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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 · 第1课时 RNA的结构和功能、遗传信息的转录 · 高中生物学 必修2 遗传与进化 · 学案
班级：________　姓名：________　学号：________
学习目标
1．【生命观念】：通过DNA与RNA的比较，阐明RNA是遗传信息传递与表达的重要物质，形成遗传信息由DNA经RNA流向蛋白质的结构与功能观。
2．【科学思维】：基于碱基互补配对原则分析转录过程，归纳遗传信息转录的场所、模板、原料、酶与产物，发展模型构建与归纳概括能力。
3．【科学探究】：通过变形虫放射性标记实验与RNA酶实验的分析，体验同位素示踪法在探究遗传信息传递途径中的作用。
4．【社会责任】：联系基因表达在基因工程、mRNA疫苗等生物技术中的应用，认同遗传信息传递规律对生命活动与人类健康的重要意义。
情境导入
DNA主要分布在细胞核中，而蛋白质的合成却发生在细胞质中的核糖体上，核膜把两者隔开。细胞核中的DNA不能直接离开细胞核去指导蛋白质的合成，那么遗传信息是如何越过核膜这道“门槛”、传递给蛋白质合成的场所呢？（改写自人教版必修2“基因的表达”问题探讨）
1．细胞核内的遗传信息先通过什么过程、以何种物质为载体传递出来？
2．这种“信使”物质应具备哪些结构条件，才能顺利完成传递遗传信息的任务？
自主预学
任务一　RNA的结构与功能
1．RNA的基本单位是________，每个单位由一分子________、一分子________和一分子含氮碱基组成，其含氮碱基有A、U、G、C四种，其中________是RNA特有的碱基。
2．在空间结构上，RNA一般为________，比DNA分子短小，可通过________由细胞核进入细胞质。
图1　RNA的基本单位与组成结构示意图
3．三类RNA及其主要功能：
（1）________（mRNA）：将遗传信息从DNA传递到蛋白质合成，作为________的模板。
（2）________（rRNA）：是________的组成成分，主要在________参与下合成。
（3）________（tRNA）：能够________氨基酸并将其运送到核糖体上参与蛋白质合成。
图2　信使RNA（mRNA）及其作用示意图
图3　核糖体RNA（rRNA）相关合成示意图
图4　转运RNA（tRNA）结构及其作用示意图
4．比较DNA与RNA，完成下表。
比较项目 DNA RNA
组成元素 C、H、O、N、P C、H、O、N、P
基本单位 ________ ________
五碳糖 ________ ________
特有碱基 ________ ________
空间结构 ________ ________
分布 ________ ________
任务二　遗传信息的转录
转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程。转录主要发生在________中，________（线粒体、叶绿体）中也能进行转录；模板是________；原料是________；需要________催化；产物是________及tRNA、rRNA等。
图5　遗传信息的转录过程知识梳理图
课堂探究
探究一　RNA为何能充当DNA的信使
在基因表达过程中，mRNA把DNA的遗传信息传递给蛋白质的合成，tRNA、rRNA则参与翻译环节。三类RNA形态各异、各司其职。
图6　参与基因表达的三类RNA结构示意图
1．图中三类RNA的空间结构完全相同吗？tRNA的形态有何特点？
2．结合结构特点分析，RNA能作为DNA信使的原因有哪些？（至少写出两点）
方法点拨：分析“信使”条件，可从能否携带并传递遗传信息、能否通过核孔进入细胞质、能否作为蛋白质合成的直接模板等角度归纳。
探究二　遗传信息如何从细胞核传递到细胞质
用放射性标记的尿嘧啶核苷酸培养变形虫，追踪RNA的合成与去向；另用RNA酶处理细胞后蛋白质合成停止，再加入酵母菌提取的RNA后，细胞又重新合成一定量蛋白质。
