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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
基因的表达 教材P63
将苏云金杆菌的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。
苏云金杆菌抗虫蛋白基因（Bt抗虫蛋白基因）
普通棉花
转入
培育出的棉花植株
产生抗虫蛋白
基因可以控制蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达。
课堂导入
有些科幻电影围绕着虚构的未来场景，展现了这样的科学幻想：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培育繁殖而来的。
讨论：
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。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的合成
基因
核糖体
性状
基因
蛋白质
体现
控制
（细胞核中）
（核糖体）
转录
翻译
RNA
已知，DNA不能出核孔（核孔有选择性）
科学家推测：
在DNA和蛋白质之间，还有一种中间物质充当信使。
为什么RNA适于作DNA的信使）
充当信使的物质——RNA
①RNA是什么？
②为什么RNA适合作DNA的信使？
DNA的基本单位
RNA的基本单位
脱氧核糖
DNA
胸腺嘧啶（T）
磷酸
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
RNA
核糖
尿嘧啶（U）
充当信使的物质——RNA
①RNA是什么？
②为什么RNA适合作DNA的信使？
DNA的基本单位
RNA的基本单位
RNA是由基本单位——核苷酸连接而成，跟DNA一样能储存遗传信息；
RNA一般为单链，比DNA短，能通过核孔，从细胞核转移到细胞质中；
RNA不稳定，易降解，使得完成使命的RNA能迅速分解，保证生命活动的有序进行。
RNA与DNA的关系中，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。
**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；
（2017年高考全国1卷T29,10分）根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型，有些病毒对人类健康会造成很大危害，通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。
假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型，简要写出（1）实验思路（2）预期实验结果及结论即可。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）
【现学现用】
标答与评分细则：（1）思路（6分）
甲组：将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。
乙组：将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。
（2）结果及结论（4分）
若甲组收集的病毒有放射性，乙组无，即为RNA病毒；反之为DNA病毒。
mRNA
rRNA
tRNA
—信使RNA
—转运RNA
—核糖体RNA
（核糖体的组成成分）
【思考·讨论】结合学过的内容,归纳RNA的作用有哪些
⑴作为某些病毒的遗传物质
⑵某些RNA具有催化作用（酶）
⑷识别并转运氨基酸（tRNA）
⑶作为合成蛋白质的模板（mRNA）。
⑸核糖体的组成成分（rRNA）
RNA的种类
（识别并转运氨基酸）
（携带遗传信息，蛋白质翻译的模板）
遗传信息的转录
DNA的遗传信息是怎么样传给mRNA的？
阅读课本 P67页，同时仔细观察图4-4，思考下列问题：
（1）什么叫转录？
（2）转录的场所、需要的条件各是什么？
（3）转录的过程大致是怎样的？
核糖核苷酸
RNA聚合酶
DNA
RNA
5
3
5
5
3
RNA聚合酶将DNA双链解开，碱基暴露出来
第一步-解旋
游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对
第二步-配对
在RNA聚合酶的作用下，新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的RNA分子上
第三步-连接
合成的RNA从DNA链上释放，而后DNA双螺旋恢复
第四步-释放
转录方向（子链的5 →3 ）
①模板链是DNA的两条链还是一条链？
1条
②DNA和RNA的碱基如何配对？
A-U,T-A,
G-C,C-G
模板链
RNA聚合酶具有解旋功能，转录不需要解旋酶
磷酸二酯键
遗传信息的转录
遗传信息的转录
1.概念：
2.时间：
3.场所：
4.条件：
5.产物：
6.特点：
RNA是在细胞核中，以DNA的一条链为模板合成的，这一过程叫作转录
个体生长发育的整个过程
细胞核（主要场所）、线粒体、叶绿体、拟核
模板：
原料：
能量：
酶：
mRNA、tRNA、rRNA
边解旋边转录
提醒：每次转录的只是DNA分子一个基因。
（并非一整个DNA）。
7.遗传信息传递的方向：
DNA→RNA
DNA的一条链
4种游离的核糖核苷酸
ATP
RNA聚合酶
（1）DNA的两条链都能转录吗？ （2）转绿时，DNA链完全解开吗？
（3）在转录过程中碱基互补配对原则有什么特殊情况？
A—U、T—A、 G—C、 C—G
不能
