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        基于模型教學(xué)對浙科版教材插圖的適當(dāng)改編

        2017-07-10 19:01:10宋凱
        中學(xué)生物學(xué) 2017年5期
        關(guān)鍵詞:肽鏈核糖體密碼子

        宋凱

        《浙江省普通生物高中學(xué)科指導(dǎo)意見》中規(guī)定“轉(zhuǎn)錄、翻譯的概念和過程”的考試內(nèi)容對于學(xué)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(zhuǎn)錄與翻譯的內(nèi)在邏輯關(guān)系,能進行解釋、判斷、區(qū)分生物性狀與基因表達等的聯(lián)系和區(qū)別。為落實這一目標,同時強化學(xué)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(dāng)改編,以期達到更好的教學(xué)效果,優(yōu)化生物課堂教學(xué)。

        1 DNA與基因的關(guān)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(xué)說。根據(jù)這一學(xué)說,按照基因的功能,可以將其分為:① 編碼蛋白質(zhì)的基因,即有翻譯產(chǎn)物的基因;② 只能轉(zhuǎn)錄而不能翻譯的基因,如tRNA基因和rRNA基因;③ 不轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)段,但對其余基因的轉(zhuǎn)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(shù)真核生物基因都是不連續(xù)的。1977年美國的Sharp和Roberts兩組科學(xué)家分別同時發(fā)現(xiàn)了細胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)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(zhì)的外顯子和無編碼作用的內(nèi)含子。而在轉(zhuǎn)錄時整個基因被全部轉(zhuǎn)錄,形成細胞內(nèi)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(jié)構(gòu)圖,如圖1所示。

        2 轉(zhuǎn)錄過程

        以結(jié)構(gòu)蛋白基因的轉(zhuǎn)錄為例。轉(zhuǎn)錄是指遺傳信息由DNA傳遞到RNA上的過程,轉(zhuǎn)錄的結(jié)果是形成RNA。對教材中的圖改編成圖2所示。

        2.1 轉(zhuǎn)錄的起始

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

        2.2 轉(zhuǎn)錄的延伸

        在RNA聚合酶分子上有兩個核苷酸結(jié)合位點:起始核苷酸位點和延伸核苷酸位點。當(dāng)兩個位點上都有與DNA模板鏈互補的游離的核苷酸堿基結(jié)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(zhuǎn)錄的終止

        當(dāng)RNA聚合酶轉(zhuǎn)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(chǎn)物,RNA分為信使RNA(mRNA)、轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)和核糖體RNA(rRNA)。

        2.4 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的后加工

        大多數(shù)的轉(zhuǎn)錄初始產(chǎn)物并無生物學(xué)活性,必須經(jīng)過進一步的剪接等后加工處理才獲得生物學(xué)活性,尤其是真核生物的mRNA要進過一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄后加工,才轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì),用于指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成,tRNA和rRNA則協(xié)同參與蛋白質(zhì)的合成。

        3 翻譯過程

        蛋白質(zhì)的合成(翻譯)是在細胞質(zhì)核糖體上進行的。在蛋白質(zhì)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(yīng)的氨基酸,由對應(yīng)的tRNA轉(zhuǎn)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(jié)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(xiàn)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(jù)核糖體上的一個結(jié)合位點,核糖體接受攜帶有相應(yīng)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(xù)沿著mRNA向前移動并認讀下一個密碼子,選擇相應(yīng)的氨基酸,由對應(yīng)的tRNA轉(zhuǎn)運,并與之前的二肽反應(yīng)形成三肽,肽鏈逐漸增長。起始的tRNA已經(jīng)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(huán)。

        3.3 肽鏈的終止

        當(dāng)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(huán)。

        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(jié)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(chǎn)物的后加工

        對于大多數(shù)蛋白質(zhì)來說,肽鏈在起初翻譯形成后是沒有生物學(xué)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(fù)雜加工后才能成為具有功能的蛋白質(zhì)。

        4 總結(jié)與展望

        微觀分子層面上的基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯是教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)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(xiàn)出基因轉(zhuǎn)錄、翻譯的起始、延伸和終止,轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)物的加工,以及高效翻譯的機理。這有助于學(xué)生掌握轉(zhuǎn)錄與翻譯的分子機制和內(nèi)在聯(lián)系,理解生命的本質(zhì),同時,也能夠有效強化學(xué)生識圖、析圖、用圖的能力,分析和解決問題的能力,提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。

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