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第4章第1节　基因指导蛋白质的合成
第2课时　遗传信息的翻译与中心法则 · 高中生物学 必修2 遗传与进化 · 学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．【生命观念】：通过遗传信息翻译过程的分析，理解基因通过控制蛋白质的合成间接决定生物的性状，形成“信息流——中心法则”的整体生命观。
2．【科学思维】：比较DNA复制、转录与翻译在模板、原料、碱基配对方式与产物上的异同，发展模型分析与抽象概括能力。
3．【科学探究】：运用实验设计与对照思想，探究密码子的特异性及中心法则的修正历程，体会科学认识不断深化、发展的过程。
4．【社会责任】：关注以逆转录原理为基础的抗病毒药物与基因工程应用，认同生命科学理论对健康与生产的价值。
二、情境导入
一个直径不足1微米的大肠杆菌，在约20分钟的分裂周期内就能合成数千个蛋白质分子。若把基因比作“生产图纸”，mRNA就是被打印出来的“施工单”，细胞质中的核糖体则是一座座“装配车间”。更巧妙的是，同一张施工单（mRNA）上能同时并排开动多台装配机器，在极短时间内批量产出同一种“产品”。
1．翻译过程有哪些“装配车间”？其直接产物是什么？
2．为什么一条mRNA能被多个核糖体同时利用？这对细胞有何意义？
三、自主预学
任务一　遗传信息的翻译与“装配工具”
1．翻译：游离在细胞质中的各种________（原料），以________为模板，以________为运载工具，在________中合成具有一定氨基酸序列的蛋白质（多肽链）的过程。
图1　tRNA的结构与功能示意
2．tRNA的结构与功能特点：
(1) tRNA的一端有3个相邻碱基可与________上的密码子碱基互补配对，称为反密码子；另一端能携带特定的________。
(2) 每种tRNA只能识别并转运________种氨基酸。
3．密码子与反密码子：
图2　密码子与反密码子的相对位置
(1) 密码子位于________上，是决定1个氨基酸的3个相邻碱基，共________种。
(2) AUG既可编码________，又是起始密码子；共有________种终止密码子，不能编码氨基酸。
4．翻译过程：
图3　翻译过程示意
翻译以________为起始，tRNA转运氨基酸、与密码子互补配对，核糖体读取到________密码子时终止，合成多肽链。
5．翻译的高效性：一条mRNA上可同时结合多个核糖体，构成________，少量mRNA即可在短时间内合成大量蛋白质。
任务二　中心法则的提出与修正
1．中心法则的提出者是________。最初认为：遗传信息可由DNA流向DNA（即DNA自我________），由DNA流向RNA（________），也可由RNA流向蛋白质（________）。
2．后人补充：某些RNA病毒中遗传信息可由RNA流向RNA（RNA的________），也可由RNA流向DNA（________）。
图4　中心法则图解
3．生命是物质、能量与信息的统一体：DNA、RNA是________的载体；蛋白质是________的表达产物；________为信息的流动提供能量。
四、课堂探究
探究一　密码子、tRNA与“翻译”工具
［情境材料］大肠杆菌、酵母菌乃至人类几乎共用同一套遗传密码，这正是不同物种能“听懂”同一套基因代码的基础。密码子兼具简并性与通用性两大特点。
图5　遗传密码从DNA经mRNA传递到tRNA的示意
