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基因指导蛋白质的合成
20XX.XX.XX
第4章 基因的表达
授课教师：XXX老师
第一节
本节课聚焦
基因如何指导蛋白质的合成？
中心法则是如何描述遗传信息的传递规律的？
几乎所有生物共用同一套密码子的基本事实，给我们什么启示？
新课导学
新课教学
CONTENTS
课堂反馈
课堂总结
O1
O2
O3
O4
新课导学
NEW COURSE GUIDANCE
01.
新课导入
在《侏罗纪公园》中，关于恐龙的复活给出的答案是这样的，那就是用最先进的高科技设备，从6500万年以前的蚊子身上提取关于恐龙的DNA，因为6500万年以前的蚊子，也经常吸食恐龙的血液，所以，科学家很容易就能从蚊子身上找到那些携带恐龙DNA的信息。
新课导入
问题一：在现实生活中，我们能不能像电影《侏罗纪公园》中描述的那样，利用恐龙的DNA，使恐龙复活呢？
问题二：如果能利用恐龙的DNA使恐龙复活，你认为主要要解决什么问题？
新课教学
NEW COURSE TEACHING
02.
遗传信息的转录
DNA的基本单位
碱基：A、T、C、G
链数：双链
RNA的基本单位
碱基：A、U、C、G
链数：单链
01
02
脱氧
核糖
P
磷酸
A腺嘌呤
C
C
C
C
O
CH2OH
H
H
OH
H
H
H
H
C
C
C
C
O
CH2OH
H
H
H
H
H
H
H
核糖
P
磷酸
A腺嘌呤
腺嘌呤脱氧核苷酸
腺嘌呤核糖核苷酸
核糖
脱氧核糖
RNA与DNA的区别
1、组成单位不同
DNA的组成单位是脱氧核苷酸，RNA的组成单位是核糖核苷酸。
2、组成碱基不同
DNA的组成碱基是ATGC，RNA的组成碱基是AUGC。
3、组成五碳糖不同
DNA的组成五碳糖是脱氧核糖，RNA的组成五碳糖是核糖。
4、空间结构不同
DNA是双螺旋结构，RNA一般是单链。
5、功能不同
DNA是遗传物质，RNA一般在细胞中不作为遗传物质。
DNA和RNA结构对比
遗传信息的转录
DNA和RNA的对比
遗传信息的转录
mRNA为信使RNA。
含量低，占细胞总RNA的1%~5%；种类多，寿命短。
在蛋白质合成过程中，mRNA作为合成的模板，负责传递DNA的遗传信息，直接指导蛋白质的合成。
rRNA为核糖体RNA。
在细胞内含量最多，占细胞总RNA的80%以上；种类少，寿命长。
rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体一，核糖体相当于“装配机"，能促使tRNA所携带的氨基酰基缩合成肽。
tRNA为转运RNA。
约占细胞总RNA的15%。
在蛋白质合成过程中负责将氨基酸转运到核糖体上进行肽链的合成。
tRNA携带的反密码子可与mRNA上的密码子结合，解读mRNA的遗传密码，保证氨基酸能排列成一
定的顺序。
mRNA
rRNA
tRNA
主要RNA种类
遗传信息的转录
信使RNA
信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）是一种临时的副本，由于生命需要，mRNA的种类很多，而且随细胞状态和外界环境不断变化。狭义的转录组就是指某种细胞在某种条件下所有mRNA的集合。成熟mRNA的主体序列是编码区，在其上游5’侧和下游都有非编码区。
真核生物mRNA分子两端还有5’帽子和3’尾部结构。原核细胞的mRNA一般没有尾，病毒mRNA一般有尾。
拷贝少
寿命短
修饰成分少
特点
不能自我复制
遗传信息的转录
DNA→mRNA（把遗传信息从DNA转移到了信使RNA）
场所
细胞核
条件
原料：4种核糖核苷酸
能量：ATP
模板：DNA一条链的片断
酶：RNA的合成需要聚合酶
遵循原则
转录的过程
3'
3'
3'
5'
5'
5'
RNA聚合酶
转录的方向
碱基互补配对（A-U，T-A，C-G，G-C）
遗传信息的转录
DNA复制和转录对比
DNA的一条链
DNA的两条链
核糖核苷酸
脱氧核苷酸
RNA聚合酶
解旋酶、DNA聚合酶
ATP
ATP
子代DNA
RNA
细胞核
细胞核
A-T、G-C
T-A、C-G
DNA→DNA
