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4.1 基因指导蛋白质的合成
（第一课时）
苏云金杆菌
Bt抗虫蛋白基因
普通棉花
产生Bt抗虫蛋白成为抗虫棉
为什么转入的是基因，而得到的却是蛋白质？
基因可以控制蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达。
为什么一种生物的基因能在另一种生物在中表达呢？
基因的表达过程是怎样的？
各种生物的基因表达过程有什么共同点？
一、问题探讨
美国科幻电影《侏罗纪公园》曾轰动一时。影片围绕着虚构的“侏罗纪公园”，展现了丰富而新奇的科学幻想：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DNA还原而来的。
电影《侏罗纪公园》中的恐龙
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？
讨论：
一、问题探讨
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，也可以说使构建生物体的蓝图。但是，从DNA到具体各种性状的生物体，需要通过极其复杂的基因表达及调控过程才能实现。因此，在预见的将来，利用DNA来使灭绝的生物仍是难以做到的。
讨论：
基因如何指导蛋白质合成呢？
核孔
核糖体
蛋白质合成的场所
实现核质之间频繁的物质交换和信息交流
核膜双层
细胞质
DNA
（主要在细胞核）
细胞质的核糖体
蛋白质合成
碱基的排列顺序
氨基酸的排列顺序
基因如何指导蛋白质合成呢？
核糖体
细胞质
RNA
科学家推测。在DNA和蛋白质之间，还有一种物质充当信使。
RNA（核糖核酸）
1. RNA作为信使的原因
① 能够储存遗传信息
它的分子结构与DNA很相似，也是由基本单位——核苷酸链接而成，也能储存遗传信息。
CH2OH
H
O
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
H
O
H
OH
H
H
H
OH
核糖和脱氧核糖的结构模式图
RNA（核糖核酸）
1. RNA作为信使的原因
① 能够储存遗传信息
RNA与DNA不同的是：组成RNA的五碳糖是核糖而不是脱氧核糖；RNA的碱基组成中没有碱基T（胸腺嘧啶）而替换成U（尿嘧啶）。
DNA和RNA在化学组成上的区别
DNA
RNA
脱氧核糖
胸腺嘧啶(T)
磷酸
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G)
胞嘧啶(C)
核糖
尿嘧啶(U)
RNA（核糖核酸）
1. RNA作为信使的原因
② 容易转移到细胞质
RNA一般是单链，而且比DNA短，因此能够通过核孔，从细胞核转移到细胞质中。
RNA（核糖核酸）
2. RNA的种类
信使RNA
(mRNA)
作为DNA的信使
核糖体RNA
(rRNA)
核糖体的组成部分
转运RNA
(tRNA)
氨基酸的运载工具
转录过程
1. 转录的概念
RNA是在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的，这一过程叫作转录。
3'
5'
5'
3'
DNA
mRNA
RNA聚合酶
游离的脱氧核苷酸
转录方向
转录过程
2. 转录的过程
3'
5'
5'
3'
① 解旋：DNA双链解开，碱基暴露出来。
转录过程
2. 转录的过程
3'
5'
5'
3'
② 配对：DNA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。
转录过程
2. 转录的过程
3'
5'
5'
3'
③ 连接：新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上。
转录过程
2. 转录的过程
3'
5'
5'
3'
④ 释放：合成的mRNA从DNA链上释放，而后，DNA双螺旋恢复。
转录过程
3. 转录的所需的基本条件
模板
DNA的一条链
原料
4种游离的核糖核苷酸
酶
RNA聚合酶等
能量
细胞提供（如ATP）
转录过程
思考·讨论：遗传信息的转录过程
转录与DNA复制有什么共同之处？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规律。
碱基互补配对规律能够保证遗传信息传递的准确性。
与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？
DNA复制所需要的原料是4种游离的脱氧核苷酸，所需要的酶是解旋酶和DNA聚合酶；
转录所需要的原料是4中游离的核糖核苷酸，所需要的酶是RNA聚合酶。
遗传信息的翻译
1. 翻译的概念
mRNA合成以后，通过核孔进入细胞质中。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，这一过程叫作翻译。
核糖核苷酸序列
翻译
氨基酸序列
遗传信息的翻译
2. 碱基与氨基酸之间的关系
DNA或RNA
碱基4种
如何决定？
蛋白质
氨基酸21种
假设：
① 1个碱基决定1个氨基酸
4
种碱基
4
种氨基酸
决定
② 2个碱基决定1个氨基酸
4
种碱基
16
种氨基酸
决定
③ 3个碱基决定1个氨基酸
4
种碱基
64
种氨基酸
决定
遗传信息的翻译
2. 碱基与氨基酸之间的关系
① 密码子的概念
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。
mRNA
密码子
密码子
密码子
缬氨酸
组氨酸
精氨酸
决定
决定
决定
遗传信息的翻译
2. 碱基与氨基酸之间的关系
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G U 苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 络氨酸 丝氨酸 终止 终止 半胱氨酸 半胱氨酸 终止、硒代半胱氨酸 色氨酸 U
C
A
G