不是，只能以基因为单位解开
2.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。
3.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。
注意：
1.转录又加工好的RNA从核孔出来，穿过0层膜，要消耗能量。
遗传信息的转录
按照碱基配对原则，
1.写出以b链为模板转录形成的mRNA碱基序列，
2.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
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
遗传信息的转录
复制 转录
场所
模板
原料
酶
能量
碱基配对
产物
主要是细胞核
主要是细胞核
DNA的两条链
DNA上基因的一条链
4种脱氧核苷酸
4种核糖核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
ATP
ATP
两个完全相同的子代DNA
RNA
G－C、A－U、T－A
C－G、T－A
遗传信息的转录
导学案P80 例1 对点练1
P81 例2 对点练2
遗传信息的转录
例1 下列有关 和 的叙述，错误的是( ) 。
D
A.二者的化学组成中相同的有磷酸以及碱基A、C、
B.二者都可以携带遗传信息，都可作为遗传物质
C.二者都含有C、 、 、 、 五种元素
D. 中含有氢键，而 中没有氢键
对点练1 下列关于 和 的叙述，不合理的是( ) 。
B
A. 双链中腺嘌呤一定与胸腺嘧啶配对
B. 中相邻两个碱基通过磷酸—核糖—磷酸相连接
C. 中磷酸和脱氧核糖交替排列在外侧构成基本骨架
D. 局部双链中腺嘌呤一定与尿嘧啶配对
遗传信息的转录
例2 下列有关真核生物转录过程的叙述，正确的是( ) 。
B
A.转录的场所只有细胞核
B. 双链解开需要 聚合酶
C. 为 ， 为 ， 为 聚合酶，转录
方向为从 端到 端，即从左到右
D.游离的脱氧核糖核苷酸在 聚合酶的作用下
合成
对点练2 以下关于真核生物转录的叙述，错误的是( ) 。
C
A.主要在细胞核中进行 B.需要的酶是 聚合酶
C.以 的两条链为模板 D.需要的原料是核糖核苷酸
遗传信息的翻译
转录得到的是RNA，而不是蛋白质。那么，RNA上的碱基序列如何能变成蛋白质中氨基酸排列顺序呢？
mRNA通过核孔进入细胞质中，与核糖体结合，开始它新的历程——翻译。
阅读课本 P64页，同时仔细观察表4-1，思考下列问题：
（1）什么是翻译？
（2）碱基和氨基酸之间有怎样的对应关系？
（3）什么叫密码子？
遗传信息的翻译
1、翻译的概念：
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，这一过程叫做翻译。
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。
mRNA的碱基序列
蛋白质的氨基酸序列
2、翻译的实质：
遗传信息的翻译
问题1：mRNA的4种碱基如何对应蛋白质的21种氨基酸？
最多可以决定64（43）种氨基酸
若1个碱基决定1个氨基酸
最多可以决定4种氨基酸
若2个碱基决定1个氨基酸
最多可以决定16（42）种氨基酸
若3个碱基决定1个氨基酸
组成人体蛋白质的氨基酸有21种，至少需要3个碱基对应1个氨基酸
1961年，英国的克里克和同事用实验证明：
mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸，每3个这样的碱基称作一个密码子。
G
U
G
C
A
U
C
G
A
mRNA
5'
3'
密码子
缬氨酸
密码子
组氨酸
密码子
精氨酸
遗传信息的翻译
1967年，科学家将21种氨基酸的密码全部破译，将其编制成密码子表。
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G
U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U
苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C
亮氨酸 丝氨酸 终止 终止、硒代半胱氨酸 A
亮氨酸 丝氨酸 终止 色氨酸 G
C 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U
亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G
A 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U
异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C
异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A
甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 G
G 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U
缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C
缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A
缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G
U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U
苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C
亮氨酸 丝氨酸 终止 终止、硒代半胱氨酸 A
亮氨酸 丝氨酸 终止 色氨酸 G
C 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U
亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G
A 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U
异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C
异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A
甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 G
G 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U
缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C
缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A
缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G
第1个碱基 第2个碱基 第3个碱基 密码子
苯丙氨酸
谷氨酸
色氨酸
G A A和G GAA和GAG
U U C和U UUC和UUU
U G G UGG
密码子 决定的氨基酸
UUA
AUG
UAA
终止
甲硫氨酸(起始）
亮氨酸
一种密码子决定____种氨基酸
一种氨基酸由 密码子决定。
1种或几种
1
——密码子的简并
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G
U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U
苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C
亮氨酸 丝氨酸 终止 终止、硒代半胱氨酸 A
亮氨酸 丝氨酸 终止 色氨酸 G
C 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U
亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G
A 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U
异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C
异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A
甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 G
G 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U
缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C
缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A
缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G
起始密码子______种
种类
（ )种 终止密码子______种
编码氨基酸的密码子一般______种
64
2
61
3
（特殊情况下有62种）
遗传信息的翻译
思考.讨论：
1. 绝大多数氨基酸都有好几个密码子，这一现象称为密码的简并（性），你认为密码的简并对生物体的生存和发展有什么意义？
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？
当密码子中有一个碱基改变时，由于密码的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸。意义：维持物种的稳定
说明当今生物可能有着共同的起源。——密码子的通用性
A
C
G
A
U
U
G
A
U
C
G
A
C
G
A
正常mRNA
G
C
G
A
U
U
G
A
C
C
G
A
C
G
A
错误mRNA
天冬氨酸
天冬氨酸
精氨酸
精氨酸
mRNA
5
3
问题2：知道碱基和氨基酸的对应关系后，谁能胜任这个对应工作呢？（完成这个工作，要求既能“懂”碱基的语言，也能“懂”氨基酸的语言）
5
3
①结构：tRNA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，这3个碱基可以与mRNA上的密码子配对，叫作反密码子。
结合氨基酸的部位
密码子
反密码子
OH
A
A
C
碱基配对
（氢键）
②特点：
这个tRNA携带的氨基酸是 ？
亮氨酸
1种tRNA只能识别并转运1种氨基酸
遗传信息的翻译
导学案P84 例1 对点练1
遗传信息的翻译
例1 下列叙述正确的是( ) 。
C
A.密码子有64种，每个密码子都与一个反密码子相对应
B.反密码子位于 上，密码子位于 上
C.除原核生物外，一个密码子最多只能对应一个氨基酸
D.每种氨基酸可以对应多种 ，每种 也可以对应多种氨基酸
对点练1 根据下表提供的信息，可以确定色氨酸的密码子是( ) 。
C
信使 C
转运 A
氨基酸 色氨酸
A
U
A
C
甲硫氨酸
组氨酸
G U G
色氨酸
A C C
