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第3节 遗传信息控制生物的性状
第1课时
01
能说出三种RNA的结构和功能。
02
能描述遗传信息的表达的过程。
生物科学史实
1955年有人曾用洋葱根尖和变形虫进行实验，如果加入RNA酶分解细胞中的RNA，蛋白质合成就停止，而如果加入从酵母中提取出来的RNA，则又可重新合成一定数量的蛋白质。
DNA（基因）
蛋白质
RNA
细胞核
细胞质
1.RNA的结构
(1)基本组成单位：
核糖核苷酸（4种）
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
(2)结构：
单链、比DNA短
一、为什么RNA适于作DNA的信使？
种类 mRNA tRNA rRNA
名称 信使RNA 转运RNA 核糖体RNA
功能
结构
示意图
识别并转运氨基酸
组成核糖体
单链
局部形成氢键，部分碱基配对形成三叶草型结构
单链
核糖体RNA(rRNA）
遗传信息传递的媒介蛋白质合成的模板
少数RNA还具有催化作用，有的作为RNA病毒的遗传物质
RNA的种类有哪三种？分别有什么样的功能？
转 录
在细胞核中以DNA分子的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成RNA的过程称为转录。
注意：mRNA、rRNA和tRNA都是转录而来的。
二、遗传信息的转录
①解旋
第1步：DNA双链解开（_________的催化），_____暴露出来；
RNA聚合酶
碱基
该过程不需要解旋酶，RNA聚合酶有解旋作用；
②配对
第2步：游离的 与 上的碱基互补配对，在__________的作用下开始mRNA的合成；
核糖核苷酸
DNA模板链
RNA聚合酶
③连接
第3步：新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上（RNA聚合酶的催化形成磷酸二酯键）
④释放
第4步：合成的_____从_______上释放，而后DNA__________。
mRNA
DNA链
双螺旋恢复
（先合成先释放）
条件
原料：
模板：
能量：
酶：
RNA聚合酶（能解旋+聚合）
DNA的一条链的某片段
4种游离的核糖核苷酸
由ATP提供
特点
边解旋边转录
遗传信息的流动方向
DNA→mRNA
子链合成方向
5′ 端到3′端
看图回答下列问题：
A
T
C
G
A
G
C
G
A
G
T
C
T
T
C
G
T
C
A
A
T
C
G
A
T
G
A
C
A
T
C
G
G
C
DNA
U
C
G
C
U
A
G
C
mRNA
mRNA
基因1
基因2
a链
b链
部分解旋
不能，转录只能以基因的一条链为模板
不一定相同
不是，转录是以基因为单位进行
（2） 一个基因的两条链都能转录吗？
（3）不同基因的模板链是否相同？
（1）转录过程是对整个DNA分子进行转录吗？
实验证据
1961年克里克实验
实验材料：T4噬菌体
实验过程：增加或删除1个/2个/3个碱基，观察是否能正常产生蛋白质。
支持遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸。
实验结果：
①增加或删除1个/2个碱基,无法正常产生蛋白质；
②增加或删除3个碱基，可以正常产生蛋白质。
实验结论：
1961年蛋白质的体外合成实验
科学家：尼伦伯格、马太
实验技术：蛋白质的体外合成技术
实验过程：①在每个试管中分别加入1种氨基酸；
②在每个试管中加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液；
加入苯丙氨酸的试管中，出现了多聚苯丙氨酸的肽链。
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
RNA
3个碱基是如何与1个氨基酸对应的呢？如UUU对应哪种氨基酸？
实验结果：
③在每个试管中加入人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸。
除去了DNA和mRNA的细胞提取液
人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸
三、遗传信息的翻译
