内容正文:
第 4 章 基因的表达
第1节 基因指导蛋白质的合成
年级
高一年级
授课时间
1课时
课题
第1节 因指导蛋白质的合成
教材分析
本节课是必修2第4章第1节"基因指导蛋白质的合成"的核心内容。在前三章学习了遗传的细胞基础、分子基础和DNA的结构功能之后,本节进一步探究基因如何通过指导蛋白质合成来实现对生物性状的控制。本节课主要包括三个核心部分:
1.遗传信息的转录:讲解RNA的结构、种类和功能,以及以DNA为模板合成RNA的转录过程。
2.遗传信息的翻译:重点讲解遗传密码、tRNA的结构和功能,以及以mRNA为模板合成蛋白质的翻译过程。
3.中心法则:总结遗传信息传递的一般规律,理解中心法则的内容和意义。
本节课是分子生物学的核心内容,对培养学生理解基因表达、蛋白质合成等重要生命活动具有重要意义,为后续学习基因突变、基因工程等内容奠定基础。
学情分析
【已有知识基础】
1.已掌握DNA的结构和DNA是主要的遗传物质的相关知识。
2.了解蛋白质的基本组成单位——氨基酸。
3.具备一定的分子生物学知识基础。
4.对基因的概念有初步认识。
【可能存在的学习困难】
1.RNA与DNA的区别混淆:学生容易混淆RNA和DNA的组成、结构和功能差异。
2.转录过程理解困难:转录的动态过程涉及多种酶和作用机制,学生难以想象。
3.密码子概念抽象:遗传密码的概念较为抽象,学生难以理解密码子与氨基酸的对应关系。
4.翻译过程复杂:翻译涉及mRNA、tRNA、核糖体等多种组分,过程复杂。
5.中心法则理解片面:学生可能只记住公式,不理解不同生物中遗传信息传递的特殊性。
【教学策略】
1.采用对比教学法,对比DNA与RNA的异同,加深理解。
2.利用动画演示,将转录和翻译的动态过程可视化。
3.通过密码子表的学习,理解遗传密码的简并性和通用性。
4.设计探究活动,引导学生分析不同生物中遗传信息的传递过程。
5.构建概念图,明确基因表达的整体过程。
教学目标
【知识目标】
1.掌握遗传信息转录的过程、条件和意义
2.掌握遗传信息翻译的过程、条件和意义
3.理解密码子的概念、种类和作用
4.掌握中心法则的内容和表达式
5.能够区分DNA复制、转录和翻译的异同
【素养目标】
1.生命观念:理解遗传信息的流动方向,认识基因通过指导蛋白质合成来控制生物性状,形成信息流决定生命活动的生命观念。
2.科学思维:通过分析转录和翻译过程,培养动态思维和逻辑推理能力;能够运用中心法则解释遗传信息的传递过程。
3.科学探究:能够分析密码子的破译过程;能够设计简单实验验证遗传信息的传递方式。
4.社会责任: 认识基因表达研究在医学、农业等领域的应用价值(如抗虫棉)。
教学重、难点
【教学重点】
1.遗传信息的转录过程
2.遗传信息的翻译过程
3.密码子和反密码子的作用
4.中心法则的内容
【教学难点】
1.转录和翻译的具体过程及条件
2.密码子的阅读方式
3.mRNA上结合多个核糖体的意义
4.基因表达中的数量关系计算
教学过程
教学内容
教师活动
学生活动
新课导入
【情景材料】
科学家将苏云金杆菌Bt抗虫蛋白基因以我国独创的花粉管通道法转入普通棉花,培育出的棉花植株会产生Bt抗虫蛋白。Bt抗虫蛋白进入害虫的肠道,在肠道的消化酶作用下,Bt抗虫蛋白降解成有毒的多肽。这些多肽与害虫肠道上皮细胞的特异性受体结合,导致细胞膜穿孔,细胞肿胀裂解,最终造成害虫死亡。
【讨论】
1转入的是Bt抗虫蛋白基因,得到的却是抗虫蛋白。说明基因和蛋白质之间是怎样的关系?
