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第1节 基因指导蛋白质的合成
必修2 第4章 基因的表达
生命的图案，扑朔迷离
从信息到物质，从蓝图到实现，
繁复，简约，粗放，精细，
是谁创造出，如此的和谐于统一？
基因是如何起作用的？
苏云金杆菌抗虫蛋白基因（Bt抗虫蛋白基因）转入普通棉花，培育出的棉花植株会产生Bt抗虫蛋白。转入的是基因，得到的却是蛋白质！为什么会这样？
基因可以控制蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达。
各种生物的基因表达过程有什么共同点呢？
为什么一种生物的基因能在另一种生物中表达呢？
基因的表达过程是怎样的？
问题探讨
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、相互争斗，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
讨论
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。
如果把细胞和想象成司令部，把细胞质想象成战场，那么DNA相当于
什么角色？它为什么不能到细胞质中直接指挥蛋白质的合成？
DNA相当于总司令。在战争中，如果总司令总是深入前沿阵地地直接指挥，就会影响他指挥全局。DNA被核膜限制在细胞核内，使转录和翻译过程分隔在细胞的不同区域进行，有利于这两项重要声明活动高效、准确地进行。
基因如何指导蛋白质的合成？
蛋白质是在细胞中中合成
DNA主要存在于细胞核中
基因是具有遗传效应的DNA片段
DNA携带的遗传信息是怎样
传递到细胞质中的呢？
当遗传信息到达细胞中后，细胞又是怎样解读的呢？
活动一：遗传信息的转录过程
阅读教材P64-65
细胞核中
的基因
细胞质中的蛋白质
在DNA和蛋白质之间，有一种中间物质充当信使，它就是RNA。
信使
一、遗传信息的转录
RNA是什么物质？为什么RNA适于作DNA的信使呢？
O
OH
H
CH2OH
H
H
OH
H
H
脱氧核糖
O
OH
H
CH2OH
H
H
OH
H
OH
核糖
相同点：
①由核苷酸连接而成
②能准确传递遗传信息
核糖
RNA
尿嘧啶（U）
脱氧核糖
DNA
胸腺嘧啶（T）
磷酸
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
不同点：
RNA一般是单链，而且比DNA短，一次能通过核孔，
从细胞核转移到细胞质中。
rRNA
mRNA
tRNA
三种主要的RNA示意图
作为DNA信使的RNA叫信使RNA
转运RNA
核糖体RNA
DNA的遗传信息是怎样传给mRNA的？
RNA聚合酶
游离的核糖核苷酸
第1步：DNA双链解开，碱基暴露出来
解
旋
RNA聚合酶
游离的核糖核苷酸
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聚合酶作用下开始mRNA的合成。
配对
RNA聚合酶
游离的核糖核苷酸
第3步：新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上。
连接
RNA聚合酶
游离的核糖核苷酸
第4步：新合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双螺旋恢复。
4.释放
转录方向
一、遗传信息的转录
定义：
RNA是在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的。
RNA聚合酶
游离的核糖核苷酸
1.
