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1、第2节2019 最新沪科版生命科学高二上6-2 DNA 复制和蛋白质合成教案1一、教学目标（一）知识方面：1通过 DNA 复制、转录和翻译过程的教学,培养学生对碱基互补配对原则的应用能力；2培养学生应用密码子表推导基因的脱氧核苷酸序列和蛋白质的氨基酸序列的相互关系。（二）态度观念方面：通过 DNA 分子复制实验的分析,使学生体验科学研究的研究方法,进行科学态度和科学方法的教育。（三）能力方面：通过对有关遗传学实验的介绍和分析,培养学生分析问题的思维能力。二、教学重点1 DNA的 半 保 留 复 制 与 遗 传 的 稳 定 性 （ 边 解 旋 边 复 制 , 母 链 和 子 链 ） （ 阅 读
2、）2转录的场所、模板和产物（细胞核内、 DNA 的一条链、 mRNA ）3 翻 译 的 场 所 、 模 板 和 产 物（ 核 糖 体 上 、 mRNA 、 蛋 白 质 ）4密码子的破译5中心法则体现遗传信息的传递规律6基因突变引起遗传信息的错误传递和性状改（碱基改变、插入或缺,基因突变的有利和有害）三、教学难点DNA 复制、转录和翻译四、教学安排3 课时五、教学方法读读、讲讲、议议1 / 6六、教学过程1DNA 的复制教学过程教学内容及行为引入DNA 分子作为遗传物质,不仅能够储存大量的遗传信息,而且应该能够传递遗传信息 ,这种遗传信息的传递首先要进行的是DNA 的复制 , DNA 分子是如何
3、进行复制的呢？这一问题,是通过科学实验完成的。1956 年美国生物化学家康贝格首次在试管中人工合成了DNA 。他将从大肠杆菌中提取出的DNA 聚合酶加入到具有四种丰富的脱氧核苷酸、适量的Mg+ 、少量 DNA和 ATP 的合成体系中 ,经保温孵育后 ,测定其中 DNA 的含量。发现其中DNA的含量增加了 ,并且这些 DNA 的（ A+T ） :（ C+G ）的比值不是随意的,而与所加入的单链 DNA 相同。换句话说 ,新合成的 DNA 的特异性不决定于人工合成体系中四种脱氧核苷酸原来的比例,也不决定于 DNA 聚合酶来自哪种生物 ,而完全决定于作为引物的DNA分子。所以 , 后代 DNA分子是
4、以引物的DNA 分子为模板进行复制的。这一实验证明了DNA 双螺旋结构模型的正确性 ,也揭示了 DNA 复制的过程。DNA 的复制那么 ,DNA 复制到底是怎样的一个过程呢？我们一起来研究一下。过程DNA 分子的自我复制是一个边解旋边复制的过程,是指以某一段DNA分子为模板 ,合成相同 DNA 分子的过程。DNA 场所主要在细胞核（叶绿体和线粒体内也各含有自己的DNA ） ,时间是在细胞的分裂间期。大家想想 ,在细胞核内的双链DNA 分子在开始复制的时候可能是什么状态？是单链还是双链？学生：可能是单链。从螺旋型的双链结构转变为单链结构,必须先怎样变化？学生：解开螺旋。这就是 DNA 复制的第一
5、个过程。DNA 的复制过程为三个步骤：1 解旋：组成DNA分子的两条多核苷酸链在酶的作用下逐步相互分开；其中 ,分离后的两条多核苷酸链都称为母链。2子链的合成：在酶的作用下,每条母链上的碱基分别与细胞内游离的脱2 / 6氧核苷酸按碱基互补原则互补配对,即 A 与 T 配对 ,G 与 C 配对。这些游离的脱氧核苷酸聚合成子链。3聚合：每条子链与对应的母链结合,构成一个新的DNA 分子。这样 ,一个 DNA 分子就形成了两个完全相同的DNA 分子。思考：在DNA 的复制过程中需要哪些条件？学生：DNA 复制需要 4 项基本条件：模板。开始解旋的DNA 分子的两条单学生巩 固、链各为模板；原料。是游