1.密码子
(1)定义：
mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。
(3)认读：
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。
决定
缬氨酸
决定
组氨酸
决定
精氨酸
(2)位置：
mRNA上。
注:①在正常情况下，UGA是终止密码子，但在特殊情况下，UGA可以编码硒代半胱氨酸（目前公认的第21种氨基酸）。
②在原核生物中，GUG也可以作起始密码子，此时它编码甲硫氨酸。
③翻译通常是从mRNA上的起始密码子开始到终止密码子结束
20种氨基酸的密码子表
1.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子，这一现象称作密码子的简并性。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？
分析密码子的特点
（1）当密码子中有一个碱基改变时，由于密码的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸。
（2）当某种氨基酸使用频率高时，几种不同的密码子都编码一种氨基酸，可以保证翻译的速度。
2.几乎所有的生物体都共用上述密码子，根据这一事实，你能想到什么？
地球上几乎所有的生物共用一套密码子表。说明所有生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的。
密码子的通用性。
3.一种密码子只决定一种氨基酸说明了什么？
密码子的特异性
形态:
RNA单链经折叠（形成氢键），形成三叶草结构。
功能:
识别并转运特定的氨基酸。
3'
5'
结合氨基酸的部位
U
G
A
反密码子
mRNA
5'
3'
A
C
U
密码子
氨基酸与tRNA是否是一一对应的关系呢？
每种tRNA只能识别并转运____种氨基酸；而一种氨基酸可由__________种tRNA转运；
一
一或多
2.tRNA（转运RNA）
3.翻译的过程
1.翻译的场所在哪？其产物是什么？
2.阐述翻译的具体过程，该过程中需要的条件有哪些？
3.遗传信息的流动方向？
观看视频，结合课本思考并回答以下问题。
起始密码子
mRNA进入细胞质，与 结合；携带 的tRNA通过与mRNA上的碱基AUG互补配对进入 。
核糖体移动方向
E
1
2
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
M
核糖体
核糖体
甲硫氨酸
位点1
第1步：
起始
E
1
2
甲
携带 的tRNA以同样的方法进入 。
通过脱水缩合形成 ，甲硫氨酸被转移到 上。
H
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
某个氨基酸
位点2
肽键
位点2的tRNA
第2步：进位
第3步：缩合
E
1
2
沿 移动，读取下一个密码子，原占位点1的_______离开核糖体，原位点2的tRNA进入 ，一个新的携带氨基酸的tRNA进入 ，继续肽链的合成。
精
色
半
半
甲
组
5’
3’
5’
3’
5’
3’
脯
5’
3’
5’
3’
5’
3’
核糖体移动方向
A
U
G
C
A
C
U
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
U
A
A
核糖体
mRNA
tRNA
位点1
位点2
第4步：
移位
肽链合成后，从 上脱离， 成具有特定 的蛋白质分子。
核糖体
盘曲折叠
空间结构和功能
终止
直至核糖体读取到mRNA上的终止密码子，合成才告终止。
概念：
场所：
条件：
产物：
原则：
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。
核糖体
模板：
原料：
能量：
工具：
多种酶
具有一定氨基酸序列的蛋白质（肽链）
碱基互补配对（A-U，U-A，C-G，G-C）
遗传信息传递的方向：
RNA→蛋白质
mRNA
21种氨基酸
ATP
tRNA
①由该图能不能得出翻译的方向（核糖体移动的方向）呢？
由肽链_____→肽链_____的方向进行
短
长
②这样合成的多条肽链的氨基酸序列是否相同？
