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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
蛋白质
翻译
DNA
RNA
转录
基因的表达：
核糖体
DNA
合成蛋白质
核孔
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
信使
信使
一、遗传信息的转录
遗传信息如何从细胞核传到核糖体，从而控制蛋白质的合成？
RNA充当了DNA的信使
思考：为什么RNA适于作DNA的信使？
核糖核苷酸
一、遗传信息的转录
1、RNA的组成
C、H、O、N、P
基本单位：
4种核糖核苷酸
A(腺嘌呤）
U(尿嘧啶)
C(胞嘧啶)
G(鸟嘌呤)
腺嘌呤核糖核苷酸
鸟嘌呤核糖核苷酸
胞嘧啶核糖核苷酸
尿嘧啶核糖核苷酸
5’
1’
2’
3’
4’
元素组成：
A
C
U
…...
G
核糖核苷酸之间通过形成
磷酸二酯键连接
一个RNA分子
（RNA一般为单链）
1、RNA也具有多样的碱基排序，这使其具备准确传递遗传信息的能力
思考1：为什么RNA适于作DNA的信使？
2、RNA一般为单链，比DNA短，能够通过核孔，从细胞核转移到细胞质中
tRNA的结构示意图
一、遗传信息的转录
（局部双链，含有氢键）
单链
单链
2、RNA按功能分类
RNA的种类
信使RNA（mRNA）
核糖体RNA（rRNA）
转运RNA（tRNA）
功能：携带遗传信息，作为翻译的模板
功能：识别并转运氨基酸
功能：核糖体的组成成分
DNA的遗传信息是怎样传给mRNA的？
什么是转录？场所？转录的具体过程？转录的结果？
转录需要的原料是？模板？碱基如何配对？
阅读课本65页转录过程，思考下列问题(3min)
一、遗传信息的转录
DNA分子的一条链
游离的4种核糖核苷酸
ATP提供
RNA聚合酶
能量：
酶：
模板：
原料：
RNA (mRNA、tRNA、rRNA)
碱基互补配对原则
转录时遵循的原则：
转录的产物：
场所：
DNA
C
G
T
A
mRNA
G
C
A
U
真核生物：
原核生物：
细胞核（主要）、叶绿体、线粒体
拟核、质粒
①使氢键断裂，DNA解旋；
②使核糖核苷酸间形成磷酸二酯键而连接起来
一、遗传信息的转录
概念：
在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成RNA的过程
2、转录过程：
第一步：DNA解旋
第二步：合成mRNA
第三步：合成的mRNA从DNA上释放，DNA恢复双螺旋
T
C
A
T
G
T
T
T
A
A
G
T
A
C
A
A
A
T
DNA的平面结构图
转录过程（真核生物）：
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
U
G
A
C
G
G
U
U
U
DNA
原料：4种游离的核糖核苷酸
以DNA的一条链为模板合成RNA
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
U
G
A
C
G
G
U
U
U
DNA与RNA的碱基互补配对：A— C— T—
RNA
聚合酶
U
G
A
A
G
T
A
C
A
A
A
T
A
G
C
G
A
C
G
G
U
U
U
U
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
G
U
U
U
U
A
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
U
U
G
U
U
A
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
U
G
U
U
A
U
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
G
U
U
A
U
U
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
A
C
G
G
U
U
A
U
U
A
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
C
G
C
G
G
U
U
A
U
U
A
U
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
G