6、离在细胞核核液内的脱氧核苷酸；能量。小结DNA 复制是一个合成反应 ,通过水解 ATP 而获得能量；酶。复制过程中不仅需要解旋酶、聚合酶 ,而且是一个有关的酶系统参与。下面 ,请同学完成一段DNA 分子的复制过程图,概括一下DNA 复制的特点。学生：在新复制出的两个DNA分子中 , 有一条单链是旧的, 即原来的DNA 的, 另一条单链是新合成的, 即每一个新合成的DNA 分子是由一条旧链和一条新链构成的。我们把 DNA 的这种复制方式就称为半保留复制, 也就是新的DNA 分子中都保留有一条原来分子中的母链。大家想想DNA 的这种半保留复制在生物学上有什么意义？学生：DNA分子能够进行自我复制,
7、这是生物遗传特性能保持相对稳定的基础。用DNA的3 / 6同位素示踪实验进一步巩固DNA 的复制在正常情况下是不会发生差错的。因为复制时以DNA 分子解旋后的一条单链作为模板（母链）精确复制的,子链是严格按照碱基互补配对原则形成的。但在复制解旋时暴露的含氮碱基会因某种因素发生变化而干扰了 DNA 的正常复制 ,使遗传信息发生改变。在研究 DNA复制机制的过程中,除了康贝格的实验,在 1958 年梅塞尔森和斯塔尔设计了DNA复制的同位素示踪实验。先将大肠杆菌培养在含15N同位素的培养基上生长。使大肠杆菌DNA 分子中的N 都成为 15N 。把含15N 的大肠杆菌收集起来,洗去菌体外面的15N,
8、并把它们转移到14N 的培养基上生长 ,繁殖四次。从实验组的五代大肠杆菌中分别提取DNA, 在每分钟四万至五万转的速度下进行密度梯度离心二至三天后,不同重量的 DNA分布在离心管中的位置不同（因为14N 比15N 少一个质子 ,所以14N 比15N 的原子量轻）。结果发现实验组的DNA 分子在离心管中分布的情况如下：大肠杆菌在离心管中的位置DNA 分子亲代下层含15N, 第一代中层含15N14N 各一半。151414N。第二代 1 中层 1 上层 ,中层为 NN、上层为思考：第三代和第四代在离心管中的分布情况？第三代 1 中层 3 上层 ,中层为15N 14N 、上层为 14N, 第四代1 中
9、层 7 上层 ,中层为 15N14N 、上层为14N 。问：在正常条件下经过n 次复制 ,则含有 15N 的 DNA 分子数有？学生： 2 个。讨论“阅读与思考”中的思考题。本课小结DNA 半保留复制的过程、特点及其意义。2DNA 的转录3蛋白质合成（翻译）教学过程教学内容及行为引入在上节课中我们研究了DNA 是通过何种复制方式来保证遗传信息的准确传递？学生：半保留复制。4 / 6RNA转 录 和 翻译那么遗传信息是怎样表达的呢？也就是说DNA 如何指导蛋白质的合成,从而控制新陈代谢过程和性状呢？我们知道蛋白质合成的场所核糖体在细胞质中 ,而控制其合成的基因在细胞核中。在两者之间需要有一个使者
10、,这个使者就是 RNA 。 DNA 分子中所蕴藏的遗传信息如何正确地传递到RNA 分子中呢？首先我们来回忆上学期有关RNA 的知识。想想它由什么组成？与DNA有什么区别？学生： RNA 通常呈单链结构 ,分子中有核糖、磷酸和4 种含氮碱基（ A 、G、 C、 U（尿嘧啶） ,共同组成核苷酸。（Powerpoint 展示）与蛋白质合成有关的RNA 有三类 ,mRNA （信使RNA ） ,顾名思义 ,这种RNA 起的是信使传递信息的作用。tRNA （转移RNA ） ,rRNA （核糖体RNA ）。我们前面学到过基因控制蛋白质的合成,而生物体的性状通过蛋白质体现的。 DNA 在细胞核中 ,蛋白质在细