相同。因为是以同一个mRNA为模板翻译出来的。
1.看图回答问题：
一个mRNA分子结合______核糖体，可以同时合成______肽链。
目的意义：
少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质
多个
多条
真核生物
先转录，后翻译
（转录和翻译的场所不同）
边转录边翻译
（无核膜，转录和翻译都在细胞质）
原核生物
2．请据图概括真核细胞和原核细胞转录、翻译的区别。
项目 复制 转录 翻译
场所
条件 模板
原料
能量
酶
产物
原则
细胞核（主要场所）
细胞核（主要场所）
核糖体
DNA的两条链
DNA的一条链
mRNA
4种游离的脱氧核苷酸
4种游离的核糖核苷酸
21种游离的氨基酸
ATP
ATP
GTP等
解旋酶
DNA聚合酶
RNA聚合酶
DNA
RNA
多肽
碱基互补配对
A-T T-A G-C C-G
碱基互补配对
A-U T-A G-C C-G
碱基互补配对
A-U U-A G-C C-G
特定的酶
真核细胞中复制、转录、翻译的比较
特别提醒
1.不是所有的细胞都能进行DNA的复制，但是几乎所有的细胞可以进行转录，例如高度分化的细胞，会进行转录和翻译，但是不会进行DNA的复制；
2.同种生物的不同细胞中，由于基因的选择性表达，mRNA的种类和数量一般是不相同的，但tRNA和rRNA的种类一般没有差异。
第3节 遗传信息控制生物的性状
第2课时
DNA→DNA
DNA→RNA
RNA→蛋白质
基因指导蛋白质合成过程
A
T
A
C
G
G
A
A
C
α
T
A
T
G
C
C
T
T
G
β
转录
U
A
UG
C
C
U
U
G
DNA
模板链
RNA
一、DNA、RNA的碱基和氨基酸的数量关系
A
T
A
C
G
G
A
A
C
α
翻译
遗传信息
密码子
反密码子
A
U
A
C
G
G
C
A
A
酪氨酸
丙氨酸
缬氨酸
肽链
氨基酸
1.DNA碱基数∶mRNA碱基数∶氨基酸数＝6∶3∶1。
一、DNA、RNA的碱基和氨基酸的数量关系
2.计算中“最多”和“最少”的分析
①翻译时，从起始密码子开始到终止密码子结束，但终止密码子不决定氨基酸，因此准确地说，mRNA上的碱基数目是多于蛋白质中氨基酸数目的3倍的。
②DNA上的碱基数目比对应的蛋白质中氨基酸数目的6倍还要多。
③注意“最多”或“最少”：在回答有关问题时，应加上“最多”或“最少”等字，如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。
复制 转录 翻译
信息流动方向
1957年，克里克－－中心法则
DNA
RNA
蛋白质
转录
翻译
复制
DNA→DNA
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
根据DNA复制、基因指导蛋白质的合成过程，画出遗传信息的传递方向示意图。
弗朗西斯·克里克
二、中心法则诠释了基因与生物性状的关系
RNA RNA
RNA复制酶
RNA DNA
逆转录酶
烟草花叶病毒
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。
艾滋病病毒
中心法则的补充
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 自我复制病毒
逆转录病毒
翻译
蛋白质
复制
DNA
转录
RNA
复制
RNA
蛋白质
翻译
蛋白质
翻译
转录
DNA
RNA
逆转录
RNA
复制
不同生物遗传信息传递的过程
与遗传信息流动有关的几个过程比较：
模板 产物 原料 酶 碱基互补
DNA复制
转录
翻译
RNA复制
逆转录
DNA
DNA
RNA
RNA
mRNA
脱氧核苷酸
核糖核苷酸
核糖核苷酸
氨基酸
脱氧核苷酸
DNA
DNA
RNA
RNA
多肽
A-T T-A G-C C-G
A-U T-A G-C C-G
A-U U-A G-C C-G
A-T U-A G-C C-G
A-U U-A G-C C-G
解旋酶
DNA聚合酶
RNA聚合酶
RNA聚合酶
逆转录酶
肽酰转移酶
例如，敲除斑马鱼的一种tbx4基因，相关蛋白质的缺失会导致斑马鱼没有腹鳍。
1.基因能通过控制蛋白质的结构直接控制生物性状
三、基因控制生物性状的途径
