自制“遗传信息翻译”模型教具在课堂教学中的应用

杜修全

(海南省教育研究培训院 海口 571100)

“遗传信息翻译”是人教版教材高中《生物》(必修2)“遗传与进化”第4章第1节“基因指导蛋白质的合成”一节的重要内容。在教学中，笔者发现学生困惑于核糖体如何在mRNA上移动，如何读取mRNA上的密码子，核糖体如何根据mRNA携带的遗传信息翻译出蛋白质。翻译过程非常抽象，学生易混淆不易理解。因此，本人通过自制模型教具，在课堂教学中引导学生模拟“遗传信息翻译”过程，让学生通过自主构建模型，模拟翻译的过程，从摸、触、动和悟的过程，将抽象复杂的知识转化为直观形象的知识，更好地掌握课堂教学的知识，提高了课堂教学的有效性。

1 模型制作的准备

1.1 材料用具 橡胶软磁片(又称软磁贴、磁片，可用剪刀随意剪裁，用水笔书写，可擦除)、打印纸、小白板、剪刀、双面胶、胶水、铅笔等。

1.2 制作模型 ①在画图工具上绘制出碱基模型、tRNA模板、mRNA模板、核糖体模板和氨基酸模板等；②打印模板并贴在软磁贴上；③按照模板剪下模型。绘制模板时要设计好它们之间的比例，确保操作过程中模型之间的吻合。由于用量较大，课前可先指导科技小组的学生剪好各种模型。

1.2.1 制作碱基模型 为了体现AUCG 4种碱基的不同，在制作过程中特意设计4种碱基具有不同的形状，但是要确保碱基A模型与碱基U模型嵌入吻合，碱基G模型与碱基C模型嵌入吻合。同时，碱基A与碱基G的模型长度要相等，碱基U与碱基C的模型长度要相等，且短于碱基A与碱基G。打印出4种碱基并粘贴在软磁贴上，用剪刀准确地按轮廓裁剪好。

1.2.2 制作tRNA模型 将tRNA模板的基本骨架(代表磷酸和核糖)粘贴在软磁片上，用剪刀准确地沿着轮廓剪下。3个碱基直接吸附在tRNA的反密码子环上作为反密码子的3个碱基，构建出tRNA模型。改变反密码子的3个碱基，即可代表不同种类的tRNA。

1.2.3 制作mRNA模型 剪下一长条软磁贴做成1条mRNA链的基本骨架(代表磷酸和核糖)，软磁贴做的碱基直接吸附在长条磁贴上，制作出多样的mRNA。

1.2.4 制作核糖体模型 将核糖体模板粘贴在软磁贴上，剪下核糖体模型，并把葫芦状裁成空心，恰好容纳6个碱基。

1.2.5 制作氨基酸模型 裁剪不同颜色、不同形态的磁贴代表不同的氨基酸，注明氨基酸的名称和对应的密码子。参看图1所示。

2 模拟“遗传信息翻译”的过程

在教学实践中，笔者发现学生对“遗传信息翻译”的过程很感兴趣，常常提出下列问题： mRNA进入细胞质后，是怎样将mRNA上的遗传密码转化为蛋白质中相应氨基酸排列顺序的？游离在细胞质中的氨基酸，是怎样运送到合成蛋白质的“生产线”上的？密码子与反密码子之间是什么关系，它们之间如何识别等。笔者通过精心设计适合于学生的模拟探究活动，引导学生思考问题，通过对问题的分析、思考、讨论和交流，主动获取新知识。

2.1 碱基与氨基酸的对应关系 mRNA上的碱基与氨基酸之间是如何对应的？不同氨基酸的密码子是否相同？通过教师提供的科学史资料，与学生重温遗传密码的探索历程，思考并总结出遗传密码的特点。知道密码子有64种，其中59种是普通密码子，2种是起始密码子，3种是终止密码子，终止密码子没有对应的氨基酸。

