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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
课时目标 1.从存在位置、作用等方面，探讨密码子、反密码子和遗传信息之间的关系，结合中心法则的内容，理解遗传信息的传递规律。(生命观念)
2．对比分析三种RNA的结构和组成。(科学思维)
3．归纳和概括转录和翻译的异同。(科学思维)
4．通过对资料进行分析归纳，概括中心法则的提出及发展过程。(社会责任)
一、遗传信息的转录
1．RNA的结构及种类
(1)基本单位及组成
① ；② ；③碱基： ；④ 。
磷酸
核糖
A、U、G、C
核糖核苷酸
(2)结构特点：一般是 链，比DNA ，能通过 从细胞核转移到细胞质中。
(3)RNA的种类：信使RNA( )、转运RNA( )和
(rRNA)。
2．遗传信息的转录
(1)概念：RNA是在 中，通过RNA聚合酶以 为模板合成的，这一过程叫作转录。
单
短
核孔
mRNA
tRNA
核糖体RNA
细胞核
DNA的一条链
(2)过程
二、遗传信息的翻译
1．概念：游离在细胞质中的各种 ，以 为模板合成
的蛋白质，这一过程叫作翻译。
2．过程
氨基酸
mRNA
具有一定氨基酸顺序
三、中心法则
1．提出者： 。
2．中心法则的提出及其发展
① ；② ；③ ；④ ；⑤ 。
克里克
DNA复制
转录
翻译
RNA复制
逆转录
3．生命是物质、能量和信息的统一体
(1) 、 是信息的载体。
(2)蛋白质是信息的 。
(3) 为信息的流动提供能量。
DNA
RNA
表达产物
ATP
◆名师点睛
1．RNA能作为DNA信使的原因
(1)RNA的基本组成单位是核苷酸，含有4种碱基，可以传递遗传信息。
(2)RNA一般是单链，比DNA短，能通过核孔，从细胞核进入细胞质。
(3)RNA上的碱基与DNA模板链上的碱基互补配对。
2．转录的模板链并不是固定的，不同基因的模板链可能不同。
3．翻译时，蛋白质的合成通常是从mRNA的起始密码子开始，到终止密码子结束。
4．密码子有64种，包括2种起始密码子(AUG、GUG)，三种终止密码子(UAA、UAG、UGA)。
◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”)
×
×
√
×
×
◆思维启迪
1．下图中①②③分别表示哪种RNA
提示：①表示mRNA；②表示rRNA；③表示tRNA。
2．在真核细胞中，除了细胞核，还有哪些结构能够进行转录？
提示：线粒体、叶绿体。
3．原核生物翻译的场所是哪里？
提示：原核生物翻译的场所是核糖体。
4．RNA从细胞核进入细胞质需要穿过几层生物膜？为什么？
提示：0层。RNA通过核孔进入细胞质中，此过程不穿过生物膜。
任务一 遗传信息的转录
下图所示为一段DNA分子，如果以β链为模板进行转录。
[问题探究]
1．写出对应RNA的碱基序列。
答案：…AUGAUAGGGAAAC…。
2．转录成的RNA的碱基序列，与作为模板的DNA单链的碱基序列有何关系？与DNA的另一条链的碱基序列相比有哪些异同？
答案：转录成的RNA的碱基序列，与作为模板的DNA单链的碱基序列互补配对。与DNA的另一条链的碱基序列相比，相同点是碱基数目相等，都含A、G、C 3种碱基，碱基序列基本相同；不同点是RNA中的碱基含有U，DNA中相同位置的碱基是T。
1．三种RNA的比较
项目 mRNA tRNA rRNA
图示
结构 单链 单链，呈三叶草形 单链
项目 mRNA tRNA rRNA
功能 携带从DNA上转录来的遗传信息，为翻译提供模板 一端携带特定的氨基酸；另一端有3个相邻的碱基可与mRNA上的密码子互补配对，叫作反密码子 核糖体的组成成分
共同点 都是经过转录产生的，基本单位都相同，都与遗传信息的翻译过程有关
2.DNA复制与转录的比较
项目 复制 转录
场所 主要在细胞核中 主要在细胞核中
模板 DNA的两条链 DNA的一条链
原料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸
酶 解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶
能量 ATP ATP
项目 复制 转录
碱基
配对 T—A、A—T、
G—C、C—G G—C、C—G、
A—U、T—A
产物 子代DNA mRNA、tRNA、
