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基因的表达
第
四
章
遗传物质实验证据的获得和 DNA 双螺旋结构模型的建立，揭示了基因的化学本质，生物学的研究从此以空前的步伐前进。但是，基因又是如何起作用的呢
将苏云金杆菌抗虫蛋白基因（Bt抗虫蛋白基因）转入普通棉花，培育出的棉花植株会产生Bt抗虫蛋白。 转入的是基因，得到的却是蛋白质！为什么会这样？
基因可以控制蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达。
苏云金杆菌
提取
Bt抗虫蛋白基因
导入
棉花细胞
Bt抗虫
蛋白
Bt基因表达
为什么一种生物的基因能在另一种生物中表达呢
基因的表达过程是怎样的
各种生物的基因表达过程有什么共同点呢
基因的表达
第
四
章
基因指导蛋白质的合成
第
1
节
问题探讨
有些科幻电影围绕着虚构的未来场景，展现了这样的科学幻想：各种各样的恐龙飞奔跳跃、相互争斗，而这些“复活”的恐龙是科学家利用提取的恐龙DNA培育繁殖而来的。
从原理上分析，利用已灭绝生物的DNA，真的能够使这些生物“复活”吗
一种生物的整套DNA中储存着该种生物生长、发育等生命活动所需的全部遗传信息，也可以说是构建生物体的蓝图。
但是，从DNA到具有各种性状的生物体，需要通过极其复杂的基因表达及调控过程才能实现。因此，在可预见的将来，利用DNA来使灭绝的生物复活仍是难以做到的。
基因指导蛋白质的合成
基因如何指导蛋白质的合成？
DNA携带的遗传信息是怎样传递到细胞质中的呢
当遗传信息到达细胞质后，细胞又是怎样解读的呢
发出绿色荧光
水母
直接原因
绿色荧光蛋白
绿色荧光蛋白基因
合成
指导
转基因鼠
细胞质
细胞核
遗传信息的转录
资料1: 1955年,戈德斯坦和普劳特观察到放射性物质标记的RNA从细胞核转移到细胞质。
资料2：1955年，布拉切特以洋葱根尖和变形虫为材料，用RNA酶分解细胞中的RNA，蛋白质的合成就停止。如果再加入酵母中提取的RNA，蛋白质又开始合成。
RNA充当了DNA的信使
科学家推测，在DNA 和蛋白质之间，还有一种中间物质充当信使。
遗传信息的转录
RNA
中文名称：
基本单位：
核糖核酸
核糖核苷酸
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
尿嘧啶（U）
RNA与DNA的区别
比较项目 DNA RNA
基本单位
五碳糖
含氮碱基
结 构
主要存在部位
脱氧核苷酸
核糖核苷酸
脱氧核糖
核糖
A T C G
A U C G
通常呈双螺旋结构
多为单链结构
细胞核
细胞质
RNA适于作DNA的信使的原因
①RNA也是由核苷酸组成，含氮碱基有A、G、C、U，具备准确传递遗传信息的可能。
②RNA与DNA的关系中，也遵循“碱基互补配对原则”，因此以RNA为媒介可将遗传信息传递到细胞质中。
③RNA一般是单链，而且比DNA短，因此能够通过核孔，从细胞核转移到细胞质中。
④RNA为单链结构，不稳定，易降解，使得完成使命的RNA能迅速降解，保证生命活动的有序进行。
RNA的分类和功能
种类 mRNA tRNA rRNA
名称 信使RNA 转运RNA 核糖体RNA
功能
结构
示 意 图
共同点 传递遗传信息；
蛋白质合成的模板
识别并转运特定氨基酸
组成核糖体
单链
单链，部分碱基配对形成三叶草型结构
单链
①都是转录的产物；②基本单位相同；③都与翻译过程有关。
遗传信息的转录
DNA的遗传信息是怎样传给mRNA的？
转录：RNA 在细胞核中，通过RNA 聚合酶以 DNA 的一条链为模板合成的过程。
条件
模板：
原料：
酶：
能量：
DNA的一条链
RNA聚合酶
游离的四种核糖核苷酸
ATP
原则：碱基互补配对原则
产物：RNA（mRNA、tRNA、rRNA）
遗传信息的转录
解旋：当细胞开始合成某种蛋白质时，RNA 聚合酶与编码这个蛋白质的一段DNA 结合，使DNA 双链解开，双链的碱基得以暴露。
配对：游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对，在RNA聚合酶的作用下开始mRNA的合成。
连接：新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上。
释放：合成的 mRNA从 DNA 链上释放。而后，DNA双螺旋恢复。
遗传信息的转录
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
U
G
A
C
G
G
U
U
U
RNA 聚合酶
遗传信息的转录
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
