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第1节
基因指导蛋白质的合成
第4章 基因的表达
【提示】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。
基因如何指导蛋白质合成？
基因(DNA)的分布：
主要存在于细胞核（真核生物）中；
蛋白质的合成场所：核糖体（细胞质）
细胞核的核孔通道直径为9nm，
核糖体为圆形颗粒状，直径约为23nm，
核糖体不能进入细胞核。
DNA的分布和蛋白质的合成场所不同，那么遗传信息如何传递？
科学家推测：
在DNA和蛋白质之间，有一种中间物质充当信使，这种中间物质是RNA。
思考：为什么RNA适于作DNA的信使（特指mRNA）？
（1）RNA也是由基本单位——核苷酸连接而成的，核苷酸也含有4种碱基，这使得RNA具备准确传递遗传信息的可能；
（2） 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；
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的碱基组成中没有碱基T，而有碱基U，DNA与之相反。
（1）DNA和RNA在化学组成上得主要区别：
**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。
（2）RNA与DNA在结构上的主要区别：
DNA是规则的________结构，RNA一般是____链，而且比DNA____；
双螺旋
单
短
1.RNA与DNA比较
2.RNA的分类和作用
信使 RNA(mRNA)
核糖体 RNA(rRNA)
转运 RNA(tRNA)
作为DNA的信使,将DNA的遗传信息转录下来
氨基酸的运载工具（转运氨基酸）
核糖体的组成部分
RNA
的种类
一、遗传信息的转录
1、概念：以DNA的一条链为模板，通过RNA聚合酶合成RNA的过程叫作转录。
2、发生时期
3、发生场所
个体生长发育的整个过程（几乎所有活细胞中）
主要在______中
细胞核
*实际上，DNA在哪里，转录就在哪里发生
4、过程（以mRNA的合成过程为例）
解旋→配对→连接→释放
第1步：DNA双链解开（_________的催化），_____暴露出来；
RNA聚合酶
碱基
**该过程不需要解旋酶，RNA聚合酶有解旋作用；
第2步：游离的_________与__________上的碱基互补配对；
核糖核苷酸
DNA模板链
第3步：新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上（_________的催化形成__________）
RNA聚合酶
磷酸二酯键
第4步：合成的_____从_______上释放，而后DNA__________
mRNA
DNA链
双螺旋恢复
5、转录的条件：
模板：DNA的一条链
原料：4种游离的核糖核苷酸
能量：ATP直接提供
酶：RNA聚合酶
6、转录的产物：
提醒：每次转录的只是DNA分子特定的片段，该片段携带的遗传信息能准确地传递给mRNA分子。
7、转录的原则：
*打开氢键、形成磷酸二酯键
A-____ G—_____ C—_____ T—_____
U
C
G
A
8、意义：
遗传信息从DNA传递到RNA（mRNA）上，为翻译做准备
RNA
碱基互补配对
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
分裂间期
生长发育过程
全部解旋
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，少部分在线粒体、叶绿体
新链从5’端-3’端延伸
新链从5’端-3’端延伸
思考.讨论
按照碱基配对原则
★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
分析总结：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
转录成的RNA的碱基序列与b链的碱基序列是互补配对的，b链为转录的模板链；
转录成的RNA的碱基序列与a链的碱基序列是相同的（除U替换了T），a链为转录的非模板链。
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。
问题情境
转录后进入细胞质的mRNA仍是碱基序列，而不是蛋白质，那么mRNA上的碱基序列如何能变成蛋白质中氨基酸酸的种类数目和排列顺序呢？
要想知道mRNA是如何翻译成蛋白质的，首先要寻找mRNA的碱基与氨基酸之间的对应关系；
碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的？
思考：
组成蛋白质的氨基酸：
信使RNA的碱基：
4种碱基如何决定蛋白质的21种氨基酸呢？
21种
4种
思考：如果1个碱基决定1种氨基酸，则
思考：如果2个碱基决定1种氨基酸，则