图7　变形虫放射性标记探究RNA合成与去向实验示意图
1．从实验一可以看出，RNA的合成主要发生在细胞中的哪一部位？判断依据是什么？
2．A、B两组变形虫交换细胞核后，B组细胞质中为何会出现带标记的RNA分子？
3．实验二的结果说明了RNA与蛋白质的合成之间存在什么关系？
4．综合两个实验，可得出遗传信息的传递途径是什么？
探究三　遗传信息转录过程剖析
结合图示，分析某真核细胞中DNA转录的过程，体会边解旋边转录的特点。
图8　DNA转录过程示意图
1．转录是如何开始的？
2．图中转录方向是向左还是向右？a、b、c分别代表什么？此过程遵循怎样的碱基配对方式？
3．转录形成的RNA碱基序列，与DNA模板链、非模板链的碱基序列各有什么关系？
4．转录与DNA复制有何共同之处？这对遗传信息的传递有何意义？
方法点拨：准确理解转录的几个关键点。①转录时边解旋边转录、单链转录；②不需解旋酶，RNA聚合酶兼有解旋作用；③RNA链延伸方向为5′端→3′端；④mRNA与模板链碱基互补，与非模板链仅以U代替T；⑤转录只转录部分片段（基因），不同细胞mRNA种类不同，而tRNA、rRNA种类基本无差异；⑥质基因（线粒体、叶绿体中的基因）控制蛋白质合成时也进行转录。
典例精析
方法点拨：核酸的快速判定——据五碳糖（脱氧核糖/核糖）或特有碱基（T/U）区分DNA与RNA；据嘌呤与嘧啶数量关系可辅助判断核酸的单双链。
图9　DNA与RNA的快速判定方法梳理图
典例1　核酸包括DNA和RNA两大类。下列关于DNA和RNA的叙述，正确的是(　)
A.大肠杆菌中只有DNA，没有RNA，DNA主要分布在拟核区域
B.DNA和RNA都是生物大分子，都是由核苷酸连接而成的长链
C.大熊猫细胞的细胞质中DNA和RNA的含量没有差异
D.与DNA相比，RNA在碱基组成上的特点是RNA只含有U
对点练1：核酸是遗传信息的携带者。下列有关核酸的组成和分布的叙述，错误的是(　)
A.DNA和RNA的基本组成单位都是核苷酸
B.核酸是生物的遗传物质，仅存在于细胞核中
C.构成DNA与RNA的五碳糖不同
D.豌豆叶肉细胞中的核酸含有5种碱基
典例2：下图是基因转录过程中RNA聚合酶发挥作用时的局部放大图。下列说法正确的是(　)
图10　RNA聚合酶催化转录的局部放大图
A.RNA聚合酶作用前需解旋酶将DNA双链打开
B.据图判断，转录方向是沿着DNA模板链的3′端→5′端
C.转录时，以DNA为模板并以脱氧核苷酸为原料
D.图示的转录过程只能发生在真核生物的细胞核中
对点练2：以下关于真核生物转录的叙述，错误的是(　)
A.主要在细胞核中进行
B.需要RNA聚合酶的参与
C.以DNA的两条链为模板
D.需要的原料是核糖核苷酸
分层训练
A组　基础巩固
1．判断下列叙述的正误。
（1）遗传信息转录的产物只有mRNA。　　(　)
（2）RNA是核糖体的组成成分，原核细胞中可由核仁参与合成。　　(　)
（3）RNA为单链结构，RNA中不存在碱基互补配对现象。　　(　)
（4）DNA复制和转录的模板都是DNA的一条链。　　(　)
2．下列关于核酸的叙述，正确的是(　)
A.DNA和RNA都能携带遗传信息
B.组成RNA与ATP的元素种类不同
C.T2噬菌体的遗传信息储存在RNA中
D.RNA分子中嘌呤数等于嘧啶数
3．遗传信息表达的过程中，mRNA上的三个碱基为5′-UAC-3′，则DNA模板链上对应的三个碱基是(　)
A.5′-GTA-3′　　B.5′-CAT-3′
C.5′-CUT-3′　　D.5′-GUA-3′
B组　素养提升
4．资料：某真核细胞某基因转录产生的一段mRNA，其中一段碱基序列（自5′端开始）为5′-AUG-CCA-3′。
（1）该mRNA对应的模板DNA链的碱基序列（自3′端写起）是什么？
（2）转录时RNA链的延伸方向是什么？
（3）该mRNA的碱基数目远少于其对应的DNA片段，这体现了转录的什么特点？
5．质基因（线粒体、叶绿体中的基因）控制蛋白质合成时是否也进行转录？简述真核生物中转录的主要场所。