G
A
C
G
G
U
U
U
U
RNA 聚合酶
遗传信息的转录
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
G
A
C
G
G
U
U
U
U
RNA 聚合酶
遗传信息的转录
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
G
U
U
U
U
A
RNA 聚合酶
遗传信息的转录
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
U
U
G
U
U
A
RNA 聚合酶
遗传信息的转录
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
G
C
G
G
U
U
A
U
U
A
U
C
mRNA
RNA 聚合酶
DNA上的遗传信息 就传递到mRNA上
遗传信息的转录
遗传信息的转录
编码链（有义链）
模板链（反义链）
方向：
5'→3'
DNA复制和转录的比较
复　制 转　录
时间
场所 模板
原料
酶
产物
特点
细胞分裂(有丝和减Ⅰ前的间期）
个体生长发育的整个过程
主要在细胞核(线粒体、叶绿体)
DNA的两条链
DNA的一条模板链
4种脱氧核苷酸
。
4种核糖核苷酸
。
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
两个双链DNA
RNA（mRNA、tRNA、rRNA）
半保留复制
（多起点边解旋边双向复制）
边解旋边转录
（原核细胞：边转录边翻译）
DNA复制和转录的比较
复　制 转　录
碱基配对
遗传信息传递
A－T、T－A、G－C、C－G
A－U、T－A、G－C、C－G
DNA→DNA
DNA→mRNA
思考·讨论
3．转录成的RNA的碱基序列，与DNA两条单链的碱基序列各有哪些异同？
转录成的RNA的碱基与DNA模板链（α）的碱基是互补配对的关系
转录成的RNA的碱基序列与另一条非模板链（β）的碱基序列的区别是RNA链上的碱基U，对应在非模板链（β）上的碱基是T。
遗传信息的转录相关问题
1. 转录时，DNA链完全解开吗？ DNA的两条链都可作为模板链吗？
边解旋边转录；
只有一条链可作为模板链。
2. 转录是转录整个DNA吗？
转录不是转录整个DNA，转录以基因为单位进行。
3. 一个DNA分子中某个基因转录时，其他基因是否一定也在进行转录？
一个DNA分子中的两个基因，不一定同时进行转录；同种生物的不同细胞中，由于基因的选择性表达，mRNA的种类和数量一般是不相同的，但tRNA和rRNA的种类一般没有差异。
遗传信息的翻译
翻译：游离在细胞质中的各种氨基酸，以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。
mRNA合成以后，通过核孔进入细胞质中。
实质：将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列。
mRNA：
碱基的数量
蛋白质：
氨基酸的数量
碱基的排列顺序
碱基的种类
氨基酸的排列顺序
氨基酸的种类
4种
21种
决定
决定
决定
碱基与氨基酸的对应关系是怎样的？4种碱基是怎样决定蛋白质的21种氨基酸的呢？
遗传信息的翻译
1个碱基决定一个氨基酸，则能决定：
2个碱基决定一个氨基酸，则能决定：
3个碱基决定一个氨基酸，则能决定：
41=4
42=16
43=64
3个碱基决定一个氨基酸的方式能够满足组成蛋白质的21种氨基酸的需要。
遗传信息的翻译
资料：克里克以T4噬菌体为实验材料，研究其中某个基因的碱基增加或减少对其所编码蛋白质的影响。克里克发现，在相关碱基序列中增加或删除1个或2个碱基，无法产生具有正常功能的蛋白质，但是，当增加或删除3个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。
遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸
克里克是第一个用实验证明遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸的科学家。
这个实验同时表明：遗传密码从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读，密码子之间没有分隔符。
遗传信息的翻译
密码子：mRNA 上 3 个相邻的碱基决定 1 个氨基酸。每 3 个这样的碱基叫作 1 个密码子。
mRNA
5'
3'
G
U
G
G
A
A
C
C
U
密码子
密码子
密码子
遗传信息的翻译
