自制“遺傳信息翻譯”模型教具在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

杜修全

(海南省教育研究培訓(xùn)院 海口 571100)

“遺傳信息翻譯”是人教版教材高中《生物》(必修2)“遺傳與進(jìn)化”第4章第1節(jié)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”一節(jié)的重要內(nèi)容。在教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生困惑于核糖體如何在mRNA上移動，如何讀取mRNA上的密碼子，核糖體如何根據(jù)mRNA攜帶的遺傳信息翻譯出蛋白質(zhì)。翻譯過程非常抽象，學(xué)生易混淆不易理解。因此，本人通過自制模型教具，在課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生模擬“遺傳信息翻譯”過程，讓學(xué)生通過自主構(gòu)建模型，模擬翻譯的過程，從摸、觸、動和悟的過程，將抽象復(fù)雜的知識轉(zhuǎn)化為直觀形象的知識，更好地掌握課堂教學(xué)的知識，提高了課堂教學(xué)的有效性。

1 模型制作的準(zhǔn)備

1.1 材料用具 橡膠軟磁片(又稱軟磁貼、磁片，可用剪刀隨意剪裁，用水筆書寫，可擦除)、打印紙、小白板、剪刀、雙面膠、膠水、鉛筆等。

1.2 制作模型 ①在畫圖工具上繪制出堿基模型、tRNA模板、mRNA模板、核糖體模板和氨基酸模板等；②打印模板并貼在軟磁貼上；③按照模板剪下模型。繪制模板時要設(shè)計好它們之間的比例，確保操作過程中模型之間的吻合。由于用量較大，課前可先指導(dǎo)科技小組的學(xué)生剪好各種模型。

1.2.1 制作堿基模型 為了體現(xiàn)AUCG 4種堿基的不同，在制作過程中特意設(shè)計4種堿基具有不同的形狀，但是要確保堿基A模型與堿基U模型嵌入吻合，堿基G模型與堿基C模型嵌入吻合。同時，堿基A與堿基G的模型長度要相等，堿基U與堿基C的模型長度要相等，且短于堿基A與堿基G。打印出4種堿基并粘貼在軟磁貼上，用剪刀準(zhǔn)確地按輪廓裁剪好。

1.2.2 制作tRNA模型 將tRNA模板的基本骨架(代表磷酸和核糖)粘貼在軟磁片上，用剪刀準(zhǔn)確地沿著輪廓剪下。3個堿基直接吸附在tRNA的反密碼子環(huán)上作為反密碼子的3個堿基，構(gòu)建出tRNA模型。改變反密碼子的3個堿基，即可代表不同種類的tRNA。

1.2.3 制作mRNA模型 剪下一長條軟磁貼做成1條mRNA鏈的基本骨架(代表磷酸和核糖)，軟磁貼做的堿基直接吸附在長條磁貼上，制作出多樣的mRNA。

1.2.4 制作核糖體模型 將核糖體模板粘貼在軟磁貼上，剪下核糖體模型，并把葫蘆狀裁成空心，恰好容納6個堿基。

1.2.5 制作氨基酸模型 裁剪不同顏色、不同形態(tài)的磁貼代表不同的氨基酸，注明氨基酸的名稱和對應(yīng)的密碼子。參看圖1所示。

2 模擬“遺傳信息翻譯”的過程

在教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對“遺傳信息翻譯”的過程很感興趣，常常提出下列問題： mRNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后，是怎樣將mRNA上的遺傳密碼轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)中相應(yīng)氨基酸排列順序的？游離在細(xì)胞質(zhì)中的氨基酸，是怎樣運(yùn)送到合成蛋白質(zhì)的“生產(chǎn)線”上的？密碼子與反密碼子之間是什么關(guān)系，它們之間如何識別等。筆者通過精心設(shè)計適合于學(xué)生的模擬探究活動，引導(dǎo)學(xué)生思考問題，通過對問題的分析、思考、討論和交流，主動獲取新知識。

2.1 堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系 mRNA上的堿基與氨基酸之間是如何對應(yīng)的？不同氨基酸的密碼子是否相同？通過教師提供的科學(xué)史資料，與學(xué)生重溫遺傳密碼的探索歷程，思考并總結(jié)出遺傳密碼的特點。知道密碼子有64種，其中59種是普通密碼子，2種是起始密碼子，3種是終止密碼子，終止密碼子沒有對應(yīng)的氨基酸。

2.2 tRNA與氨基酸的結(jié)合 tRNA是將氨基酸運(yùn)到生產(chǎn)線上的搬運(yùn)工，種類有61種，每種tRNA只能識別并轉(zhuǎn)運(yùn)一種氨基酸。教師通過自制教具展示tRNA的結(jié)構(gòu)，呈三葉草的葉形，一端攜帶氨基酸的部位，另一端有三個堿基是其對應(yīng)的反密碼子。在課堂上提問甲硫氨酸的密碼子是什么？引導(dǎo)學(xué)生找出其對應(yīng)的密碼子是AUG，甲硫氨酸由哪種tRNA搬運(yùn)呢？其tRNA上對應(yīng)的反密碼子是什么？層層遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生說出tRNA上反密碼子是UAC。同理，可以推出搬運(yùn)組氨酸的tRNA上反密碼子是GUA或GUG。

