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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
新教材 人教版 必修二
目
录
一、RNA
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
三、中心法则
问题探讨
练习与应用
核糖体
DNA
蛋白质
问题探讨
核孔
实现核质之间频繁的物质交换和信息交流
DNA(基因）
主要存在于细胞核中
蛋白质的合成
在细胞质中的核糖体上进行
信使
信使
核糖体
DNA
蛋白质
问题探讨
信使
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。
资料3：1961年，布伦纳、雅各布、梅瑟生，用噬菌体侵染细菌，在培养基中添加含14C标记的尿嘧啶，培养一段时间后，裂解细菌分离出RNA与核糖体，分离的RNA含有14C标记，把得到的RNA分子分别与细菌的DNA和噬菌体的DNA杂交，发现RNA可与噬菌体的DNA形成DNA-RNA双链杂交分子，不能与细菌的DNA结台。
新合成的RNA是以噬菌体的DNA为模板合成的
RNA充当了DNA的信使
1.中文名称：
2.基本单位：
核糖核酸
4种核糖核苷酸
一、RNA
腺嘌呤核糖核苷酸
鸟嘌呤核糖核苷酸
胞嘧啶核糖核苷酸
尿嘧啶核糖核苷酸
3.RNA与DNA在化学组成上的主要区别：
（1）五碳糖不同：RNA的五碳糖是核糖，DNA的五碳糖是脱氧核糖；
（2）碱基不完全相同：RNA的碱基组成中没有T，而有U，DNA与之相反；
科学家常用同位素分别标记胸腺嘧啶脱氧核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸来研究DNA、RNA的动态变化；
DNA
胸腺嘧啶(T)
RNA
尿嘧啶(U)
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G)
胞嘧啶(C)
脱氧核糖
核糖
磷酸
一、RNA
种 类 DNA RNA
组 成 部 分 碱基
磷酸 五碳糖
全 称
基本组成单位
空间结构
分布（真核细胞）
特有：T
特有：U
共有： A、G、C
都有磷酸
脱氧核糖
核糖
脱氧核糖核酸
核糖核酸
脱氧核苷酸
核糖核苷酸
多为规则双螺旋结构
多为单链
细胞核（主要）
线粒体、叶绿体
细胞质（主要）
一、RNA
3.RNA与DNA在化学组成上的主要区别：
mRNA——信使RNA（细胞核、细胞质）
翻译的模板，将遗传信息从细胞核传递到细胞质
tRNA——转运RNA（细胞质）
rRNA——核糖体RNA（核糖体）
识别mRNA上的密码子并转运氨基酸
核糖体的组成成分
一、RNA
4.种类
(1)由核苷酸组成，含A、G、C、U ，具备准确传递遗传信息的可能。
(2)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。
(3)RNA与DNA互补配对时，也遵循“碱基互补配对原则”，因此
以mRNA为媒介可将遗传信息传递到细胞质中。
一、RNA
5.RNA适于作DNA的信使的原因
(4)一般为单链，不稳定，易降解，使完成使命的RNA能迅速被降解，
保证生命活动的有序进行。
①作为RNA病毒的遗传物质
②某些RNA具有催化作用（核酶）
结合学过的内容,归纳RNA的作用还有哪些
（1）含义：
通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成RNA的过程。
（2）场所：
（3）条件：
真核生物：细胞核（主要）、叶绿体和线粒体（基质）
原核生物：拟核、质粒
原料： 4种游离的核糖核苷酸
模板： DNA的一条链
能量： ATP
酶： RNA聚合酶
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
（4）过程
U
A
A
G
U
C
C
C
T
T
G
G
A
A
A
RNA聚合酶
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
合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双螺旋恢复。
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
2 配对
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
U
G
A
C
G
G
U
U
U
转录的过程：
游离的核糖核苷酸
4步:解旋、配对、连接、释放
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
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
G
A
C
G
G
U
U
U
U
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
G
A
C
G
G
U
U
U
U
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
G
U
U
U
U
A
小飞守角制作
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
U
U
G
U
U
A
小飞守角制作
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
U
G
U
U
A
U
小飞守角制作
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
G
U
U
A
U
U
小飞守角制作
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
G
U
U
A
U
U
A
小飞守角制作