引出课题:基因指导蛋白质的合成
阅读资料,思考并回答问题。
明确本节课探究主题。
一、 遗传信息的转录
【知识讲解】遗传信息的转录
细胞核中的DNA(基因)与细胞质中蛋白质处于不同的空间位置
讨论:
1.细胞核中的基因如何指导细胞质中的蛋白质合成?
【探究活动1】阅读课本p64-65 思考·讨论, 小组合作完成任务。
讨论:
(1)什么叫做转录,其发生的时间及场所为?
(2)转录主要包括哪几个步骤?
(3)转录的过程需要哪些条件?
(4)转录的的方向及结果分别是?
(5)转录有何特点和意义?
【知识讲解】遗传信息的转录
(1)概念:RNA是在细胞核中,通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的过程。
(2)发生时间:个体生长发育的整个过程。
(3)发生场所:细胞核(主要场所)
(4)实验过程:
(5)条件:①模板:DNA的其中一条链
②原料:四种核糖核苷酸( A、G、C、U )
③酶:RNA聚合酶 ➡打开氢键、形成磷酸二酯键
④能量:ATP
(6)方向:沿着模板链3'端→5'端方向延伸
(7)特点:边解旋边转录
(8)结果:产生RNA(主要产生mRNA、rRNA、tRNA三种RNA)
(9)意义:遗传信息从DNA传递到RNA(mRNA)上,为翻译做准备。
讨论:
1.转录成的RNA的碱基序列,与DNA两条单链的碱基序列各有哪些异同?
认真听讲,做笔记。
思考并回答问题。
阅读课本,思考并回答问题。
认真听讲,做笔记。
二、遗传信息的翻译
【探究活动2】阅读课本p66-69 思考·讨论, 小组合作完成任务。
讨论:
(1)什么叫做翻译,其发生的时间、场所及本质为?
(2)翻译主要包括哪几个步骤?
(3)翻译的过程需要哪些条件?
(4)翻译的的方向、结果分别是?
(5)翻译能够精确进行的原因是?
(6)一个mRNA分子上结合多个核糖体有何意义?
(7)DNA的复制与遗传信息的转录和翻译有何异同之处?
【知识讲解】
(1)概念:mRNA合成以后,通过核孔进入细胞质中,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顺序的蛋白质这过程。
(2)发生时间:个体生长发育的整个过程。
(3)发生场所:细胞质的核糖体
(4)实验过程:
(5)条件:①模板:mRNA
②原料:21种氨基酸
③转运工具:tRNA
④能量:ATP
(6)方向:核糖体沿着mRNA从5’端向3’端进行合成多肽链
(7)结果:合成多肽链
密码子:
(1)概念: mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸。
注意:密码子认读: 从mRNA的5'→3',相邻的密码子无间隔、不重叠
(2)密码子个数:共64种密码子
(3)密码子种类:
真核生物只有1种—➡AUG (编码甲硫氨酸)
原核生物可以有2种—➡AUG (编码甲硫氨酸)
➡GUG(编码甲硫氨酸)
注意: 如果GUG不作为起始密码子时,其编码缬氨酸。
② 3个终止密码子
一般情况下,3个终止密码子(UAA、UAG、UGA)不决定氨基酸。➡一般情况下,决定氨基酸的密码子61种。
特殊情况下,UGA可以编码硒代半胱氨酸。
➡特殊情况下,决定氨基酸的密码子62种。
(3)密码子的特点:
①简并性:多个密码子编码同一种氨基酸。
意义:有利于保持物种的稳定性,减少突变带来的影响。
②通用性:几乎所有的生物都使用同一套密码子。
意义:基因工程提供了理论基础。
讨论:
(1)翻译能够精确进行的原因是?
(2)一个mRNA分子上结合多个核糖体有何意义?
