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第四章 基因的表达
第一节 基因指导蛋白质的合成
美国科幻电影《侏罗纪公园》曾轰动一时。影片围绕着虚构的“侏罗纪公园”，展现了丰富而新奇的科学幻想：各种各样的恐龙飞奔跳跃、互相争斗，而这些复活的恐龙是科学家利用提取的恐龙DNA还原而来的。
从原理上分析，利用已灭绝生物的DNA，真的能够使它们复活吗？
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。
问题探讨
电影《侏罗纪公园》中的恐龙
核糖体
？
蛋白质
合成
问题探讨
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
基因通常是有遗传效应的DNA片段
核孔
碱基的排列顺序
氨基酸的排列顺序
？
RNA
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
一.遗传信息的转录
1.RNA（核糖核酸）
元素组成：
基本单位：
C、H、O、N、P
RNA(核糖核酸)
聚合
脱氧核糖
核糖
腺嘌呤核糖核苷酸（A）
鸟嘌呤核糖核苷酸（G）
胞嘧啶核糖核苷酸（C）
尿嘧啶核糖核苷酸（U）
O
O
O
O
(4种)核糖核苷酸
磷酸
核糖
碱基
项目
名称
组成 元素
磷酸
五碳糖
碱基
基本单位
结构
存在部位
功能
核糖核酸
脱氧核糖核酸
核糖核苷酸
脱氧(核糖)核苷酸
一般为单链
一般为双链
主要存在于细胞质中
主要存在于细胞核中
传递遗传信息
携带遗传信息
RNA和DNA的区别
DNA
RNA
一.遗传信息的转录
C、H、O、N、P
磷酸
核糖
脱氧核糖
A(腺嘌呤)G(鸟嘌呤)C(胞嘧啶)
T(胸腺嘧啶)
U(尿嘧啶)
一.遗传信息的转录
从结构上分析RNA适于作DNA的信使的条件是什么
① 能够储存遗传信息
它的分子结构与DNA很相似，也是由基本单位——核苷酸连接而成
② 容易转移到细胞质
RNA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。
RNA
蛋白质
DNA
③ RNA也遵循“碱基互补配对原则’’
④ RNA不稳定,完成使命迅速分解
mRNA——信使RNA
携带遗传信息，蛋白质合成的模板
tRNA——转运RNA
rRNA——核糖体RNA
识别并运载氨基酸
核糖体的组成成分
一.遗传信息的转录
氨基酸
氢键
(局部双链)
一.遗传信息的转录
2.转录
真核生物：
通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成RNA的过程。
(1)概念：
(2)场所：
细胞核(主要)
叶绿体和线粒体(基质)
原核生物
细胞质
(主要)
拟核
U
A
A
G
U
C
C
C
T
T
G
G
A
A
A
RNA聚合酶
1 解旋
在ATP的驱动下,RNA聚合酶(破坏氢键)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(形成磷酸二酯键)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。
2 配对
一.遗传信息的转录
2.转录
(3)过程：
A=U、T=A
G≡C、C≡G
RNA链合成方向:
5’→3’端
DNA模板链
一.遗传信息的转录
2.转录
(4)条件:
模版
原料
能量
酶
DNA的一条链的片段
RNA聚合酶
破坏氢键
形成磷酸二酯键
ATP
4种游离的核糖核苷酸
(5)原则:
碱基互补配对原则
(A=U、G≡C)
(6)特点:
边解旋边转录
(7)实质:
遗传信息从DNA传递到mRNA
(8)结果:
产生mRNA、 tRNA、 rRNA
注意：
①转录不是转录整个DNA，是转录要表达的基因.
