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第4章 基因的表达
第1节 基因指导蛋白质的合成 教案
★教学目标
【生命观念】1.概述遗传信息的转录和翻译过程；2.阐明中心法则的具体内容，认同科学是不断发展的。
【科学思维】计算DNA碱基数目、RNA碱基数目与氨基酸数目之间的对应关系。
【社会责任】基于地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码的事实，认同当今生物可能有着共同的起源。
★教学重点难点
【教学重点】1.遗传信息的转录和翻译过程；2.中心法则的具体内容。
【教学难点】遗传信息的转录和翻译过程。
★教学过程
【新课导入】
问题探讨：
美国科幻电影《侏罗纪公园》曾轰动一时。影片围绕着虚构的“侏罗纪公园”，展现了丰富而新奇的科学幻想：各种各样的恐龙飞奔跳跃、互相争斗，而这些复活的恐龙是科学家利用提取的恐龙DNA还原而来的。
讨论：从原理上分析，利用已灭绝生物的DNA，真的能够使它们复活吗？
提示：一种生物的整套DNA中储存着该种生物生长、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调控过程才能实现。因此，在可预见的将来，利用DNA来使灭绝的生物复活仍是难以做到的。
过渡：基因指导蛋白质合成的过程，叫基因的表达。那么，基因是怎样指导蛋白质合成的呢？
【新课讲授】
讨论并回答：
1.DNA（基因）主要存在于哪里？
2.蛋白质在何处合成？
总结：
基因指导蛋白质合成的过程，叫基因的表达。
基因指导蛋白质合成的过程，可分为两个步骤：第一步是基因的遗传信息传递给RNA，此步可称为“转录”；第二步是RNA移入细胞质通过指导蛋白质合成来表达遗传信息，此步可称为“翻译”。
一、遗传信息的转录
1.RNA和DNA的主要区别：
小组合作，协作完成表格。
比较项目 DNA RNA
基本单位 脱氧核苷酸 核糖核苷酸
五碳糖 脱氧核糖 核糖
含氮碱基 A T C G A U C G
结构 多为双链结构 多为单链结构
主要存在部位 细胞核 细胞质
【思考】为什么RNA适合做DNA的信使呢？
RNA一般是单链，而且比DNA短，因此能够通过核孔，从细胞核转移到细胞质中。
2.RNA的种类、结构及功能
种类 mRNA tRNA rRNA
名称 信使RNA 转运RNA 核糖体RNA
功能 翻译的直接模板 翻译时运载氨基酸 组成核糖体
结构 单链 单链，部分碱基配对形成三叶草形结构 单链
示意图
共同点 ①都是转录的产物；②基本单位相同；③都与翻译过程有关。
提问：DNA的遗传信息是怎样传给mRNA的？
3.转录的基本过程
（1）转录：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，这一过程叫做转录。
教师：展示转录过程的图片及视频，引导学生进行归纳概括。
关于模板链：
说明：1.转录的基本单位只是DNA链中的某个片段——基因；
2.基因的两条链中只有一条链是转录的模板链，不同的基因中到底哪条链是模板链不是固定不变的。
（2）转录小结：
转录的场所：细胞核（主要）、线粒体和叶绿体。
转录的条件：①模板：DNA特定的一条链（模板链）；②原料：四种游离的核糖核苷酸；③能量：ATP；④酶：RNA聚合酶。
转录的产物：mRNA、tRNA和rRNA。
转录时的碱基互补配对：A—U，T—A，C—G，G—C。
转录时的信息流向：DNA→mRNA。
【思考·讨论·遗传信息的转录过程】
1.转录与DNA复制有什么共同之处？这对保证遗传信息的准确转录有什么意义？
转录与DNA复制都需要模板、都需要ATP提供能量、都遵循碱基互补配对原则等等。其中，碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性。
2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？
DNA复制所需要的原料是4种游离的脱氧核苷酸，所需要的酶是解旋酶和DNA聚合酶；转录所需要的原料是4种游离的核糖核苷酸，所需要的酶是RNA聚合酶。
3.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？
转录时，游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对。因此，转录成的RNA的碱基与DNA模板链的碱基是互补配对的关系。该RNA的碱基序列与DNA另一条链（非模板链）的碱基序列的区别是RNA链上的碱基U，对应在非模板链上的碱基是T。
二、遗传信息的翻译
1.翻译：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的过程。
2.碱基与氨基酸的对应关系
如果1个碱基决定1个氨基酸→决定4种氨基酸（即41种）；
如果2个碱基决定1个氨基酸→决定16种氨基酸（即42种）；
如果3个碱基决定1个氨基酸→决定64种氨基酸（即43种）；
密码子：又叫遗传密码，mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻的碱基。
