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第3节 基因指导蛋白质的合成
一、新课导入
二、遗传信息的转录
三、遗传信息的翻译
四、中心法则
资料：将苏云金杆菌抗虫蛋白基因转入普通棉花，培育出的棉花会产生抗虫蛋白。
思考：转入的是基因，得到的却是蛋白质。为什么会这样？
基因可以指导蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达。
DNA
？
蛋白质
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
？
思考1.DNA主要存在哪里？
思考2.蛋白质在哪里合成？
实验：
1955年Brachet用洋葱根尖和变形虫进行了实验；发现若加入RNA酶降解细胞中的RNA，则蛋白质合成就停止，若再加入从酵母中提取的RNA，则又可以重新合成一些蛋白质。
同年，拉斯特（Laster Gold）等人将变形虫用同位素标记的尿嘧啶核苷酸培养液来培养，发现标记的RNA分子首先在细胞核中合成。
结论: RNA在DNA和蛋白质合成中充当信使。
你认为RNA在蛋白质合成中起到了什么作用？
1.RNA的全称：
2.RNA的基本组成单位：
3.RNA与DNA在化学组成上的主要区别：
核糖核酸
4种核糖核苷酸
（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
为什么RNA适于作DNA的信使？
4.RNA的种类及功能
(1) mRNA——信使RNA
携带着从DNA转录来的遗传
信息，是合成蛋白质的模板。
(2) tRNA——转运RNA
识别并运载氨基酸
(3) rRNA——核糖体RNA
它是核糖体的组成成分
为什么RNA适于作DNA的信使？
1.RNA是由基本单位——核糖核苷酸连接而成，跟DNA一样能储存遗传信息。
2.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。
3.RNA与DNA的关系中，也遵循“碱基互补配对原则”。
为什么RNA适于作DNA的信使？
DNA如何将遗传信息传递给RNA？
1. 定义：
在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成RNA的过程。
2. 主要场所：
细胞核
3. 过程：
解旋
配对
连接
释放
一 、遗传信息的转录
G
C
T
G
C
G
C
C
A
G
C
A
T
C
G
A
T
G
C
T
A
T
A
C
G
G
C
G
C
T
A
C
G
T
A
G
A
A
T
G
T
C
转录过程
①解旋：
DNA双链解开（_____________的催化），碱基暴露出来；
RNA聚合酶
注意：该过程不需要解旋酶，RNA聚合酶有解旋作用；
RNA
聚合酶
②配对：
A
U
G
C
G
C
T
G
C
G
C
C
A
G
C
A
T
C
G
A
T
G
C
T
A
T
A
C
G
G
C
G
C
T
A
C
G
T
A
G
A
A
T
G
T
C
G－C、C－G、T－A、A－U
原料：游离的4种核糖核苷酸
G
G
A
U
C
转录过程
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RNA的合成。
碱基互补配对原则
RNA聚合酶
③连接：
A
U
G
C
G
C
T
G
C
G
C
C
A
G
C
A
T
C
G
A
T
G
C
T
A
T
A
C
G
G
C
G
C
T
A
C
G
T
A
G
A
A
T
G
T
C
A
C
G
G
G
G
G
C
C
C
C
U
U
U
U
U
U
转录过程
在RNA聚合酶的作用下，新结合的核糖核苷酸连接成一条链
RNA的延伸方向
从5’端到3’端
合成的RNA从DNA链上释放，而后DNA双链恢复
G
C
T
G
C
G
C
C
A
G
C
A
T
C
G
A
T
G
C
T
A
T
A
C
G
G
C
G
C
T
A
C
G
T
A
G
A
A
T
G
T
C
A
U
G
C
A
C
G
G
G
G
G
C
C
C
C
U
U
U
U
U
U
转录过程
④释放：
4. 条件：
① 模板：
② 原料：
③ 酶：
④ 能量：
DNA的一条链
4种游离的核糖核苷酸
RNA聚合酶
ATP
5. 产物：
RNA（mRNA、tRNA、rRNA）
6.原则：
A
U
C
G
T
A
G
C
碱基互补配对原则
DNA→RNA
7.遗传信息流动方向：
8.特点：
边解旋边转录
一、遗传信息的转录
比较项目 DNA复制 DNA转录
模板
原料
碱基互补配对原则
酶
产物
DNA
RNA
DNA的两条链
DNA的一条链
四种脱氧核苷酸
四种核糖核苷酸
A-T；G-C
A-U；T-A；G-C
解旋酶、DNA聚合酶等
RNA聚合酶
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