1．归纳密码子的主要特点：相邻密码子之间无间隔且不重叠；64种密码子中3种为终止密码子；绝大多数氨基酸对应多个密码子。这一现象分别说明了什么？
2．地球上几乎所有生物都共用一套密码子，这说明生物之间有何关系？
3．密码子的简并对生物体的生存发展有何意义？
图6　tRNA的结构示意
4．结合图示说明：为什么说tRNA是真正起“翻译”作用的结构？
【归纳】遗传信息、密码子与反密码子三者的界定
项目 遗传信息 密码子 反密码子
概念 基因中脱氧核苷酸序列 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个碱基
位置 DNA mRNA tRNA
作用 从根本上决定氨基酸排列顺序，指导蛋白质合成 直接决定蛋白质中氨基酸的序列 识别密码子
种类 脱氧核苷酸的排列顺序（4n种，n为碱基对数） 64种，其中61种能编码氨基酸，3种终止密码子 —
特点 多样性、特异性 简并性、通用性 —
探究二　翻译过程的两种模型分析
图7　翻译过程示意（甲）
图8　翻译过程示意（乙）——多聚核糖体
图9　翻译过程的三种模型
1．图甲中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别是哪种分子或结构？翻译中的碱基配对方式与DNA复制、转录完全一样吗？
2．根据遗传密码的阅读方式，判断图甲中核糖体沿mRNA的移动方向，并写出翻译出的氨基酸序列。
3．图乙中①、⑥分别是什么？图乙中翻译的方向是怎样的？如何判断？
4．图乙中②③④⑤合成的多肽链的氨基酸序列相同吗？为什么？
5．一条mRNA上结合多个核糖体的现象有何意义？
6．翻译过程能精确进行的原因有哪些？
7．翻译刚合成出的多肽链能直接承担相应的生物学功能吗？
8．能根据“甲硫氨酸—丙氨酸—亮氨酸”这一序列写出确定的碱基排列吗？为什么？
探究三　中心法则的提出与修正
图10　中心法则示意
1．图中②表示什么过程？需要何种酶？④表示什么过程？需要何种酶？
2．图中遵循碱基互补配对原则的过程有哪些？
3．任意一个人体细胞都能发生①②③过程吗？
4．以DNA作为遗传物质的生物（原核、真核及DNA病毒），其遗传信息流向如何？请以图示表示。
5．烟草花叶病毒等部分RNA病毒，其遗传信息可由RNA流向RNA。请绘出该类生物的遗传信息流动图解。
6．HIV是逆转录病毒，其遗传信息的流动方向如何？请以图示表示。
7．线粒体和叶绿体中的DNA是否遵循中心法则？为什么？
8．下列四支试管分别模拟中心法则中的哪个过程？分别需要什么酶？
图11　四支试管模拟中心法则的各个过程
图12　DNA复制、转录与翻译的对比
方法点拨：判断中心法则各过程，可“一看模板、二看原料、三看产物”，模板、原料与产物三要素逐一确认即可定位对应过程。
图13　“三看法”判断中心法则的五个过程
典例精析
图14　RNA的三种类型
例1　RNA由tRNA、mRNA与rRNA三类构成，与DNA、蛋白质共同搭建起细胞生命活动的框架。据图，下列叙述正确的是（　）
A. 密码子位于tRNA上
B. 核糖体与mRNA结合的部位只能形成一个tRNA结合位点
C. 一种氨基酸只能由一种tRNA转运
D. 合成一条含50个氨基酸的肽链，模板mRNA至少含有150个碱基（不考虑终止密码子）
DNA G
C
信使RNA C
转运RNA A
氨基酸 X
对点练1　根据下表提供的信息，可以确定X的密码子是（　）
A. UCC　B. TCC　C. ACC　D. GCC
图15　真核细胞三种物质的合成过程（一）
图16　真核细胞三种物质的合成过程（二）
例2　甲、乙、丙分别表示真核细胞内三种物质的合成过程。据图，下列叙述正确的是（　）
