从基因到蛋白质课时教案

《基因指导蛋白质的合成》教案

一．教材分析

“基因指导蛋白质的合成”是人教版高中生物学教材《遗传与进化》第4章“基因的表达”第1节的内容。本节内容主要包括基因转录形成RNA和mRNA通过翻译形成蛋白质这两个相互联系的生命反应过程，而该过程发生于细胞内部，内容抽象不可见，既是重点也是难点。

二．学情分析

通过前几章的学习，学生掌握了DNA是主要的遗传物质、DNA分子的结构、基因是有遗传效应的DNA片段等知识，在此基础上学习基因的表达，符合认知规律。然而本节课内容较多，且抽象难懂，因此教学中，可利用多媒体动画模拟转录、翻译的过程并结合教材插图进一步归纳总结，再利用自制模型演示翻译过程，以突破难点，使教学更直观形象，最后总结，使学生形成较为完整的知识体系。

三．教学目标

1.知识目标：说出RNA适合作为信使的原因；

理解密码子和反密码子的概念；

概述遗传信息的转录和翻译的过程。

2.能力目标：运用数学方法，分析碱基与氨基酸的对应关系，提高逻辑推理能力；

利用自制模型演示翻译过程，提高动手能力及团队合作能力。

3.

情感态度与价值观目标：认同结构决定功能这一生命观念；

体验科学探究的严谨性与曲折性。

四．教学重难点

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。

五．教学过程

【图片导入，设置悬念】

【师】请同学们来辨认一组动物，（PPT呈现绿色荧光小猪）这是什么动物？（PPT呈现普通小猪）那这只呢？这两只猪有什么区别？

【生】左边小猪鼻子和脚是黄的！

【师】这两只猪的区别在于置于紫外光源下时，左边这只小猪会发出绿色荧光，成为猪群中最耀眼的星！这节课就围绕“猪为什么会发光来进行探讨”。

【师】会发光是生物的一种性状，我们得深入找找原因。左边这只小猪体内导入了从荧

光水母体内提取出的绿色荧光蛋白基因，那我们是否可进行一番推测：导入一个基因就表现出了相应的性状，想想基因与性状是什么关系？

【生】基因控制性状。

【师】荧光小猪之所以表现出这种性状的根本原因在于导入了绿色荧光蛋白基因，直接原因是其体内表达出了绿色荧光蛋白，那能否用一句话描述基因、蛋白质和性状的关系？

【生】基因通过指导蛋白质的合成来控制性状。

【过渡】那我们就把“猪为什么会发光”的问题转变成“基因如何指导蛋白质的合成”这一问题。

【新授课】

【探究一：为什么RNA适合作DNA的信使？】

【师】我们要探讨“基因如何指导蛋白质的合成”，首先要明确基因在哪里。一切生物学的问题都得到细胞中去找答案。我画一个细胞放这儿，基因分布于细胞的什么位置或者结构中？

