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生物学（人教版）
必修2
遗传与进化
第1节 基因指导蛋白质的合成
第四章 基因的表达
事例：1993年，中国农业科学院的科学家将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。抗虫转基因棉花的种植，减少了农药的用量，不仅大大降低了生产成本，还减少了农药对环境的污染。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，这过程就是基因的表达。
基因如何指导蛋白质合成？
问题一：真核生物和原核生物DNA主要分布在哪里？
问题二：基因与DNA的关系？
问题三：蛋白质合成的场所在哪里？
【参考答案】主要存在于细胞核（真核生物）中；拟核（原核生物）
【参考答案】基因通常是有遗传效应的DNA片段。
【参考答案】核糖体。
【本节聚焦】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？结合以上分析，
你能提出几种假设？
基因如何指导蛋白质合成？
【思考】细胞核中的DNA能不能出细胞核指导蛋白质的合成？
【思考】核糖体能不能进入细胞核合成蛋白质？
假设三：在DNA和蛋白质之间，有一种中间物质充当信使。
假设一：DNA出细胞核？
X
假设二：核糖体进细胞核？
【理由】DNA是遗传物质；细胞核控制细胞的遗传和代谢。
真核生物的核膜具有选择透过性，DNA大分子无法穿过核膜。
X
【理由】细胞核的核孔通道直径为9nm，核糖体为圆形颗粒状，直径约23nm。
基因如何指导蛋白质合成？
【提出假说】
F.Jacob and J.Monod提出细胞存在一种特殊的RNA是直接从DNA上合成的，它们的序列与DNA上的基因序列互补，然后被运输到细胞质为蛋白质合成提供模板。在一种蛋白质合成结束以后，它的mRNA将离开核糖体，为其他的mRNAs"让路”。
信使RNA假说
【实验证明】
Brenner、Jacob和Meselson 使用噬菌体感染大肠杆菌，发现感染后不久，就有一种病毒特异性的RNA被合成并很快和细菌内本来存在的含有细菌rRNA的核糖体结合。但这种新的病毒RNA并不是核糖体的永久性成分，而只与核糖体短暂结合。这不正是假说中预测的mRNA 分子吗
一、遗传信息的转录
阅读教材66—65页，从RNA的组成成分和结构角度分析，RNA适于作DNA信使的原因？
(1)它的基本结构与DNA很相似，也是由基本单位核苷酸组成。
—DNA和RNA的比较—
DNA RNA
基本单位
五碳糖
含N碱基
空间结构
脱氧核苷酸
核糖核苷酸
脱氧核糖
核糖
A、T、G、C
A、U、G、C
规则双螺旋
一般单链
(2)RNA的结构：
一般是单链，相对较短，可以通过核孔，从细胞核中移到细胞质中
(3)RNA的种类(模式图）
信使 RNA
(mRNA)
转运RNA
(tRNA)
核糖体RNA
(rRNA)
1.转录的模板由谁提供？转录需要哪种酶的参与？
2.转录发生的时间？
3.转录的场所在哪里？
①真核生物：主要在 内， 和 也可以进行。
②原核生物：主要在 。 ③病毒： 。
4.转录的过程是怎样的？ 5.转录的条件是？
6.转录的产物是什么？ 7.转录遵循的原则是什么？
8.转录意义是什么？ 9.转录中遗传信息的传递方向是？
二、遗传信息的转录
阅读教材65-66页，尝试解决以下问题。
二、遗传信息的转录
阅读教材65-66页，尝试解决以下问题。
1.转录的模板由谁提供？转录需要哪种酶的参与？
通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的，这一过程叫做转录。
2.转录发生的时间？
个体生长发育的整个过程（几乎所有活细胞中）
即细胞分裂、分化、衰老、凋亡过程都会发生。
3.转录的场所在哪里？
①真核生物：主要在细胞核内，线粒体和叶绿体也可以进行。
②原核生物：主要在拟核内。 ③病毒： 。
活细胞内
U
A
A
G
U
C
C
C
T
T
G
G
A
A
A
游离的核糖核苷酸
RNA聚合酶
mRNA
DNA
1. 解旋
RNA聚合酶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
2. 配对
合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双螺旋恢复。
4、转录过程
二、遗传信息的转录
阅读教材65-66页，尝试解决以下问题。
5.转录的条件是？
①模板：
DNA的其中一条链
②原料：
游离4种核糖核苷酸
③能量：
细胞提供的能量（ATP等）
④酶：
RNA聚合酶等
*打开氢键、形成磷酸二酯键
6.转录的产物有？
RNA（三种RNA都是）
7.转录遵循的原则是？
碱基互补配对原则
8.转录意义是？
遗传信息从DNA传递到RNA（mRNA）上，为翻译做准备。
9.转录中遗传信息的传递方向是？
DNA到RNA
A-___ G-___
C-___ T-___
U
C
G
A
二、遗传信息的转录
思考*讨论
