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第4章 基因的表达
第1节 基因指导蛋白质的合成
一、基因指导蛋白质的合成1、DNA与RNA分子的比较比较项目DNARNA空间结构基本单位五碳糖含氮碱基磷酸存在部位脱氧核苷酸核糖核苷酸脱氧核糖核糖规则的双螺旋结构常为单链结构主要分布于细胞核，其次线粒体、叶绿体主要分布于细胞质基质,线粒体,叶绿体,核糖体;少量分布于细胞核腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)磷 酸胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）☆产生途径功能储存、传递、表达遗传信息mRNA:tRNA：rRNA：RNA：DNA复制、逆转录转录、RNA复制转录遗传信息,翻译的直接模板识别并转运特定的氨基酸；是核糖体的组成成分。作为酶，有些RNA病毒的遗传物质指在中，以DNA的为模板，按照原则，合成的过程。2、遗传信息的转录细胞核一条链碱基互补配对RNA5'5'3'3'3'5'以DNA为模板转录RNA的过程RNA聚合酶游离的核糖核苷酸DNA转录的方向第1步RNA聚合酶与编码这个蛋白质的一段DNA结合，使DNA双链解开，碱基暴露出来第2步 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的合成第3步 新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上第4步 合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双螺旋恢复mRNA模板链或反义链编码链或有义链以DNA为模板转录RNA的过程DNA:A T C G︳ ︳ ︳ ︳mRNA:指在细胞核中，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。场所：模板：原料：产物：原则：能量：酶：主要在细胞核DNA的一条链4种核糖核苷酸碱基互补配对原则mRNA/tRNA/rRNAATPRNA聚合酶(不需要解旋酶)等DNA上的遗传信息就传递到mRNA上。2、遗传信息的转录一、基因指导蛋白质的合成UAGC转录方向：5'端向3'端延伸合成以后，通过进入细胞质，游离在细胞质中的各种，以 为模板，合成具有一定氨基酸顺序的的过程。3、遗传信息的翻译★(1)密码子：遗传学上把上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基，叫做一个密码子。（含起始密码子、终止密码子）★(2)tRNA（转运RNA）：可以将氨基酸转移到核糖体中。一、基因指导蛋白质的合成mRNA核孔氨基酸mRNA蛋白质mRNA(3)遗传密码的破译
DNA和RNA都只有4种碱基
组成生物体蛋白质的氨基酸有21种
如何控制
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G U 苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 酪氨酸 酪氨酸 终止 终止 半胱氨酸 半胱氨酸 终止、硒代半胱氨酸① 色氨酸 U
C
A
G
C 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 U
C
A
G
A 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸(起始) 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 U
C
A
G
G 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸、甲硫氨酸(起始②) 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 U
C
A
G
注:①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。 ②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。
第1个字母 第2个字母 第3个字母 密码子
苯丙氨酸 U U U UUU
(3)遗传密码的破译1961年,克里克第一个用实验（T4噬菌体）证明了mRNA上的遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸。(课本P70)1961年，尼伦伯格和马太破译了第一个遗传密码---苯丙氨酸(UUU)。第一个碱基第二个碱基第三个碱基UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸酪氨酸酪氨酸终止终止半胱氨酸半胱氨酸终止、硒代半胱氨酸①色氨酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸组氨酸组氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸(起始)苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸天冬酰胺天冬酰胺赖氨酸赖氨酸丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸UCAGG缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸、甲硫氨酸(起始②)丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG注:①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。②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。第1个字母第2个字母第3个字母 密码子苯丙氨酸UUU UUU密码子总数种，但通常决定氨基酸的密码子是种，____个是终止密码子，个起始密码子。646131原核生物中，起始密码子有个;特殊情况下能够决定氨基酸的密码子最多有个。1种氨基酸可能由1种或几种密码子决定。1种密码子只能决定1种氨基酸或代表终止信号。262遗传密码子的破译