第1步:______进入细胞质，与_______结合。携带甲硫氨酸的tRNA ，通过与碱基AUG________，进入位点____。
A
G
U
C
C
A
U
A
A
G
G
U
mRNA
mRNA
核糖体
遗传信息的翻译
A
G
U
C
C
A
U
A
A
G
G
U
色氨酸
A C C
U
A
C
甲硫氨酸
第1步:______进入细胞质，与_______结合。携带甲硫氨酸的tRNA ，通过与碱基AUG________，进入位点____。
mRNA
核糖体
互补配对
1
第2步:携带某个氨基酸的tRNA以同样的方式进入位点_____。
2
组氨酸
G U G
遗传信息的翻译
A
G
U
C
C
A
U
A
A
G
G
U
组氨酸
G U G
色氨酸
A C C
U
A
C
甲硫氨酸
第1步:______进入细胞质，与_______结合。携带甲硫氨酸的tRNA ，通过与碱基AUG________，进入位点____。
mRNA
核糖体
互补配对
1
第2步:携带某个氨酸的tRNA以同样的方式进入位点_____。
2
肽键
第3步:甲硫氨酸与这个氨基酸形成_____，从而转移到位点_____的tRNA上。
2
肽键
遗传信息的翻译
A
G
U
C
C
A
U
A
A
G
G
U
组氨酸
G U G
U
A
C
甲硫氨酸
第4步: _______沿______移动，读取下一个密码子，原占位点___的tRNA离开核糖体，原位点___的tRNA进入位点__，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点___，继续肽链的合成。
核糖体
mRNA
1
2
1
2
色氨酸
A C C
遗传信息的翻译
A
G
U
C
C
A
U
A
A
G
G
U
组氨酸
色氨酸
A C C
甲硫氨酸
X X X
XXX
随着________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____________，合成才告终止。
核糖体
终止密码子
遗传信息的翻译
A
G
U
C
C
A
U
A
A
G
G
U
甲硫氨酸
组氨酸
色氨酸
XXX
遗传信息的翻译
1.概念：
2.场所：
3.条件：
4.产物：
5.原则：
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，这一过程叫做翻译。
核糖体
模板：
原料：
能量：
工具：
酶：多种酶
具有一定氨基酸序列的蛋白质（肽链）
碱基互补配对（A-U，U-A，C-G，G-C）
6.遗传信息传递的方向：
RNA→蛋白质
提醒：肽链合成后，通常经过盘曲折叠，才能形成特定空间结构和功能的蛋白质分子。
mRNA
20种氨基酸
ATP
tRNA
如何加快翻译的速度？
遗传信息的翻译
在细胞质中，翻译是一个快速的过程。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出大量的蛋白质。
①由该图能不能得出翻译的方向（核糖体移动的方向）呢？
由肽链_____→肽链_____的方向进行
短
长
（从左到右）
②这样合成的多条肽链的氨基酸序列是否相同？
相同。因为是以同一个mRNA为模板翻译出来的。
生物学意义
遗传信息的翻译
判断翻译的方向（核糖体移动方向）
你从图中看出了二者的区别吗？
核基因先转录后翻译
边转录边翻译
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
真核细胞、原核细胞基因表达差异
导学案P85 例2 对点练2
遗传信息的表达
例2 下图为基因表达过程的示意图，下列叙述正确的是( ) 。
D
A.①是 ，其一条链可进入细胞质作为转录的模板
B.该图可以表示原核生物基因表达的过程
C.③是核糖体，翻译过程中③将由 向 方向移动
D.④是 ，能识别 上的密码子
对点练2 下图表示生物细胞中基因的表达过程，下列相关判断不正确的是( ) 。
C
A.图示现象不可能发生在人体细胞的核基因表达过程中
B.一个基因可在较短时间内合成多条肽链
C.一条多肽链的合成需要多个核糖体的共同参与
D.图示过程中既有 与 之间的碱基互补配对，
也有 与 之间的碱基互补配对
中心法则
1957年，克里克率先提出遗传信息传递的一般规律——中心法则。
遗传信息可以从DNA流向DNA，即DNA的复制；
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
RNA
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。
随着研究的深入，科学家对中心法则进行补充：
资料：1、1965年科学家在某种RNA病毒中发现了RNA复制酶，
RNA复制酶能催化RNA的复制。
2.1970年，科学家在致癌的RNA病毒中发现了逆转录酶，它能
以RNA为模板合成DNA。
逆转录
复制
（均遵循碱基互补配对原则）
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。
导学案P87 例3 对点练3
例3 下图表示某种生理过程，下列与此图相关的叙述，不正确的是( ) 。
C
A.图中的“能量”直接来源于 水解
B.若 、 均表示 ，则图中的酶为 聚合酶和解旋酶
C.若 是 ，则 只能是蛋白质，图中“原料”为氨基酸
D.若 是 ， 是 ，则此过程要以 为模板，酶是 聚合酶
中心法则
对点练3 （2023·张掖校考）下图为中心法则示意图。下列相关叙述正确的是( ) 。
D
A.①②③分别表示转录、复制、翻译
B.正常人体细胞能完成的过程是①②⑤
C.④过程为逆转录过程，存在 、
、 、 碱基配对方式
D.某些病毒可进行④⑤过程

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