由3个碱基排列成的1个密码子对应的究竟是哪一个氨基酸？
资料：尼伦伯格和马太采用了蛋白质的体外合成技术。他们在每个试管中分别加入一种氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，结果加入苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链。
与苯丙氨酸对应的密码子应该是UUU。
遗传信息的翻译
科学家将64个密码子编制成了密码子表。
注:
在正常情况下，UGA是终止密码子，但在特殊情况下，UGA可以编码硒代半胱氨酸。
在原核生物中，GUG也可以作起始密码子，此时它编码甲硫氨酸。
思考·讨论
1.从密码子表可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子，这一现象称作密码子的简并。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？
从增强密码子容错性的角度来解释，当密码子中有一个碱基改变时，由于密码子的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸；
从密码子的使用频率来考虑，当某种氨基酸使用频率高时，几种不同的密码子都编码同一种氨基酸可以保证翻译的速度。
分析密码子的特点
2.几乎所有的生物体都共用上述密码子。根据这一事实，你能想到什么？
地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码，说明当今生物可能有着共同的起源，或生命在本质上是统一的，等等。
密码子的特点
密码子个数：共64种密码子
密码子种类：
① 2个起始密码子
真核生物只有1种—AUG（编码甲硫氨酸）
原核生物可以有2种—AUG（编码甲硫氨酸）、GUG（编码甲硫氨酸，如果该密码子不作为起始密码子 时，其编码缬氨酸）
② 3个终止密码子
一般情况下3个终止密码子（UAA、UAG、UGA）不决定氨基酸，特殊情况下UGA可以编码硒代半胱氨酸。
一般情况下，决定氨基酸的密码子61种，特殊情况下62种。
密码子的特点
专一性：一种密码子只决定一种氨基酸
简并性：一种氨基酸可由一种或多种密码子决定，可以减少有害突变。简并性使得那些由于基因突变造成的使密码子中碱基被改变，仍然能编码原来氨基酸的可能性大为提高。
通用性：地球上几乎所有生物都共用一套密码子，说明地球上生物有共同起源。
遗传信息的翻译
mRNA进入细胞质后，就与蛋白质的“装配机器”核糖体结合起来，形成合成蛋白质的“生产线”。有了“生产线”，还要有“工人”，才能生产产品。
游离在细胞质中的氨基酸，是怎样被运送到合成蛋白质的“生产线”上的呢
A
C
G
U
G
A
U
U
A
异亮氨酸
甲硫氨酸
谷氨酸
亮氨酸
遗传信息的翻译
tRNA(转运RNA)
tRNA比mRNA小得多，分子结构也很特别：
RNA链经过折叠，看上去像三叶草的叶形，其一端是携带氨基酸的部位，另一端有3个相邻的碱基。
反密码子：每个 tRNA 的这 3 个碱基可以与mRNA上的密码子互补配对，叫作反密码子。
形态结构：
碱基配对
反密码子
种类：
61或62种
数量关系：
1种tRNA只能识别并转运1种氨基酸；
1种氨基酸可由1种或多种tRNA转运。
结合氨基酸的部位
遗传信息的翻译
第1步（起始）：mRNA进入细胞质，与核糖体结合。携带甲硫氨酸的tRNA，通过与碱基AUG互补配对，进入位点1。
5'
3'
遗传信息的翻译
第2步（进位）：携带某个氨基酸的tRNA以同样的方式进入位点2
5'
3'
1
2
遗传信息的翻译
第3步（缩合）：甲硫氨酸与这个氨基酸形成肽键，从而转移到位点2的tRNA上。
1
2
遗传信息的翻译
第4步（移位）：核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子。原位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。
1
2
随着核糖体的移动，tRNA以上述方式将携带的氨基酸输送过来，以合成肽链。直到核糖体遇到mRNA的终止密码子，合成才告终止。
遗传信息的翻译
肽链合成后，就从核糖体与mRNA的复合物上脱离，通常经过一系列步骤，盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子，然后开始承担细胞生命活动的各项职责。
遗传信息的翻译
遗传信息的翻译
在细胞质中，翻译是一个快速高效的过程。通常，一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肤链的合成，因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。