1961年克里克实验
实验材料：T4噬菌体
实验思路：研究其中某个基因的碱基增加或减少对其编码蛋白质的影响
实验过程：增加或删除1个/2个/3个碱基，观察是否能正常产生蛋白质。
实验结果：
①增加或删除1个/2个碱基,无法正常产生蛋白质；
②增加或删除3个碱基，可以正常产生蛋白质。
实验结论：遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸。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。
1961年蛋白质的体外合成实验
科学家：尼伦伯格、马太
实验技术：蛋白质的体外合成技术
实验过程：
①在每个试管中分别加入1种氨基酸；
②在每个试管中加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液；
③在每个试管中加入人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸。
实验结果：加入苯丙氨酸的试管中，出现了多聚苯丙氨酸的肽链。
科学史话
除去DNA和mRNA的细胞提取液
多聚尿嘧啶核苷酸
肽链
与苯丙氨酸对应的密码子是UUU（第一个被破译的密码子）。
在多位科学家的不断实验下，终于破译了全部64密码子，并编制出密码子表。
相邻的密码子无间隔、不重叠
提供翻译的模板
提供翻译所需的其他条件
提供原料
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？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？思考 讨论密码子简并性①增加容错性：由于密码子的简并性，当密码子中有一个碱基改变时，可能并不会改变其对应的氨基酸;②保证翻译的速度：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。说明当今生物可能有着共同的起源。或说明生命在本质上是统一的。【例1】（2020·全国高考真题）细胞内有些tRNA分子的反密码子中含有稀有碱基次黄嘌呤（I），含有I的反密码子在与mRNA中的密码子互补配对时，存在如图所示的配对方式（Gly表示甘氨酸）。下列说法错误的是（ ）A．一种反密码子可以识别不同的密码子B．密码子与反密码子的碱基之间通过氢键结合C．tRNA分子由两条链组成，mRNA分子由单链组成D．mRNA中的碱基改变不一定造成所编码氨基酸的改变C【例2】如下图为翻译过程中搬运原料的工具tRNA，其反密码子的读取方向为“3′端→5′端”，其他数字表示核苷酸的位置。如表所示为四种氨基酸对应的全部密码子。下列相关叙述，正确的是(　　)A.转录过程中也需要搬运原料的工具B.该tRNA中含有氢键，由一条链构成C.该tRNA在翻译过程中可搬运脯氨酸D.氨基酸与反密码子都是一一对应的B密码子UGGGGU、GGAGGG、GGCACU、ACAACG、ACCCCU、CCACCG、CCC氨基酸色氨酸甘氨酸苏氨酸脯氨酸翻译的过程少数mRNA可迅速合成大量相同的蛋白质。翻译的过程【例2】如图是两种细胞中主要遗传信息的表达过程。据图分析，下列叙述中不正确的是(　　)A．两种表达过程均主要由线粒体提供能量，由细胞质提供原料B．甲没有核膜围成的细胞核，所以转录、翻译同时发生在同一空间内C．乙细胞的基因转录形成的mRNA需要通过核孔才能进入细胞质D．甲、乙细胞均需要RNA聚合酶A原核细胞真核细胞【例3】真核生物细胞内存在着种类繁多、长度为21～23个核苷酸的小分子RNA(简称miR)，它们能与相关基因转录出来的mRNA互补，形成局部双链。由此可以推断这些miR抑制基因表达的分子机制是(　　)A.阻断rRNA装配成核糖体B.妨碍双链DNA分子的解旋C.干扰tRNA识别密码子D.影响RNA分子的远距离转运【例4】胰岛素合成的起始密码子与甲硫氨酸密码子都是AUG，但胰岛素第一位氨基酸却不是甲硫氨酸，这是分子加工修饰的结果。下列有关胰岛素合成的叙述正确的是(　　)A.胰岛素合成过程中作为模板的只有DNAB.胰岛素的形成过程中既有肽键的形成也有肽键的水解C.胰岛素的氨基酸序列是由胰岛素基因的碱基序列直接决定的D.胰岛素合成过程的催化需要有DNA聚合酶和RNA聚合酶的参与CB过程DNA复制转录翻译时间场所原料模板能量酶产物特点实质★4、DNA复制、转录、翻译过程的比较(主要）细胞核、拟核4种核糖核苷酸4种脱氧核苷酸DNA中的一条链DNA的两条链ATPATP一条RNA两个完全相同的子代DNA分子遗传信息的传递遵循碱基互补配对原则（A-T、A-U、C-G）RNA聚合酶解旋酶DNA聚合酶细胞质中的核糖体21种氨基酸mRNAATP具有一定氨基酸排列顺序的蛋白质多种酶细胞分裂间期生物个体生长发育的整个过程遗传信息的表达病毒的增殖和表达(1)这一过程需要的条件：模板是___________________，原料_______________，______(填“需要”或“不需要”)能量。