需要线粒体提供能量。）所以基因的表达不仅仅包括转录与翻译这两个主要步骤，还包括了翻译后的修饰。总结：到这里为止，我们用了两节课的时间，学习了基因是如何指导蛋白质合成的这一过程，这一过程就是本章的标题“基因的表达”，主要包括转录和翻译两个过程。下面我们用一个动画一起来完整地回顾一下这个过程。边看动画边讲解：首先是DNA通过转录过程形成mRNA，接着mRNA通过翻译过程合成蛋白质。在这个动画中，我们可以看到当一条肽链还未合成结束时，另一个核糖体就也与该条mRNA结合，同时开始了肽链的合成。实际中，在细胞质中的翻译过程是一个快速的过程。通常，一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成，如书P67图所示。快速的翻译的意义在于，少量的mRNA分子就可以迅速合成出大量的蛋白质。拓展应用：（1）大家现在再来思考一下上节课所说的恐龙能否复活的问题，你会有什么新的想法呢？（提示：提取的基因是如何进行表达的？需要为基因表达提供什么条件？）（2）现在如果一段含有6n个碱基的DNA片段，若不考虑终止密码子，则所编码的这条肽链中理论上最多含有多少个氨基酸？多少个肽键？（分析，先看通过转录形成的mRNA含有多少个碱基？（3n）根据每3个碱基决定一个氨基酸，则所编码的肽链中含有n个氨基酸。）（3）最后，请同学们根据今天这节课所学习的翻译过程，将这张表格的第三列补充完整。（即DNA复制、转录、翻译的比较）通过情境导入，激发学生的学习兴趣通过复习转录的知识，明确遗传信息是碱基的排列顺序通过设疑，明确学习要点通过提问的方式，让学生运用数学的方法推测出碱基与氨基酸的对应关系阐述“密码子”的概念通过提问，总结归纳密码子表的查阅方法结合密码子表举例提问分析：密码子与氨基酸的对应关系；指出终止密码子与起始密码子；举例说明密码子简并性和通用性的意义利用卡片模型分析翻译的过程引申思考：如何设计实验证明密码的阅读方式归纳分析反密码子61种解释翻译后修饰分析表达过程中的细胞器动画重现转录与翻译的全过程解释翻译的高效性总结比较复制、转录和翻译三个过程