42基因对性状的控制

74§4.2基因对性状的控制教学目的：1.掌握基因、密码子概念和中心法则及其补充2.了解蛋白质合成的过程3.了解基因与染色体、基因与性状的关系，了解基因与DNA、与遗传信息的关系。教学重点：基因和密码子的概念及中心法则和补充教学难点：转录和翻译过程[第一课时]这一课题的重点与难点都是基因如何控制蛋白质的合成内容。要处理好重、难点，事先把有关的知识、概念介绍清楚——做好铺垫。还要逐步深入，采用边介绍、边总结的教学方法使学生真正了解基础知识。引入：21世纪的一项举世瞩目的成就，中国作为唯一的一个发展中国家参与的伟大工程是什么？人类基因组计划：中国完成了1.1%。那么到底什么是基因？有什么作用？接下来我们将要学习到这些知识。引出标题：§1.3基因对性状的控制这里还需要了解一个名词：生物的性状提问：世界主要人种有哪些？白、黄、棕、黑四种，皮肤的颜色就是一个性状所谓生物的性状也就是指生物的形态、结构等方面的特征。人的性状有很多，如单双眼皮、肤色、眼色、头发颜色、是否卷曲等等。不同人种皮肤的颜色这一性状有不同的表现，经研究发现原因是他们体内黑色素合成酶的多少决定了皮肤内黑色素的量，白人最少，黑人最多。就其遗传本质而言，应该是他们的什么不同？DNA不同，具有特异性。遗传决定性状的出现。(投影)黑白肤色←—黑色素合成酶合成黑色素的多少←—DNA上的遗传物质(性状表现)(直接原因)(根本原因)反过来分析，正是因为：DNA(基因)的多样性→蛋白质的多样性→生物性状(种类)的多样性人的性状有好几万个，但是人的一个细胞内DNA数仅46个，试想可以如何解决这一问题？一个DNA决定多个性状，DNA上的一段可以构成一个基因。基因可以控制性状。通过前面的分析，我们来总结一下基因的概念：一、什么叫基因从基因与DNA的关系来说：⒈基因是有遗传效应的DNA片段。(结构)板画说明：基因与DNA的关系，说明有遗传效应与无遗传效应的片段从基因与染色体的关系来说：⒉基因在染色体上呈线性排列。(位置)75基因是DNA的片段，每一个DNA分子上有许多基因，而DNA是在染色体上，因此，每一染色体上有许多基因，如平均人的一条染色体上有几百到1000个左右基因。从基因与性状的关系来分析：⒊基因是控制生物性状的单位。(功能)从基因与遗传信息的关系来分析：(可再举糖尿病的病例)遗传信息──基因的脱氧核苷酸的排列顺序就代表遗传信息(学生划书)⒋基因含有遗传信息。(有此功能的原因)分析：基因与蛋白质的关系：基因控制性状是通过控制蛋白质合成来实现的。二、基因控制蛋白质的合成［教材处理］DNA的两个功能，课堂先只简述，引出RNA，具体内容到［中心法则及其补充］再总结。DNA主要存在于细胞的哪一个大的结构中？(细胞核中)蛋白质的合成在细胞的什么位置？(细胞质的核糖体上)那么，位于细胞核内的DNA如何来指导细胞质中的蛋白质的合成呢？可以想象其中有一种中介物质。投影：变形虫换核实验：实验分析：①标记信号在细胞核中出现，说明了什么问题？RNA在细胞核中合成。②换核后，细胞质中出现标记信号，说明了什么问题？RNA从细胞核中来到了细胞质中。证明：RNA可以从细胞核内合成并向核外移动。这就说明这一中介物质就是RNA。［学生阅读］P147DNA与RNA结构简表。提问小结：提问：核酸中的哪三类物质组成基基本单位？76板画：核苷酸图解，提问DNA与RNA的五碳糖及碱基的区别，进一步分析形成核苷酸的名称及种类。巧记：U，尿嘧啶(这个容器用来装尿的)投影：mRNA与tRNA的样图(可让学生从蛋白质合成图解中找到相关的RNA)磷酸基本单位：核糖核苷酸含氮碱基：A、U、C、G核糖空间结构：常为单链信使RNA——mRNA(投影展示样图)⒈RNA主要种类转运RNA——tRNA常盘曲成特定的三叶草形状A—U配对双链区说明RNA中的碱基也是可以互补配对的C—G说明：RNA常为单链，某些部分仍然可以碱基互补配对，此外，也有单链DNA的存在。课堂练习1：下表为①②③三种核酸中的碱基数目百分比，试判断分别为哪三类核酸？