2.3 模擬“遺傳信息翻譯”的過程 指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材上相關(guān)的文字和圖示，理解遺傳信息的翻譯過程。在進(jìn)行模擬實驗前，思考如下幾點： ①如何找出mRNA上的起始密碼子、終止密碼子？②如何查找mRNA上密碼子對應(yīng)的氨基酸？③核糖體與mRNA的結(jié)合部位會形成幾個tRNA的結(jié)合位點？④是mRNA沿著核糖體移動還是核糖體沿著mRNA移動？⑤二肽和多肽是如何形成的？現(xiàn)在有了模板mRNA、生產(chǎn)廠房——核糖體、原料——20種氨基酸、轉(zhuǎn)運(yùn)工具——tRNA， 2個學(xué)生一組材料，模擬蛋白質(zhì)的合成。模擬實驗步驟如下：

2.3.1 mRNA與核糖體的結(jié)合 引導(dǎo)學(xué)生先找出mRNA上的起始密碼子，再找出第2個密碼子，起始密碼子和第2個密碼子分別對應(yīng)哪種氨基酸？對應(yīng)tRNA的反密碼子分別是什么？如某小組學(xué)生根據(jù)材料模擬mRNA與核糖體結(jié)合，并識別mRNA上的起始密碼子，攜帶甲硫氨酸的tRNA，通過與堿基AUG互補(bǔ)配對，進(jìn)入位點1。攜帶組氨酸的tRNA以同樣的方式進(jìn)入位點2(圖1)。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究： 假設(shè)不同的mRNA，其堿基排列順序不同，進(jìn)入位點1和位點2的氨基酸會出現(xiàn)什么情況？引導(dǎo)學(xué)生說出位點1起始密碼子有兩種，對應(yīng)氨基酸為甲硫氨酸或纈氨酸，位點2的密碼子不同，對應(yīng)的氨基酸可能相同或是不同，若相同則體現(xiàn)了密碼子的兼并性。

2.3.2 二肽的形成 甲硫氨酸通過與組氨酸形成肽鍵轉(zhuǎn)移到占據(jù)位點2的tRNA上(圖1)。核糖體讀取下一個密碼子，原占據(jù)位點1的tRNA離開核糖體，占據(jù)位點2的tRNA進(jìn)入位點1(圖2)。學(xué)生通過圖1、圖2顯示的2個步驟操作，直觀感性認(rèn)知mRNA與核糖體的結(jié)合部位形成2個tRNA的結(jié)合位點，2個氨基酸脫水縮合形成二肽，對教材(必修1)中氨基酸的脫水縮合反應(yīng)有了更加深刻的認(rèn)識。同時，對mRNA上密碼子的簡并性有了更深刻的理解。

圖1 甲硫氨酸與組氨酸形成肽鍵轉(zhuǎn)移到位點2 tRNA上

圖2 原占據(jù)位點1的tRNA離開核糖體

2.3.3 多肽的形成 指導(dǎo)學(xué)生尋找密碼子對應(yīng)的氨基酸和相應(yīng)的tRNA，模擬三肽的合成。依次重復(fù)上述步驟，直到核糖體讀到mRNA的終止密碼，合成終止。進(jìn)一步探究： 假設(shè)不同的mRNA，其堿基排列順序不同，翻譯出來的蛋白質(zhì)是否相同？引導(dǎo)學(xué)生通過改變mRNA上的某些堿基，改變了原有的mRNA，并讓學(xué)生動手實驗。通過探索學(xué)生獲取新知： 不同的基因轉(zhuǎn)錄出不一樣的mRNA，翻譯出不同的蛋白質(zhì)。

2.3.4 多條肽鏈的形成 一個mRNA分子結(jié)合2個核糖體，是否可以同時合成2條肽鏈；每條肽鏈的氨基酸排列順序是否相同。學(xué)生通過探究一個mRNA分子上結(jié)合多個核糖體，同時合成多條肽鏈(圖3)。將觀察的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成操作的內(nèi)容，使靜態(tài)信息呈現(xiàn)動態(tài)化，培養(yǎng)了學(xué)生動手操作能力，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，激發(fā)了學(xué)生探索知識的樂趣。

圖3 一個mRNA分子結(jié)合2個核糖體

3 教學(xué)反思

借助教具模型模擬遺傳信息的翻譯過程，學(xué)生不但理解了翻譯的過程，還對這一過程中的密碼子、反密碼子、tRNA和翻譯等概念有了較為深刻的認(rèn)識。對于另外一些較難理解的內(nèi)容(如傘藻嫁接、核移植實驗、有絲分裂過程、減數(shù)分裂過程、基因的分離定律和自由組合定律等)，其過程都不易通過實驗直接觀察，都可借助模型教具模擬動態(tài)過程，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。在模擬實驗過程中逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，并養(yǎng)成運(yùn)用科學(xué)思維的方法認(rèn)識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣。