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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　
基因表达：基因通过指导蛋白质的合成来控制性状的过程
绿色荧光
绿色荧光蛋白
绿色荧光蛋白基因
遗传信息储存在细胞核的DNA中
蛋白质的合成发生在核糖体
充当信使的中间物质---RNA
基因主要通过指导蛋白质的合成来控制性状
转录
翻译
01
遗传信息的转录
比较DNA和RNA
为什么RNA适于做DNA的信使呢？
总结RNA适于做DNA的信使的条件：
RNA与DNA的结构相似，可以储存遗传信息；
RNA一般是单链比DNA短，能够通过核孔转移到细胞质中。
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 遗传信息传递的媒介
转运氨基酸的工具
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都是转录产物②基本单位相同③都与翻译过程有关
RNA的种类
RNA中不存在氢键？

1.转录的概念：在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成RNA的过程。
一、遗传信息的转录
2.转录的过程
RNA聚合酶将DNA双链解开，碱基暴露出来
第一步
游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对
第二步
在RNA聚合酶的作用下，新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的RNA分子上
第三步
合成的RNA从DNA链上释放，而后DNA双螺旋恢复
第四步
3
3
5
5
5
RNA与模板链是反向的
碱基互补配对
主要在细胞核
4种游离的核糖核苷酸
DNA的一条链
RNA聚合酶（1.解旋2.催化磷酸二酯键的形成）
A－U、T－A、G－C、C－G
4.场所：
6.原则：
模板：
5.条件：
3.时间：
个体发育的任何时期
一、遗传信息的转录
原料：
酶：
能量：
ATP等
7.转录的产物：
单链RNA（mRNA rRNA tRNA)
8.意义：
使遗传信息从DNA转移至RNA，为翻译过程提供模板mRNA。
转录与DNA复制有什么异同点？
不同点：
相同点：
都需要模板、酶、能量等；
边解旋边复制，边解旋边转录；
都遵循碱基互补配对原则，碱基互补配对规律能够保证遗传信息传递的准确性；
DNA复制 转录
模板 DNA的两条链 DNA中的一条链
原料 4种游离的脱氧核苷酸 4种游离的核糖核苷酸
酶 解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶
碱基对 A-T、T-A 、G-C 、C-G A-U、T-A 、G-C 、C-G
产物 两个双链DNA分子 单链RNA
按照碱基配对原则
1.写出以b链为模板转录形成的mRNA碱基序列，
2.写出b链对应的a链的碱基序列。
DNA双链片段 a链
b链 C G A A C C T C A C G C
信使RNA
比较mRNA和b链，以及mRNA和a链的碱基序列的差异。
G C T T G G A G T G C G
G C U U G G A G U G C G
思考与讨论
与模板链：碱基互补配对
与非模板链：碱基序列基本相同（T变成U）
mRNA携带的遗传信息
蛋白质
碱基排序
氨基酸排序
DNA携带的遗传信息
碱基排序
转录
翻译
02
遗传信息的翻译
翻译的概念：
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序列的蛋白质，这一过程叫作翻译。
二、遗传信息的翻译
mRNA携带的遗传信息
蛋白质
碱基排序
氨基酸排序
翻译
4种
21种
实质
如1个碱基决定1个氨基酸 　　　 决定4种氨基酸
如2个碱基决定1个氨基酸　 　　决定16种氨基酸
如3个碱基决定1个氨基酸　 　 　碱基组合有64种　　　　　　　　　　　
思考：mRNA上的4种碱基怎么决定蛋白质的21种氨基酸？
密码子：信使RNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基。
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U
苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C
亮氨酸 丝氨酸 终止 终止、硒代半胱氨酸 A
亮氨酸 丝氨酸 终止 色氨酸 G
C 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U
亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G
A 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U
异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C
异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A
甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 G
G 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U
缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C
缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A
缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G
密码子（共64个）
起始密码子：
2种：AUG、GUG
终止密码子：
3种：UAA、UGA、
UAG,一般不编码氨基酸
普通密码子：
59种：只编码氨基酸
注意：1.特殊情况下，UGA可编码硒代半胱氨酸；
2.原核生物中，GUG可作为起始密码子，编码甲硫氨酸。
能决定氨基酸的密码：
61个
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性。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？
分析密码子的特点
思考·讨论
1.当密码子中有一个碱基改变时，由于密码的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸。
2.当某种氨基酸使用频率高时，几种不同的密码子都编码一种氨基酸，可以保证翻译的速度。
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？
分析密码子的特点