2.基因还能通过控制酶的合成控制代谢，进而间接控制生物性状。
酪氨酸酶基因异常
酪氨酸酶缺乏
不能合成黑色素
白化症状
说明一个基因一般控制一个性状。
酪氨酸酶基因
酪氨酸酶
酪氨酸酶
缺乏
表达
催化
酪氨酸
黑色素
突变
酪氨酸
黑色素
1.基因决定生物性状
①一个基因 一种性状
控制
②一个基因 多种性状
控制
③多个基因 一种性状
控制
水稻中的Ghd7基因编码的蛋白质不仅参与了开花的调控，而且对水稻的生长、发育和产量都有重要作用。
人的身高是由多个基因决定的，其中每个基因对身高都有一定的作用。
四、基因与性状的关系
基因与性状的关系并不是简单一一对应的关系
25℃下培养
它们产生的后代
如后天的营养和体育锻炼等对人的身高也有重要作用。
如刚孵化的残翅果蝇幼虫
31℃下培养
得到了一些翅长接近正常的果蝇成虫
残翅果蝇
2.生物性状还会受到环境等条件的影响
1.中心法则揭示了生物遗传信息传递的一般规律。下列叙述错误的是(　　)
A.①②③三个过程可在根尖分生区细胞中发生
B.①②③分别表示DNA的复制、转录和翻译过程
C.④表示逆转录，某些病毒增殖时可发生该过程
D.④⑤是虚线，表示其在生物界可能不存在
D
2 .如图为脉孢霉体内精氨酸的合成途径示意图。从图中可得出( 　　)
A.一种物质的合成只受一个基因的控制
B.基因可通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物性状
C.若基因②不表达，则基因③和④也不表达
D.若基因③不存在，则瓜氨酸仍可合成精氨酰琥珀酸
B
3.如图为圆粒豌豆的产生机制，请据图判断下列叙述错误的是(　　)
A.淀粉分支酶基因R是豌豆种子细胞中具有遗传效应的DNA片段
B.b过程能发生A与T、C与G的配对
C.R中插入一小段DNA序列使淀粉分支酶出现异常，活性大大降低，可导致种子中
蔗糖增多
D.此图解体现了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
B
第3节 遗传信息控制生物的性状
第3课时
细胞分裂
细胞分化
细胞分裂使细胞数目增多，
细胞分化使细胞种类增加。
虽然每个人都来自一个受精卵,但受精卵通过分裂和分化形成了约200种不同类型的细胞,如血细胞、肌细胞、神经细胞,每种类型细胞中的DNA序列都是相同的,那么,为什么基因组内的遗传信息会在特定发育阶段、特定组织部位、特定细胞类型上有不同的表达呢
基因的表达是有选择性的。
在个体发育过程中，一个或一群细胞在形态，结构和功能上发生稳定性差异的过程。
细胞分化
一、细胞分化的本质是基因选择性表达
科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞(有细胞核)和胰岛B细胞，对这3种细胞中的DNA和mRNA进行了检测，结果如下表所示。回答有关问题：
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B细胞 ＋＋＋ － － ＋
说明：“＋”表示检测发现相应的分子，“－”表示检测未发现相应的分子。
(1)鸡的输卵管细胞、红细胞和胰岛B细胞都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因的原因是三种细胞都是由____________________________形成的。
(2)鸡的输卵管细胞、红细胞和胰岛B细胞中都只检测到一种mRNA的原因是________________。
(3)鸡的输卵管细胞、红细胞和胰岛B细胞中含有的mRNA和蛋白质____________ (填“相同”“不同”或“不完全相同”)。
受精卵经有丝分裂和细胞分化
基因选择性表达
不完全相同
1.管家基因和奢侈基因
①管家基因：指所有细胞中都表达的一类基因，这类基因指导合成的蛋白质是维持细胞基本生命活动所必需的，如核糖体蛋白基因、ATP合成酶基因，DNA聚合酶基因，RNA聚合酶基因，呼吸酶基因等。
②奢侈基因：只在某类细胞中特异性表达的基因。如胰岛素基因，珠蛋白基因等。
一、细胞分化的本质是基因选择性表达
2.细胞分化（实质：基因选择性表达）
(1)细胞形态的改变：如肌细胞的梭形、哺乳动物成熟红细胞的圆饼状、神经细胞的突起状等。
(2)细胞结构的变化：细胞器的种类和数量发生变化。