解
旋
2.配对
3.连接
4.释放
转录总结
时间：
场所：
模板：
条件：
原则：
遗传信息流动：
DNA分子
mRNA
细胞生命历程
主要在细胞核中
DNA的一条链
①原料：四种核糖核苷酸；
②酶：RNA聚合酶；
③能量：ATP
A-U、T-A、G-C、C-G
DNA→mRNA
思考 讨论
活动 遗传信息的转录过程
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？
2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？
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
二、遗传信息的转录
活动二：遗传信息的翻译过程
阅读教材P66-67
定义：
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，这一过程叫作翻译。
核酸的碱基序列蕴含着遗传信息。
mRNA
蛋白质
翻译
相关信息
tRNA,rRNA参与蛋白质的合成过程，但是这两种RNA本身不会翻译蛋白质。
碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的
DNA/RNA 碱基数量 排列顺序
蛋白质 氨基酸数量 排列顺序
如何决定？
种类 4种
种类 21种
决定？
决定？
1个 2个 3个
决定？
1个氨基酸
4种
16种
64种
mRNA
5'
3'
mRNA
5'
3'
密码子
缬氨酸
组氨酸
精氨酸
mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸。每3个这样的碱基叫作一个密码子。
密码子
密码子
决定？
决定？
决定？
①在正常情况下，UGA是
终止密码子，但在特殊
情况下，UGA也可以编码
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。
64（43）
种密码子
①起始密码子（2种）
②终止密码子
③61种密码子编码21种氨基酸
AUG、GUG（也编码氨基酸--甲硫氨酸）
UGA、UAA、UAG（不编码氨基酸）
思考 讨论
活动二：分析密码子的特点
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密码子的使用频率角度。
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。
①增强密码子容错性角度。
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。
简并性能在一定程度上防止由于碱基的改变而导致遗传信息的改变。
亮氨酸 CUA
UUA
AUA
GUA
CCA
CAA
CGA
CUU
CUC
CUG
亮氨酸
异亮氨酸
缬氨酸
亮氨酸
亮氨酸
亮氨酸
脯氨酸
谷氨酰胺
精氨酸
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
活动二：分析密码子的特点
说明当今生物可能有着共同的起源，或生命在本质上是统一的。
简并性和通用性
二、遗传信息的翻译
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”。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？
氨基酸的“搬运工”——tRNA
②每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
③特点：
比mRNA小，RNA单链经过折叠形成4环4臂，环的部分没有碱基互补配对，臂的部分由于碱基互补配对形成氢键。
①tRNA种类很多。
反密码子
④一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
特点：
反密码子的三个碱基与相应的DNA模板链上对应的碱基相同，只是DNA链上碱基T的位置在tRNA上为U。
每个tRNA的这3个相邻的碱基可以与mRNA上的密码子
互补配对，叫做反密码子。
种类：61种，反密码子与61种决定氨基酸的密码子对应。
RNA
蛋白质
？如何翻译
思考 讨论
活动三：阅读教材图4-7
1.概述翻译内容。
②根据遗传密码的阅读方式，图中mRNA上共有几个密码子？
①mRNA上的什么信息决定翻译的起始和终止？
③翻译合成的肽链的氨基酸序列是怎样的？
A
A
U
G
A
G
G
C
U
C
G
U
U
G
C
C
U
G
C
U
G
A
A
C
U
C
A
U
C
U
5'
3'
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。
M
位点1
A
A
U
G
A
G
G
C
U
C
G
U
U
G
C
C
U
G
C
U
G
A
A
C
U
C
A
U
C
U
5'
3'
第2步 携带__________的tRNA，以同样的方式进入位点2。
组氨酸
M
H
位点1
位点2
A
A
U
G
A
G
G
C
U
C
G
U
U
G
C
C
U
G
C
U
G
A
