1、教材解读 第 4 章基因的表达研究“基因是如何起作用的” ，即基因的表达问题。本章的核 心内容是从分子水平上阐明遗传物质在生物体内是如何起作用的，即遗传信息转录和翻译 的过程。教师在进行本章教学时，需要特别注意两个问题。一是在进行遗传信息转录和翻 译过程的教学时，要注意这一过程中每一步骤及其所涉及的知识的内在联系。建议用一条 主线将各方面内容贯穿起来，并充分培养学生阅读图文的能力，注意避免繁琐和冗长的讲 解。二是在本章中， “思考与讨论”栏目比较丰富，利用好这些栏目，能够充分调动起学生 学习的主动性，切实培养学生的能力，增加学生对教学内容理解的深度。其教学内容的结 构如下表： 前三章以遗传学发
2、展史为主线，逐步阐明了基因的本质。第 4 章基于对基因本质的认 识，进一步阐明基因在生物体内是如何起作用的，是前三章的进一步深入。本章内容可以 为后面三章的学习打基础。 单元目标 一、知识方面 1概述遗传信息的转录和翻译。 2举例说明基因与性状的关系。 3说出遗传密码的破译过程（选学） 。 二、情感态度与价值观方面 1体验基因表达过程的和谐美，基因表达原理的逻辑美、简约美。 2认同人类探索基因表达的奥秘的过程仍未终结。 三、能力方面 1运用已有的知识和经验提出假说。 2运用数学方法，分析碱基与氨基酸之间的对应关系。 3运用证据和逻辑分析实验现象，得出结论。 学法导航 第 4 章第 1 节基因指
3、导蛋白质的合成 ，课程标准中与此相对应的要求是：“概述遗 传信息的转录和翻译” 。通过本节的学习，学生需要理解遗传信息的转录和翻译。针对转录 和翻译的过程，教材可以采用两种呈现方式。一种是先讲清楚 tRNA、mRNA、核糖体和遗 传密码的相关知识，再在此基础上，集中讲述转录和翻译的步骤。另一种是在讲述转录和 翻译的过程中，插入讲解相关知识。两种方式各有利弊。第一种方法将相关知识进行集中 讲解，有灌输知识的倾向，但能够使转录和翻译过程的讲述相对集中连贯。第二种方法逐 步展开知识的学习，更符合认知规律，但转录、翻译这一主干过程不可避免地会生出一些 旁支。教材选用的是后一种方式，与原教材的思路基本一
4、致，不同之处主要体现在以下几 方面。 第三，注意从细胞水平与分子水平两个层面引导学生认识转录和翻译的过程。在本节开头， 教材首先从细胞水平引导学生思考位于细胞核中的 DNA 是如何指导细胞质中蛋白质合成 的，然后再将学生引导到分子水平的学习。在从分子水平认识蛋白质的合成后，教材又回 归到细胞水平，在结尾处写道：“肽链合成后，盘曲折叠成具有特定空间结构和功能 的蛋白质分子，开始承担细胞生命活动的各项职责。 ” 第四，转录和翻译过程的讲解图文并重。图解力求直观形象地体现每个步骤，并与文 字描述一一对应，便于学生的阅读和自学。 第 4 章第 2 节基因对性状的控制包括“中心法则的提出及其发展”和“基
5、因、蛋 白质与性状的关系”两部分内容。虽然课程标准没有对中心法则提出具体的学习要求，但 考虑到中心法则是生物学的核心规律，教材仍然选择了这部分内容。 “基因、蛋白质与性状 的关系”对应于课程标准的要求是：“举例说明基因与性状的关系” 。 “中心法则的提出及其发展”首先介绍了 1957 年，克里克提出的中心法则的内容， 然后安排了一则“资料分析” ，意图是让学生根据提供的实验证据，分析最初的中心法则的 不足，并做出适当的修改。这样的组织方式不仅能锻炼学生根据实验证据得出结论的能力， 而且能使学生认识到科学是一个逐步完善的过程，科学发展是永无止境的。 “基因、蛋白质与性状的关系”是对三者关系的总结
6、。在初中生物课以及本册书前三 章的学习中，阐述的都是基因控制性状；在分子与细胞模块中也阐述了蛋白质与性状 的关系；但是，教材中还没有将基因、蛋白质与性状这三者的关系综合起来整体考虑。因 此，教材在此处着重用实例说明三者的关系。第一个实例是关于豌豆一对相对性状形成原 因的分析，将它放在第一位，是因为它与第 1 章遥相呼应。在经典遗传学中，孟德尔预言 了遗传因子控制性状，当认识深入到分子水平时，孟德尔当年观察到的现象又该作何解释 呢？通过在不同时期，对同一个问题不同水平上的解释，学生可以切实感受到科学前进的 步伐。 第 4 章第 3 节遗传密码的破译是选学内容，也是原教材没有的。选择这部分内容 主
7、要是出于以下几方面的考虑。第一，遗传密码的破译这一事件本身在生物学史上占有重 要的地位。第二，这一事件具有很高的科学教育价值，体现了科学理论和科学实验在科学 研究中的重要作用，为学生学习探究方法提供了难得的范例。第三，符合课程标准的基本 精神。课程标准要求“总结人类对遗传物质的探索过程” ，遗传密码的破译正属于对遗传物 质的探索。 承接第 1 节介绍的理论推导，本节进一步探讨遗传密码的阅读方式，然后介绍克里克 的实验，体现了科学思维的严谨和科学讲求实证的特点。虽然克里克的实验本身相当复杂， 但教材通过英文句子的类比，让学生能够理解实验的设计思路与研究方法。 “遗传密码对应 规则的发现”反映了不