C
G
G
U
U
A
U
U
A
U
C
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
G
C
G
G
U
U
A
U
U
A
U
C
A
G
T
A
C
A
A
A
T
G
G
C
G
G
U
U
A
U
U
A
U
C
合成mRNA，DNA上的遗传信息就传递到mRNA上
mRNA
DNA模板链
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DNA的a链的碱基序列
DNA片段 a链
b链 C G A A C C T C A C G C
mRNA
【思考】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？
G C U U G G A G U G C G
①转录成的RNA的碱基序列与DNA模板链的碱基序列是互补配对的；
②转录成的RNA的碱基序列与DNA非模板链的碱基序列的区别是：RNA链上的碱基U，对应非模板链上的碱基T。
G C T T G G A G T G C G
一、遗传信息的转录
转录是以基因为单位。某基因的两条链中，只有一条链是转录的模板链，另一条链无转录功能，模板链一般是固定不变的。
如图为某DNA分子上的三个基因：
一、遗传信息的转录
该DNA分子中基因A转录时，基因C是否一定也在进行转录？
不一定转录（细胞中基因选择性表达）
（1）转录不是转录整个DNA，只是转录其中要表达的基因。
（2）细胞核中转录形成的RNA通过核孔进入细胞质中，穿过0层膜，需 要消耗能量
（3）细胞质基因（线粒体和叶绿体中基因）也进行转录
（注：线粒体、叶绿体内含有核糖体，可以合成蛋白质）
（4）并非所有RNA分子均为单链结构。tRNA分子虽为单链，但存在碱基互补配对的区域，具有氢键。
一、遗传信息的转录
注意事项
（5）转录过程中通过遵循“碱基互补配对原则”而保证DNA中的遗传信息准确地传递给RNA
1.如图为真核生物细胞核内转录过程的示意图，下列说法正确的是(　　)
A.①链的碱基A与②链的碱基T互补配对
B.如果③表示酶，则它是DNA聚合酶
C.转录完成后，②需通过两层生物膜才能与核糖体结合
D.②是以4种核糖核苷酸为原料合成的
随堂训练
D
基因
蛋白质合成
（细胞核）
(细胞质)
核孔
mRNA
转录
翻译
遗传信息的翻译
翻译：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序列的蛋白质的过程。
翻译的实质：将mRNA的碱基序列翻译成蛋白质中的氨基酸序列
Q：组成mRNA的碱基只有4种，组成生物体蛋白质的氨基酸有21种，mRNA的碱基序列如何决定蛋白质的氨基酸序列
若1个碱基决定1个氨基酸，则能决定4种氨基酸
若2个碱基决定1个氨基酸，则能决定42=16种
若3个碱基决定1个氨基酸，则能决定43=64种
伽莫夫的“3个碱基编码一个氨基酸”假说
二、遗传信息的翻译
mRNA上3个碱基
1个氨基酸
决定
密码子：mRNA上3个相邻碱基决定一个氨基酸，每3个这样的碱基叫作
1个密码子
A
C
G
U
C
C
U
U
A
mRNA
密码子
密码子
密码子
二、遗传信息的翻译
21种氨基酸的密码子表
写出丙氨酸对应的密码子：
GCU、GCC、GCA、GCG
绝大多数氨基酸都有几个密码子，这种现象称作密码子的简并
简并性的意义
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保证翻译速度。当某种氨基酸需要的频率高时，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。
二、遗传信息的翻译
一共有多少密码子？
起始密码子有多少种？起始密码子编码氨基酸吗？
终止密码子有多少种？终止密码子编码氨基酸吗？
编码氨基酸的密码子有多少种？
密码子共64个
2种，AUG、GUG，编码氨基酸
3种，UAA、UAG、UGA
一般不编码氨基酸
62种
种类
起始密码子：
终止密码子：
编码氨基酸的密码子：
二、遗传信息的翻译
Q:游离在细胞质中的氨基酸，如何运送到合成蛋白质的“生产线”上？
通过tRNA识别并搬运氨基酸到“生产线”上
tRNA的结构示意图
①RNA链经过折叠，形成三叶草形
(1)形态：
二、遗传信息的翻译
②一端是携带氨基酸的部位，是此RNA的 端
③一端有3个相邻的碱基，可以与mRNA上的
互补配对，叫做 .