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
C
G
G
U
U
A
U
U
A
U
小飞守角制作
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
G
C
G
G
U
U
A
U
U
A
U
C
小飞守角制作
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
G
C
G
G
U
U
A
U
U
A
U
C
mRNA
小飞守角制作
A
G
T
A
C
A
A
A
T
U
C
A
U
G
U
U
U
A
mRNA
细胞质
细胞核
mRNA通过核孔进入细胞质
核孔
（5）子链延伸方向：
5’→ 3’，与RNA聚合酶移动方向相同
（6）特点：
边解旋边转录
（7）产物：
RNA，包括mRNA、 tRNA、 rRNA
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
：遗传信息的转录过程
转录
DNA复制
完全解旋
只解开有遗传效应的片段
讨论1.转录与DNA复制有什么共同之处？这对保证遗传信息的准确转录有什么意义？
转录与DNA复制都需要模板、需要ATP提供能量、遵循碱基互补配对原则等。其中，碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性。
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
：遗传信息的转录过程
转录
DNA复制
完全解旋
只解开有遗传效应的片段
讨论2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？
DNA复制所需要的原料是4种游离的脱氧核苷酸，所需要的酶是解旋酶和DNA聚合酶；转录所需要的原料是4种游离的核糖核苷酸，所需要的酶是RNA聚合酶。
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
：遗传信息的转录过程
转录
DNA复制
完全解旋
只解开有遗传效应的片段
转录时，游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对。因此，转录成的RNA的碱基与DNA模板链的碱基是互补配对的关系。该RNA的碱基序列与DNA另一条链（非模板链）的碱
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？
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。
DNA复制和转录的比较
DNA复制 转录
时间
场所 解旋
模板
原料
酶
配对方式
特点
方向
产物
意义
细胞分裂间期
生长发育过程
完全解旋
有遗传效应片段（基因）
DNA的两条链
DNA的一条链
四种脱氧核苷酸
四种核糖核苷酸
解旋酶、 DNA聚合酶
RNA聚合酶
A-T、 T—A、C—G 、 G—C
A-U、 C—G 、T—A、 G—C
半保留复制，边解旋边复制
边解旋边转录
子代DNA
mRNA、tRNA、rRNA
使遗传信息从亲代传递给子代，从而保持了遗传信息的连续性
遗传信息从DNA传递到RNA（mRNA），为翻译做准备
主要在细胞核或拟核，少部分在线粒体、叶绿体、质粒
新链从5’端-3’端延伸
新链从5’端-3’端延伸
（1）转录时，DNA链完全解开吗？
不是，只解旋有遗传效应的片段，即基因片段
（2）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？
不一定同时进行转录。
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
【讨论1】
转录不是转录整个DNA，是转录其中要表达的基因
（3）不同基因的模板链是否相同？
不同基因模板链不同
转录以基因为单位，一个基因只以一条链为模板，不同基因模板链不同
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
【讨论1】
（4）分裂间期和分裂期可以进行转录吗？
分裂期的染色体高度螺旋，DNA很难解旋，转录很难发生。
（5）高度分化的细胞可以转录吗？
可以
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。若细胞处于分裂期，转录难以进行。
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
【讨论1】
由于基因的选择性表达，mRNA的种类和数量一般不同，
但tRNA和rRNA的种类一般无差异。
（6）同种生物的不同细胞中，mRNA、tRNA和rRNA的种类相同吗？
细胞核中转录形成的RNA通过______进入细胞质中，穿过___层膜，_______消耗能量
核孔
0
需要
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
1.遗传信息的转录
【讨论1】
例1.甲、乙图示真核细胞内两种物质的合成过程，下列正确的（ ）
A、甲、乙所示过程通过半保留方式进行，合成的产物是双链核酸分子
B、甲所示过程在细胞核内进行，乙在细胞质基质中进行
C、DNA分子解旋时，甲所示过程不需要解旋酶，乙需要解旋酶
D、一个细胞周期中，甲所示过程在每个起点只起始一次，乙可起始多次
D
例2.下图为真核生物细胞核内转录过程的示意图,下列说法正确的是(　　)
②与③组成上相同的化学基团只有磷酸基团，不同的基团只是五碳糖
B. ①为启动上述过程必需的有机物，其名称为RNA聚合酶，①移动的方
向为由右向左
C. 上述过程不会发生在根尖细胞的线粒体中
D. 转录完成后，④需通过两层生物膜才能与核糖体结合
B
蛋白质
mRNA
转录
（碱基）
（氨基酸）
DNA
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