DNA→RNA
A-U、G-C
T-A、C-G
遗传信息传递
碱基配对方式
产物
能量
场所
模板
原料
酶
DNA复制
DNA转录
DNA复制
DNA转录
遗传信息的翻译
01
按蛋白质形状分类
（1）纤维蛋白质。如丝蛋白， 角蛋白、胶原蛋白等。分子呈细长状，排列成纤维状，一般不溶于水。
（2）球蛋白。如蛋清蛋白、酪蛋白、胰岛素、酶等分子折叠，卷曲成球形或椭圆形，一般能溶于水。
02
按化学组成分类
（1）单纯蛋白。仅由氨基酸为单位组成的蛋白质，如球蛋白、谷蛋白等。
（2）结合蛋白。由单纯蛋白质和其他非蛋白物质组成的。非蛋白部分为辅基。按辅基不同可分为脂蛋白（单纯蛋白和脂类辅基）、糖蛋白（单纯蛋白和糖类辅基）、磷蛋白（磷酸）、色蛋白（有色化合物）、核蛋白（核酸）、血红蛋白（血红素）、金属蛋白（金属离子）
03
按在机体中作用分类
（1）酶。最主要的作用是催化作用。
（2）激素。它对机体的代谢、生长、发育和繁殖等起重要的调节作用。
（3）抗体。能与抗原特异性结合的免疫球蛋白，具有保护作用。
（4）输送蛋白。能选择性地使非自由扩散的小分子物质透过质膜，起到输送作用。
（5）收缩蛋白。主管机体的运动
蛋白质的分类
遗传信息的翻译
什么决定蛋白质结构？
蛋白质的三维结构决定其功能，而结构由其主要的氨基酸序列决定。
蛋白质的分子结构可划分为四级，以描述其不同的方面：
一级结构：组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列。
二级结构：依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为α螺旋和β折叠。
三级结构：通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维结构。
四级结构：用于描述由不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物分子。
蛋白质的结构
遗传信息的翻译
基本氨基酸
稀有氨基酸
非蛋白质氨基酸
用于合成蛋白质的氨基酸称为基本氨基酸，它们都有自己的密码子，可以被相应的tRNA识别，从而被核糖体用于蛋白质合成。目前发现的基本氨基酸共22种，人体有21种。基本氨基酸中除脯氨酸外都是α-氨基酸，即在离羧基最近的碳原子（α-碳原子）上有一个氨基。所以基本氨基酸有一个通式，如右图。
某些蛋白质中含有一些不常见的氨基酸，是基本氨基酸在蛋白质合成以后经羟化、羧化、甲基化等修饰衍生而来的，所以叫稀有氨基酸或特殊氨基酸。
自然界中还有150多种不参与构成蛋白质的氨基酸。它们大多是基本氨基酸的衍生物，也有一些是D-氨基酸或β、γ、δ-氨基酸。这些氨基酸中有些是重要的代谢物前体或中间产物。
C
H
COOH
H2N
H
基本氨基酸通式
认识氨基酸
遗传信息的翻译
1940年前后，生物学家就已经发现人体内的20种蛋白质氨基酸，但直到二十世纪八十年代，人们才发现人体内的第21种蛋白质氨基酸—硒代半胱氨酸，提示一下：该氨基酸对应密码子为UGA。
人体必需氨基酸包括：赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸共8种。但研究发现组氨基酸为婴儿所必需，因此婴儿的必需氨基酸为9种。
大家可以想一下为什么这个硒代半胱氨酸发现如此之晚？
人体内的氨基酸
遗传信息的翻译
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的过程。
翻译的概念解析
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
翻译
决定
决定
决定
DNA和RNA都只含有4种碱基，而组成生物体蛋白质的氨基酸有21种。
这4种碱基是怎么决定蛋白质的21种氨基酸的呢
至少要多少个碱基的不同排列顺序才能够决定21种不同的氨基酸？
遗传信息的翻译
碱基与氨基酸的对应关系
若一个碱基决定一个氨基酸，能获得41 = 4种氨基酸
若二个碱基决定一个氨基酸，能获得42 = 16种氨基酸
若三个碱基决定一个氨基酸，能获得43 = 64种氨基酸