3.密码子表及密码子的特点
（1）密码子的特点：
①专一性：一种密码子只决定一种氨基酸；
②简并性：一种氨基酸可对应一种或多种密码子；
③通用性：地球上几乎所有生物都共用一套密码子（遗传密码）。
（2）特殊密码子：
①3个终止密码：UAA、UAG、UGA；
②2个起始密码：AUG、GUG。
密码子共有64种，其中3个终止密码不决定氨基酸（特殊情况下UGA可以编码硒代半胱氨酸），2个起始密码决定氨基酸（在原核生物中，GUG也可以作起始密码子编码甲硫氨酸），能决定氨基酸的遗传密码子只有61或62种。
【思考·讨论·分析密码子的特点】
1.从密码子表可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子，这一现象称作密码子的简并。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？
（1）增强密码子的容错性。当密码子中有一个碱基改变时，由于密码子的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸；（2）密码子的使用频率。当某种氨基酸使用频率高时，几种不同的密码子都编码同一种氨基酸可以保证翻译的速度。
2.几乎所有的生物体都共用上述密码子。根据这一事实，你能想到什么？
说明当今生物可能有着共同的起源，或生物在本质上是统一的。
思考：游离在细胞质中的氨基酸，是怎样被运送到合成蛋白质的“生产线”上的呢？
4.tRNA和反密码子
（1）反密码子：tRNA中与mRNA上的密码子互补配对的三个碱基。
（2）决定氨基酸的密码子有61或62种，所以tRNA有61或62种，反密码子也有61或62种。
（3）一种tRNA只能识别并转运一种氨基酸，但一种氨基酸可由一种或多种tRNA携带。
教师：展示翻译的图片及视频。引导学生进行归纳概括。
5.翻译小结
翻译的场所：核糖体。
翻译的条件：①模板：mRNA；②原料：组成细胞中蛋白质的21种氨基酸；③能量：ATP；④酶：氨基酸脱水缩合所需要的酶。
翻译的工具：tRNA。
翻译的产物：有一定氨基酸顺序的肽链。
翻译时的碱基互补配对：A—U，U—A，C—G，G—C。
翻译时的信息流向：mRNA→肽链（蛋白质）。
6.核糖体移动方向的判断
核糖体在mRNA上的移动方向根据多肽链的长短进行判断：由多肽链短的一端向多肽链长的一端移动。（图示核糖体移动方向为从左到右）
7.基因表达过程中的数量关系
基因表达过程中DNA（或基因）碱基数：mRNA碱基数：多肽链氨基酸数＝6n：3n：n＝6：3：1
说明：因为基因中存在不编码蛋白质的片段，实际上基因（DNA）上所含有的碱基数要大于6n，而mRNA中也存在终止密码子等片段，所以实际上mRNA中所含有的碱基数也要大于3n。
8.真核细胞中复制、转录、翻译的比较
DNA复制 转录 翻译
时间 细胞分裂间期 生长发育过程 生长发育过程
场所 主要是细胞核 主要是细胞核 细胞质
模板 DNA的两条链 基因特定的一条链 mRNA
原料 四种脱氧核苷酸 四种核糖核苷酸 21种氨基酸
酶 解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶 氨基酸脱水缩合需要的酶
能量 ATP ATP ATP
原则 A-T，T-A，C-G，G-C A-U，T-A，G-C ，C-G A-U，U-A，G-C，C-G
特点 半保留复制 边解旋边复制 边解旋边转录 一个mRNA可结合多个核糖体同时翻译多条肽链
产物 子代DNA分子 信使RNA 特定氨基酸顺序的肽链
信息传递 DNA→DNA DNA→mRNA mRNA→蛋白质
三、中心法则
1957年克里克提出中心法则：请绘出相应过程。
生命是物质、能量和信息的统一体。
【课堂作业】
1.下列哪项是DNA和RNA共同具有的（ ）
A.规则的双螺旋结构 B.脱氧核糖 C.尿嘧啶 D.鸟嘌呤
2.已知病毒的核酸有双链DNA、单链DNA、双链RNA和单链RNA四种类型。现发现了一种新病毒，要确定其核酸属于上述哪一种类型，应该（　 ）
A.分析碱基类型，确定碱基比率 B.分析碱基类型，分析核糖类型
C.分析蛋白质的氨基酸组成，分析碱基类型 D.分析蛋白质的氨基酸组成，分析核糖类型
3.有关真核细胞DNA复制和转录这两种过程的叙述，错误的是（　 　）
A.两种过程都可在细胞核中发生 B.两种过程都有酶参与反应
C.两种过程都以脱氧核糖核苷酸为原料 D.两种过程都以DNA为模板
4.有关蛋白质合成的叙述，正确的是（ 　）
A.DNA是蛋白质合成的直接模板
B.每种氨基酸仅有一种密码子编码
C.翻译的起点和终点识别的密码子都决定了一种氨基酸
D.密码子位于mRNA上，反密码子位于tRNA上
5.如图为真核细胞中蛋白质合成的部分过程示意图，②③④⑤为正在合成中的四条多肽链。下列说法错误的是（　 　）
A.图中所示过程称为翻译，需要氨基酸作为原料
B.①上的一个密码子只决定一种氨基酸，一种氨基酸只由一种tRNA转运
C.②③④⑤最终形成的蛋白质通常是相同的
D.图中反映了蛋白质合成具有高效性
参考答案：DACDB

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