2.2 tRNA与氨基酸的结合 tRNA是将氨基酸运到生产线上的搬运工，种类有61种，每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。教师通过自制教具展示tRNA的结构，呈三叶草的叶形，一端携带氨基酸的部位，另一端有三个碱基是其对应的反密码子。在课堂上提问甲硫氨酸的密码子是什么？引导学生找出其对应的密码子是AUG，甲硫氨酸由哪种tRNA搬运呢？其tRNA上对应的反密码子是什么？层层递进，引导学生说出tRNA上反密码子是UAC。同理，可以推出搬运组氨酸的tRNA上反密码子是GUA或GUG。

2.3 模拟“遗传信息翻译”的过程 指导学生阅读教材上相关的文字和图示，理解遗传信息的翻译过程。在进行模拟实验前，思考如下几点： ①如何找出mRNA上的起始密码子、终止密码子？②如何查找mRNA上密码子对应的氨基酸？③核糖体与mRNA的结合部位会形成几个tRNA的结合位点？④是mRNA沿着核糖体移动还是核糖体沿着mRNA移动？⑤二肽和多肽是如何形成的？现在有了模板mRNA、生产厂房——核糖体、原料——20种氨基酸、转运工具——tRNA， 2个学生一组材料，模拟蛋白质的合成。模拟实验步骤如下：

2.3.1 mRNA与核糖体的结合 引导学生先找出mRNA上的起始密码子，再找出第2个密码子，起始密码子和第2个密码子分别对应哪种氨基酸？对应tRNA的反密码子分别是什么？如某小组学生根据材料模拟mRNA与核糖体结合，并识别mRNA上的起始密码子，携带甲硫氨酸的tRNA，通过与碱基AUG互补配对，进入位点1。携带组氨酸的tRNA以同样的方式进入位点2(图1)。引导学生进一步探究： 假设不同的mRNA，其碱基排列顺序不同，进入位点1和位点2的氨基酸会出现什么情况？引导学生说出位点1起始密码子有两种，对应氨基酸为甲硫氨酸或缬氨酸，位点2的密码子不同，对应的氨基酸可能相同或是不同，若相同则体现了密码子的兼并性。

2.3.2 二肽的形成 甲硫氨酸通过与组氨酸形成肽键转移到占据位点2的tRNA上(图1)。核糖体读取下一个密码子，原占据位点1的tRNA离开核糖体，占据位点2的tRNA进入位点1(图2)。学生通过图1、图2显示的2个步骤操作，直观感性认知mRNA与核糖体的结合部位形成2个tRNA的结合位点，2个氨基酸脱水缩合形成二肽，对教材(必修1)中氨基酸的脱水缩合反应有了更加深刻的认识。同时，对mRNA上密码子的简并性有了更深刻的理解。

图1 甲硫氨酸与组氨酸形成肽键转移到位点2 tRNA上

图2 原占据位点1的tRNA离开核糖体

2.3.3 多肽的形成 指导学生寻找密码子对应的氨基酸和相应的tRNA，模拟三肽的合成。依次重复上述步骤，直到核糖体读到mRNA的终止密码，合成终止。进一步探究： 假设不同的mRNA，其碱基排列顺序不同，翻译出来的蛋白质是否相同？引导学生通过改变mRNA上的某些碱基，改变了原有的mRNA，并让学生动手实验。通过探索学生获取新知： 不同的基因转录出不一样的mRNA，翻译出不同的蛋白质。

2.3.4 多条肽链的形成 一个mRNA分子结合2个核糖体，是否可以同时合成2条肽链；每条肽链的氨基酸排列顺序是否相同。学生通过探究一个mRNA分子上结合多个核糖体，同时合成多条肽链(图3)。将观察的内容转化成操作的内容，使静态信息呈现动态化，培养了学生动手操作能力，提高了学生自主学习的能力，激发了学生探索知识的乐趣。

图3 一个mRNA分子结合2个核糖体

3 教学反思

借助教具模型模拟遗传信息的翻译过程，学生不但理解了翻译的过程，还对这一过程中的密码子、反密码子、tRNA和翻译等概念有了较为深刻的认识。对于另外一些较难理解的内容(如伞藻嫁接、核移植实验、有丝分裂过程、减数分裂过程、基因的分离定律和自由组合定律等)，其过程都不易通过实验直接观察，都可借助模型教具模拟动态过程，引导学生深入思考。在模拟实验过程中逐步培养学生的科学思维能力，并养成运用科学思维的方法认识事物、解决实际问题的思维习惯。