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4.1 基因指导蛋白质的合成
电影《侏罗纪公园》中恐龙复活的场景
基因指导蛋白质的合成
小资料
DNA能否直接作为模板指导蛋白质的合成？
1953年7月的一天,沃森和克里克收到了一封信，这封信来著名的理论和天文物理学家伽莫夫。在信中，他表示他对 DNA如何控制蛋白质的合成非常感兴趣，并且还提出了自己的设想。
他认为：DNA本身就是蛋白质合成的直接模板。
基因指导蛋白质的合成
核糖体
DNA
推测：
DNA与蛋白质之间，必有一种物质充当信使。
蛋白质
DNA能否直接作为模板指导蛋白质的合成？
DNA在细胞核中，而合成蛋白质的机器——核糖体位于细胞质中。所以DNA不适合作为蛋白质合成的直接模板。
基因指导蛋白质的合成
小资料
1955年，布拉舍用RNA酶分解变形虫细胞中的RNA，蛋白质合成停止。
1955年，拉斯特 用已标记尿嘧啶核苷酸的培养液变形虫细胞，检测发现该标记先出现在细胞核，随后出现在细胞质。
死亡
说明：蛋白质合成与RNA有关
说明：RNA先出现在细胞核，后出现在细胞质
基因指导蛋白质的合成
蛋白质
DNA
蛋白质
RNA
转录
翻译
RNA的特点？
基因的表达
DNA
DNA与RNA的比较
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
基因指导蛋白质的合成
A T C G
脱氧核苷酸
核糖核苷酸
A U C G
脱氧核糖
双链结构
多为单链结构
核糖
细胞质
细胞核
1. 定义：
在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的，这一过程叫做转录。
2. 主要场所：
细胞核
3. 过程：
解旋
配对
连接
释放
一、遗传信息的转录
转录过程
U
A
A
G
U
C
C
C
T
T
G
G
A
A
A
游离的核糖核苷酸
RNA聚合酶
mRNA
DNA
1. 解旋
RNA聚合酶与编码蛋白质的一段DNA结合，使DNA双链解开，碱基暴露出来。
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。
新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上。
4. 释放
3. 连接
2. 配对
合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双螺旋恢复。
一、遗传信息的转录
4. 条件：
① 模板：
② 原料：
③ 酶：
④ 能量：
DNA的一条链（DNA分子特定的片段）
4种游离的核糖核苷酸
RNA聚合酶
ATP
5. 产物：
RNA
6. 碱基配对方式：
A
U
C
G
T
A
G
C
mRNA（信使RNA）
在细胞中，充当DNA和蛋白质之间的信使传递遗传信息，作为翻译的模板。
tRNA（转运RNA）
运输特定氨基酸，与mRNA配对识别密码子。
rRNA（核糖体RNA）
参与核糖体的构成。
RNA的种类
一、遗传信息的转录
一、遗传信息的转录
7. 特点：
边解旋边转录
8. 转录方向：
RNA新链的延伸也是从5’-端到3’-端，RNA与模板链反向连接
判断出转录方向并写出下列DNA和RNA的3’-端和5’-端
3’
转录方向：
与RNA聚合酶的运动方向相同
5’
5’
3’
5’
3’
★写出以b链为模板转录形成的mRNA碱基序列
★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
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？
G C T T G G A G T G C G
G C U U G G A G U G C G
转录成的RNA的碱基序列与b链（DNA模板链）的碱基序列是互补配对的；
转录成的RNA的碱基序列与a链（非模板链）的碱基序列的区别是RNA链上的碱基U，对应在非模板链上的碱基是T。
mRNA在细胞核中合成后，到达细胞质的过程中，共穿过几层磷脂分子层（ ）
A
A．0 B．2
C．4 D．6
2．在下列的转录简式中有核苷酸（ ）
DNA: --A--T--G--C--
RNA: --U--A--C--G—
A．4种 B．5种
C．6种 D．8种
D
习题反馈
3．mRNA上有25％的腺嘌呤，35％的尿嘧啶，则转录该mRNA的DNA分子上腺嘌呤占碱基总数的（ ）
A．50% 　　　　　　 B．25%
C．30%　　　　　　　D．35%
C
mRNA 25%A 　35%U
DNA模板链 25%T 　35%A
DNA非模板链 25%A 　35%T
整个DNA双链 A+T=25%+35% 即A=T=30%
习题反馈
注意：
1、不是所有的细胞都能进行DNA的复制，但是几乎所有的细胞可以进行转录，例如高度分化的细胞，会进行转录和翻译，但是不会进行DNA的复制；
2、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。
基因指导蛋白质的合成
转录的原料是 ，模板是 ，真核生物DNA转录的主要场所 ，转录的结果是 。
温故知新
游离的4种核糖核苷酸
DNA分子的一条链
细胞核
RNA
DNA
蛋白质合成
细胞核
细胞质
核孔
RNA
1、翻译的概念：
翻译
转录
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，称为遗传信息的翻译。
二、遗传信息的翻译
2. 主要场所：
核糖体
mRNA上的碱基(4种)和氨基酸(21种)之间是如何对应的 ？几个碱基决定一种氨基酸 ？
一个碱基决定一种氨基酸：
4种碱基可以决定4种氨基酸，明显不够。
二个碱基决定一种氨基酸：
4种碱基可以决定4×4＝16种氨基酸，还差一点。
三个碱基决定一种氨基酸：
4种碱基可以决定4×4×4＝64种氨基酸，绰绰有余。
二、遗传信息的翻译
上世纪50～60年代，DNA分子结构的发现者克里克研究表明：在T4噬菌体的相关碱基序列中增加或者删除一个碱基，无法产生正常功能的蛋白质；增加或删除两个碱基，也不能产生正常功能的蛋白质；但是，当增加或者删除三个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。
克里克T4噬菌体实验
为什么DNA上删掉三个碱基，对噬菌体合成蛋白质无影响，删掉一个或两个碱基，影响却那么大？
二、遗传信息的翻译
删掉一个：
Tef atc ata tet heb igr at.