【生】主要位于细胞核。

【生】那老师再画一个细胞核。细胞核最外层有双层核膜包裹且膜上具有核孔，核孔具有控制生物大分子进出的功能。（教师板画）那么基因的本质是什么呢？

【生】基因是具有遗传效应的DNA片段。

【师】好，基因是细胞核中具有遗传效应的DNA片段。（板画+板书）那么蛋白质的合成场所是哪里呢？

【生】核糖体。

【师】核糖体在细胞核内还是细胞核外啊？

【生】细胞核外。

【师】那老师再画一个放大后的核糖体。（板画+板书）

【师】若将一个细胞核想象成司令部，把细胞质想象成战场，那么DNA 相当于什么角色？它为什么不能到细胞质中直接指挥蛋白质的合成？

【生】DNA相当于司令，由于DNA分子量大，无法穿过核孔所以不能到细胞质中直接指导蛋白质的合成。

【师】那这么一个司令如何才能把号令带给前线的战士呢？

【生】通过信使。

【师】那么这个信使是谁呢？

【生】RNA。

【师】既然大家都异口同声说是RNA，那第一个问题：为什么RNA适合作为信使？请同学们进行思考。

【生】RNA 一般是单链，而且比DNA短，因此能够穿过核孔进入细胞质。

【师】这位同学的表述简洁精炼且思考角度非常准确，我们在学习一种物质的功能的时候一定要从它的结构入手。其他同学还有没有想法？

【生】能够作为信使就表明其必须要有暂时储存遗传信息的功能，DNA 的遗传信息储存在脱氧核苷酸的排列顺序中，RNA中有核糖核苷酸的排列顺序，所以能够储存遗传信息。

【师】这两位同学的回答很到位。同学们都是从结构入手来推测其功能的，第一位同学由RNA结构短小所以推测其能穿过核孔进入细胞质；第二位同学根据RNA也是由四种核糖核苷酸组成且有一定排列顺序所以认为RNA能够储存遗传信息。以上两

点确实为RNA适合作为信使的原因，老师再给大家补充一点：在RNA和DNA的关系中，也遵循碱基互补配对原则，这样有利于遗传信息的准确传递。

【师】RNA 有三种，根据同学们刚刚对信使的结构的分析，看看哪一种RNA适合作为信使啊？

【生】mRNA！

【师】那我们再回到黑板这幅图上来。依据大家的思路：位于细胞核中的DNA将它所携带的遗传信息传递给了信使——mRNA。（教师板画+板书）继而mRNA携带着遗传信息穿过核孔到达细胞质并指导蛋白质的合成。我们这节课要重点分析的就是DNA是如何把遗传信息传递给mRNA ，mRNA又是怎样指导蛋白质的合成的。这两个问号就是这节课要共同探究的两个重点问题。（教师板书）

【探究二：DNA是如何把遗传信息传递给mRNA的？】

【师】第一个问号：DNA是如何把遗传信息传递给mRNA的？这个过程具体是怎么进行的，一起来看看这张图片。请同学们先辨认图中各个物质分别是什么并说出判断依据。

【生】图中双链为DNA，依据有两点：1.DNA为双螺旋结构。2.这条双链上有A、T、C、G四种碱基。图中正在合成的是RNA，依据是该链上有尿嘧啶。图中催化核糖核苷酸连接的是RNA聚合酶，依据是催化脱氧核糖核苷酸的连接的是DNA聚合酶。

【师】这位同学基于证据为我们明确了图中各物质的身份，接下来请大家参照图片，酝酿、组织语言来说说转录过程分为哪几部，每个步骤发生了什么。（PPT呈现转录过程图）

【生】第一步，DNA双链解开DNA双链的碱基得以暴露。第二步，游离的核糖核苷酸随机的与DNA链上的碱基碰撞，通过碱基互补配对原则进行结合。第三步，新结合的核糖核苷酸在RNA聚合酶的催化下，连接到正在合成的mRNA分子上。第四步，合成的mRNA从DNA链上释放，而后DNA双链恢复。

【师】我们把这位同学刚刚说的一大段话中的四个步骤提炼一下，用四个词来代替，就是转录过程的四“步”曲：第一节解旋，第二配对，第三连接，第四脱离。经过这样的四“步”曲，DNA上的信息就传递给了mRNA，这个过程称为转录。实际上就相当于是将DNA上遗传信息录制给了mRNA。（教师擦去问号，板书：转录）