C 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 U
C
A
G
A 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 U
C
A
G
G 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 天冬酰胺 天冬酰胺 谷氨酸 谷氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 U
C
A
G
遗传信息的翻译
2. 碱基与氨基酸之间的关系
② 密码子的种类
64
3种
终止密码
UAA
UAG
UGA
在特殊情况下课编码第21种氨基酸：
硒代半胱氨酸
61种
编码20种氨基酸
AUG
编码甲硫氨酸同时作为起始密码
GUG
编码缬氨酸，在原核生物中作为起始密码子编码甲硫氨酸。
甲硫氨酸、色氨酸和硒代半胱氨酸只有1个密码子
遗传信息的翻译
2. 碱基与氨基酸之间的关系
③ 密码子的特点
A. 简并性
含义：绝大多数氨基酸都有几个密码子，这一现象称为密码子的简并性
意义：
可以减少有害突变
简并性使得那些由于基因突变造成的使密码子中碱基被改变，仍然能编码原来氨基酸的可能性大为提高。
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。
遗传信息的翻译
2. 碱基与氨基酸之间的关系
③ 密码子的特点
B. 通用性
含义：
意义：
说明地球上生物由共同起源
几乎一切生物共用一套遗传密码
遗传信息的翻译
3. 氨基酸的运输工具——tRNA
反密码子：
反密码子环中有三个相邻碱基可以与mRNA上的密码子互补配对，叫做反密码子。
结合氨基酸的部位
碱基配对
3 端是结合氨基酸的部位
每种tRNA只能识别并运输一种氨基酸
反密码子
遗传信息的翻译
mRNA、tRNA和氨基酸之间的对应关系
氨基酸
(20种)
tRNA
mRNA
运输
编码
互补编码
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。
不是所有的密码子都有与之对应的反密码子
(反密码子)
(61种密码子)
遗传信息的翻译
4. 翻译的过程
第1步
mRNA进入细胞质，与核糖体结合。
携带甲硫氨酸（M）的tRNA，通过与碱基AUG互补配对，进入位点1。
遗传信息的翻译
第2步
携带某个氨基酸（H）的tRNA，以同样的方式进入位点2。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
第2步
携带某个氨基酸（H）的tRNA，以同样的方式进入位点2。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
第3步
甲硫氨酸(M)与这个氨基酸(H)形成肽键，从而转移到位点2的tRNA上。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
第4步
核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
第4步
原位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
第4步
原位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
第4步
原位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
第4步
二肽(M-H)与这个氨基酸(W)形成肽键，从而转移到位点2的tRNA上。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
原位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
一个新的携带氨基酸(R)的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
一个新的携带氨基酸(R)的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
三肽(M-H-W)与这个氨基酸(R)形成肽键，从而转移到位点2的tRNA上。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
就这样，随着核糖体的移动，tRNA以上述方式将携带的氨基酸输送过来，以合成肽链。至到核糖体遇到mRNA的终止密码子，合成才告终止。
4. 翻译的过程
遗传信息的翻译
肽链合成后，就从核糖体与mRNA的复合物上脱离，通常经过一系列步骤，盘曲折叠成具有特点空间结构和功能的蛋白质分子，然后开始承担细胞生命活动的各项职责。
4. 翻译的过程
一条多肽链盘曲折叠形成蛋白质
几条多肽链折叠形成蛋白质
遗传信息的翻译
5. 翻译所需的基本条件
模板
mRNA
原料
氨基酸
酶
多种酶
能量
ATP等
工具
tRNA
转配机器
核糖体
遗传信息的翻译
4. 高效翻译的机制
核糖体
mRNA
正在合成的肽链
① 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。
② 因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。
遗传信息的翻译
总结
比较项目 复制 转录 翻译
场所
模板
原料
酶
能量
碱基互补配对
产物
细胞核（主要）
细胞核（主要）
核糖体
亲代DNA两条链
亲代DNA一条链
mRNA
4种脱氧核苷酸
4种核糖核苷酸
20种氨基酸
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
多种酶
ATP等提供
ATP等提供
ATP等提供
A-T，T-A
C-G，G-C
A-U，T-A
C-G，G-C
A-U，U-A
C-G，G-C
DNA
RNA
蛋白质

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