蛋白質(zhì)翻譯過程動態(tài)演示模型的制作與使用

詹琪芳

摘要 教具將mRNA、tRNA和核糖體具象化，通過mRNA與核糖體間的動態(tài)滑動使有關蛋白質(zhì)的合成過程的教學活動更加直觀化，促進學生對微觀現(xiàn)象的理解，利于學生運用教具進行互動，探究基因突變與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能之間的關系，更好地樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應的生命觀念。

關鍵詞 蛋白質(zhì) 模型制作 動態(tài)

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

蛋白質(zhì)合成翻譯階段是學生普遍難以理解的抽象知識，學生對mRNA上的核糖核苷酸序列是如何決定氨基酸的排列往往感到困惑。目前大部分教師多采用視頻動畫來演示，學生只能從畫面中認識翻譯過程，不能親自參與互動，且僅局限于信息化設備支持的學校。筆者自制的這套蛋白質(zhì)合成過程翻譯階段動態(tài)模擬裝置可以解決mRNA上的密碼子、tRNA上的反密碼子與氨基酸的一一對應關系，基因突變引起的密碼子改變導致的氨基酸種類、數(shù)目、序列的變化，氨基酸在核糖體中形成蛋白質(zhì)的脫水縮合反應等教學中的重點和難點，使微觀的現(xiàn)象可視化、直觀化和形象化。

1材料準備

高密度泡沫圓板、軟性磁鐵、超強磁鐵塊、魔術(shù)貼、雪弗板、橡皮條、PVC管、羊眼圈、木條、細鐵絲、棉線、長釘、丙烯顏料等。

2模型設計與制作

2.1核糖體的制作

用直徑分別為40cm和50cm、厚度為4cm的泡沫圓板代表核糖體的小、大亞基，二者緊密排列并用PVC管加橡皮條制成聯(lián)動裝置，圓心固定在雪弗板的背景板上。

2.2mRNA的制作

將泡沫小方塊粘到魔術(shù)貼上，并在小方塊上粘上強力磁鐵，將代表核糖核苷酸的軟磁鐵剪成1/3小方塊大小吸附在上面表示組成密碼子的核苷酸。

2.3tRNA的制作

用羊眼圈連接一長一短兩根平行的細木條，3個小半圓泡沫粘在相應位置代表tRNA上的3個環(huán)，其中最下面的環(huán)粘上超強磁鐵，再將軟磁鐵剪成的半圓形的反密碼子吸附在上面。將tRNA用長釘懸掛固定在小亞基上。

2.4氨基酸的制作

用不同顏色、不同形狀的泡沫小塊代表蛋白質(zhì)的20種氨基酸，一端插入連有紅棉線磁鐵的銅絲代表氨基，另一端插入連有白棉線磁鐵的銅絲代表羧基。

3模型的原理及演示過程

將教具豎直放置在水平桌面上，把代表mRNA的長條卡入小圓的鋸齒中，并使密碼子與代表tRNA的反密碼子序列對齊（圖1）。mRNA長條沿著鋸齒拖動，大、小亞基相應滾動，模擬核糖體在mRNA分子上的滑動過程;小亞基中的tRNA與mRNA的小方塊結(jié)構(gòu)相匹配，模擬反密碼子與密碼子的識別及短暫結(jié)合過程;兩個相鄰tRNA手臂上攜帶的氨基酸之間通過超強磁鐵的吸力相互連接表示氨基酸之間的脫水縮合形成肽鍵的反應;mRNA上的軟磁鐵的改變模擬基因突變造成的同義突變、錯義突變、無義突變等可能導致的氨基酸的改變。

3.1翻譯的起始

左手拉動mRNA分子，大、小亞基隨之轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)動到起始密碼子（AUG或GUG）時，可以取下tRNA上的反密碼子磁鐵，寫上此時代表的核糖核苷酸序列，并將其攜帶的第1個氨基酸（甲硫氨酸）擺放在tRNA分子的手臂上，形成氨酰tRNA，翻譯開始（圖2）。

3.2多肽鏈的延伸

第二個密碼子對應的tRNA轉(zhuǎn)動至核糖體的合適部位，在酶的催化作用下，第一個tRNA攜帶的甲硫氨酸與第二個tRNA攜帶的氨基酸形成二肽。大、小亞基繼續(xù)轉(zhuǎn)動，造成已成“空載”的第一個tRNA移位并釋放，攜帶二肽的第二個tRNA也隨之移位，空出的位置準備接受第3個tRNA。二肽中第2個氨基酸與第3個tRNA上攜帶的氨基酸形成第2個肽鍵。如此重復，不斷將新的氨基酸加入到肽鏈中（圖3）。

3.3翻譯的終止

當“讀碼”進行到終止密碼子（UAA、UAG或UGA）時，肽鏈延伸終止，多肽鏈合成結(jié)束。mRNA與核糖體脫離。1條多肽鏈的翻譯完成（圖4）。

3.4基因突變引起的蛋白質(zhì)變化

該教具可以幫助學生理解堿基的替換、插入或缺失引起的基因中堿基序列的改變，繼而可能導致的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其功能發(fā)生變化。學生可以嘗試改變mRNA上的密碼子，觀察因此帶來的蛋白質(zhì)中氨基酸數(shù)目、種類、順序的改變，樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應的生命觀念。

4創(chuàng)新點和價值

教具將mRNA、tRNA和核糖體具象化，通過mRNA與核糖體間的動態(tài)滑動、密碼子與反密碼子的精準配對使有關蛋白質(zhì)的合成過程的教學活動更加直觀化，促進學生對微觀現(xiàn)象的理解，也利于學生運用教具進行互動，探究密碼子序列的改變與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關系，從而更好地樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應的生命觀念。

模型各部件取材方便，成本低廉，易于復制推廣，既可以作為教師的演示教具，也可以作為學生的互動實驗教具，能充分調(diào)動學生的創(chuàng)造能力和動手能

力。

參考文獻：

祁懷春.蛋白質(zhì)生物合成翻譯階段動態(tài)演示模型制作與使用[J].生物學通報，2016，51（8）：54-55.

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