A. 甲的原料是核糖核苷酸
B. 乙的产物都是丙的模板
C. 丙中核糖体沿mRNA向右移动
D. 能完成乙、丙的细胞都能完成甲
图17　某生物基因表达过程
对点2　某生物基因表达过程如图所示，下列相关叙述错误的是（　）
A. 图中转录的方向是从右向左
B. 图中一个基因在短时间内可表达出4条多肽链
C. 该过程不可能发生在胰岛B细胞合成胰岛素的过程中
D. 图中存在DNA-RNA杂交区域，且遵循碱基互补配对原则
图18　寨卡病毒的增殖与表达
例3　寨卡病毒为单股正链RNA病毒，其RNA可直接作为mRNA进行翻译。下图描绘寨卡病毒的增殖与表达，相关叙述错误的是（　）
A. 寨卡病毒属于RNA病毒，体内含有DNA聚合酶
B. 病毒RNA复制时需要的酶在宿主细胞内合成
C. 病毒RNA可直接作为翻译的模板
D. 病毒RNA复制遵循碱基互补配对原则
图19　中心法则示意图
对点3　中心法则为生命科学提供了重要的理论框架。下图为中心法则的示意图，下列相关叙述错误的是（　）
A. 克里克于1957年提出的中心法则包含图中的①③⑤过程
B. 在遗传信息的流动过程中，DNA、RNA可以作为信息的载体
C. 图中的②④过程是RNA病毒所特有的，发生于RNA病毒体内
D. 图中的②④⑤过程所需的原料分别是脱氧核苷酸、核糖核苷酸、氨基酸
五、分层训练
A组　基础巩固
1．判断正误。
(1) 密码子位于mRNA上，ATC不可能是密码子。　　（　　）
(2) mRNA在核糖体上移动，翻译出蛋白质。　　（　　）
(3) 每种转运RNA能识别并转运一种或多种氨基酸。　　（　　）
(4) 遗传信息只能从DNA流向RNA，进而流向蛋白质。　　（　　）
(5) 每种氨基酸都具有两种或两种以上的密码子。　　（　　）
(6) tRNA一经发挥作用便迅速被酶分解而无法重复使用。　　（　　）
(7) 中心法则表示的是遗传信息的流动过程。　　（　　）
(8) 叶绿体和线粒体中遗传信息的传递也遵循中心法则。　　（　　）
2．下列关于翻译的叙述，正确的是（　）
A. 翻译以DNA的一条链为模板
B. 翻译只发生在细胞核中
C. tRNA、mRNA与核糖体共同参与翻译
D. 翻译的直接产物是RNA
3．下列关于密码子的叙述，正确的是（　）
A. 密码子位于tRNA上
B. 每种密码子都能编码氨基酸
C. 一种氨基酸可由多种密码子决定，体现密码子的简并
D. 密码子与反密码子的碱基类型完全相同
B组　素养提升
4．如图为翻译过程示意图，其中反密码子第1位碱基常为次黄嘌呤（I），可与密码子第3位碱基A、U和C均配对。下列相关叙述正确的是（　）
图20　翻译过程示意（I与密码子配对）
A. tRNA分子内部不发生碱基互补配对
B. 反密码子为5'-CAU-3'的tRNA可转运多种氨基酸
C. mRNA的每个密码子都能结合相应的tRNA
D. 碱基I与密码子碱基的配对特点，有利于保持物种遗传的稳定性
5．叠氮脱氧胸苷（AZT）可与逆转录酶结合并抑制其功能。下列过程可直接被AZT阻断的是（　）
A. 复制　B. 转录　C. 翻译　D. 逆转录
6．阅读资料，分析回答问题。
资料：1986年科学家发现第21种氨基酸——硒代半胱氨酸，其由密码子UGA编码。UGA在多数情况下为终止密码子，但在特定条件下编码硒代半胱氨酸。研究人员利用含硒蛋白的mRNA与不含硒蛋白的mRNA在体外翻译体系中进行了如表实验：
组别 加入的物质
mRNA 氨基酸
A 含硒蛋白的mRNA 21种氨基酸（含硒代半胱氨酸）
B 含硒蛋白的mRNA 20种氨基酸（不含硒代半胱氨酸）
C 不含硒蛋白的mRNA 21种氨基酸（含硒代半胱氨酸）