转录得到的mRNA仍是碱基序列，而不是蛋白质。那么，mRNA上的遗传信息如何传递到蛋白质上呢？
U
C
A
U
G
A
U
U
A
mRNA
细胞质
细胞核
mRNA通过核孔进入细胞质
遗传信息的翻译
U
C
A
U
G
A
U
U
A
mRNA
蛋白质
翻译
二、遗传信息的翻译
1.定义：
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的过程，称为遗传信息的翻译。
DNA携带的遗传信息
mRNA携带的遗传信息
蛋白质
转录
翻译
碱基排序
碱基排序
氨基酸排序
实质：将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质中的氨基酸序列。
二、
遗传信息的翻译
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：4种碱基怎么决定蛋白质的21种氨基酸？
1个碱基决定1种氨基酸就只能决定 种，即
2个碱基决定1种氨基酸就只能决定 种，即
3个碱基决定1种氨基酸就只能决定 种，即
4
4种
21种
41
16
42
64
43
至少需要多少个碱基才能够决定21种不同的氨基酸？
2.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。
mRNA
5'
3'
G
U
G
G
A
A
C
C
U
密码子
密码子
密码子
密码子认读是从mRNA的5'→3'，相邻的密码子无间隔、不重叠。
缬氨酸
组氨酸
精氨酸
二、
遗传信息的翻译
实验验证：1961年英国的克里克和同事用实验证明一个氨基酸是由mRNA 的3个碱基决定。
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
U U U UUU
A G G AGG
苯丙氨酸
精氨酸
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
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
64
UAA
UGA
UAG
AUG
GUG
61
绝大多数氨基酸都有几个密码子决定。
2.密码子的简并性
地球上几乎所有的生物都共用同一套密码子。
3.密码子的通用性
讨论：你认为密码子的简并性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提高使用频率。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。
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
思考·讨论
已知一段mRNA的碱基序列是AUGGAAGCAUGUCCGAGCAAGCCG，你能写出对应的氨基酸序列吗？
甲硫氨酸
— 谷氨酸
— 丙氨酸
— 半胱氨酸
— 脯氨酸
— 丝氨酸
— 赖氨酸
— 脯氨酸
思
考
与
讨
论
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”。有了“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？
3.tRNA(转运RNA)：
①形态：
②功能特点：
③反密码子
RNA链经过折叠，形成三叶草形
识别密码子，转运氨基酸。（tRNA只能识别并转运一种氨基酸。氨基酸可由一种或几种tRNA转运）
mRNA
5'
3'
A
C
U
反密码子
密码子
位于tRNA上，其实质是与密码子发生碱基互补配对的3个相邻的碱基。
反密码子
反密码子
密码子
U
G
运输氨基酸的工具——tRNA
结合氨基酸的部位合
碱基互补配对
A
U
A
U
密码子
mRNA
U
G
C
A
U
A
C
C
G
A
U
U
A
U
携带什么氨基酸？
异亮氨酸
A U A
mRNA
AAU
亮氨酸
CUA
天冬氨酸
UAG
异亮氨酸
一种tRNA只能携带一种氨基酸
一种氨基酸只能由一种tRNA携带
一种tRNA只能识别并运输一种氨基酸，一种氨基酸可能被多种tRNA运输。
核糖体
核糖体
核糖体
U
A
U
C
G
u
C
U
G
G
G
A
U
A
C
U
A
C
C
G
u
G
G
A
C
U
G
U
A
G
A
A
U
A
C
A
G
U
C
A
C
C
G
G
A
U
mRNA
脱水缩合
肽键
04
遗传信息的翻译
5.场所：
6.条件：
8.结果：
核糖体
能量：
酶：
模板：
原料：
原则：
ATP
肽酰转移酶（连接肽键）
mRNA
21种游离氨基酸
碱基互补配对
A－U、U－A
G－C、C－G
多肽链
7.遗传信息流动方向：
mRNA→蛋白质
（1）数量关系
（2）意义
（3）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____条相同肽链的合成。
多
多
少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质。