8、同的研究思路，即利用生物化学的手段，建立蛋白质体外合成系统。 学习蛋白质的合成后，了解蛋白质的体外合成系统相对容易。这是因为体外合成系统实质 是对体内反应的模仿。选择这两个实验，旨在让学生认识同一问题有不同的研究思路，新 思路和新方法能带来突破性的进展。从生物学史的发展看，尼伦伯格等的发现只是破解遗 传密码对应规则的第一步，此后科学家又做了不少改进。但教材编写科学史的目的是使学 生领悟科学研究方法，而不是要学生了解每一个技术细节，因此教材没有进一步介绍后续 实验。 课时分配 第 4 章包括 3 节：第 1 节基因指导蛋白质的合成 ；第 2 节基因对性状的控制 ； 第 3 节遗传密码的破译（选学
9、） 。本章参考学时可用 4 课时，其中第 1 节可用 2 课时， 第 2 节和第 3 节可分别用 1 课时。 备课资源 遗传密码又称密码子、遗传密码子、三联体密码。指信使 RNA（mRNA）分子上从 5 端到 3端方向，由起始密码子 AUG 开始，每三个核苷酸组成的三联体。它决定肽链上每 一个氨基酸和各氨基酸的合成顺序，以及蛋白质合成的起始、延伸和终止。遗传密码是一 组规则，将 DNA 或 RNA 序列以三个核苷酸为一组的密码子转译为蛋白质的氨基酸序列， 以用于蛋白质合成。几乎所有的生物都使用同样的遗传密码，称为标准遗传密码；即使是 非细胞结构的病毒，它们也是使用标准遗传密码。但是也有少数生物
10、使用一些稍微不同的 遗传密码。 1特点 连续性：mRNA 的读码方向从 5端到 3端方向，两个密码子之间无任何核苷酸隔开。 mRNA 链上碱基的插入、缺失和重叠，均造成框移突变。 简并性：指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子。密码子的第三位碱基改变往往 不影响氨基酸翻译。 摆动性：mRNA 上的密码子与转运 RNA（tRNA）上的反密码子配对辨认时，大多数 情况遵守碱基互补配对原则，但也可出现不严格配对，尤其是密码子的第三位碱基与反密 码子的第一位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。 通用性：蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。但已发现少数例外， 如动物细胞的
11、线粒体、植物细胞的叶绿体。 2破解历史 遗传密码的发现是 20 世纪 50 年代的一项奇妙想象和严密论证的伟大结晶。mRNA 由 四种含有不同碱基腺嘌呤（简称 A） 、尿嘧啶（简称 U） 、胞嘧啶（简称 C） 、鸟嘌呤（简称 G）的核苷酸组成。最初科学家猜想，一个碱基决定一种氨基酸，那就只能决定四种氨基 酸，显然不够决定生物体内的二十种氨基酸。那么二个碱基结合在一起决定一个氨基酸， 就可决定十六种氨基酸，显然还是不够。如果三个碱基组合在一起决定一个氨基酸，则有 六十四种组合方式，看来三个碱基的三联体就可以满足二十种氨基酸的表示了，而且还有 富余。猜想毕竟是猜想，还要严密论证才行。 自从发现了
12、DNA 的结构，科学家便开始致力研究有关制造蛋白质的秘密。伽莫夫指 出需要以三个核酸一组才能为 20 个氨基酸编码。1961 年，美国国家卫生院的 Matthaei 与 马歇尔沃伦尼伦伯格在无细胞系统（Cell-free system）环境下，把一条只由尿嘧啶 （U）组成的 RNA 转释成一条只有苯丙氨酸（Phe）的多肽，由此破解了首个密码子 （UUU Phe） 。随后哈尔葛宾科拉纳破解了其他密码子，接着罗伯特W 霍利发 现了负责转录过程的 tRNA。1968 年，科拉纳、霍利和尼伦伯格分享了诺贝尔生理学或医 学奖。 3阅读方式 破译遗传密码，必须了解阅读密码的方式。遗传密码的阅读，可能有两种
13、方式：一种 是重叠阅读，一种是非重叠阅读。例如 mRNA 上的碱基排列是 AUGCUACCG。若非重叠 阅读为 AUG、CUA、CCG、 ；若重叠阅读为 AUG、 UGC、GCU、CUA、 UAC、ACC 、CCG 。两种不同的阅读方式，会产生不同的氨 基酸排列。克里克用 T4 噬菌体为实验材料，研究基因的碱基增加或减少对其编码的蛋白质 会有什么影响。克里克发现，在编码区增加或删除一个碱基，便无法产生正常功能的蛋白 质；增加或删除两个碱基，也无法产生正常功能的蛋白质。但是当增加或删除三个碱基时， 却合成了具有正常功能的蛋白质。这样克里克通过实验证明了遗传密码中三个碱基编码一 个氨基酸，阅读密码的方式是从一个固定的起点开始，以非重叠的方式进行，编码之间没 有分隔符。 4验证猜想 1959 年三联体密码的猜想终于被尼伦伯格（Nirenberg Marshall Warren）等人用“体外 无细胞体系”的实验证实。尼伦伯格等人的实验用人工制成的只含一种核苷酸的 mRNA 作 模板，提供核糖体、ATP、全套蛋白翻译所必需的酶系统和二十种氨基酸单体等等作为原 料，接着在合适的条件下观察这已知的核苷酸组成的 mRNA 翻译出的多肽链。结果发现形 成一条多个氨基酸组成的肽链, 从而表明 mRNA 上的碱基决定氨基酸。此外实验同时也证 明了 mRNA 上的密码是奇数的三联体。