2.遗传信息的翻译
翻译
问题 1 ： mRNA 的碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的？
问题 2 ：游离在细胞质中的氨基酸是怎样运送到核糖体的？
问题 3 ：遗传信息的传递有什么规律？
mRNA：
碱基的数量
排列顺序
种类
蛋白质：
氨基酸的数量
排列顺序
种类
决定
决定
决定
讨论：至少要多少个碱基的不同排列顺序才能够
决定21种不同的氨基酸？
4种碱基只能决定4种氨基酸，41=4
二个碱基编码一个氨基酸最多只能编码16种，
42=16
三个碱基决定一个氨基酸能决定64种，
43=64，足够有余。
一个氨基酸的编码至少需要多少个碱基，才足以组合出构成蛋白质的21种氨基酸？
如果2个碱基编码一个氨基酸，最多能编码多少种氨基酸？
如果1个碱基决定1个氨基酸，4种碱基能决定多少种氨基酸？
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。
(1)密码子
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
2.遗传信息的翻译
U
C
A
U
G
A
U
U
A
mRNA
密码子
密码子
密码子
表 4—1“21 种氨基酸的密码子表”
终止密码子： 、 __ 、____
种类 起始密码子： （甲硫氨酸）、
（ 种） ___（缬氨酸、甲硫氨酸）
编码氨基酸的密码子______种或_____种
64
UAA
GUG
AUG
UGA（硒代半胱氨酸）
61
UAG
62
特殊密码子说明：
①在正常情况下，UGA是终止密码子，但在特殊情况下可编码硒代半胱氨酸。
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。
一种氨基酸有一种或几种密码子与之对应。绝大多数氨基酸都有几个密码子。
②密码子的简并性
所有的生物共用同一套密码子。
③密码子的通用性
讨论1：你认为密码子的简并对生物体的生存和发展有什么意义？
讨论2：根据密码子的通用性这一事实，你能想到什么？
①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；
②利于密码子的使用。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。
一种密码子决定一种氨基酸。
①密码子的专一性
：分析密码子的特性
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
2.遗传信息的翻译
氨基酸的搬运工——tRNA
①形态：
三叶草形
②功能特点：
每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
3'
5'
结合氨基酸的部位
碱基配对
③反密码子
mRNA
5'
3'
A
C
U
密码子
U
G
A
反密码子
位于tRNA上能与mRNA上的密码子发生碱基互补配对的3个相邻碱基。
决定氨基酸的密码子有61或62种，所以反密码子有 ；tRNA有 。
61或62种
61或62种
（2）游离在细胞质中的氨基酸是怎样运送到核糖体的？
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
2.遗传信息的翻译
②场所
核糖体
③条件
原料： 21种氨基酸
模板： mRNA
酶：
工具： tRNA
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
2.遗传信息的翻译
（3）总结：遗传信息的翻译
以mRNA为模板，以细胞质中游离的氨基酸为原料，
合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。
①概念
能量： ATP
位点1
位点2
核糖体移动方向
mRNA进入细胞质，与核糖体结合。携带甲硫氨酸的tRNA ，通过与mRNA上的密码子AUG（起始密码子）互补配对，进入位点1。
携带某个氨基酸的tRNA以同样的方式进入位点2
甲硫氨酸通过与某氨基酸形成肽键而转移到位点2的tRNA上
核糖体读取下一个密码子，原来位点1的tRNA离开，原来占据位点2的tRNA进入位点1，新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，重复步骤2、3、4，直至核糖体读取到mRNA的终止密码子，翻译终止。
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
④过程
（3）总结：遗传信息的翻译
⑤产物
合成的仅是肽链，还需要进一步加工成为成熟蛋白质
翻译结束后，mRNA被迅速降解成单体，以保证生物体生命活动的有序进行。
⑥mRNA
的去向
二、基因指导蛋白质的合成（基因的表达）
2.遗传信息的翻译
（3）总结：遗传信息的翻译
复制、转录和翻译的比较
比较项目 复制 转录 翻译
场 所 主要细胞核 主要细胞核 细胞质
模 板 DNA的两条链 DNA的一条链 mRNA
酶 解旋酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 多种酶
能 量 ATP ATP ATP
原 料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 氨基酸
产 物 子代DNA mRNA 多肽链
碱基配对 A-T T-A G-C C-G A-U T-A G-C C-G A-U U-A
G-C C-G
正在合成的肽链
核糖体
mRNA
（1）如何快速高效地进行翻译呢？
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。
（3）翻译能够精确进行的原因是什么？
（4）翻译合成的肽链就具有相应的生物学功能吗？
不具有，还需要加工。
①mRNA为翻译提供了精确的模板；