(3)细胞功能的特化：执行特定的功能，如运动功能、反射功能、免疫功能等。
(4)特殊分子的合成：如合成唾液淀粉酶、抗体、胰岛素、血红蛋白和肌动蛋白等。
3.基因选择性表达的结果
DNA甲基化
组蛋白修饰
组蛋白
DNA
甲基化位点
组蛋白修饰:是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修饰的过程。
1.表观遗传：指生物体基因的碱基序列保持不变，而表型发生可遗传变化的现象。
这种修饰能改变染色质状态及其开放程度，进而调控基因的表达。
主要是发生在基因组DNA上某些区域的胞嘧啶上，它的第5位碳原子和甲基之间通过共价键结合，被修饰为5-甲基胞嘧啶。
二、表观遗传及其作用机制
Lcyc基因
植株A
Lcyc基因
表达
Lcyc基因
植株B
Lcyc基因
不表达
甲基化
柳穿鱼花形态改变，是因为基因的部分碱基被高度甲基化
案例：柳穿鱼花的形态结构的遗传
Lcyc基因
植株A
Lcyc基因
表达
Lcyc基因
植株B
Lcyc基因
不表达
F1植株同时含有来自植株A
和植株B的Lcyc基因；
植株A的Lcyc基因能够表达，表现为显性；
植株B的Lcyc基因由于部分碱基被甲基化,基因表达受到抑制，表现为隐性；
甲基化
Lcyc基因
正常
植株A
开花时表达
Lcyc基因
高度 甲基化
植株B
开花时不表达
×
F1
（自交）
F2
绝大部分植株的花与植株A相似
少部分植株的花与植株B相似
Lcyc基因
Lcyc基因
Lcyc基因
Lcyc基因
甲基化的Lcyc的基因可遗传，并控制生物的性状
①基因组成相同的同卵双胞胎所具有的微小差异就与表观遗传有关。
不变性
可遗传
普遍性
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。
②一个蜂群中，蜂王和工蜂都是由受精卵发育而来的，但它们在形态、结构、生理和行为等方面截然不同，表观遗传也在其中发挥了重要作用。
2.表观遗传的特点
基因的碱基序列不变
基因表达和表型发生可遗传变化
持续吃蜂王浆
只吃三天蜂王浆
蜂王
工蜂
甲基化程度低
甲基化程度高
可逆性
在身体形成精子和卵子的时候，DNA上的甲基化和组蛋白上的乙酰基化要被清除，重新设定，以适应生殖细胞的功能。
同样，受精卵在发育成胎儿时， DNA上的甲基化和组蛋白上的乙酰基化也要被清除，以适应胎儿发育的需要。
有研究表明，吸烟会使人的体细胞内DNA的甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。不仅如此，还有研究发现，男性吸烟者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明显高。
吸烟有害健康
1.脊椎动物的一些基因活性与其周围特定胞嘧啶的甲基化有关，甲基化使基因失活，相应的非甲基化能活化基因的表达，以下推测正确的是(　　)
A.肝细胞和胰岛B细胞的呼吸酶基因均处于甲基化状态
B.肝细胞和胰岛B细胞的胰岛素基因均处于非甲基化状态
C.肝细胞的呼吸酶基因和胰岛素基因均处于非甲基化状态
D.胰岛B细胞的呼吸酶基因和胰岛素基因均处于非甲基化状态
D
2.柳穿鱼植株A和植株B花的形态结构不同，其他方面基本相同。下列叙述不正确的是(　　)
A.两株柳穿鱼体内的Lcyc基因的序列相同
B.柳穿鱼的叶肉细胞内不存在Lcyc基因
C.植株B的Lcyc基因不表达的原因是它被高度甲基化了
D.两植株杂交，F2中有少部分的花与植株B相似
B
3.黄色小鼠(AA)与黑色小鼠(aa)杂交，产生的F1(Aa)不同个体出现了不同体色。研究表明，不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同，但A基因上二核苷酸胞嘧啶(CpG)有不同程度的甲基化(如图)现象出现，甲基化不影响基因DNA复制。有关分析错误的是(　　 )
A.F1个体体色的差异与A基因甲基化程度有关
B.甲基化可能影响RNA聚合酶与该基因的结合
C.碱基甲基化不影响碱基互补配对过程
D.甲基化是引起基因结构改变的常见方式
D
表观遗传及其作用机制
细胞分化的本质是基因选择性表达的结果
组蛋白
DNA
甲基化位点

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