ATCGU①212129290②232527250③230342221强调：注意区别以下名词：核苷酸核糖核苷酸→核糖核酸(RNA)核酸脱氧(核糖)核苷酸→脱氧核糖核酸(DNA)课堂练习2：①生物的遗传物质是()②遗传物质的基本单位是()③DNA的基本单位是（）种，它们都是（）④RNA的基本单位有（）种，它们都是（）⑤核酸的基本单位有（）种。⑥噬菌体内有核苷酸（4）种，烟草花叶病毒内共有核苷酸(4)种，烟草细胞内共有核苷酸(8)种。［第二课时］复习：基因的定义，RNA的结构与种类⒉基因控制蛋白质的合成过程：投影：课本P148图51：蛋白质合成示意图。一边讲解，一边引导学生列表板书。说明：以基因的一条链为模板进行转录，产物叫mRNA。mRNA通过核孔来到细胞质的77核糖体上指导蛋白质的合成，将氨基酸连接成具有特定序列的蛋白质，这叫做翻译。(板书：转录和翻译)现在我们来分析这一过程的场所、模板、条件、原料及产物。说明①：如何转录？以DNA的一条链为模板，按碱基互补配对原则，合成RNA的过程。板画DNA双链：按投影的DNA书写DNA双链提问：mRNA合成：转录时碱基如何配对？A─U，G─C，T─A，C─G由学生说出合成的mRNA的碱基顺序。小结填表：转录的场所、模板、条件、原料及产物说明②：mRNA合成后，会从细胞核内出来进入细胞质，并同核糖体结合，由它直接控制蛋白质的结构，那mRNA如何控制蛋白质的结构呢？这涉及到密码子的问题。说明③：密码子：mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基，叫做密码子投影解释：P151页的密码子表。说明：若mRNA上三个碱基为ACA，则它决定的氨基酸就是苏氨酸课堂练习：判断：①一般来说，一个密码子对应一个氨基酸(对)②一般来说，一个氨基酸对应一个密码子(错)③每个密码子均对应一种氨基酸(错)：几个终止密码(UAA、UGA、UAG)④遗传信息位于mRNA上(错)⑤遗传密码位于mRNA上(对)分析mRNA上三个碱基是AUG，则它决定的氨基酸应该是甲硫氨酸(板书)那么密码子如何决定一个氨基酸呢，这需要一种运输工具即tRNA。说明④：tRNA一端上有相邻的三个碱基刚好能与mRNA的密码子碱基互补配对，叫“反密码子”，另一端则能运输特殊的某种氨基酸。这样通过密码子与反密码子的结合，便可以按照密码子序列合成有特定氨基酸序列的蛋白质了。由学生回答完成板书“反密码子序列，再回答氨基酸序列”小结：翻译的场所、模板、条件、原料及产物。实例：DNA…ATGGCTTCTTTC……TACCGAAGAAAG…mRNA…AUGGCUUCUUUC…UACCGAAGAAAGtRNA甲硫丙丝苯丙多肽氨酸氨酸氨酸氨酸补充说明：首先，上面描述的是一个静态的变化，实际上，mRNA在核糖体上指导蛋白质的合步骤场所模板条件原料产物转录细胞核基因的一条链RNA聚合酶等核糖核苷酸mRNA翻译核糖体mRNA酶、tRNA等氨基酸多肽→蛋白质翻译转录78成过程是动态的。tRNA作为运输工具，运送完一个氨基酸后可以继续去搬运另一个，核糖体也可以在mRNA上移动，合成的多肽链还要经过进一步的加工，弯曲、盘旋成具有一定空间结构的特性，才形成真正的蛋白质，合成蛋白质后，mRNA最终也将分解掉。动态合成演示：flash动画《蛋白质的合成》如果时间允许先做［课后练习］，以便及时巩固。不够时间，则先讲完新课。（不够）3.中心法则及其补充：DNA有两个功能，一是传递遗传信息，通过复制由上一代传给下一代，二是表达遗传信息：通过转录出RNA，再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译过程，以及遗传信息从DNA传给DNA的复制过程，叫做中心法则。基因碱基数：mRNA碱基数：氨基酸数631最初人们认为遗传信息的传递只能从DNA传给RNA，后来发现某些特殊的病毒具备逆转录酶，它们能反过来从RNA合成DNA，如艾兹病病毒，还发现一些病毒只有RNA，如烟草花叶病毒，其遗传物质RNA可以自我复制，这些是遗传信息的传递法则即中心法则的一个补充。