基于模型教学对浙科版教材插图的适当改编

宋凯

《浙江省普通生物高中学科指导意见》中规定“转录、翻译的概念和过程”的考试内容对于学考和选考掌握的要求等级均为理解水平，要求能从分子水平把握转录与翻译的内在逻辑关系，能进行解释、判断、区分生物性状与基因表达等的联系和区别。为落实这一目标，同时强化学生收集和处理信息、分析和解决问题的能力，笔者对教材插图进行了适当改编，以期达到更好的教学效果，优化生物课堂教学。

1 DNA与基因的关系

1961年，Jacob和Moned在大肠杆菌乳糖代谢的研究中提出了操纵子学说。根据这一学说，按照基因的功能，可以将其分为：① 编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因；② 只能转录而不能翻译的基因，如tRNA基因和rRNA基因；③ 不转录的DNA区段，但对其余基因的转录起控制作用，如启动子、增强子、终止子等。

自然界中绝大多数真核生物基因都是不连续的。1977年美国的Sharp和Roberts两组科学家分别同时发现了细胞内的结构基因并非全部由编码序列组成，而是在编码序列中间插入一个或更多的无编码作用的碱基序列，这类基因被称为断裂基因，即一个基因中含有编码蛋白质的外显子和无编码作用的内含子。而在转录时整个基因被全部转录，形成细胞内mRNA的前体。因此，需要对mRNA的前体进行加工，删除非编码序列，将编码序列剪接成成熟的mRNA。因此可以增加DNA结构图，如图1所示。

2 转录过程

以结构蛋白基因的转录为例。转录是指遗传信息由DNA传递到RNA上的过程，转录的结果是形成RNA。对教材中的图改编成图2所示。

2.1 转录的起始

RNA的合成（转录）需要有RNA聚合酶的催化，并且转录不是沿着整条DNA长链进行的。当RNA聚合酶与DNA分子的某一启动部位（启动子）相结合时，包括一个或者几个基因的DNA片段的双螺旋结构解开，成为两条暂时性的单链，其中模板链指导RNA链的合成。

2.2 转录的延伸

在RNA聚合酶分子上有两个核苷酸结合位点：起始核苷酸位点和延伸核苷酸位点。当两个位点上都有与DNA模板链互补的游离的核苷酸碱基结合后，才能形成第一个磷酸二酯键。在延伸过程中，RNA聚合酶沿着DNA链移动，不断与下一个核苷酸形成磷酸二酯键，RNA链逐渐增长。

2.3 转录的终止

当RNA聚合酶转录进行到DNA上的终止序列时，就进入了终止阶段。此时，RNA聚合酶停止向RNA链添加核糖核苷酸，并且从DNA模板链上释放新生的RNA产物，RNA分为信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）。

2.4 转录产物的后加工

大多数的转录初始产物并无生物学活性，必须经过进一步的剪接等后加工处理才获得生物学活性，尤其是真核生物的mRNA要进过一系列复杂的转录后加工，才转移到细胞质，用于指导蛋白质的合成，tRNA和rRNA则协同参与蛋白质的合成。

3 翻译过程

蛋白质的合成（翻译）是在细胞质核糖体上进行的。在蛋白质合成时，核糖体沿着mRNA的运行，认读mRNA上决定氨基酸种类的密码，选择相应的氨基酸，由对应的tRNA转运，相继地加到延伸中的肽链上。对教材中的翻译过程示意图的改编成图3所示。

3.1 肽链的起始

核糖体结合至mRNA上，然后沿着mRNA移动扫描，直到认读到第一个起始密码子（AUG）出现为止。此后，多肽链开始合成，携带有甲硫氨酸的tRNA通过反密码子与mRNA中的AUG识别并进入核糖体。

3.2 肽链的延伸

起始的tRNA占据核糖体上的一个结合位点，核糖体接受携带有相应氨基酸的第二个tRNA进入，相邻的两个氨基酸之间通过脱水缩合形成肽键，形成二肽。之后，核糖体继续沿着mRNA向前移动并认读下一个密码子，选择相应的氨基酸，由对应的tRNA转运，并与之前的二肽反应形成三肽，肽链逐渐增长。起始的tRNA已经没有携带任何氨基酸，所以会从核糖体上脱落下来，参与新的肽链延伸循环。

3.3 肽链的终止

当核糖体认读到达mRNA的终止密码子UAA、UGA或UAG时，由于没有与之匹配的反密码子，于是多肽合成终止，核糖体脱离mRNA并进入下一个循环。

多肽链合成时，在一个mRNA分子上有若干个核糖体同时进行工作，每一个核糖体都开始于起始密码子，结束于终止密码子，先后各自翻译出一条相同的多肽链，大大增加了翻译效率。

3.4 翻译产物的后加工

对于大多数蛋白质来说，肽链在起初翻译形成后是没有生物学活性的，常常需要进行一系列的加工处理，如信号肽的切除、二硫键的形成、肽链的正确折叠、某些氨基酸的糖基化等，通过复杂加工后才能成为具有功能的蛋白质。

4 总结与展望

微观分子层面上的基因的转录、翻译是教师教学和学生学习的重难点，相较于教材原图，改编后的插图，能够更加直观、明了地呈现出基因转录、翻译的起始、延伸和终止，转录后产物的加工，以及高效翻译的机理。这有助于学生掌握转录与翻译的分子机制和内在联系，理解生命的本质，同时，也能够有效强化学生识图、析图、用圖的能力，分析和解决问题的能力，提高学生的生物科学素养和综合素质。