A
C
U
C
A
U
C
U
5'
3'
第3步 甲硫氨酸与这个氨基酸形成______,从而转移到位点2的tRNA上。
H
M
肽键
M
A
A
U
G
A
G
G
C
U
C
G
U
U
G
C
C
U
G
C
U
G
A
A
C
U
C
A
U
C
U
5'
3'
第4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。
H
M
W
核糖体的移动方向
位点1
位点2
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。直至核糖体遇到mRNA的终止密码子，合成才告终止。
A
A
U
G
A
G
G
C
U
C
G
U
U
G
C
C
U
G
C
U
G
A
A
C
U
C
A
U
C
U
终止密码子
翻译
甲硫氨酸-组氨酸-色氨酸-精氨酸-半胱氨酸-半胱氨酸-脯氨酸-谷氨酸-丝氨酸
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。
H
M
…
R
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（如右图），因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量蛋白质。
翻译方向左→右
多聚核糖体
小结
翻译所需要的基本条件
1.模板：
2.原料：
3.酶：
4.能量：
5.工具：
6.装配机器：
7.场所：
8.原则：
9.能量流动方向：
10.特点：
mRNA
21种氨基酸
多种酶
ATP等提供
tRNA
核糖体
核糖体
碱基互补配对原则
A-U、U-A、G-C、C-G
mRNA→蛋白质
真核（先转录后翻译）
原核（边转录边翻译）
细胞核（主）
细胞核（主）
细胞核/核糖体
亲代DNA两条链
亲代DNA一条链
mRNA
4种脱氧核苷酸
4种核糖核苷酸
21种氨基酸
解旋酶、
DNA聚合酶、ATP
RNA聚合酶、ATP
多种酶、ATP
DNA→DNA
DNA→RNA
mRNA→蛋白质
A-T,T-A,C-G,G-C
A-U,T-A,C-G,G-C
A-U,U-A,C-G,G-C
2个双链DNA
1个单链RNA
蛋白质
总
结
半保留复制；
边解旋边复制；
多起点复制
边解旋边复制；
多聚核糖体翻译；
三、中心法则
提出时间
科学家
主要内容
补充
1957
克里克
遗传信息可以从DNA流向DNA，即DNA的自我复制，也可以从DNA流向RNA，进而流向RNA，进而流向蛋白质，即遗传信息的转录和翻译。
少数生物（如一些RNA病毒）的遗传信息可以从
RNA流向RNA以及RNA流向DNA。
三、中心法则
DNA
转录
RNA
翻译
蛋白质
转录
生命是物质、能量和信息的统一体。
复制
复制
相关计算
注意:由于在一段多肽链对应的mRNA中含有不编码氨基酸的序列(如终止密码子),在其对应的DNA中,还含有一些不能转录为mRNA的DNA片段。因此,如果蛋白质中的氨基酸数为n,则对应的mRNA分子中的碱基数最少为3n,DNA(基因)中的碱基数最少为6n。
例1 胰岛素的A、B两条肽链是由一个基因编码的,其中A链中的氨基酸有m个,B链中的氨基酸有n个(不考虑终止密码子)。下列有关叙述中不正确的是 (　 )
A.胰岛素基因中至少含有的碱基数是6(m+n)
B.胰岛素mRNA中至少含有的密码子为(m+n)个
C.胰岛素基因的两条DNA单链分别编码A、B两条肽链
D.A、B两条肽链可能是经蛋白酶的作用后形成的
C
[解析] DNA(或基因)中碱基数∶mRNA上碱基数∶氨基酸个数=6∶3∶1,胰岛素中有(m+n)个氨基酸,则胰岛素基因中至少含有的碱基数是6(m+n),A正确;
胰岛素中有(m+n)个氨基酸,则胰岛素mRNA中至少含有的密码子为(m+n)个,B正确;
胰岛素基因的两条DNA单链中只有一条能作为模板转录形成mRNA,再以该mRNA为模板翻译形成蛋白质,A、B两条肽链是由胰岛素基因的不同区段来编码的,而不是两条DNA单链分别编码A、B两条肽链,C错误;
A、B两条肽链可能是经蛋白酶的作用后形成的,D正确。
例 2 某条多肽的相对分子质量为2778,若氨基酸的平均相对分子质量为110,则编码该多肽的基因长度至少是 (　 )
A.75对碱基 B.78对碱基
C.90对碱基 D.93对碱基
C
[解析] 蛋白质中的肽键数=脱去的水分子数=氨基酸分子个数-肽链数;蛋白质的相对分子质量=氨基酸总质量(氨基酸分子个数×氨基酸平均相对分子质量)-失水量(18×脱去的水分子数)。根据题意,若求基因的长度首先应计算出氨基酸的个数(设为n),则有n×110-(n-1)×18=2778,推出n=30,所以编码该多肽的基因长度至少是30×3=90(个)碱基对。故选C。
3.实验结论
多聚U导致了多聚苯丙氨酸的合成，而多聚尿嘧啶的碱基序列是由多个尿嘧啶组成（UUUUUU······），可见尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链；
即苯丙氨酸对应的密码子是UUU。

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