【知识拓展】基因表达中的相关数量关系
(1)DNA碱基数:mRNA碱基数:氨基酸数=6:3:1。
(2)关注计算中的“最多”和“最少”问题。
①mRNA上的碱基数目与蛋白质中氨基酸的数目关系: 翻译时,mRNA上的终止密码子不决定氨基酸,因此准确地说,mRNA上的碱基数目是蛋白质中氨基酸数目的3倍还要多一些。
②DNA上的碱基数目与蛋白质中的氨基酸的数目关系: 基因或DNA上的碱基数目比对应的蛋白质中氨基酸数目的6倍还多。
③不能忽略“最多”或“最少”等字: 如mRNA上有n个碱基,转录产生它的基因中至少有2n个碱基,该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。
阅读课本,思考并回答问题。
认真听讲,做笔记。
三、中心法则
【知识讲解】中心法则
(1)概念:遗传信息可以从DNA流向DNA,即DNA的复制;也可以从DNA流向RNA,进而流向蛋白质,即遗传信息的转录和翻译。
(2)提出者:科学家克里克
(3)总表达式:
(4)不同生物遗传信息的传递过程。
注意: 高度分化的细胞不可进行DNA复制过程,如神经元、叶肉细胞等
认真听讲,做笔记。
【习题巩固】
1.KKL-40是一种小分子抑制剂,其衍生物有望成为新一代的重要候选抗生素药物。KKL-40主要通过结合rRNA从而抑制后者的生理功能。KKL-40抑制的主要生理过程是( )
A.DNA→DNA B.DNA→RNA
C.RNA→蛋白质 D.RNA→DNA
【答案】C
【详解】rRNA是核糖体的核心组成成分,核糖体是翻译过程(RNA→蛋白质)的场所,抑制rRNA的生理功能会直接导致核糖体无法正常执行功能,进而抑制翻译过程,ABD不符合题意;C符合题意。
2.原核细胞与真核细胞的核心差异及代谢特点,下列说法正确的是( )
A.原核细胞无线粒体,均不能进行有氧呼吸
B.二者遗传物质均为DNA,原核细胞转录与翻译可同时进行
C.原核细胞无核膜,拟核是染色体
D.真核细胞都有细胞壁,原核细胞细胞壁成分均为肽聚糖
【答案】B
【详解】
A、原核细胞虽无线粒体,但部分原核生物,如蓝细菌、硝化细菌等具有与有氧呼吸相关的酶,可以进行有氧呼吸,A错误;
B、原核细胞和真核细胞均具有细胞结构,其遗传物质均为DNA,原核细胞没有以核膜为界限的细胞核,所以其转录和翻译可以同时进行,B正确;
C、原核细胞没有染色体,原核细胞的拟核是位于细胞内的特定区域,该区域内有环状的DNA分子,C错误;
D、真核细胞中的动物细胞没有细胞壁,原核细胞中的支原体没有细胞壁,D错误。
故选B。
3.以下关于翻译过程的叙述错误的是( )
A.核糖体与mRNA的结合部位会形成2个tRNA的结合位点
B.tRNA的5'端与相应氨基酸结合后进入核糖体对应位点
C.新生肽链的氨基酸数目少于mRNA碱基数目的1/3
D.翻译产生的多肽能与双缩脲试剂呈现紫色反应
【答案】B
【详解】
A、核糖体与mRNA结合后,其大亚基上存在P位(肽酰位)和A位(氨酰位)两个tRNA结合位点,用于携带氨基酸的tRNA进位与肽链延伸,A正确;
B、tRNA的3'端通过酯键与相应氨基酸结合,而非5'端,B错误;
C、mRNA上每3个碱基(1个密码子)决定1个氨基酸,但终止密码子不编码氨基酸,故实际合成的氨基酸数目少于mRNA碱基数目的1/3,C正确;
D、双缩脲试剂可与肽键反应呈紫色,翻译产生的多肽含肽键,故能发生该反应,D正确。
故选B。
4.核酶指具有催化活性的RNA。它最常见的底物为RNA分子,许多核酶能够特异性识别并切割特定序列的RNA,在RNA的加工、降解等过程中发挥作用。下列说法错误的是( )
A.核酶能降低某种化学反应的活化能
B.核酶在核糖体上合成后由核孔进入细胞核发挥作用
C.经核酶加工后形成的mRNA长度小于其DNA模板链