11、胞质的核糖体中合成,那么 RNA 如何在两者间起到信使的作用呢？下面我们就来学习基因控制蛋白质合成的过程。可分为两个步骤。第一步是基因的遗传信息DNA传递给RNA, 此步可称为“转录”；第二步是转录出的RNA 在核糖体通过指导蛋白质合成来表达信息,此步可称为“翻译”。我们先来学习转录过程。（播放动画）转录是在细胞核中进行的,在酶的作用下 ,DNA的双链解旋 ,并以其中的一条链为模板 ,按照碱基配对原则,游离的核苷酸与DNA模板上的脱氧核苷酸互补配对 ,形成 RNA 链。请同学们想一想,这与 DNA 的复制有哪些差别？学生： RNA 聚合酶 ,U 代替 T 与 A 配对。通过转录 ,DNA 上的
12、遗传信息便正确地传递到RNA 分子中。所以我们把以 DNA 为模板合成 RNA 的过程称为转录。在这个过程中合成的RNA 为信使RNA （ mRNA ）。然后 ,mRNA从核孔穿出进入细胞质,与核糖体结合 ,开始进行蛋白质的合成 ,这个过程称为翻译,也就是以 mRNA为模板 ,合成具有一定氨基酸序列的蛋白质的过程。那么,RNA 上的核苷酸与蛋白质存在怎样的关系呢？学生先阅读： mRNA分子内的碱基序列被称为“遗传密码”,其中 ,每三个相邻的碱基是一个“密码子”,对应一个氨基酸。其中还有起始密码和终止密码。在翻译时 ,mRNA 与核糖体结合 ,合成所需的氨基酸由转运RNA （tRNA ）送进核糖
13、体中。合成蛋白质的20 种氨基酸分别由不同的tRNA 运送。 tRNA 担负的是运输的任务 ,其结构呈三叶草型,在一个环上具有3 个碱基 ,称为“反密码5 / 6子” ,与 mRNA 的密码子相配对,tRNA 的另一端可携带一个相应的氨基酸分子,是由mRNA 上的对应的密码子所决定（看P17 图 5-13）。（播放动画加深理解）合成蛋白质时,按照 mRNA 上的碱基序列 ,各个 tRNA 依次带着特定的氨基酸进入核糖体,根据碱基互补原则,把运载来的氨基酸安放在相应的位置上。随着核糖体在mRNA 上的移动 ,一个 tRNA 刚离开核糖体,另一个 tRNA 又携带着氨基酸进入 ,当读到mRNA 上
14、的终止密码子时,翻译过程结束。这样,以 mRNA为模板 ,把氨基酸一个个连接起来,合成为具有一定氨基酸序列的蛋白质。（边播放动画 ,边讲解此过程）小结合成蛋白质的过程,注意关键之处。4中心法则及其发展教学过程教学内容与行为基因所蕴含的遗传信息通过复制从亲代传递给后代,并以一定方式（转录、翻译）反映到蛋白质分子的结构上,就能使生物后代表现出与亲代相似的性状。也就是说基因是通过控制蛋白质的合成,实现对性状的控制的。这就是生物学中所说的中心法则。中心法则是指遗传信息从DNA 传递给 RNA, 在从 RNA 传递给蛋白质的转录和翻译的过程,以及遗传信息从DNA 传递给DNA 的复制过程。这是所有有细胞结构的生物在遗传信息传递时所遵循的法则。某些病毒中的RNA自我复制（如烟草花叶病毒）和某些病毒中以RNA 为模板逆转录合成DNA的过程（某些致癌病毒、艾滋病毒、SARS 冠状病毒等）是对中心法则的发展。 RNA 的自我复制和逆转录过程,在病毒单独存在时是不能进行的,只有寄生到寄主细胞中后才发生。中心法则表达如下：6 / 6