rRNA
与转录有关的四点提醒
(1)转录不是转录整个DNA，而是转录其中的基因。
(2)转录时需要解旋，但不需要解旋酶，因为RNA聚合酶本身就兼有解旋的作用。
(3)不同种类的细胞，由于基因的选择性表达，mRNA的种类和数量不同，但tRNA和rRNA的种类没有差异。
(4)完成正常使命的RNA会迅速降解，从而保证生命活动的有序进行。
C
解析：
翻译是在核糖体上进行的，以mRNA为模板，以游离氨基酸为原料合成肽链的过程，A正确；tRNA 中有反密码子，能通过碱基互补配对识别mRNA上的密码子，tRNA的功能是转运氨基酸和识别密码子，B正确；rRNA是核糖体的组成成分，在真核生物中，核糖体的合成与核仁有关，乳酸菌为原核生物，没有核仁和核膜，C错误；RNA单链结构不稳定，容易发生突变，D正确。
C
解析：
基因表达过程中，转录是以DNA的一条链为模板合成为RNA，C正确。
C
解析：
图中①链为模板链，②链为RNA，因此，①链中的碱基A与②链中的碱基U互补配对，A错误；②是RNA，是以4种核糖核苷酸为原料合成的，B错误；转录完成后，②通过核孔进入细胞质中，穿过0层生物膜，D错误。
任务二 遗传信息的翻译
1．密码子、反密码子和氨基酸的关系
(1)密码子和反密码子的位置是否相同？为什么？
(2)密码子都能编码氨基酸吗？说明理由。
答案：(1)不同。密码子是位于mRNA上3个相邻的碱基，而反密码子是位于tRNA上3个相邻的碱基。
(2)密码子共有64种，正常情况下，3种终止密码子不决定氨基酸，决定氨基酸的密码子有61种；特殊情况下，2种终止密码子不决定氨基酸，决定氨基酸的密码子有62种。
2．翻译过程的分析
(1)转录出③的模板是什么？该模板相应区段的碱基序列是什么？
(2)②在③上移动的方向是怎样的？
答案：(1)转录以DNA的一条链为模板，该模板相应区段的碱基序列是—TACCGAAGAAAG—。
(2)从③mRNA的5'端向3'端移动。
1．遗传信息、密码子、反密码子的比较
项目 遗传信息 密码子 反密码子
概念 DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序 mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基 tRNA上与密码子互补配对的3个相邻碱基
作用 控制生物的性状 直接决定蛋白质中的氨基酸序列 识别密码子，转运氨基酸
项目 遗传信息 密码子 反密码子
种类 多样性 64种 61种
(正常情况下)
图解
2.基因指导蛋白质合成的概念图
3．基因表达过程中的相关数量计算
规律：蛋白质中氨基酸数目＝1/3 mRNA中碱基数目＝1/6 DNA(或基因)中碱基数目。
翻译过程的四点理解误区
(1)一个mRNA翻译出的多肽链不一定是一条，其上可以同时附着多个核糖体，翻译出多条肽链。
(2)从核糖体上脱离下来的只是肽链，肽链还要进一步加工，才能成为具有生物活性的蛋白质。
(3)由于终止密码子的存在，mRNA中碱基数比氨基酸数的3倍还要多一些。注意题目中是否有限定词，如“最少”等。
(4)真核细胞的基因表达过程中，转录主要在细胞核中进行，转录形成的mRNA要通过核孔进入细胞质中与核糖体结合，转录和翻译在时间和空间上均不同。但是，在原核细胞的基因表达过程中，转录和翻译可以同时进行，这也是区分原核细胞和真核细胞的基因表达的主要依据。
B
解析：
图示过程为翻译，哺乳动物成熟红细胞没有细胞核和众多细胞器，不能进行翻译过程，A错误；ATP直接给细胞的生命活动提供能量，基因表达时，DNA双链打开及子链延伸需要ATP水解提供能量，B正确；图示过程为翻译，参与该过程的RNA有mRNA(信使RNA)、tRNA(转运RNA)、rRNA(核糖体RNA)三种，结合在图中mRNA上的多个核糖体可合成相同的肽链，C错误；密码子是mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基，图中决定丙氨酸的密码子是5' GCU 3'，D错误。
C
解析：
RNA 聚合酶与 DNA 分子结合可以使 DNA的双螺旋解开，但只能解开一部分，A正确；DNA复制时，两条脱氧核苷酸链均可作为模板，转录以一条脱氧核苷酸链为模板，B正确；同一个 mRNA分子能够相继结合多个核糖体，每个核糖体都合成一条肽链，从而提高了翻译效率，C错误；翻译时，核糖体在mRNA上以一个密码子为单位移动，D正确。
D
[答题指导]