D.核酶的作用过程中,可能会有氢键的形成与断裂
【答案】B
【详解】
A、酶的作用机理是降低化学反应的活化能,核酶是具有催化活性的RNA,属于酶的一类,因此可以降低相关化学反应的活化能,A正确;
B、核酶的化学本质是RNA,RNA主要在细胞核中通过转录合成,核糖体是蛋白质的合成场所,不能合成RNA类的核酶,B错误;
C、核酶能够特异性识别并切割特定序列的RNA,被切割后的mRNA长度会变短,因此会小于其DNA模板链,C正确;
D、核酶特异性识别底物RNA时,会通过碱基互补配对与底物RNA结合,该过程形成氢键,完成切割后与底物RNA分离,该过程发生氢键断裂,因此核酶作用过程中存在氢键的形成与断裂,D正确。
5.核糖体由大、小两个亚基组成,其上有3个供tRNA结合的位点如图所示,其中A位点是新进入的tRNA结合位点,P位点是肽链延伸过程中的tRNA结合位点,E位点是空载的tRNA释放位点。下列叙述错误的是( )
A.核糖体在mRNA上的移动方向a端→b端
B.mRNA分子上可以相继结合多个核糖体
C.P位点结合的tRNA上的反密码子是5'-GUC-3'
D.核糖体遇到mRNA上的终止密码子使肽链延伸终止
【答案】C
【详解】
A、根据题干信息A位点是新进入的tRNA结合位点,P位点是延伸中的tRNA结合位点,E位点是空载tRNA结合位点可知,tRNA的移动顺序是A位点→P位点→E位点,说明核糖体的移动方向是a端→b端,A正确;
B、一条mRNA分子上可以相继结合多个核糖体,同时合成多条相同肽链,提高翻译效率,B正确;
C、mRNA的方向是a端(5')→b端(3'),P位点对应的mRNA密码子序列为5'-CAG-3',tRNA反密码子与mRNA密码子反向平行互补配对,因此反密码子序列为3'-GUC-5',即5'-CUG-3',C错误;
D、翻译过程中,当核糖体移动到mRNA的终止密码子时,没有对应tRNA结合,肽链延伸会终止,D正确。
6.研究表明天然 RNA 都含有四种碱基,组成多肽链的各氨基酸残基用 3 个字母缩写表示。若对带有多肽链 Met-Phe-Ser-Tyr-Cys 的 tRNA 进行化学成分分析,会有( )种单体
A.25 B.21 C.9 D.无法确定
【答案】C
【详解】由题意可知,该tRNA分子中的多肽链含有5种氨基酸,且tRNA含有4种核苷酸,因此该tRNA会有9种单体,C正确,ABD错误。
故选C。
7.图①-③分别表示人体细胞中发生的3种生物大分子的合成过程下列选项错误的是( )
A.细胞中过程②与过程①相比,特有的碱基对为A-U
B.过程①的发生的主要场所是细胞核,过程③的发生场所是细胞质
C.在人体内成熟红细胞、神经细胞、造血干细胞中,能发生过程②、③而不能发生过程①的细胞是神经细胞
D.已知过程②的α链中腺嘌呤与尿嘧啶之和占碱基总数的48%,则与α链对应的DNA区段中鸟嘌呤所占的碱基比例为52%
【答案】D
【详解】
A、过程①是DNA复制过程,该过程中的碱基互补配对有A-T、G-C;②是以DNA的一条链为模板进行的转录过程,该过程中的碱基互补配对有T-A、A-U、G-C,显然,细胞中过程②与过程①相比,特有的碱基对为A-U,A正确;
B、①是以DNA的两条链为模板,进行的是DNA复制过程,主要发生在细胞核中,③是以mRNA为模板,进行的是翻译过程,发生在核糖体上(细胞质),B正确;
C、DNA复制发生于细胞分裂过程中,神经细胞高度分化,不再分裂,神经细胞能转录和翻译形成蛋白质,能发生②转录和③翻译,但不能发生①DNA复制;人体内成熟红细胞没有细胞核和细胞器,不能发生①DNA复制、②转录和③翻译;造血干细胞能发生分裂,能发生①DNA复制、②转录和③翻译,C正确;