科学家又通过一步步的推测与实验，最终破解了遗传密码,得知 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，科学家将64个密码子编制成了密码子表。
U
C
G
A
U
C
U
C
苯丙氨酸
亮氨酸
U
缬氨酸
mRNA
密码子
密码子
密码子
5‘
3‘
遗传信息的翻译
21种氨基酸的密码子表
A、U、G、C
A、T、G、C
A、T、G、C
AUG、GUG
UAA、UGA、UAG
16*4-3=61种，所以tRNA也有61种
mRNA的碱基组成
DNA的碱基组成
tRNA的碱基组成
起始密码子
终止密码子
决定氨基酸的密码子有
遗传信息的翻译
遗传密码共64个
其中决定氨基酸的遗传密码只有61个。有3个终止密码子，没有对应的氨基酸。
摆动性
密码子三联体中的前两个碱基是严格配对的，第三个是有一定摆动性。
简并性
除了甲硫氨酸和色氨酸外，每一个氨基酸都至少有两个密码子。意义：基因突变不一定会导致生物性状改变。
通用性
几不同的生物密码子基本相同，即共用一套密码子表。
密码子的特性
连续性
密码子没有重叠，没有间隔
方向性
密码子的阅读方向（即翻译合成蛋白质的方向）和dna复制方向是一致的，即从5‘到3’端
01
02
03
04
05
06
遗传信息的翻译
根据tRNA的摆动性，在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三个碱基有一定的自由度，可以“摆动“，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。 原核生物中大约有30~45种tRNA，真核生物中可能存在50种tRNA。
转运RNA(tRNA)
“How Many tRNAs Are There
After characterizing all the different types of tRNAs, biologists encountered a paradox. According to the genetic code (Chapter 16), the 20 most common amino acids found in proteins are specified by 61 different mRNA codons. Instead of containing 61 different tRNAs with 61 different anticodons, though, most cells contain only about 40. How can all 61 codons be translated with only two-thirds that number of tRNAs ”
——美版《生物学》第6版
tRNA的种类
遗传信息的翻译
tRNA起的作用，仅仅是一个活化基团，而且是可以回收利用的活化基团。
tRNA翻译成蛋白质，就像你坐地铁过长江到对岸上学。你（氨基酸底物）要过从长江西岸去对岸（形成蛋白质），但是公交过江来不及，只能坐跨江2号线地铁（核糖体）。
tRNA的作用举例
因此：
第一步：你就得先进地铁站（氨酰tRNA合成酶，aaRS），买地铁票（消耗ATP）后，坐上开往对岸的地铁列车（形成氨酰tRNA）；
第二步：经过跨越河的隧道（核糖体）后在对应车站（P位点）下地铁；
第三步：排队出站(形成蛋白质后从核糖体出口通道排出)。
中心法则
复制
DNA
RNA
蛋白质
复制
翻译
逆转录
转录
中心法则图解
特殊情况下的遗传信息转移，包括RNA的复制，RNA反向转录为DNA和从DNA直接翻译为蛋白质。即①RNA→RNA（复制）；②RNA→DNA（反向转录）；③DNA→蛋白质。RNA复制只在RNA病毒中存在。反向转录最初在RNA致癌病毒中发现。
包括DNA的复制、RNA的转录和蛋白质的翻译，即①DNA→DNA（复制）；②DNA→RNA（转录）；③RNA→蛋白质（翻译）。这三种遗传信息的转移方向普遍地存在于所有生物细胞中。
01
02
第一类用实线箭头表示
第二类用虚线箭头表示
课堂反馈
CLASSROOM FEEDBACK
03.