解析：
mRNA上3个相邻的碱基决定一个氨基酸，所以mRNA上碱基的数量至少是其控制合成的肽链中氨基酸数量的3倍。mRNA是以DNA双链中的一条单链为模板，按照碱基互补配对原则转录形成的，所以DNA分子的碱基数量至少是其转录形成的mRNA碱基数量的2倍，至少是其指导合成的蛋白质的氨基酸数量的6倍。即一条多肽链中有氨基酸1 000个，作为合成该多肽链模板的mRNA分子和用来转录成mRNA的DNA分子，至少含有碱基的数量分别是3 000个和6 000个。
任务三 中心法则
下图是中心法则的内容及其发展图解。
[问题探究]
1．结合中心法则，思考DNA、RNA产生的途径有哪些？
答案：DNA的产生途径有DNA的复制及逆转录；RNA的产生途径有RNA的复制及转录。
2．线粒体和叶绿体中的DNA是否遵循中心法则？
答案：遵循，在线粒体和叶绿体中也有DNA的复制及基因的表达过程。
3．下列四个试管中分别模拟的是中心法则中的哪个过程？
答案：a是DNA的复制；b是转录；c是RNA的复制；d是逆转录。
1．不同生物中心法则的体现
说明：在病毒体内不会发生RNA的复制和逆转录等过程，该过程在被病毒感染的宿主细胞内进行。
2．中心法则体现了DNA的两大基本功能
(1)传递遗传信息：通过DNA复制来完成，发生于亲代产生子代的生殖过程或细胞增殖过程中。
(2)表达遗传信息：通过转录和翻译来完成，发生在个体发育过程中。
中心法则的相关提醒
(1)逆转录需要逆转录酶。
(2)逆转录和RNA复制只在某些被病毒寄生的宿主细胞中进行。
(3)哺乳动物成熟的红细胞中无遗传信息的传递。
(4)DNA复制、转录和翻译是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则。
C
解析：
图中逆转录过程、RNA的自我复制不能发生在正常的人体细胞中，A错误；图中可形成DNA—RNA复合物的过程除了转录还有逆转录，B错误；结合题图可知，RNA可作为病毒的遗传物质、复制的模板、翻译的模板、逆转录的模板，C正确；T2噬菌体在宿主细胞内能进行DNA复制、转录和翻译，D错误。
A
解析：
若X是mRNA，Y是多肽，则管内发生的是翻译过程，因此必须加入氨基酸，A正确；若X是DNA，Y含有U，则Y为RNA，管内发生的是转录过程，因此不需要加入逆转录酶，需要加入RNA聚合酶等，B错误；若X是tRNA，Y是多肽，则管内发生的是翻译过程，因此不需要加入脱氧核苷酸，C错误；若X是HIV的RNA，Y是DNA，则管内发生的是逆转录过程，因此需要加入逆转录酶，D错误。
快速确定中心法则各生理过程的方法
A
解析：
过程①表示逆转录，②表示DNA 复制，③表示转录，④表示翻译，⑤⑥是组装子代病毒的过程。用RNA水解酶或碱把杂化双链上的RNA除去，剩下的DNA单链再作为第二链合成的模板，A错误；①过程形成的双链是RNA/DNA杂化双链，其碱基互补配对原则与②过程形成的DNA双链不完全相同，B正确；拉米夫定阻断的是逆转录，逆转录的信息流动方向(RNA→DNA)与③转录过程(DNA→RNA)相反，C正确；DNA的复制、转录、翻译都是按照5'→3'延长的规律进行的，D正确。
抗生素的抑菌机理——社会责任
随着抗生素的广泛使用甚至滥用，目前细菌对抗生素的耐药性问题已十分严重，且正在对全球健康构成威胁。红霉素、环丙沙星、利福平、青霉素能抑制细菌的生长，抗菌机制见下表。
抗菌药物 抗菌机制
红霉素 能与核糖体结合，抑制肽链的延伸
环丙沙星 抑制细菌DNA 的复制
利福平 抑制细菌RNA聚合酶的活性
青霉素 抑制细菌细胞壁的合成
设计1：考查长句表达能力与科学思维
(1)结合遗传信息传递途径和上表信息，分析这几种药物在遗传信息传递途径中的作用。______________________________________________
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设计2：考查问题解决能力与社会责任
(2)根据生活常识和题干信息，分析日常生活中应如何使用抗生素。
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答案：(1)红霉素能与核糖体结合，抑制肽链的延伸，故能抑制细菌的翻译过程。环丙沙星抑制细菌DNA 的复制。利福平抑制细菌RNA聚合酶的活性，故能抑制细菌的转录过程。青霉素抑制细菌细胞壁的合成，影响遗传信息的传递和表达。