②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
③高度分化的细胞会进行转录,但不会进行DNA的复制;若细胞处于分裂期,转录难以进行。
④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
一.遗传信息的转录
遗传信息的转录过程
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？
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？
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？
转录与DNA复制都需要模板、都需要ATP提供能量、都遵循碱基互补配对原则等等。其中，碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性。
DNA复制: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:原料是4种游离的核糖核苷酸，所需要的酶是RNA聚合酶。
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
只解有遗传效应片段(基因)
DNA的两条链均为模板
DNA的一条链为模板
四种脱氧核苷酸
四种核糖核苷酸
解旋酶、 DNA聚合酶等
RNA聚合酶等
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
2个子代DNA分子
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）上，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
一.遗传信息的转录
二.遗传信息的翻译
(1)概念：
mRNA合成以后，通过核孔进入细胞质中。游离在细胞质中的各种氨基酸，就以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质。
核糖核苷酸序列
翻译
氨基酸序列
(2)实质:
将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列。
4种碱基是怎样决定21种氨基酸的呢
1个碱基决定1个氨基酸，则4种碱基只能决定____种氨基酸；
2个碱基决定1个氨基酸，则4种碱基只能决定____种氨基酸；
3个碱基决定1个氨基酸，则4种碱基只能决定____种氨基酸，
氨基酸
AUCG
4
氨基酸
AUCG
4
AUCG
4
AUCG
4
氨基酸
AUCG
4
AUCG
4
4
64
16
第三种方式能满足组成蛋白质的21种氨基酸的需要
二.遗传信息的翻译
二.遗传信息的翻译
(3)密码子:
①概念:
mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基为1个密码子。
密码子
缬氨酸
组氨酸
精氨酸
密码子
密码子
决定
决定
决定
二.遗传信息的翻译
1.5 密码子表
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 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) 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
第1个碱基 第2个碱基 第3个碱基 密码子
苯丙氨酸 U U U UUU
精氨酸 A G A AGA
21种氨基酸的密码子表
二.遗传信息的翻译
②种类:
起始密码子
终止密码子
AUG(甲硫氨酸)
UGA(硒代半胱氨酸)
(3)密码子:
64种
AUG(甲硫氨酸)、
UAA、UAG
(不编码任何氨基酸)
编码氨基酸的密码子______种或_____种
61
62
②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。
原核生物:
真核生物:
GUG(甲硫氨酸,缬氨酸)
①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。
二.遗传信息的翻译
(3)密码子:
③特点：
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？
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密码子的使用频率。
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。
1.专一性
一种密码子决定一种氨基酸。
2.简并性
绝大多数氨基酸都有几个密码子。
3.通用性
几乎所有的生物都共用同一套密码子。
讨论2：根据密码子的通用性这一事实，你能想到什么？
生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的
二.遗传信息的翻译
U
A
A
U
C
C
U
C
U
G
G
C
G
C
A
U
A
C
U
G
G
U
G
G
U
C
C
U
A
A
3’
5’
色
组
甲硫
精
半胱
半胱
脯
谷
丝
如何精准运送过来的？
tRNA
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
思考
二.遗传信息的翻译
(4)tRNA
3'
5'
结合氨基酸的部位
碱基配对()
密码子
A
U
C
三叶草形
①形态：
识别和转运氨基酸
③功能：
反密码子
U
G
A
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；
②结构：
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
tRNA上可以与mRNA上的密码子互补配对的3个碱基。
61或62种
——氨基酸的搬运工
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
mRNA在细胞核中转录形成后，通过核孔出来，到细胞质中。
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
C
U
G
A
A
U
G
A
C
U
C
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
G
A
U
C
C
U
A
A
G
G
C
U
U
C
A
甲
色
A
C
C
组
精
G
A
C
mRNA在细胞质中与核糖体结合
G
G
U
5’
3’
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
位点1
位点2
位点3
U
C
A
甲
色
A
C
C
组
精
G
A
C
携带甲硫氨酸的tRNA，通过与碱基AUG互补配对，进入位点1
U
C
A
甲
U
C
A
G
G
U
C
U
G
A
A
U
G
A
C
U
C
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
G
A
U
C
C
U
A
A
G
G
C
U
甲
U
C
A
5’
3’
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
位点1
位点2
位点3
C
U
G
A
A
U
G
A
C
U
C
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
G
A
U
C
C
U
A
A
G
G
C
U
色
A
C
C
组
精
G
A
C
携带某个氨基酸的tRNA以同样的方式进入位点2
甲
U
C
A
G
G
U
G
G
U
组
G
G
U
组
G
G
U
5’
3’
位点1
位点2
位点3
C
U
G
A
A
U
G
A
C
U
C
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