【师】那么在这个过程当中，怎样才能保证将DNA上的遗传信息准确的、不出错地传递给mRNA？

【生】碱基互补配对原则。

【师】那么既然遵循碱基互补配对原则的话，我就要提出问题了，DNA分子中的4种碱基是哪四种啊？

【生】A、T、C、G。

【师】RNA中的呢？

【生】A、U、C、G。

【师】那么假设DNA中某个碱基是腺嘌呤，RNA上哪一个碱基与其配对？

【生】尿嘧啶！

【师】就是这么一个大原则——碱基互补配对原则为DNA所携带的遗传信息传递给RNA提供了保障。

【师】我们用四“步”曲概括了转录过程，现在我们通过一段动态的视频对其进行小结。请同学们带着这些问题来观看视频。（先呈现问题，后播放“转录”视频）

【表格小结】

转录小结

场所

主要在细胞核

模板

DNA分子的一条链

原料

核糖核苷酸

条件

模板、原料、酶、能量

原则

碱基互补配对原则

产物

RNA

【师】以上是转录的过程，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，我们来练习一下转录的过程。

【学生活动一：练习转录】

【师】老师给出一个DNA分子片段，请大家试着以下面这条链为模板转录生成的mRNA的碱基序列写出来。请一位同学到黑板上来写。我们重点关注碱基排列顺序。写完的同桌之间看看写得是否一样，如果不一样是哪儿出了问题。

【过渡】那么，完成了第一个环节，DNA上的遗传信息传递给了mRNA，刚才我们说了,mRNA能够穿过核孔到达细胞质来指导蛋白质的合成。但是又遇到了新的问题，即使mRNA能出来，但是它所携带的遗传信息仍然是储存在碱基对的排列顺序中，而蛋白质的基本单位是氨基酸，如何把mRNA中的碱基对排列顺序转变为氨基酸的排列顺序呢？

【探究三：碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的？】

【师】通常我们把两种语言之间的转换叫做翻译，那么我们也把这个过程叫做翻译，现在我们来看看翻译过程是如何进行的。（教师擦去第二个问号，并板书）

板书：

细胞核：DNA

细胞质：mRNA

核糖体：蛋白质

【学生活动二：翻译摩尔斯电码】

【师】既然是翻译，首先请大家来看一下左边这张表，这个是摩尔斯电码的密码表。摩尔斯电码很简单，“·”表示“嘀”，“-”表示“嗒”，拍电报时听到的就是“嘀嗒嗒/嘀嘀嘀嘀...”现在我们需要要把这一串符号翻译成一句话，每组同学翻译一串，最后把翻译结果连接起来，看看这句话的意思是什么？

【生】翻译出来是：Where are genes located ？

【师】翻译成中文就是：基因在哪里？为什么同学们能够把这一串“嘀嗒嗒”翻译成一句话呢？我们是借助了什么工具啊？

【生】借助了摩尔斯密码表！

【过渡】摩尔斯密码表解释了“嘀嗒嗒”与字母之间的关系，那这就给了我们启发，如果我们能够在mRNA的碱基与氨基酸之间也建立这么一个密码表，理论上也就能将碱基语言翻译成氨基酸语言。建立一个这样的密码表就是我们现在的工作，首先我们得知道碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的。

【师】组成蛋白质的氨基酸有20种，mRNA上的碱基有四种，那么问题来了:4种碱基如何对应20种氨基酸？

【逻辑推理】 1个碱基决定1个氨基酸，有41=4 种对应方式；

2个碱基决定1个氨基酸，有42=16 种对应方式；

33个碱基决定1个氨基酸，有4=64 种对应方式；

【师】至少需要多少个碱基决定一个氨基酸，对应方式才够决定20种氨基酸？

【生】至少需要3个！

【师】我们刚刚的推理只是科学家破译密码过程中的一个小环节。先给密码子一个概念：mRNA上决定氨基酸的三个相邻的碱基是一个密码子。进过科学家们历经八年左右的探索，终于将决定氨基酸种类的密码子全部破译出来了！接下来我们就站在巨人的肩膀上来看看这个密码子表是如何使用的。请同学们先自己摸索摸索使用方法。

【师】看看同学们自学得怎么样，老师说出一个密码子，你们来查表看看决定哪一个氨基酸。AUG？对应甲硫氨酸，甲硫氨酸刚好是起始氨基酸，翻译是从AUG这么个起始密码子开始的。在这张表当中，所有密码子都能决定氨基酸种类吗？是否存在不决定氨基酸种类的密码子？

【生】UAA、UGA、UAG这三个密码子不决定氨基酸种类。

【师】同学们找得快速且准确。这三个密码子为终止密码子，与起始密码子作用恰恰相反，翻译过程至此就停止了。

【过渡】有了密码子表，理论上就可以将碱基语言翻译成氨基酸语言了。如果在细胞中这个过程能够进行的话，就应该是mRNA穿过核孔到达细胞质与核糖体结合，然后细胞中的氨基酸过来在核糖体上脱水缩合形成一条肽链。但是出现了一个新的