3’
反密码子
注意：整个tRNA不止有3个碱基，且tRNA分子局部有双链，含有氢键
密码子
二、遗传信息的翻译
①每种tRNA只能转运 种特定的氨基酸，一种氨基酸可能由 种tRNA转运；
②tRNA上的反密码子能与mRNA上的密码子配对
③反密码子有 种，tRNA有 种
(3)功能特点：
(2)功能：
识别并转运氨基酸
tRNA的结构示意图
62
一
多
62
A．精氨酸（CGG） B．丙氨酸（GCC）
C．甘氨酸（GGC） D．脯氨酸（CCG）
tRNA具有转运氨基酸的功能，如图tRNA携带的氨基酸是（各选项括号中内容为相应氨基酸的密码子）（　　）
二、遗传信息的翻译
B
位点1
位点2
甲
A
U
G
C
A
C
U
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
U
A
A
3’
5’
起始密码子
A
C
A
U
5’
3’
①结合：mRNA进入细胞质，与核糖体结合；
②运输：携带甲硫氨酸的tRNA通过与mRNA上的密码子AUG（起始密码子）互补配对，进入位点1。
二、遗传信息的翻译
过程
遗传密码在mRNA分子上是连续排列的，密码的阅读必须从一个正确的起点开始，按一个方向依次顺序读取，直至读到终止信号。
起始密码子
终止密码子
mRNA的5’→3’
位点1
位点2
甲
C
A
U
5’
3’
组
G
U
G
5’
3’
A
U
G
C
A
C
U
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
U
A
A
3’
5’
起始
密码子
A
③脱水缩合：甲硫氨酸与组氨酸通过脱水缩合形成二肽，甲硫氨酸被转移到占据位点2的tRNA上。
二、遗传信息的翻译
过程
位点1
位点2
甲
C
A
U
5’
3’
色
C
C
A
5’
3’
A
U
G
C
A
C
U
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
U
A
A
3’
5’
起始
密码子
A
组
G
U
G
5’
3’
精
A
C
G
5’
3’
半
G
C
A
5’
3’
半
A
C
A
5’
3’
脯
A
G
G
5’
3’
③延伸：核糖体沿着mRNA移动，读取下一个密码子，原来位点1的tRNA离开，原来占据位点2的tRNA进入位点1，新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，重复上述步骤，合成肽链。
二、遗传信息的翻译
过程
位点1
位点2
A
U
G
C
A
C
U
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
U
A
A
3’
5’
起始
密码子
A
A
C
A
5’
3’
甲
色
组
精
半
半
脯
A
G
G
5’
3’
释放因子
④终止：核糖体读取mRNA上的终止密码子，合成终止。
⑤肽链释放后，盘曲折叠成具有特定空间结构的蛋白质
二、遗传信息的翻译
过程
终止密码子没有对应的tRNA
二、遗传信息的翻译
过程
mRNA与 结合
携带氨基酸至特定位置
核糖体沿 移动，读取下一个密码子，由对应tRNA运输相应的氨基酸加到延伸中的肽链上（一个mRNA可以结合多个核糖体）
起始
运输
延伸
终止
脱离
当核糖体到达mRNA上的 时，翻译停止
肽链合成后从核糖体与mRNA的复合物上脱离，盘曲折叠成具有特定 的蛋白质
核糖体
tRNA
mRNA
终止密码子
空间结构
二、遗传信息的翻译
21种游离的氨基酸
tRNA
核糖体
mRNA
蛋白质
（多肽）
由左向右
分析
二、遗传信息的翻译
【资料】多聚核糖体是指一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时合成多条肽链。图乙所示为多聚核糖体的模式图
【分析】
①⑥分别是指 ；
核糖体移动的方向是 。
最终合成的肽链②③④⑤的氨基酸序列相同吗？为什么？
一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，这有什么意义？
相同。因为合成它们的模板是同一条mRNA。
少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质，使翻译更加快速高效地进行
mRNA，核糖体
由右向左
真核细胞
原核细胞
真核细胞：先转录和后翻译
原核细胞：边转录和边翻译
【资料】下图展示的为真核、原核生物基因表达示意图，请据图概括真核细胞和原核细胞转录、翻译的区别。
注：真核细胞在线粒体、叶绿体中也可边转录边翻译
二、遗传信息的翻译
原核生物的拟核基因表达速率往往比真核生物的基因表达的速率要快很多，为什么？
原核生物基因表达时转录和翻译可以同步进行
真核生物基因表达时先完成转录，再完成翻译
如图为某生物细胞中转录、翻译的示意图。据图判断，下列描述中正确的是（ ）
A. 图中表示4条多肽链正在合成