思考·讨论
地球上几乎所有的生物共用一套密码子表。说明所有生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的。
通用性
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？
tRNA：
(1)形态：
RNA链经过折叠，形成三叶草形
3'
5'
(2)功能特点：
识别密码子，转运氨基酸。（每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。每种氨基酸可由一种或几种tRNA转运）
结合氨基酸的部位
碱基配对
mRNA
5'
3'
A
C
U
密码子
U
G
A
反密码子
位于tRNA上，其实质是与密码子发生碱基互补配对的3个相邻的碱基。
第1步 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。
第2步 携带某个氨酸的tRNA以同样的方式进入位点2 。
第3步 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。
图中M表示甲硫氨酸，H和W表示其他不同的氨基酸
2.翻译过程
第4步 核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子，原占位点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
就这样，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
2.翻译过程
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
翻译的概念？
1
翻译的场所？
2
翻译的模板？
3
翻译的原料？
4
翻译的条件？
5
翻译的碱基配对方式？
6
翻译的产物？
7
遗传信息传递的方向？
8
细胞质中的核糖体上
mRNA
21种氨基酸
模板、原料、能量、酶、tRNA等
A-U，U-A，G-C，C-G
多肽，经加工后成为成熟的蛋白质
RNA 蛋白质
二、遗传信息的翻译
多聚核糖体
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，同时进行多条肽链的合成（如左图），因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。
核糖体移动方向
多聚核糖体上形成的多条肽链相同吗？
DNA上遗传信息、密码子、反密码子的对应关系
DNA碱基总数：mRNA碱基数：多肽链氨基酸数=
6：3：1
例：如mRNA上有n个碱基，转录时产生它的基因片段中至少有________个碱基，该mRNA指导合成蛋白质中至多有________个氨基酸。
2n
n/3
真核生物：
先转录，后翻译
DNA
mRNA
边转录边翻译
原核生物：
真核细胞与原核细胞转录与翻译的区别
03
中心法则
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 ，进而流向蛋白质，即遗传信息的转录和翻译。
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
RNA
中心法则的完善：
1965年，科学家在RNA病毒里发现了一种RNA复制酶，它能对RNA进行复制。
1970年，在致癌的RNA病毒中发现逆转录酶，它能以RNA为模板合成DNA。
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
复制
RNA
逆转录
中心法则图解（虚线表示少数生物的遗传信息的流向）
生物种类 遗传信息的传递过程
原核生物
真核生物
DNA病毒
RNA复制病毒
逆转录病毒
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
复制
RNA
翻译
蛋白质
逆转录
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
复制
RNA
不同生物遗传信息传递途径：
蛋白质是信息的表达产物
DNA、RNA是信息的载体
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
随堂练习
×
参与翻译的RNA有____种
DNA中有氢键，RNA中无氢键（ ）
转录只能在细胞核中进行（ ）
转录和翻译过程中碱基配对方式完全相同（ ）
一种氨基酸一定由多种tRNA转运（ ）
一种氨基酸只能有一种密码子决定（ ）
RNA酶就是具有催化作用的RNA分子（ ）
转录时RNA聚合酶的识别位点在RNA分子上（ ）
DNA的复制和转录过程一定都需要解旋酶（ ）
×
×
×
×
一种或多种
×
×
×
3
易错判断　　
(1)一个DNA分子上有很多基因，转录是以基因的一条链为模板的。( )
(2)转录与DNA复制都遵循碱基互补配对原则，且配对方式相同。( )
(3)由于基因选择性表达，一个DNA分子在不同细胞内转录出来的mRNA不完全相同。( )
(4)三种RNA均由DNA转录而来。( )
(5)RNA聚合酶具备解旋的功能。( )
(6)不同种类的细胞，mRNA的种类和数量不同，但tRNA和rRNA种类一般无差异。( )
×
√
√
√
√
√
√
易错判断二　　
(1)tRNA中只含有三个含氮碱基。( )
(2)细胞中能运输氨基酸的物质，其化学本质为蛋白质。( )
(3)3种RNA都参与翻译过程，只是作用不同。( )
(4)翻译过程中mRNA并不移动，只是核糖体沿mRNA移动。( )
(5)转录和翻译过程都有A—U和T—A的配对。( )
×
×
√
√
×
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。 （×）
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 （D）
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
二、拓展应用
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。
【提示】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。
小结
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。
遗传密码子的破译
除去DNA和mRNA的细胞提取液
人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸
肽链
实验结论：
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。

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