D、由题意知,α链是mRNA,其中A+U占的比例为48%,C+G占的比例为1-48%=52%,DNA双链中C+G占的比例也是52%,在DNA双链中C=G,则与α链对应的DNA区段中鸟嘌呤所占的碱基比例为52%÷2=26%,D错误。
故选D。
8.miRNA是真核生物中一类内源的小分子核糖核酸,能与体内的其他RNA以碱基互补的方式识别,起基因调控作用。可调控细胞周期、生物体发育的时序等多个方面。下列相关叙述错误的是( )
A.miRNA的调控作用可能使生物的性状发生改变
B.miRNA和其他RNA的碱基互补配对方式与翻译过程相同
C.miRNA不会改变控制细胞周期的基因的碱基序列
D.miRNA与其他RNA结合会影响细胞内的转录过程
【答案】D
【详解】
A、miRNA通过与体内的其他RNA以碱基互补的方式识别,起基因调控作用(影响翻译过程),可能影响蛋白质合成,进而改变生物性状,A正确;
B、miRNA与其他RNA的碱基互补配对遵循A-U、G-C原则,与翻译过程中mRNA-tRNA的配对方式相同,B正确;
C、miRNA是与体内的其他RNA以碱基互补的方式识别起调控细胞周期,故不改变控制细胞周期的基因的碱基序列,C正确;
D、miRNA通过与体内的其他RNA以碱基互补的方式识别,起基因调控作用,影响的是翻译过程,不是转录过程,D错误。
故选D。
做习题,巩固知识。
课堂小结
板书设计
第1节 基因指导蛋白质的合成
一、RNA的结构和种类
1. DNA与RNA的区别:
五碳糖:脱氧核糖 vs 核糖;碱基:T vs U
2. RNA的种类和功能:
mRNA(信使RNA):携带遗传信息,蛋白质合成的模板
tRNA(转运RNA):识别并运载氨基酸
rRNA(核糖体RNA):核糖体的组成成分
二、遗传信息的转录
1. 概念:以DNA的一条链为模板合成RNA的过程
2. 条件:模板(DNA一条链)、原料(4种核糖核苷酸)、酶(RNA聚合酶)、能量(ATP)
3. 过程:解旋 → 配对 → 延伸 → 终止
4. 方向:沿模板链3'→5'方向进行
5. 结果:产生mRNA、tRNA、rRNA
三、遗传信息的翻译
1. 概念:以mRNA为模板合成蛋白质的过程
2. 遗传密码:mRNA上3个相邻碱基(密码子)决定1个氨基酸
64种密码子,61种编码氨基酸,3种终止密码子
3. tRNA:携带氨基酸,反密码子与密码子互补配对
4. 过程:起始 → 延伸(进位、转肽、移位)→ 终止
5. 多聚核糖体:提高翻译效率
6. 数量关系:DNA碱基数:mRNA碱基数:氨基酸数=6:3:1
四、中心法则
1. 提出者:克里克
2. 基本内容:DNA→DNA(复制);DNA→RNA(转录);RNA→蛋白质(翻译)
3. 补充:RNA→RNA(RNA复制);RNA→DNA(逆转录)
课后作业
1.关于真核细胞中遗传信息的复制、转录和翻译三个过程,下列叙述错误的是( )
A.三个过程均可在细胞质中发生
B.三个过程均会发生氢键的形成和断裂
C.根据三个过程的产物序列均可确定其唯一的模板序列
D.RNA聚合酶与核糖体沿模板链的移动方向不同
【答案】C
【详解】
A、真核细胞中,DNA复制主要在细胞核,但线粒体、叶绿体(属于细胞质范畴)内含有自身DNA,可进行DNA复制和转录;翻译过程的场所是细胞质中的核糖体。因此,线粒体、叶绿体的复制、转录发生在细胞质(细胞器层面),翻译也在细胞质中进行,A正确;
B、DNA复制时解旋酶断裂氢键,子链合成时形成氢键;转录时DNA双链局部解旋断裂氢键,RNA与模板链配对形成氢键;翻译时tRNA反密码子与mRNA密码子通过氢键配对,故三个过程均涉及氢键变化,B正确;
C、DNA复制产物与模板链互补,可确定唯一模板;转录产物RNA与DNA模板链互补,可确定唯一模板;但翻译产物蛋白质的氨基酸序列因密码子简并性(多个密码子对应同一氨基酸),无法反推唯一的mRNA序列,C错误;