由肽链_____→肽链_____的方向进行
短
长
（从左到右）
多聚核糖体现象
mRNA与核糖体数量、翻译速度的关系
8.特征：
（4）真、原核细胞基因的表达有什么区别？
真核细胞中先转录后翻译，原核细胞中边转录边翻译
真核细胞中复制、转录、翻译的比较
DNA复制 转录 翻译
时间
场所
模板
原料
酶
能量
原则
特点
产物
方向
信息传递
细胞分裂间期
主要是细胞核
DNA的两条链
四种脱氧核苷酸
解旋酶，DNA聚合酶
ATP
A-T,T-A,C-G,G-C
半保留复制
边解旋边复制
子代DNA分子
主要是细胞核
基因特定的一条链
四种核糖核苷酸
RNA聚合酶
ATP
A-U,T-A,G-C ,C-G
边解旋边转录
mRNA、tRNA、rRNA
生长发育过程
细胞质
mRNA
21种氨基酸
肽酰转移酶
ATP
特定氨基酸顺序的肽链
A-U,U-A,G-C,C-G
一个mRNA可结合多个核糖体同时翻译多条肽链
DNA→DNA
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
从起始密码子到终止密码子
新链从5’端-3’端延伸
新链从5’端-3’端延伸
05
中心法则
中心法则：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。
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
RNA
资料一:1965年，科学家在RNA病毒里发现了一种RNA复制酶，像DNA复制酶能对DNA进行复制一样，RNA复制酶能对RNA进行复制。
RNA RNA
RNA复制酶
中心法则的发展
资料二: 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。
RNA DNA
逆转录酶
中心法则的发展
DNA
RNA
蛋白质
转录
翻译
复制
中心法则的完善
逆转录
复制
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)
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
复制
RNA
翻译
蛋白质
逆转录
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
RNA
各种生物的遗传信息传递过程
问题探讨
同一株水毛茛，裸露在空气中的叶和浸在水中的叶，表现出了两种不同的形态。
讨论：
1.这两种形态的叶，其细胞的基因组成一样吗？
2.这两种叶形的差异，可能是由什么因素引起的？
这两种形态的叶，其细胞的基因组成是一样的。
这两种叶形的差异，可能是由叶片所处的环境因素引起的
我们吃的白萝卜其实是萝卜植株变态发育的根，若一直埋在
土壤中生长，其通常是白色的，但如果生长过程中一部分暴
露在土壤外，那一部分将表现出叶一样的绿色。这是为什么？
“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳，叶徒相
似，其实味不同。所以然者何？水土异也。”
为什么相同的生物在不同的环境中会出现性状差异？
基因、蛋白质、性状三者间究竟存在怎样的联系？
基因
控制
蛋白质
体现
性状
蛋白质是生命活动的主要承担者
怎样控制？
南橘（上）北枳（下）
镰刀型细胞贫血症
①性状对比
正常：身体正常
患病：溶血、贫血等症状
②基因对比：
正常：编码血红蛋白的基因正常
患病：编码血红蛋白的基因β-肽链第6位谷氨酸被缬氨酸替换
正常红细胞
镰刀型红细胞
基因表达产物与性状的关系
镰刀型细胞贫血症形成机制
正常的形成机制
患者的形成机制
编码血红蛋白的基因正常
血红蛋白正常
红细胞呈圆饼状，正常运输O2
表现正常
编码血红蛋白的基因谷氨酸被替换
血红蛋白蛋白异常，缺谷多缬
红细胞呈镰刀型，运输O2能力降低
出现溶血、贫血等症状
基因
蛋白质结构
细胞
结构
性状
基因表达产物与性状的关系
基因与性状的关系（直接）：
基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
过程：
基因→蛋白质的结构→性状
基因与性状的关系（间接）：
基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状。
过程：
基因→酶的合成→细胞代谢→性状
基因表达产物与性状的关系
人的白化病
①性状对比
正常：皮肤颜色正常，毛发为黑色
患病：皮肤、毛发为淡白色
②基因对比：
正常：编码酪氨酸酶的基因正常
患病：编码酪氨酸酶的基因异常
白化病患者
正常人
基因表达产物与性状的关系
人的白化症状形成机制
正常的形成机制
患者的形成机制
编码酪氨酸酶的基因正常
酪氨酸酶正常
酶将酪氨酸转变为黑色素
表现正常
编码酪氨酸酶的基因被打乱
酪氨酸酶异常，无法正常合成
缺少酶，酪氨酸无法合成黑色素
缺乏黑色素表现白化症状