1.转录与DNA复制有那么共同之处？这对保证遗传信息的准确转录有什么意义？
转录与复制都需要模板、都遵循碱基互补配对原则。
碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性。
2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？
DNA复制过程需要解旋酶和DNA聚合酶，以4种游离的脱氧核苷酸为原料；转录则需要RNA聚合酶，以4种游离的核糖核苷酸为原料。
二、遗传信息的转录
思考*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？
T
C
A
T
G
T
T
T
A
A
G
T
A
C
A
A
A
T
模板链
非模板链
DNA
模板链
A
G
T
A
C
A
A
A
T
（DNA的一条链）
转 录
RNA
G
U
U
A
U
U
A
U
C
请同学们阅读教材66-68页，尝试完成以下问题：
1.碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的？
2.遗传信息的翻译需要几种RNA，你能依据每种RNA的结构特点说出它们在翻译中起到的关键性作用吗？
3.阅读分析教材67页表4-1：密码子共多少种？密码子和氨基酸的对应关系是怎样的？密码子有什么特点？并尝试回答67页“思考与讨论”。
4.游离在细胞质中的氨基酸，是如何被准确地转运到特定位置？
5.翻译的过程可以分为几个步骤，每个步骤的具体任务又是什么？
6.在细胞质中，如何提高翻译的效率？
7.肽链合成结束后，还需要哪些环节才能成为有功能的蛋白质？
三、遗传信息的翻译
三、遗传信息的翻译
【已知信息】
1.mRNA合成以后，通过核孔进入细胞质中。
2.核酸的碱基序列蕴含着遗传信息。
3.翻译的实质是将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序。
【问题困惑】
寻找mRNA的碱基与氨基酸之间的对应关系？
【已知信息】
1.DNA和RNA都只含有4种碱基。
2.绝大多数生物体内组成蛋白质的氨基酸有21种。
推测1：1个碱基决定1个氨基酸，那么4种碱基能决定_____种氨基酸。
推测2：2个碱基决定1个氨基酸，那么4种碱基能决定_____种氨基酸。
推测3：3个碱基决定1个氨基酸，那么4种碱基能决定_____种氨基酸。
4
42
43
×
×
√
【逻辑推测】
【提出假设】
mRNA上三个碱基对应一个氨基酸。
【实验验证】
科学家克里克和他的同事以T4噬菌体为实验材料，研究其中某个基因的碱基增加或减少对其所编码蛋白质的影响。
【重要概念】
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。
A
C
G
U
G
A
U
U
A
mRNA
密码子
三、遗传信息的翻译
21种氨基酸的密码子表
【归纳总结】
1）氨基酸种类：
2）密码子种类：
3）起始密码子种类:
4）终止密码子种类:
21种
64种
AUG、GUG（甲硫氨酸) 2种
UAA、UAG、UGA 3种
5）注意：P6表4-1的注解。
21种氨基酸的密码子表
三、遗传信息的翻译
【归纳总结】
6）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这一现象称作密码子的简并。
密码子的第一个特点：
具有简并性
21种氨基酸的密码子表
三、遗传信息的翻译
【归纳总结】
6）从密码子表可以看出，像UUU只对应苯丙氨酸，CCC只对应丝氨酸，AUG只对应甲硫氨酸。
密码子的第二个特点：
具有专一性
21种氨基酸的密码子表
三、遗传信息的翻译
【归纳总结】
6）几乎所有的生物体都共用上述密码子。密码子的第三个特点：
根据这一事实，你能想到什么
通用性
说明当今生物可能有着共同的起源。
mRNA进入细胞质后与核糖体结合，合成生产蛋白质的“生产线”，那么游离在细胞之中的氨基酸是如何运到合成蛋白质的“生产线”上的呢？
A
C
G
U
G
A
U
U
A
异亮氨酸
甲硫氨酸
谷氨酸
亮氨酸
思考
三、遗传信息的翻译
每个tRNA的这3个碱基可以与mRNA上的密码子互补配对，叫做反密
码子。
5'
结合氨基酸的部位
碱基配对
mRNA
5'
3'
A
C
U
密码子
U
G
A
反密码子
3'
1）功能特点：
每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
2）结构特点：
RNA链经过折叠，形成三叶草形。
3）反密码子：
“搬运工”tRNA
种类 mRNA tRNA rRNA
名称 信使RNA 转运RNA 核糖体RNA
功能
结构
是否 翻译蛋白质
示 意 图
传递遗传信息；
蛋白质合成的模板
识别并转运特定氨基酸
组成核糖体
单链
单链，部分碱基配对形成三叶草型结构
单链
4)RNA的种类、结构及功能
是
否
否
U
A
C
甲硫氨酸
A
C
U
天冬酰氨
核糖体
U
A
C
G
U
G
A
U
U
A
U
A
mRNA与核糖体结合
起始