D、转录时RNA聚合酶沿DNA模板链的3'→5'方向移动;翻译时核糖体沿mRNA的5'→3'方向移动,二者移动方向相反,D正确。
故选C。
2.在生命世界中既有令人惊叹的普遍规律,也有打破常规的特例。下列关于这类差异的叙述,错误的是( )
A.大多数生物的遗传物质是DNA,烟草花叶病毒的遗传物质是RNA
B.生物体内绝大多数酶的化学本质是RNA,少数蛋白质也有催化功能
C.除病毒以外,生物体都是以细胞作为结构和功能的基本单位,生命活动离不开细胞
D.大多数生物的遗传信息沿DNA→RNA→蛋白质的方向流动,HIV的信息可从RNA→DNA
【答案】B
【详解】
A、大多数细胞生物和DNA病毒的遗传物质为DNA,烟草花叶病毒属于RNA病毒,遗传物质是RNA,A正确;
B、生物体内绝大多数酶的化学本质是蛋白质,仅少数RNA具有催化功能(核酶),B错误;
C、病毒无细胞结构,必须依赖活细胞才能完成生命活动,除病毒外的生物体均以细胞作为结构和功能的基本单位,C正确;
D、大多数生物的遗传信息传递途径为DNA→RNA→蛋白质,HIV是逆转录病毒,可进行逆转录过程,遗传信息能从RNA流向DNA,D正确。
3.下列关于真核细胞中DNA复制、转录和翻译的说法正确的是( )
A.DNA复制后,两条新的子链通过氢键形成双螺旋结构
B.密码子5'-GUA-3′对应的反密码子为5'-CAU-3′
C.RNA聚合酶与核糖体沿各自模板链的移动方向相反
D.翻译过程中,一种tRNA可转运多种氨基酸称为密码子的简并性
【答案】C
【详解】
A、DNA复制为半保留复制,子代DNA分子由一条母链和一条新合成的子链通过氢键形成双螺旋结构,并非两条新子链直接结合,A错误;
B、密码子与反密码子反向互补配对,密码子5'-GUA-3′对应的反密码子按5'→3'规范书写应为5'-UAC-3′,B错误;
C、RNA聚合酶转录时沿DNA模板链的3'→5'方向移动,以合成5'→3'的mRNA;核糖体翻译时沿mRNA模板链的5'→3'方向移动合成肽链,二者沿各自模板链的移动方向相反,C正确;
D、密码子的简并性指一种氨基酸可对应多种密码子的特性,且tRNA具有专一性,一种tRNA只能特异性转运一种氨基酸,D错误。
故选C。
教学反思
成功之处与预期效果
1.多媒体动画效果显著:转录和翻译过程的动画演示,将抽象的动态过程具体化,帮助学生理解。
2.案例导入激发兴趣:抗虫棉的案例贴近生活,激发了学生的学习兴趣。
3.密码子表的使用训练:通过实际使用密码子表,学生掌握了遗传密码的规律。
4.中心法则的系统总结:帮助学生构建了完整的遗传信息流动图景。
实施难点与应对策略
1.过程理解困难:转录和翻译过程复杂。策略:分步骤讲解;使用动画演示;用比喻帮助理解(如"抄写"和"翻译"的比喻)。
2.密码子概念抽象:策略:通过数学推算理解3个碱基决定1个氨基酸的必然性;实际使用密码子表;举例说明简并性。
3.tRNA结构理解困难:策略:用图示展示tRNA的三叶草结构;强调反密码子的位置和功能;比喻为"搬运工"。
4.中心法则的特殊性:策略:分类讲解不同类型生物的遗传信息传递;通过实例加深理解(如HIV的逆转录)。
改进建议
1.开发基因表达虚拟实验室,供学生课后模拟转录和翻译过程。
2.制作密码子表使用微课,帮助学生掌握密码子查用方法。
3.设计分层练习题,满足不同层次学生的学习需求。
4.收集学生常见错误,编制针对性训练材料。
5.开展"中心法则"模型制作活动,加深理解。
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学科网(北京)股份有限公司
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