基因
酶
细胞代谢
性状
基因表达产物与性状的关系
二 基因的选择性表达与细胞分化
生物体多种性状的形成，都是以细胞分化为基础的。
同一生物体的不同类型细胞中，基因都是相同的，而形态结构和功能却各不相同，这是为什么呢？
二 基因的选择性表达与细胞分化
基因
RNA
蛋白质
(DNA)
转录
翻译
选择性表达
细胞分化
体现
生物性状
影响
思考 讨论：分析不同类型细胞中DNA和RNA的检测结果
检测的3种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白mRNA 珠蛋白mRNA 胰岛素mRNA
输卵管细胞 + + + + -
红细胞 + + + - + -
胰岛细胞 + + + - - +
1. 这3种细胞中合成的蛋白质种类有什么差别？
3种基因转录的mRNA分别出现在3种细胞中，表明每种细胞只合成3种蛋白质中的一种，因此这3种细胞中合成的蛋白质种类不完全相同。
二 基因的选择性表达与细胞分化
基因
RNA
蛋白质
(DNA)
转录
翻译
选择性表达
细胞分化
体现
生物性状
影响
思考 讨论：分析不同类型细胞中DNA和RNA的检测结果
检测的3种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白mRNA 珠蛋白mRNA 胰岛素mRNA
输卵管细胞 + + + + -
红细胞 + + + - + -
胰岛细胞 + + + - - +
2. 3种细胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因，但只检测到了其中一种基因的mRNA证明事实说明了什么？
这一事实说明细胞中并不是所有的基因都表达，基因的表达存在选择性。
二 基因的选择性表达与细胞分化
基因
RNA
蛋白质
(DNA)
转录
翻译
选择性表达
细胞分化
体现
生物性状
影响
思考 讨论：分析不同类型细胞中DNA和RNA的检测结果
检测的3种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白mRNA 珠蛋白mRNA 胰岛素mRNA
输卵管细胞 + + + + -
红细胞 + + + - + -
胰岛细胞 + + + - - +
3. 3种细胞中有表达情况相同的基因吗？
虽然有一些特定功能的蛋白质，只在特定的细胞中合成，但也有些蛋白质在所有的细胞中都合成，比如ATP合酶基因、细胞呼吸酶基因、核糖体蛋白基因等。
很多人认为，这一辈子不管如何“胡过”（不健康的生活习惯，包括抽烟、喝酒、暴食、熬夜等），最多是自己的身体受到影响，而不会影响到孩子。然而，真的是这样吗？
我们已经知道，经典遗传学里，那一个个特定顺序的碱基序列就是决定你我表现型的终极密码——基因。外界环境和生活习惯，即使会改变我们的表现型，也难以对我们的后代造成影响。因为，我们确信，基因的序列才能决定遗传。
然而，越来越多的证据告诉我们，即使基因序列不变，后代的性状也可能会因父母的习惯而改变。经历大饥荒的母亲生下出现精神问题的孩子；大吃大喝的祖辈带来患糖尿病概率高的孩子；抽烟的父亲拥有体重超标概率高的孩子；是这些孩子的基因改变了吗？
不是，另一种遗传学，正在向我们解释这些现象，形成我们不得不正视的遗传新领域——表观遗传学。
表观遗传
三、表观遗传
1. 定义：
生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象，叫作表观遗传。
表观遗传现象普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中。
2. 发生时期：
三、表观遗传
3. 实例：
基因组成相同的同卵双胞胎；一个蜂群中，蜂王和工蜂形态、结构、生理和行为等方面截然不同。
基因组成相同的同卵双胞胎所
具有的微小差异就与甲基化有关
植株A
植株B
柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的遗传
思考·讨论
资料1：柳穿鱼是一种园林花卉。如图所示的两株柳穿鱼，除了花的形态结构不同，其他方面基本相同。
柳穿鱼花的形态结构与Lcyc基因的表达直接相关。这两株柳穿鱼花，它们体内的Lcyc基因序列相同，只是植株A的Lcyc基因在开花时表达，而植株B的Lcyc基因不表达。研究表明，植株B的Lcyc基因不表达的原因是它被高度甲基化。
科学家将这两个植株作为亲本进行杂交，F1的花与植株A的相似， F1自交的F2中，绝大部分植株的花与植株A的相似，少部分植株的花与植株B的相似。
植株A
植株B
×
F1类似植株A
F2绝大多部分类似植株A
少部分与植株B相似
4. 常见的调控机制：
① DNA甲基化修饰 (主要抑制转录)
胞嘧啶甲基化
②染色体组蛋白甲基化、乙酰化等修饰（影响基因表达）
DNA
组蛋白
甲基化
乙酰化
磷酸化

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