B. 一个基因在短时间内可表达出多条完全相同的多肽链
C. 核糖体的移动方向为从左向右
D. 多个核糖体共同完成一条肽链的合成
二、遗传信息的翻译
(1)正确分清mRNA和肽链的关系
(2)核糖体移动方向的判断
(3)区分原核生物与真核生物的基因表达
①真核生物的细胞有以核膜为界限的细胞核，转录和翻译不能同时进行，即先转录后翻译。
②原核生物无核膜，转录和翻译能同时进行，即边转录边翻译。
B
DNA复制 转录 翻译
时间 场所 模板 原料 酶 ATP 均需ATP 产物
细胞分裂前的 期
个体生长发育的整个过程都有发生
主要在细胞核
主要在细胞核
细胞质中的核糖体上
DNA的 条链
间
2
DNA的 条链
1
mRNA
4种脱氧核糖核苷酸
4种核糖核苷酸
21种氨基酸
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
2个相同的子代DNA
RNA
蛋白质
DNA复制 转录 翻译
特点 原则 边解旋边复制
半保留复制
都存在碱基互补配对
G
C
A
T
A
U
密码子：A U G
反密码子：
U
A
C
边解旋边转录
一个mRNA上同时结合多个核糖体，同时合成多条肽链
三、中心法则
请根据DNA复制和基因指导蛋白质合成的过程画一张流程图，表示遗传信息的传递方向？
①DNA的复制：遗传信息从 流向 。
② ：遗传信息从 流向 。
③ ：遗传信息从 流向 。
④ ：遗传信息从 流向 。
⑤ ：遗传信息从 流向 。
DNA
DNA
转录
DNA
RNA
RNA
蛋白质
RNA的复制
RNA
RNA
逆转录
RNA
DNA
翻译
三、中心法则
中心法则是由 提出的，他提出的中心法则的内容过程为 。
正常细胞生命活动种能发生的过程是 ；⑤过程需要的酶是 。
请参照图中模式，写出胰岛素基因控制胰岛素合成过程中遗传信息的流动过程： 。
在遗传信息的流动过程中，DNA、RNA是信息的 ，蛋白质是信息的 ，而 为信息的流动提供能量，可见，生命是 、能量和 的统一体。
克里克
①②③
①②③
逆转录酶
载体
表达产物
ATP
物质
信息
胰岛素基因 → mRNA → 胰岛素
转录
翻译
请写出新型冠状病毒(一种RNA复制病毒)遗传信息传递表达的过程及发生场所
但要注意病毒遗传信息的传递过程发生于宿主活细胞内
中心法则各过程的适用范围
三、中心法则
大多数的RNA病毒
HIV病毒
4.如图表示“中心法则”的内容，图中①、②、③、④、⑤分别表示相关过程。下列相关说法正确的是
A.人体造血干细胞中可以进行①、②和③
B.人体口腔上皮细胞内只能进行①、②
C.乳酸菌可以发生①、④过程 D.④和⑤需要的原料相同
随堂训练
A
在不考虑基因的内含子和mRNA上终止密码子的情况下：
DNA(或基因)碱基数∶mRNA碱基数∶肽链氨基酸数＝6∶3∶1
四、基因表达的计算
思考：某基因含有600 个 碱基，其指导合成的多肽最多含有几 个 氨基酸？实际上会少于这个数量，为什么？
种
启动子
外显子
外显子
外显子
内含子
转录区
翻译区
成熟mRNA结构
5、一段原核生物的mRNA通过翻译可合成一条含有11个肽键的多肽，则此mRNA分子至少含有的碱基个数及合成这段多肽最多需要的tRNA个数以及转录此mRNA的基因中至少含的碱基数依次为（ ）
A.33、11、66 B.36、12、72
C.12、36、24 D.11、36、72
B
随堂训练
实际计算过程中的“最多”“最少”问题
不能忽略“最多”或“最少”等字
假设mRNA上有n个碱基，转录产生它的基因中至少有2n个碱基，该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。
注意基因表达相关计算中的三个“看清楚”
(1)看清楚DNA上的碱基单位，是“对”数还是“个”数。
(2)看清楚是mRNA上“密码子”的个数，还是“碱基”的个数。
(3)看清楚是合成蛋白质所需的氨基酸的“个数”，还是“种类数”。
四、基因表达的计算
与基因表达有关的综合图解类题目的解法
(1)识别。试题中出现的图形要认真分析，并找出与教材知识及已有知识之间的联系。仔细辨别DNA复制、转录、翻译的图解，回忆有关过程的模板、场所与产物等。
①根据模板区分：DNA复制的模板为DNA的两条链，转录的模板是DNA的一条链，翻译的模板是mRNA。
②根据场所区分：DNA复制和转录主要发生在细胞核中，翻译发生在核糖体上。
③根据产物区分：DNA复制的产物为双链DNA，转录的产物为RNA，翻译的产物为肽链(蛋白质)。
④找核糖体，由于核糖体的形态具有鲜明的特点，容易被发现，从而确定翻译过程。
(2)译图。能熟练地把图形信息转化为文字或数据信息，或把数据、文字信息转化为图形信息，从而得出正确结论。
常考图示解读:
DNA复制
转录
翻译
请判断下图中a、b、c分别表示细胞中的哪些生理活动过程？
DNA复制
转录
翻译

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