问题，氨基酸能够自己跑到核糖体上来吗？那么是谁来完成搬运氨基酸的工作的？

【学生活动三：模拟招聘】

【师】那么我们来找能满足运送氨基酸条件的物质是什么？假设我们班级是一个生产蛋白质的工厂，现在有了密码子表，天时地利只欠人和了！缺工人！缺把氨基酸搬到核糖体上的工人，在座的各位现在是人力资源部的经理，当你进行招聘时需要应聘者满足什么样的条件？各位经理们交流下想法，提醒经理们在制定招聘条件师要与生产蛋白质的过程相联系。

【生】应聘者需要高效、能够读懂密码子表······

【师】同学们说这种工人需要能读懂密码子表，因为他需要将特定的氨基酸搬运到特定的位置，也就是说，这个搬运工需要是高学历人才，得精通两种语言。既要能识别mRNA上的密码子，又要能找到特定的氨基酸。除此之外还需要满足其他条件吗？

【生】工人还应当能够胜任这项工作，就是能够搬运氨基酸，即有与氨基酸结合的位点。

【生】还需要能够重复劳动。不能只搬运一次就不搬了！

【生】还需要服从安排，有大局意识。20种氨基酸大小不同，轻重也不同，如果工人都拈轻怕重，细胞的生命活动就会紊乱。

【师】同学们思虑非常周全，大家也是能够胜任人力资源部经理一职的！那么什么样的分子能够满足这些条件呢？

【生】tRNA! 【师】请同学们从结构决定功能的角度说说你们的理由。

【生】原本是单链的RNA通过氢键的连接，折叠成三叶草结构，它的一端有三个裸露的碱基，形成反密码子，能够通过碱基互补配对原则来识别mRNA上的密码子，同时它的另一端有与氨基酸结合的位点。所以tRNA满足搬运氨基酸的条件。

【师】这位同学思路清晰、语言简洁地表达出了他的想法，灵活地运用了结构功能观来分析问题。现在我们来共同模拟出这条生产线的流水线，接下来的翻译过程就以同学们刚刚翻译出的mRNA作为模板。作为搬运工的我们先来进行“入职前培训”，通过视频来看看这条流水线是如何运作的。（教师播放“翻译”视频）

【师】老师给出一个核糖体模型，mRNA上前三个碱基是AUG，对应的是甲硫氨酸，那么每一个tRNA就要开始工作了！同学们认真看，若某个搬运工出错请及时提醒他们。（学生模拟翻译过程）

【师】核糖体与mRNA的结合部位会形成两个tRNA的结合位点，反密码子为UAC的tRNA携带甲硫氨酸，通过与密码子互不配对进入位点1，携带组氨酸的tRNA以同样的方式进入位点2，接着甲硫氨酸通过与组氨酸脱水缩合形成肽键而转移到占据位点2的tRNA上，然后核糖体沿着mRNA移动读取下一个密码子，原占据位点1的tRNA离开核糖体又去转运下一个甲硫氨酸，占据位点2的tRNA继续肽链的合成。核糖体沿mRNA链不断进行，直到读取到mRNA上的终止密码子，合成至此为止。生成的多肽链运送到相应细胞器进行加工，形成具有空间结构、能够承担生命活动的蛋白质。（教师通过语言给予一定提示）

【小结】

翻译小结

场所

细胞质中的核糖体

模板

mRNA 原料

氨基酸

条件

模板、原料、酶、能量

原则

碱基互补配对原则

产物

多肽链（蛋白质）

【总结】至此为止，本节课的两个问号的答案我们都已经找到了。从荧光小猪个体所表现出的性状我们推测出了基因、蛋白质与形状之间的关系，继而到细胞中去找答案，在分子水平上发现了由于转录与翻译过程的存在使得基因能够通过指导蛋白质的合成来控制生物的性状。

六．板书设计