课堂练习
构成人体的核酸有两种，构成核酸的基本单位——核苷酸有多少种？碱基有多少种？（ ）
A．2种 4种 B．4种 4种 C．5种 5种 D．8种 5种
问题01
核糖体RNA即rRNA，是三类RNA中相对分子质量最大的一类RNA，rRNA单独存在时不执行其功能，它可与多种蛋白质结合成核糖体，作为蛋白质生物合成的“装配机”。核糖体中催化肽键合成的是rRNA，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助作用。下列相关叙述错误的是( )。
A.rRNA的合成需要以DNA的一条链为模板
B.合成肽链时，rRNA可降低氨基酸间脱水缩合所需要的活化能
C.在真核细胞中rRNA的合成与核仁有关
D.翻译时，rRNA上的碱基与tRNA上的碱基互补配对
问题02
D
D
课堂练习
DNA分子的解旋发生在哪个过程中（ ）
A．复制 B．转录 C．翻译 D．复制和转录
问题03
甲、乙两图表示某真核细胞中的遗传信息传递的某些过程，下列叙述不正确的是( )。
A.乙图中结构⑥的移动方向是从右到左
B.从化学组成上看，甲图中的1和6不同
C.乙图中的①链与甲图中a链的基本组成单位相同
D. 乙图中②③④⑤最终形成的物质结构相同
问题04
D
C
课堂练习
图中α、β是真核细胞某基因的两条链，γ是另外一条核苷酸链，下列说法正确的是( )。
A.图中的酶是DNA聚合酶
B.γ链彻底水解后能生成6种小分子物质
C.该过程只发生在细胞核中
D.β链中碱基G占28%，则γ链中碱基A占22%
问题05
下图是某细胞内遗传信息的传递过程，下列说法正确的是（ ）。
A.图示表示原核细胞中遗传信息的转录和翻译
B.如果终止密码子为UAA，则与该密码子配对的反密码子为AUU
C.参与图示过程的RNA有mRNA、tRNA和rRNA
D. ⑤上含有的氨基酸数目与④上含有的密码子数目是一致的
问题06
D
B
课堂总结
CLASSROOM SUMMARY
04.
课堂练习
复制 转录 翻译
时间 有丝分裂和减数第一次分裂前的间期 个体生长发育的整个过程 个体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的两条链 DNA的一条链 mRNA
原料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 20种氨基酸
酶 解旋酶、DNA聚合酶 解旋酶、RNA聚合酶 酶
碱基配对 A-T、T-A、C-G、G-C A-U、T-A、C-G、G-C A-U、U-A、C-G、G-C
信息传递 DNA--DNA DNA--mRNA mRNA—蛋白质
产物 2 个双链DNA 一个单链RNA 多肽（蛋白质）
一个mRNA上结合多个核糖体 边解旋边复制 半保留复制 边解旋边复制 DNA仍保留 一个mRNA上结合多个核糖体
课堂练习
遗传信息
基因中脱氧核苷酸的排列顺序
控制生物体的遗传性状
具有多样性
密码子
mRNA中决定一个氨基酸的三个相邻碱基
直接决定蛋白质中的氨基酸序列
共64种，其中3种为终止密码子
反密码子
tRNA中与mRNA密码子互补配对的三个碱基
识别密码子，转运氨基酸
61种
概念
种类
作用

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