参考答案
情境导入
1．先进行转录，以mRNA（RNA）为信使，将细胞核中的遗传信息传递到细胞质。
2．能携带并传递遗传信息、可通过核孔出入细胞核、能作为蛋白质合成的直接模板等。
自主预学
1．核糖核苷酸　磷酸　核糖　U　2．单链　短　核孔。
三类RNA：（1）mRNA　翻译　（2）rRNA　核糖体　核仁　（3）tRNA　识别氨基酸。
对比表：①脱氧核苷酸　②核糖核苷酸　③脱氧核糖　④核糖　⑤U　⑥T　⑦双螺旋结构　⑧单链　⑨主要分布于细胞核　⑩主要分布于细胞质。
转录：场所细胞核（细胞质中的线粒体、叶绿体也可）、模板DNA的一条链、原料核糖核苷酸、RNA聚合酶催化、产物mRNA（及tRNA、rRNA）。
探究一
1．不完全相同。mRNA、rRNA为单链，tRNA为三叶草形，局部有双链区。
2．①RNA含碱基，能储存并传递遗传信息；②RNA一般为单链、较短，可通过核孔进入细胞质；③RNA可作为蛋白质合成的直接模板。
探究二
1．细胞核。由实验一可看出，带标记的RNA首先在细胞核中出现。
2．细胞核中合成的RNA分子可通过核孔进入细胞质。
3．RNA与蛋白质的合成有直接关系。
4．DNA→RNA→蛋白质。
探究三
1．RNA聚合酶与编码蛋白质的一段DNA结合，使DNA双链解开，碱基暴露出来。
2．向左。a为RNA聚合酶，b为胞嘧啶脱氧核苷酸，c为胞嘧啶核糖核苷酸。碱基配对方式为A—U、T—A、C—G、G—C。
3．RNA的碱基与模板链碱基互补，与非模板链碱基序列基本相同，仅以U对应T。
4．都需要模板、都遵循碱基互补配对原则，从而保证遗传信息传递的准确性。
典例精析
典例1　B。
【解析】大肠杆菌是原核生物，大肠杆菌中既有DNA，又有RNA，A错误；DNA主要分布在细胞核中，RNA主要分布在细胞质中，细胞质中DNA和RNA的含量存在差异，C错误；RNA的碱基有A、U、G、C四种，D错误。
对点练1　B。
【解析】核酸分为DNA和RNA两种，DNA与RNA的基本组成单位分别是脱氧核苷酸和核糖核苷酸，A正确；核酸是生物的遗传物质，在细胞核、线粒体、叶绿体中都有分布，B错误；构成DNA的五碳糖是脱氧核糖，构成RNA的五碳糖是核糖，C正确；豌豆叶肉细胞属于真核细胞，既有DNA，又有RNA，DNA和RNA共含有5种碱基，即A、G、C、T、U，D正确。
典例2　B。
【解析】RNA聚合酶既可以断裂氢键，使DNA双链打开，又可以连接磷酸二酯键合成RNA，因此不需要解旋酶，A错误；由图可知，RNA的5′端合成完毕、从DNA上脱落下来时，3′端还在继续合成，说明RNA的合成方向是5′端→3′端，因此沿DNA模板链的方向是3′端→5′端，B正确；转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程，原料是4种核糖核苷酸，C错误；在真核细胞中，转录可以发生在细胞核、线粒体和叶绿体中，D错误。
对点练2　C。
【解析】转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程，该过程主要发生在细胞核中，也可发生在线粒体和叶绿体中，A正确，C错误。
分层训练
1．（1）×　（2）×　（3）×　（4）×
2．A。
【解析】细胞生物和DNA病毒的遗传信息储存在DNA中，RNA病毒的遗传信息储存在RNA中，A正确；RNA与ATP的组成元素都是C、H、O、N、P，B错误；T2噬菌体的遗传物质是DNA，C错误；RNA一般是单链，所以其嘌呤数不一定等于嘧啶数，D错误。
3．A。
【解析】mRNA与转录的模板DNA单链是方向相反、碱基互补的，且DNA上没有碱基U，A符合题意。
4．（1）3′-TAC-GGT-5′；（2）5′端→3′端；（3）转录并不转录整个DNA，而是以基因为单位转录（转录的RNA序列远短于DNA片段）。
5．是，质基因控制蛋白质合成时也进行转录；转录主要在细胞核中进行，线粒体、叶绿体中也能发生。

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