A、G、C、U分别决定1种，共4种
AA AG AC AU
GA GG GC GU
CA CG CC CU
UA UG UC UU
共有16种组合，可以决定16种氨基酸
第1个碱基
第2个碱基
A
G
C
U
A
G
C
U
如果1个碱基决定1种氨基酸，则
如果2个碱基决定1种氨基酸，则
共有16种组合，可以决定16种氨基酸
42
A、G、C、U分别决定1种，共4种
41
如果3个碱基决定1种氨基酸，则
43
共有64种组合
经过科学家一步步的推测与实验，最后破解了遗传密码，得知mRNA上3个相邻的碱基决定一个氨基酸；每3个这样的碱基又称为1个密码子，并将64个密码子编制成密码子表；
密码子和密码子表
A
A
G
U
G
U
U
A
U
mRNA
密码子
密码子
密码子
________上决定____个氨基酸的____________
1.密码子的概念
mRNA
1
3个相邻的碱基
2.密码子表的识别
（1）找出起始密码子
AUG
GUG
（2）找出终止密码子
UAA
UAG
UGA
（3）找出下列密码子对应的氨基酸：
UUU—
CUU—
AGU—
GGC—
苯丙氨酸
亮氨酸
丝氨酸
甘氨酸
（4）找出下列氨基酸对应的密码子：
酪氨酸—____________
异亮氨酸—____________
UAU UAC
AUU AUC AUA
3.密码子的种类
（1）共有____种密码子；
（2）有____种起始密码子：
（3）有____种终止密码子：
64
2
真核生物只有1种—____，编码
原核生物可以有2种—_____
（编码_________）和____（编码_________，如果该密码子不作为起始密码子时，其编码_________）
AUG
甲硫氨酸
AUG
甲硫氨酸
GUG
甲硫氨酸
缬氨酸
3
______和_______不编码氨基酸；
正常情况下，____也不编码氨基酸，特殊情况下，可以编码_________；
UAA
UAG
UGA
硒代半胱氨酸
4.密码子的特性
1.从密码子表上可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子；
2.几乎所有的生物都共用一套密码子表；
密码子的特性
①简并性
绝大多数氨基酸具有2个以上不同的密码子；
②通用性
几乎所有的生物体都共同一套密码子；
*简并性的意义：增强密码子的容错性，即当一个碱基改变时，由于简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸；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
*启示：生物可能有着共同的祖先，共同的起源
tRNA和反密码子
1.tRNA的结构
经过折叠，tRNA呈___________形；
一端是携带氨基酸的部位，游离的基团为_____，是此单链RNA的_____；
一端有3个相邻的碱基，可以与_______上的_________互补配对，叫做________；
三叶草的叶
-OH
3’-端
mRNA
密码子
反密码子
易错知识点判断：
一个tRNA只有三个碱基 （ ）
RNA通常都是单链，因此不存在碱基对 （ ）
一个tRNA分子只有一个反密码子 （ ）
因为tRNA只有一个3’-端和5’-端，所以即使tRNA有部分片段互补配对形成碱基对，tRNA依然是单链构成的 （ ）
×
×
√
√
2.反密码子
（1）概念
____一端可以________________________的___个碱基
tRNA
与mRNA上的密码子碱基互补配对
3
（2）反密码子的识别
tRNA的____往____识别，tRNA与mRNA也是反向连接的；
3’-端
5’-端
A
C
G
U
G
U
U
U
A
mRNA
C
A
U
甲硫氨酸
3’
5’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
A
A
C
G
A
U
缬氨酸
异亮氨酸
（3）tRNA与氨基酸的对应关系
每种tRNA只能识别并转运____种氨基酸；
而一种氨基酸可由__________种tRNA转运；
一
A
C
G
U
G
U
U
U
G
mRNA
C
A
U
甲硫氨酸
3’
5’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
A
A
C
缬氨酸
缬氨酸
G
A
C
一或多
1.翻译的概念：
2.翻译的实质**：
3.发生时期
_____在_______中各种_______，以______为模板合成_______________________ _的过程；
游离
细胞质
氨基酸
mRNA
具有一定氨基酸顺序的蛋白质
将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列
个体生长发育的整个过程（在细胞发育的任何时期都可以进行）
4.发生场所
细胞质中的核糖体
5.产物
多肽（或蛋白质）
二、遗传信息的翻译
6.翻译的条件
思考：翻译过程中有没有碱基互补配对？