(2)轻微感冒不必使用抗生素治疗，选用一般感冒药即可。如果用抗生素治疗，不仅“大材小用”，还会干扰机体内正常菌群，或造成耐药菌株增多。许多人误认为最新的药就是最好的药，如果一开始就用最新的抗生素药物，会加快新药对抗药性病菌的筛选，使病菌在与人类研制新药的斗争中处于领先位置。因此，针对病症需合理选用抗生素。
A
解析：
真核生物、原核生物和DNA病毒的遗传物质都是DNA，RNA病毒的遗传物质为RNA，A错误、B正确；少数酶的化学本质为RNA，C正确；rRNA参与核糖体的组成，D正确。
A
解析：
DNA的复制、转录都是以DNA为模板，DNA主要在细胞核中，故DNA复制、转录的场所主要是细胞核，翻译是在细胞质中的核糖体上完成的，A正确。
C
解析：
DNA复制的产物为DNA，A错误；转录的产物为mRNA，B错误；肽链是翻译的产物，肽链的合成场所是核糖体，红霉素能与核糖体结合，抑制肽链的延伸，说明红霉素可直接影响翻译过程，C正确；逆转录的产物为DNA，D错误。
D
解析：
转录是以DNA一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程，图中a表示DNA，b表示RNA，c表示RNA聚合酶，A、B、C正确；图中a为DNA，b为RNA，故含有A、G、C、T、U共5种碱基，D错误。
D
解析：
若模板是RNA，则过程可能为RNA复制(如某些RNA病毒)或逆转录(如某些逆转录病毒)，也可能为翻译(以mRNA为模板合成蛋白质)，A正确；若原料为核糖核苷酸，则产物一定是RNA，其过程可能为转录(以DNA为模板合成RNA)，也可能是RNA复制(如某些RNA病毒)，B正确；若模板是DNA，则过程可能为DNA复制(产生子代DNA)，也可能为转录
解析：
(产生RNA)，C正确；若原料为脱氧核苷酸，则产物一定是DNA，其过程可能为逆转录(以RNA为模板合成DNA)或DNA复制(以亲代DNA为模板合成子代DNA)，D错误。
C
解析：
一种密码子可以决定一种氨基酸，且正常情况下终止密码子不编码氨基酸，A错误；由于密码子的简并，一种氨基酸可能由多种密码子决定，B错误；mRNA上每3个相邻的碱基构成一个密码子，决定1个氨基酸，C正确；tRNA具有专一性，即每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸，D错误。
7．下图为真核细胞中RNA参与蛋白质合成的翻译过程示意图，据图回答下列问题：
(1)在翻译过程中，参与的RNA有①____________、③______________和②中的________________。
(2)根据给出的密码子判断，图中①所携带的氨基酸为__________，该过程中②的移动方向为________(填“向左”或“向右”)。
(3)很多肽链合成时第一个氨基酸都是甲硫氨酸，然而细胞中大部分分泌蛋白的第一个氨基酸并不是甲硫氨酸，这是因为这些肽链要在________________处进行加工、修饰。
(4)若以③为模板合成一条肽链需要1 s，但在2 s内③却指导合成了数条同种肽链，原因是____________________________________________。
答案：(1)转运RNA(或tRNA)　信使RNA(或mRNA)　核糖体RNA(或rRNA)
(2)脯氨酸　向右
(3)内质网和高尔基体
(4)一个③上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条相同肽链的合成
解析：
(1)在翻译过程中，③(mRNA)是合成蛋白质的模板，①(tRNA)是运输氨基酸的工具，核糖体是翻译的场所，核糖体中含有 rRNA。(2)①携带的反密码子与mRNA上的密码子CCG配对，密码子CCG编码的氨基酸是脯氨酸。从mRNA上找到起始密码子AUG和终止密码子UAA，起始密码子AUG在左，终止密码子UAA在右，因此，在整个翻译过程中②的移动方向为向右。(3)真核生物细胞的内质网和高尔基体对新合成的肽链具有加工、修饰的作用。(4)在蛋白质合成过程中，一个mRNA分子
解析：
上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条相同肽链的合成，因此，若以③为模板合成一条肽链需要的时间是1 s，则在2 s内能合成多条同种肽链。

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