课堂练习1：已知胰岛素含有52个氨基酸，则胰岛素基因至少含有多少个碱基？52×6=312课堂练习2：判断下列名词分别位于哪一种物质上：①基因（DNA）②遗传信息（DNA）③密码子（mRNA）④反密码子（tRNA）⑤遗传密码（mRNA）课堂练习3：在所学过的知识中，可以体现出“碱基互补配对原则”的地方有哪五个？①DNA的结构；②DNA的复制；③DNA的转录；④遗传密码的翻译；⑤逆转录。小结：1.基因控制蛋白质合成的过程2.中心法则及其补充79有时间的话：补充实例说明一下：胰岛素基因——→胰岛素RNA——→胰岛素(Pr.)——→正常血糖(无糖尿病)练习：归纳出五个方面可以体现出“碱基互补配对原则”的地方。①DNA的结构；②DNA的复制；③DNA的转录；④遗传密码的翻译；⑤逆转录时。课后练习。本课结束时，扩展思考题：遗传密码在生物界是通用的，这一现象说明了什么？如果时间允许，教师可把答案：“遗传密码在生物界的通用性表明了生物起源的同一性”小资料一、证明RNA与蛋白质关系的两个实验：1955年有人曾用洋葱很尖和变形虫进行实验，如果加入RNA酶分解细胞中的RNA，蛋白质合成就停止，而如果再加进了从酵母中提取出来的RNA，则又可重新合成一定数量的蛋白质。实验结果表明蛋白质合成显然跟RNA有关。1955年拉斯特（LasterGold）等人用变形虫的换核实验，证明RNA是在细胞核中合成的，然后再从细胞核中转移到细胞质中。实验过程如下：A组变形虫用同位素标记的尿嘧啶核苷培养液来培养，发现标记的RNA分子首先在细胞核中合成；B组变形虫培养在本标记的尿嘧啶核苷培养液中，变形虫的细胞核和细胞质中均未发现有标记的RNA。在适当的时候，用这两组变形虫进行核移植实验。将A组变形虫的细胞核移植到B组变形虫的细胞质中，将B组变形虫的细胞核移植到A组变形虫的细胞质中，分别进行培养观察。发现大部分标记的RNA相继从细胞核中移入细胞质中。这样看来，把DNA中遗传信息从细胞核中转移到细胞质中控制蛋白质合成的物质，很可能就是RNA。二、证明RNA是根据DNA的一条链转录的实验：Marmur和Duty利用DNA－RNA杂合技术、采用侵染枯草杆菌的噬菌体SP8为材料进行实验。噬菌体SP8的DNA分子由两条碱基组成很不平均的链构成，其中一条链富含嘌呤，另一条互补链则富含嘧啶。因为嘌呤比嘧啶重，因此富含嘌呤的“重”链与富含嘧啶的“轻”链在加热变性后可用密度梯度离心分开。实验者在SP8侵染后，从枯草杆菌中分离出RNA，分别与DNA的重链和轻链混合并缓慢冷却。他们发现SP8侵染后形成的RNA只跟重链形成DNA—RNA的杂合分子。显然，RNA是杆菌DNA中的一条链转录产生的。三、对遗传密码的破译工作：1944年奥地利物理学家薛定谔就在他的《生命是什么》一书中，最早提出了遗传密码的设想。他猜想染色体中的有机分子单体严格、精确地排列，构成了遗传密码。遗传密码决定了生物的遗传性状。这个大胆的猜想，吸引了一批优秀的科学家投身到生命科学的研究中，去破译遗传密码。1953年美国物理学家伽莫夫了解到了沃森和克里克提出的DNA双螺旋模型后，设想DNA的四种碱基可能就是薛定谔所说的遗传密码。他还通过排列组合计算，推断出一个遗传密码子可能是由三个碱基组成的——三联体密码，一种氨基酸可以用几种碱基密80码来表达。伽莫夫的三联体密码设想很好地解决了四种碱基与二十种氨基酸的对应关系，但遗传密码在DNA上，DNA在细胞核中，密码是怎样到细胞核外指挥蛋白质的合成的呢？哪一种密码子代表哪一个氨基酸呢？1959年克里克在许多科学家工作的基础上提出了；遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的设想。遗传密码就不再是DNA中的碱基序列，而是mRNA中的碱基序列了。1961年美国的生物化学家尼伦伯格首先用化学方法合成出尿嘧啶（U）多聚体。然后把尿嘧啶（U）多聚体放入一个含有核糖体和多种氨基酸的系统中，结果得到了完全由苯丙氨酸组成的蛋白质。从