7.碱基互补配对方式
①模板：
②原料：
③能量：
④酶：
⑤转运工具：
mRNA
氨基酸
需要
需要
有，密码子和反密码子的互补配对；
A-____ G-____ C-____ U-____
U
C
G
A
思考：与转录过程中的配对方式一样吗？
tRNA
8. 翻译是一个高效的过程
细胞中合成蛋白质的速度很快，其中一个主要原因是一个mRNA分子上的信息可由多个核糖体来解读，同时进行多条肽链的合成。此时，多个核糖体串联附着在一条mRNA上，形成念珠状结构—多聚核糖体。从而，在少量mRNA的指导下就可高效合成大量的某种蛋白质。
（1）数量关系
（2）意义***
（3）产物之间的关系
（4）由此图判断翻译的方向（即核糖体移动的方向）
一个mRNA分子上可以相继结合___个核糖体，同时进行____条肽链的合成
多
多
少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质
①多个核糖体各自合成各自的链，产物是多条肽链，不是一条；
②由于模板是同一段mRNA，所以图示多个核糖体合成的肽链是相同的；
由肽链_____→肽链_____的方向进行
短
长
现学现练：由下图判断翻译的方向
真核细胞和原核细胞翻译的区别
真核生物：核基因先转录后翻译
原核生物：可以边转录边翻译
为什么会是这样呢？
原核生物没有核膜，转录和翻译可以发生在同一空间内，所以可以边转录边翻译
三、复制、转录与翻译的比较
项目 复制 转录 翻译
场所
条件 模板
原料
能量
酶
产物
原则
细胞核（主要场所），线粒体，叶绿体
细胞核（主要场所），线粒体，叶绿体
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提供
ATP提供
ATP提供
解旋酶
DNA聚合酶
RNA聚合酶
与蛋白质合成有关的酶
DNA
RNA
多肽
碱基互补配对
A=T G=C
碱基互补配对
A=U T=A G=C
碱基互补配对
A=U G=C
A
密码子
精氨酸
氨基酸
tRNA
G
mRNA
G
G
DNA
双链
【例】根据生物在蛋白质合成中遗传信息传递的规律，在下面表格中填入相应的字母：
C
C
C
A
A
T
C
G
U
C
G
根据DNA和RNA的碱基种类以及碱基之间的互补关系。
G C A
C G T
G C A
模板链
丙氨酸
DNA
（基因片段）
mRNA
氨基酸
DNA
碱基数目
mRNA
碱基数目
氨基酸
数目
：
：
：
：
拓展：基因表达的计算
6
3
1
说明：因为基因中存在不编码蛋白质的片段，实际上基因（DNA）上所含有的碱基数要大于6n（假定蛋白质中氨基酸数为n）,而mRNA中也存在终止密码子等片段，所以实际上mRNA中所含有的碱基数也要大于3n。因此一般题目中带有“至少”或“最多”字样才能使用这个比例关系。
1.提出者：
2.内容：
3.补充内容
遗传信息可以从____流向____，即________；也可以从___流向___，进而流向______，即___________________；
克里克
4.完整的中心法则图示
DNA
少数生物（如一些RNA病毒）的遗传信息可以从___流向___（即___________）以及从____流向____（即________）；
DNA
DNA的复制
DNA
RNA
蛋白质
遗传信息的转录和翻译
RNA
RNA
RNA的复制
RNA
DNA
逆转录
①_________ ②______ ③______ ④__________ ⑤_______
DNA的复制
转录
翻译
RNA的复制
逆转录
**虚线表示少数生物的遗传信息的流向
四、中心法则及补充
5.不同生物的不同遗传信息传递图解
（1）以DNA为遗传物质的生物（原核生物、真核生物、DNA病毒）
（2）一般RNA病毒（非逆转录病毒，如烟草花叶病毒等）
（3）逆转录病毒（HIV病毒等）
**不是所有的细胞都有DNA复制，例如高度分化的细胞，不会存在DNA复制，只有转录和翻译；
**RNA复制后与遗传物质互补的RNA不能直接作为遗传物质；
**该过程需要病毒自己携带逆转录酶进入宿主；逆转录的产物是DNA片段，原料是脱氧核苷酸。
在遗传信息的流动过程中，DNA、RNA是________，蛋白质是 ，而____为信息的流动提供能量，可见：
生命是____、____和_____的统一体
信息的载体
信息的表达产物
ATP
物质
能量
信息
与遗传信息流动有关的几个过程比较：
模板 原料 产物 碱基互补配对
DNA复制
转录
翻译
RNA复制
逆转录
DNA
DNA
RNA
RNA
mRNA
脱氧核苷酸
核糖核苷酸
核糖核苷酸
氨基酸
脱氧核苷酸
DNA
DNA
RNA
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
A-T U-A G-C C-G
A-U U-A G-C C-G
遗传信息传递过程中都遵循 原则。
碱基互补配对

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