遗传信息的翻译过程
U
A
C
甲硫氨酸
A
C
U
天冬酰氨
A
C
G
U
G
A
U
U
A
A
U
tRNA携带氨基酸置于特定位置，反密码子与密码子互补配对
运输
遗传信息的翻译过程
U
U
A
C
甲硫氨酸
A
C
U
天冬酰氨
A
U
G
异亮氨酸
tRNA将氨基酸转运到 mRNA上的 相应位置
A
C
G
U
G
A
U
U
A
U
A
U
运输
遗传信息的翻译过程
A
C
G
U
G
A
U
U
A
U
A
C
甲硫氨酸
A
C
U
天门冬酰氨
A
U
G
异亮氨酸
缩合
A
C
G
U
G
A
U
U
A
U
A
U
两分子氨基酸脱水缩合
延伸
遗传信息的翻译过程
A
C
G
U
G
A
U
U
A
U
A
C
甲硫氨酸
A
C
U
天门冬酰氨
A
U
G
异亮氨酸
A
C
G
U
G
A
U
U
A
U
A
U
延伸
核糖体随着 mRNA滑动. 另一个 tRNA上的碱基与mRNA上的 密码子配对。
遗传信息的翻译过程
A
C
G
U
G
A
U
U
A
甲硫氨酸
A
C
U
天门冬酰氨
A
U
G
异亮氨酸
A
C
G
U
G
A
U
U
A
U
A
U
延伸
一个个氨基酸分子缩合成链状结构
遗传信息的翻译过程
甲硫氨酸
C
U
A
天门冬酰氨
A
U
G
异亮氨酸
A
C
G
U
G
A
U
U
A
U
A
U
延伸
tRNA离开，再去转运新的氨基酸
遗传信息的翻译过程
遗传信息的翻译总结
(1)翻译的场所:
(2)翻译的模板:
(3)翻译的原料:
(4)肽链由各相邻的氨基酸通过 连接形成。
(5)翻译的条件:
(6)翻译的碱基互补配对
(7)翻译的产物
(8)遗传信息流动
细胞质的核糖体
mRNA
游离的氨基酸
肽键
模板、原料、能量、酶、工具
A U C G
mRNA ─┴─┴─┴─┴─
t RNA ─┴─┴─┴─
U A G
蛋白质(肽链)
mRNA 蛋白质
(9)翻译能精确进行的原因
(10)翻译能高效进行的原因
mRNA为翻译提供了精确的模板
通过碱基互补配对，保证了翻译能够准确进行
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
意义：少量的mRNA分子就可以迅速合成出大量的蛋白质
遗传信息的翻译总结
拓展
图示法判断mRNA与核糖体数量、翻译速度的关系
(1)方向：从左向右，判断依据是肽链的长短，长的先完成翻译。
(2)结果：合成的仅是肽链，要形成蛋白质还需要运送至内质网、高尔基体等结构中进一
步加工。
遗传信息的翻译拓展
复制 转录 翻译
时间 分裂间期 生长发育的整个过程
场所 主要在细胞核 主要在细胞核 核糖体
模板 DNA两条母链 DNA的一条链 mRNA
原料 游离脱氧核苷酸4种 游离核糖核苷酸4种 氨基酸约21种
条件 模板、原料、能量、酶 模板、原料、能量、酶 模板、原料、能量、酶
配对 A-T、T-A A-U、T-A A-U、U-A
产物 两个相同的DNA 一个mRNA 多肽→蛋白质
信息传递 DNA→ DNA DNA→ RNA RNA→蛋白质
【归纳总结】DNA的复制、转录和翻译的比较
DNA
RNA
转录
复制
翻译
蛋白质
四、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；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
随着研究的深入，科学家对中心法则做出了补充
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
RNA
逆转录
RNA
的复制
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。
四、中心法则
不同生物遗传信息的传递
生物种类 举例 遗传信息的传递过程
DNA病毒 T2噬菌体
RNA病毒 不含逆转录酶 烟草花叶病毒
RNA病毒 含逆转录酶 艾滋病病毒
细胞生物 动物、植物、真菌、细菌等
二、拓展应用
红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物能够抑制细菌的生长，它们的抗菌机制如下表所示，请结合本节内容说明这些抗菌药物可用于治疗疾病的道理。
【提示】题中的三种抗生素都是通过阻止遗传信息的传递和表达，来干扰细菌蛋白质的合成，进而抑制细菌生长的。具体而言，红霉素影响翻译过程，环丙沙星影响复制过程，利福平影响转录过程。
一、概念检测
1．基因的表达包括遗传信息的转录和翻译两个过程。判断下列相关表述是否正确。
（1）DNA转录形成的mRNA，与母链碱基的组成、排列顺序都是相同的。（ ）
（2）一个密码子只能对应一种氨基酸，一种氨基酸必然有多个密码子。（ ）　
2．密码子决定了蛋白质的氨基酸种类以及翻译的起始和终止。密码子是指（ ）
A．基因上3个相邻的碱基　　　　　　B．DNA上3个相邻的碱基
C．tRNA上3个相邻的碱基　　　　 D．mRNA上3个相邻的碱基
X
X
D

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