基于模型教學對浙科版教材插圖的適當改編

宋凱

《浙江省普通生物高中學科指導意見》中規定“轉錄、翻譯的概念和過程”的考試內容對于學考和選考掌握的要求等級均為理解水平，要求能從分子水平把握轉錄與翻譯的內在邏輯關系，能進行解釋、判斷、區分生物性狀與基因表達等的聯系和區別。為落實這一目標，同時強化學生收集和處理信息、分析和解決問題的能力，筆者對教材插圖進行了適當改編，以期達到更好的教學效果，優化生物課堂教學。

1 DNA與基因的關系

1961年，Jacob和Moned在大腸桿菌乳糖代謝的研究中提出了操縱子學說。根據這一學說，按照基因的功能，可以將其分為：① 編碼蛋白質的基因，即有翻譯產物的基因；② 只能轉錄而不能翻譯的基因，如tRNA基因和rRNA基因；③ 不轉錄的DNA區段，但對其余基因的轉錄起控制作用，如啟動子、增強子、終止子等。

自然界中絕大多數真核生物基因都是不連續的。1977年美國的Sharp和Roberts兩組科學家分別同時發現了細胞內的結構基因并非全部由編碼序列組成，而是在編碼序列中間插入一個或更多的無編碼作用的堿基序列，這類基因被稱為斷裂基因，即一個基因中含有編碼蛋白質的外顯子和無編碼作用的內含子。而在轉錄時整個基因被全部轉錄，形成細胞內mRNA的前體。因此，需要對mRNA的前體進行加工，刪除非編碼序列，將編碼序列剪接成成熟的mRNA。因此可以增加DNA結構圖，如圖1所示。

2 轉錄過程

以結構蛋白基因的轉錄為例。轉錄是指遺傳信息由DNA傳遞到RNA上的過程，轉錄的結果是形成RNA。對教材中的圖改編成圖2所示。

2.1 轉錄的起始

RNA的合成（轉錄）需要有RNA聚合酶的催化，并且轉錄不是沿著整條DNA長鏈進行的。當RNA聚合酶與DNA分子的某一啟動部位（啟動子）相結合時，包括一個或者幾個基因的DNA片段的雙螺旋結構解開，成為兩條暫時性的單鏈，其中模板鏈指導RNA鏈的合成。

2.2 轉錄的延伸

在RNA聚合酶分子上有兩個核苷酸結合位點：起始核苷酸位點和延伸核苷酸位點。當兩個位點上都有與DNA模板鏈互補的游離的核苷酸堿基結合后，才能形成第一個磷酸二酯鍵。在延伸過程中，RNA聚合酶沿著DNA鏈移動，不斷與下一個核苷酸形成磷酸二酯鍵，RNA鏈逐漸增長。

2.3 轉錄的終止

當RNA聚合酶轉錄進行到DNA上的終止序列時，就進入了終止階段。此時，RNA聚合酶停止向RNA鏈添加核糖核苷酸，并且從DNA模板鏈上釋放新生的RNA產物，RNA分為信使RNA（mRNA）、轉運RNA（tRNA）和核糖體RNA（rRNA）。

2.4 轉錄產物的后加工

大多數的轉錄初始產物并無生物學活性，必須經過進一步的剪接等后加工處理才獲得生物學活性，尤其是真核生物的mRNA要進過一系列復雜的轉錄后加工，才轉移到細胞質，用于指導蛋白質的合成，tRNA和rRNA則協同參與蛋白質的合成。

3 翻譯過程

蛋白質的合成（翻譯）是在細胞質核糖體上進行的。在蛋白質合成時，核糖體沿著mRNA的運行，認讀mRNA上決定氨基酸種類的密碼，選擇相應的氨基酸，由對應的tRNA轉運，相繼地加到延伸中的肽鏈上。對教材中的翻譯過程示意圖的改編成圖3所示。

3.1 肽鏈的起始

核糖體結合至mRNA上，然后沿著mRNA移動掃描，直到認讀到第一個起始密碼子（AUG）出現為止。此后，多肽鏈開始合成，攜帶有甲硫氨酸的tRNA通過反密碼子與mRNA中的AUG識別并進入核糖體。

3.2 肽鏈的延伸

起始的tRNA占據核糖體上的一個結合位點，核糖體接受攜帶有相應氨基酸的第二個tRNA進入，相鄰的兩個氨基酸之間通過脫水縮合形成肽鍵，形成二肽。之后，核糖體繼續沿著mRNA向前移動并認讀下一個密碼子，選擇相應的氨基酸，由對應的tRNA轉運，并與之前的二肽反應形成三肽，肽鏈逐漸增長。起始的tRNA已經沒有攜帶任何氨基酸，所以會從核糖體上脫落下來，參與新的肽鏈延伸循環。

3.3 肽鏈的終止

當核糖體認讀到達mRNA的終止密碼子UAA、UGA或UAG時，由于沒有與之匹配的反密碼子，于是多肽合成終止，核糖體脫離mRNA并進入下一個循環。

多肽鏈合成時，在一個mRNA分子上有若干個核糖體同時進行工作，每一個核糖體都開始于起始密碼子，結束于終止密碼子，先后各自翻譯出一條相同的多肽鏈，大大增加了翻譯效率。

3.4 翻譯產物的后加工

對于大多數蛋白質來說，肽鏈在起初翻譯形成后是沒有生物學活性的，常常需要進行一系列的加工處理，如信號肽的切除、二硫鍵的形成、肽鏈的正確折疊、某些氨基酸的糖基化等，通過復雜加工后才能成為具有功能的蛋白質。

4 總結與展望

微觀分子層面上的基因的轉錄、翻譯是教師教學和學生學習的重難點，相較于教材原圖，改編后的插圖，能夠更加直觀、明了地呈現出基因轉錄、翻譯的起始、延伸和終止，轉錄后產物的加工，以及高效翻譯的機理。這有助于學生掌握轉錄與翻譯的分子機制和內在聯系，理解生命的本質，同時，也能夠有效強化學生識圖、析圖、用圖的能力，分析和解決問題的能力，提高學生的生物科學素養和綜合素質。