G
A
U
C
C
U
A
A
G
G
C
U
色
A
C
C
精
G
A
C
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
甲
U
C
A
组
G
G
U
甲
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
5’
3’
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
位点1
位点2
位点3
位点1
位点2
位点3
色
A
C
C
精
G
A
C
核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子。
U
C
A
组
G
G
U
甲
C
U
G
A
A
U
G
A
C
U
C
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
G
A
U
C
C
U
A
A
G
G
C
U
U
C
A
原位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1。
5’
3’
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
位点1
位点2
位点3
色
A
C
C
精
G
A
C
一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成
G
G
U
组
甲
C
U
G
A
A
U
G
A
C
U
C
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
G
A
U
C
C
U
A
A
G
G
C
U
U
C
A
A
C
C
色
A
C
C
色
A
C
C
组
甲
5’
3’
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
位点1
位点2
位点3
位点1
位点2
位点3
C
U
G
A
A
U
G
A
C
U
C
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
G
A
U
C
C
U
A
A
G
G
C
U
核糖体移动方向
5’
3’
A
C
C
色
组
甲
G
G
U
G
G
U
G
A
C
精
G
A
C
精
G
A
C
色
组
甲
精
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
位点1
位点2
位点3
G
A
C
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。
G
G
U
C
U
G
A
A
U
G
A
C
U
C
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
G
A
U
C
C
U
A
A
G
G
C
U
U
C
A
A
C
C
A
G
G
半
色
组
甲
精
谷
半
脯
丝
U
C
U
终止密码
5’
3’
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。
盘曲
折叠
盘绕
聚集
二.遗传信息的翻译
(5)过程：
二.遗传信息的翻译
(6)高效翻译的机制
正在合成的肽链
核糖体
mRNA
多聚核糖体
① 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。
② 因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。
多条肽链的氨基酸序列是否相同？
翻译能够精确进行的原因是什么？
翻译合成的肽链就具有相应的生物学功能吗？
翻译的方向？
相同,因为其模板相同。
即核糖体移动的方向
由肽链短→肽链长的方向进行
(从左到右)
①mRNA为翻译提供了精确的模板；
②碱基互补配对原则,使翻译准确进行。
不具有,还需要加工。
(从右到左)
mRNA的5’→3’端
二.遗传信息的翻译
(7)场所：
(8)条件:
核糖体
模版
原料
能量
工具
mRNA
tRNA
21种游离的氨基酸
ATP
(9)原则:
碱基互补配对原则
(10)产物:
合成的仅是肽链，还需要进一步加工成为成熟蛋白质
(11)实质:
mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列。
(12)mRNA的去向:
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。
mRNA
核糖体
多肽链
反密码子
A=U、U=A
G≡C、C≡G
转录
翻译
正在合成的多肽链
翻译
转录
DNA
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)。　
二.遗传信息的翻译
(13)原核细胞与真核细胞转录、翻译比较:
原核生物:边转录边翻译
真核生物:先转录后翻译
原核生物没有核膜,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。
基因表达速率更快
二.遗传信息的翻译
项目 复制 转录 翻译
场所
条件 模板
原料
能量
酶
原则
特点
产物
信息传递
细胞核（主要场所）
细胞核（主要场所）
核糖体
DNA的两条链
DNA的一条链
mRNA
4种游离的脱氧核苷酸
4种游离的核糖核苷酸
21种游离的氨基酸
ATP
ATP
ATP
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
DNA
RNA
多肽
A-T T-A G-C C-G
A-U T-A G-C C-G
A-U U-A G-C C-G
特定的酶
DNA的复制、转录和翻译的比较
半保留复制,边解旋边复制
边解旋边转录
多核糖体翻译蛋白质
DNA→DNA
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
二.遗传信息的翻译
DNA的碱基数、mRNA的碱基数与蛋白质中氨基酸数数量关系
A—C—T—G—G—A—T—C —T
T—G—A—C—C—T—A—G—A
A—C—U—G—G—A—U—C —U
UGA CCU AGA
苏氨酸——甘氨酸——丝氨酸
转录
翻译
ACU GGA UCU
DNA
1
3
6
mRNA
蛋白质
DNA的碱基数：mRNA的碱基数：蛋白质中氨基酸数＝6n:3n:n=6:3:1
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。一般题目中带有至少或最多字样。
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
二.遗传信息的翻译
DNA聚合酶
解旋酶
DNA聚合酶
RNA聚合酶
解旋酶
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
三.中心法则
1957年，克里克率先提出遗传信息传递的一般规律
(1)内容：
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。
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。
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.
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)
：
——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 (HIV)
翻译
蛋白质
复制
DNA
转录
RNA
复制
RNA
蛋白质
翻译
(2)各种生物的遗传信息传递过程:
蛋白质
翻译
转录
DNA
RNA
逆转录
RNA
复制
三.中心法则

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