多聚核糖体
方向：肽链 短→长
产物：图中的4个核糖体最终合成的4条肽链相同（模板mRNA相同）
5'
3'
DNA复制、转录和翻译的比较
DNA复制 转录 翻译
场所
模板
原料
酶
能量 原则
特点
产物
信息传递
主要是细胞核
主要是细胞核
细胞质/核糖体
DNA的两条链
DNA的一条链
mRNA
四种脱氧核苷酸
四种核糖核苷酸
21种氨基酸
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
肽酰转移酶
ATP
子代DNA分子
mRNA、tRNA、rRNA
特定氨基酸顺序的肽链
A-T,T-A,C-G,G-C
A-U,T-A,G-C ,C-G
A-U,U-A,G-C,C-G
半保留复制，边解旋边复制
边解旋边转录
一个mRNA可结合多个核糖体同时翻译多条肽链
DNA→DNA
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
中心法则
DNA复制 转录 翻译
信息传递
DNA→DNA
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
DNA
复制
转录
RNA
翻译
蛋白质
中心法则：遗传信息可以从DNA流向DNA，即DNA的复制；也可以从DNA流向RNA，即遗传信息的转录和翻译。
在蛋白质的合成过程完全弄清楚之前，科学家克里克首先预见了遗传信息传递的一般规律，并于1957年提出了中心法则。
中心法则
【资料1】1965年，科学家在RNA病毒里发现了一种RNA复制酶，像DNA复制酶能对DNA进行复制一样，RNA复制酶能对RNA进行复制。
1957年，克里克提出的中心法则所有生物均能适用吗？
复制
RNA
蛋白质
翻译
中心法则
【资料2】1970年，科学家在致癌的RNA病毒中发现逆转录酶，它能以RNA为模板合成DNA。
艾滋病病毒
蛋白质
翻译
转录
DNA
RNA
逆转录
RNA
复制
中心法则
生物种类 遗传信息的传递过程
以DNA作为遗传物质的生物 原核生物
真核生物 DNA病毒 以RNA作为遗传物质的生物 一般RNA病毒
逆转录病毒
翻译
蛋白质
复制
DNA
转录
RNA
复制
RNA
蛋白质
翻译
蛋白质
翻译
转录
DNA
RNA
逆转录
RNA
复制
虚线表示少数生物
的遗传信息的流向
中心法则
在遗传信息的流动过程中，DNA、RNA是信息的载体，蛋白质是信息的表达产物，而ATP为信息的流动提供能量。
生命是物质、能量和信息的统一体
是否所有生物均能发生中心法则的所有过程？
中心法则
请写出以下生物的遗传信息的传递过程：
（1）根尖分生区细胞
（2）洋葱表皮细胞
中心法则
注意：
(1)中心法则的所有过程并不适用于所有生物，但所有生物均能发生一部分过程。
(2)DNA合成过程既包括DNA复制过程，也包括在逆转录酶作用下以RNA为模板合成DNA的过程。
(3)中心法则的5条信息传递途径都遵循碱基互补配对原则，但配对的碱基有差别。　
DNA、RNA的碱基和氨基酸的数量关系
DNA、RNA的碱基和氨基酸的数量关系
DNA的碱基数：mRNA的碱基数：蛋白质中氨基酸数＝6n:3n:n=6:3:1
说明：因为DNA中有的片段无遗传效应，不能转录出mRNA；转录出的mRNA中有终止密码子，终止密码子不对应氨基酸，所以实际上基因（DNA）上所含有的碱基数要大于6n，或氨基酸数目小于n。因此一般题目中带有“至少”或“最多”字样。
练习与应用
一、概念检测
1．基因的表达包括遗传信息的转录和翻译两个过程。判断下列相关表述是否正确。
（1）DNA转录形成的mRNA，与母链碱基的组成、排列顺序都是相同的。（ ）
（2）一个密码子只能对应一种氨基酸，一种氨基酸必然有多个密码子。（ ）
×
×
练习与应用
2．密码子决定了蛋白质的氨基酸种类以及翻译的起始和终止。密码子是指（ ）
A．基因上3个相邻的碱基
B．DNA上3个相邻的碱基
C．tRNA上3个相邻的碱基
D．mRNA上3个相邻的碱基
D
练习与应用
红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物能够抑制细菌的生长，它们的抗菌机制如下表所示，请结合本节内容说明这些抗菌药物可用于治疗疾病的道理。
二、拓展应用
题中的三种抗生素都是通过阻止遗传信息的传递和表达，来干扰细菌蛋白质的合成，进而抑制细菌生长的。具体而言，红霉素影响翻译过程，环丙沙星影响复制过程，利福平影响转录过程。

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