删掉二个：
Tfa tca tat eth ebi gra
删掉三个：
fat cat ate the big rat.
试着插入或删去其中的一个、两个和三个字母，看删除后的语意会有什么变化？
The fat cat ate the big rat.
为什么DNA上删掉三个碱基，对噬菌体合成蛋白质无影响，删掉一个或两个碱基，影响却那么大？
类比推理可得知：出现上述现象的原因是，DNA转录形成的mRNA上每三个碱基决定一个氨基酸。
1961年8月，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用人工合成的RNA在试管里合成多肽链的实验系统，其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分。
Tyr
Ser
Phe
Cys
Tyr
Ser
Phe
Cys
各管加入多聚
尿嘧啶核苷酸
Tyr
利用这个实验系统，破译了第一个遗传密码——UUU(苯丙氨酸) 。
概念：
3、密码子
科学家沿着蛋白质合成的思路，不断改进实验方法，终于破译全部64个密码子，并将64个密码子编制成了表格。称为密码子表。
mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。
二、遗传信息的翻译
起始密码子：
决定氨基酸的密码子：
终止密码子：
3种，UAA、UGA、UAG,不编码氨基酸，只是终止信号
2种，AUG、GUG，也编码氨基酸
61种
3、密码子
二、遗传信息的翻译
简并性：
意义：增强密码子的容错性。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。
专一性：
通用性：
说明地球上生物有共同起源。
密码子的特点：
一种密码子决定一种氨基酸；
一种氨基酸可由多种密码子决定；
几乎所以生物共用一套遗传密码；
二、遗传信息的翻译
二、遗传信息的翻译
4、翻译的过程
第一步 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。
氨基酸的搬运工——tRNA
反密码子
密码子
5’
3’
氨基酸
A
A
G
（1）tRNA比mRNA小得多。
（3）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。
（2）RNA链经过折叠，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。
mRNA
二、遗传信息的翻译
氨基酸的搬运工——tRNA
反密码子
密码子
5’
3’
氨基酸
A
A
G
mRNA
（61种反密码子）
tRNA
（64种密码子）
mRNA
氨基酸
（20种）
运输
编码
互补配对
mRNA、tRNA和氨基酸之间的对应关系
二、遗传信息的翻译
二、遗传信息的翻译
第二步 携带某个氨基酸的tRNA以同样的方式进入位点2。
4、翻译的过程
二、遗传信息的翻译
第三步 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。
4、翻译的过程
二、遗传信息的翻译
第四步 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。
核糖体沿着mRNA移动---5'至3'端
4、翻译的过程
二、遗传信息的翻译
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。
核糖体沿着mRNA移动---5'至3'端
4、翻译的过程
5、翻译的条件：
① 模板：
② 原料：
③ 酶：
④ 能量：
⑤工具：
⑥装配机器：
mRNA
游离的氨基酸
多种酶
ATP
tRNA
核糖体
6、翻译的结果：
多肽链
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。
7、碱基配对方式：
A
U
C
G
U
A
G
C
二、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，同时进行多条肽链的合成。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——高效翻译的机制
二、遗传信息的翻译
原核、真核生物转录与翻译的区别
原核生物基因组转录和翻译可同时进行（边转录边翻译）。
真核生物由于核膜的阻隔，所以是先转录完成后，再进行翻译。
DNA复制
转录
翻译
时间
场所
模板
原料
条件
原则
特点
产物
信息传递
细胞分裂间期
主要是细胞核
DNA的两条链
4种脱氧核苷酸
解旋酶，DNA聚合酶等
A-T、T-A、C-G、G-C
半保留复制、边解旋边复制
2个子代DNA分子
DNA→DNA
蛋白质
生长发育过程
主要是细胞核
DNA的一条链
4种核糖核苷酸
RNA聚合酶等
边解旋边转录
RNA
生长发育过程
细胞质（核糖体）
mRNA
20种氨基酸
tRNA、酶等
多核糖体翻译蛋白质
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
A-U、T-A、C-G、G-C
比较真核细胞中DNA复制、转录、翻译
A—C—U—G—G—A—U—C—U
mRNA：
苏氨酸——甘氨酸——丝氨酸
肽链：
DNA：
A—C—T—G—G—A—T—C—T
T—G—A—C—C—T—A—G—A
肽键 肽键
（假设以B链为模板进行转录）
A链
B链
转录
翻译
基因的表达过程中碱基与氨基酸的数量关系
基因中的碱基数：mRNA中的碱基数：蛋白质中的氨基酸数 ＝
6∶3∶1
思考 讨论

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