②通过mRNA上的密码子和tRNA上的反密码子的碱基互补配对，保证了翻译能够准确地进行。
（2）多条肽链的氨基酸序列是否相同？
相同，因为其模板相同。
【讨论1】
多聚核糖体
正在合成的肽链
核糖体
mRNA
（5）意义是？
少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质
（6）翻译的方向？
（即核糖体移动的方向）
由肽链_____→肽链_____的方向进行
【讨论1】
短
长
（从左到右）
现学现练：由图判断翻译的方向？
（从右到左）
转录
翻译
正在合成的多肽链
翻译
转录
DNA
【讨论2】
（1）你从图中看出了二者的区别吗？
先转录后翻译
边转录边翻译
（2）为什么会这样呢？
原核生物没有核膜，因此转录和翻译在同一空间进行，两个过程常紧密偶联，同时发生(边转录边翻译)；而真核生物主要在细胞核中进行转录，然后在细胞质中进行翻译(在线粒体、叶绿体中也可边转录边翻译)。　
1、如图是起始甲硫氨酸和相邻氨基酸形成肽键的示意图，下列叙述正确的是(　　)
A. 图中结构含有核糖体RNA
B. 甲硫氨酸处于图中a的位置
C. 密码子位于tRNA的环状结构上
D. mRNA上碱基改变即可改变肽链中氨基酸的种类
A
2、下列有关图示的生理过程不正确的是(　　)
A. 图中所示的生理过程主要有转录和翻译
B. 图中所示的全过程可发生在原核细胞中
C. 遗传信息由③传递到⑤需要RNA作媒介
D. 图中①在遗传信息传递过程中不起作用
D
（1）DNA中的碱基和mRNA之间的碱基关系
G
A
T
C
C
T
A
G
A
G
U
C
DNA
mRNA
以2链为
模板转录
2
3
① 1链碱基数=2链碱基数=3链碱基数=1/2DNA碱基总数
② A1+T1 = T2+A2 = A3+U3 ；
G1+C1 = C2+G2 = G3+C3
③ （A1+T1）%（占1链的碱基比例）
=（A2+T2）%（占2链的碱基比例）
=（A3+U3）%（占3链的碱基比例）
=（A+T）% （占整个DNA分子中的碱基总数比例）
1
【讨论3】
例1.某DNA片段所转录的mRNA中U%＝28%，A%＝18%，则整个DNA片段中T%和G%分别占（ ）
A.46%,54% B.23%,27%
C.27%,23% D.46%,27%
B
A1
T2
T1
A2
G1
C1
C2
G2
1
2
(A1＋ T1)%= (A2+ T2)%= (A总+T总)%
Am
Um
Gm
Cm
mRNA
= (Am+Um)%
DNA的碱基数：mRNA的碱基数：蛋白质中氨基酸数＝6n:3n:n=6:3:1
(2)DNA碱基数、mRNA碱基数、蛋白质氨基酸数三者的数量关系？
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。
n
6n
3n
3n
3n
转录
翻译
DNA
mRNA
蛋白质
【讨论3】
图2 真核生物基因结构
真核生物
例2.由n个碱基组成的基因，控制合成由1条多肽链组成的蛋白质，氨基酸的平均分子量为a，则该蛋白质的分子量最大为（ ）
A．na/6
B．na/3-18（n/3-1）
C．na-18(n-1)
D．na/6-18(n/6-1)
D
DNA聚合酶
解旋酶
DNA聚合酶
RNA聚合酶
RNA聚合酶
核糖体
DNA
mRNA
多肽链
复制
转录
翻译
你能根据DNA复制和基因指导蛋白质合成的过程画一张流程图，表示遗传信息的传递方向吗？
三、中心法则
3.提出者：
2.研究内容：
遗传信息可以从_______流向_______，即___________；也可以从___流向______，进而流向_________，即_________________________。
克里克
1.传统的中心法则图示
DNA
DNA
DNA的复制
DNA
RNA
蛋白质
遗传信息的转录和翻译
遗传信息传递的一般规律
转录
翻译
蛋白质
DNA
复制
RNA
三、中心法则
RNA RNA
RNA复制酶
RNA DNA
逆转录酶
三、中心法则
4.中心法则的发展
资料1：烟草花叶病毒
资料2：艾滋病病毒：
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。
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
复制
RNA
逆转录
完整中心法则图解（虚线表示少数生物的遗传信息的流向）
：
三、中心法则
4.中心法则的发展
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 RNA复制病毒
逆转录病毒 (HIV)
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
各种生物的遗传信息传递过程
三、中心法则
例1.请写出以下生物的遗传信息的传递过程：
三、中心法则
（1）具有逆转录功能的RNA病毒(如：HIV)
三、中心法则
（2）能分裂的细胞(分生区)及DNA病毒(噬菌体等)遗传信息的传递
（3）高度分化的细胞（洋葱表皮细胞）
（4）具有RNA复制功能的RNA病毒（烟草花叶病毒）
例1.请写出以下生物的遗传信息的传递过程：
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（P69）
×
一、概念检测
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（P69）
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。
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。
利福平影响转录过程。
具体而言：
红霉素影响翻译过程，
环丙沙星影响DNA复制过程，
练习与应用（P69）

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