(2)翻译进行的场所是__________。(3)这说明＋RNA的作用最类似于人体的________。新型冠状病毒的＋RNA游离的各种氨基酸需要宿主细胞的核糖体mRNA【例5】新型冠状病毒为单股正链RNA病毒，用＋RNA表示。右图表示新型冠状病毒的增殖和表达。新型冠状病毒的＋RNA进入细胞后，首先翻译为RNA聚合酶。5、遗传信息、密码子、反密码子遗传信息密码子反密码子概念位置作用联系DNA(基因)中脱氧核苷酸(碱基对)排列顺序mRNA中决定一个氨基酸的三个相邻的碱基tRNA中与密码子互补配对的三个碱基在DNA(基因)上在mRNA上在tRNA上从根本上决定氨基酸的排列顺序(间接作用)密码子的排列顺序直接控制蛋白质的氨基酸排列顺序(直接作用)与相应的密码子互补配对遗传信息是指基因中的脱氧核苷酸排列顺序，经过转录后，遗传信息就传递到mRNA的核糖核苷酸的排列顺序上。mRNA上密码子的排列顺序直接控制蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，反密码子则直到识别密码子的作用。【例7】仔细观察两图回答：(1)两图显示的是何种生理过程？它们有何差异？_____________(2)大肠杆菌可进行上述哪个过程，图1还是图2 ____(3)两图中a～f分别是什么物质或结构？__________(4)针对图1分析：①图1中翻译方向如何？判断依据是什么？②图示信息显示一条mRNA可结合多个核糖体，其意义何在？③图中多条多肽链其氨基酸序列是否相同？为什么？它们是否具生物学活性？两图的区别在于图1所示转录、翻译过程有“时空”差异，即转录在细胞核，时间在前；翻译在核糖体，时间在后。图2所示转录、翻译同时进行。转录和翻译图2mRNA核糖体多肽链DNAmRNARNA聚合酶①方向为从左向右，判断依据是多肽链的长短，长的翻译在前。②意义为少量的mRNA分子可以迅速合成出大量的蛋白质。③图中多条肽链应相同，因为其模板mRNA相同。由于合成的仅是“多肽链”，要形成蛋白质还需要运送至内质网、高尔基体等结构中进一步加工，形成特定空间结构后方可具备生物学活性。6、中心法则的提出及其发展【例8】病毒遗传信息的传递过程。(1)图1为新型冠状病毒侵染人体细胞的过程示意图，请结合中心法则写出新型冠状病毒遗传信息的传递过程。(2)图2为HIV侵染T淋巴细胞的过程示意图，请结合中心法则写出HIV遗传信息的传递过程。一、基因指导蛋白质的合成(3)HIV的遗传信息传递过程与新型冠状病毒有何不同？(4)以下是一些抗菌药物的抗菌原理，哪些可能是治疗新型冠状病毒感染的潜在药物？并说明理由。环丙杀星：抑制DNA解旋酶的活性阿比多尔：广谱抗病毒药物，其作用部位是病毒与宿主细胞膜融合部位，阻止病毒融合瑞德西韦：具有抑制RNA合成酶的作用青霉素：抑制细菌细胞壁的合成HIV是逆转录病毒，新型冠状病毒是RNA病毒，新型冠状病毒没有逆转录、DNA的复制和转录过程。(4)新型冠状病毒是RNA病毒，瑞德西韦具有抑制RNA合成酶的作用，阿比多尔能阻止病毒与细胞融合，两者可能是治疗新型冠状病毒感染的潜在药物；RNA病毒没有细胞壁和逆转录过程，青霉素和环丙杀星对RNA病毒没有作用。【课本P69】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。抗菌药物抗菌机制红霉素能与核糖体结合，抑制肽链的延伸环丙沙星抑制细菌DNA的复制利福平抑制细菌RNA聚合酶的活性通过阻止遗传信息的传递和表达，抑制细菌增殖。红霉素影响翻译，环丙沙星影响复制，福利平影响转录。遗传信息的传递规律，即流动方向（1）内容:（2）表示形式:转录翻译复制逆转录DNARNA蛋白质复制6、中心法则的提出及其发展一、基因指导蛋白质的合成生物种类遗传信息的传递过程真、原核生物DNA病毒RNA复制病毒逆转录病毒分裂的细胞不分裂的细胞转录DNARNA翻译蛋白质复制转录DNARNA翻译蛋白质转录DNARNA翻译蛋白质复制复制RNA翻译蛋白质逆转录转录DNARNA翻译蛋白质复制RNA分析各种生物的遗传信息的传递过程：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，可见，生命是物质、能量和信息的统一体。【例9】如图甲、乙、丙表示细胞内正在进行的新陈代谢过程，据图分析下列表述中，不恰当的是(　　)A.正常人体细胞内不会进行4、6、7过程B．1、4、6、8、10过程均需要核糖核苷酸作为原料C．1过程需要RNA聚合酶参与，3过程需要DNA聚合酶参与D．病毒体内不能单独进行图甲、乙或丙所代表的新陈代谢过程B图甲 图乙 图丙2、一段原核生物的mRNA通过翻译可合成一条含有11个肽键的多肽，则此mRNA分子至少含有的碱基个数及合成这段多肽需要的tRNA个数依次为A.33 11 B.36 12 C.12 36 D.11 36B1、tRNA与mRNA碱基互补配对现象可出现在真核细胞的A.细胞核中B.核糖体上C.中心体上D.核孔处B3、在一个DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基数目的54%，其中一条链中鸟嘌呤、胸腺嘧啶分别占该链碱基总数的22%和28%，则由该链转录的信使RNA中鸟嘌呤占碱基总数的A．24%　B．22%　C．26%　D．23%AA+T=54%G+C=46%22%28%26%24%T1A1C1G1课堂练习4、如下图所示，给以适宜的条件各试管均有产物生成，则能生成DNA的试管是( )A.a和d B.b和e C.只有b D.只有cADNA复制转录RNA复制逆转录翻译

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