D 不含硒蛋白的mRNA 20种氨基酸（不含硒代半胱氨酸）
图21　相关氨基酸的结构简式
(1) 已知科研人员的猜测正确（取决于编码的蛋白质是否为硒蛋白），推测该实验各组可能出现的结果。
(2) 仿照上述实验，设计实验证明“游离的硒代半胱氨酸不直接与tRNA结合，而是在某种氨基酸与特定tRNA结合后再加硒修饰”，写出实验步骤和预期结果。
(3) 科学家推测被修饰为硒代半胱氨酸的氨基酸可能是丝氨酸或半胱氨酸。能否用同位素标记法设计实验加以探究？请写出实验思路和预期结果。
六、参考答案
一、情境导入
1．翻译在核糖体（“装配车间”）中进行，以氨基酸为原料，直接产物是多肽链（进一步折叠为蛋白质）。
2．一条mRNA可同时结合多个核糖体，同时合成多条肽链，少量mRNA即可快速合成大量蛋白质。
二、自主预学
任务一：1．氨基酸；mRNA；tRNA；核糖体
2．(1) mRNA；氨基酸　(2) 一种氨基酸
3．(1) mRNA；3；64　(2) 甲硫氨酸；3
4．mRNA；终止密码子
5．多聚核糖体（多个核糖体）
任务二：1．克里克；复制；转录；翻译
2．复制；逆转录
3．信息；信息；ATP
三、课堂探究
探究一：1．①相邻密码子之间无间隔、不重叠；②64种密码子都有对应意义，其中3种为终止密码子；③多数氨基酸对应多个密码子（简并）。
2．地球生物有或近或远的亲缘关系（有共同的祖先），体现生物界的统一性。
3．密码子的简并增强了基因表达的容错性，可降低突变的影响，也能提高翻译的速率。
4．tRNA一端反密码子与mRNA密码子互补配对，另一端携带对应氨基酸，因而起到“翻译”作用。
探究二：1．Ⅰ为tRNA、Ⅱ为核糖体、Ⅲ为mRNA、Ⅳ为多肽链。碱基配对方式与DNA复制、转录不完全相同（翻译中A-U、U-A、C-G、G-C）。
2．核糖体沿mRNA从左向右移动；氨基酸序列为甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸。
3．①为mRNA、⑥为核糖体；翻译方向由右向左（肽链较长的一端先翻译完成）。
4．相同；因为它们的模板是同一条mRNA。
5．一条mRNA可同时结合多个核糖体，少量mRNA即可迅速合成大量蛋白质。
6．①mRNA为翻译提供精确模板；②密码子与反密码子遵循碱基互补配对原则。
7．一般不能直接承担功能；多肽链常需经盘曲折叠成具有特定空间结构的蛋白质后，才能行使功能。
8．不能；每种氨基酸对应一种或几种密码子，不能由氨基酸序列唯一反推碱基序列。
探究三：1．②为转录，需RNA聚合酶；④为逆转录，需逆转录酶。
2．①②③④⑤均遵循碱基互补配对原则。
3．不都能。高度分化的细胞不再分裂，不能进行①；哺乳动物成熟红细胞无细胞核及多种细胞器，①②③均不能进行。
4．以DNA为遗传物质的生物的遗传信息流向：
图22　以DNA为遗传物质的生物遗传信息流向
5．烟草花叶病毒等RNA病毒的遗传信息流向：
图23　RNA病毒的遗传信息流向
6．HIV（逆转录病毒）的遗传信息流向：
图24　逆转录病毒的遗传信息流向
7．遵循。线粒体、叶绿体中也有DNA的复制及基因的表达过程。
8．a．DNA复制（解旋酶、DNA聚合酶）；b．转录（RNA聚合酶）；c．RNA复制（RNA复制酶）；d．逆转录（逆转录酶）。
例1　D。
解析：密码子位于mRNA上，tRNA上含有反密码子，A错误；核糖体与mRNA的结合部位会形成两个tRNA的结合位点，B错误；一种tRNA只能识别并转运一种氨基酸，一种氨基酸可能由多种tRNA转运，C错误。
对点练1　A。
解析：信使RNA上的密码子与转运RNA上的反密码子互补配对，据表可推知X的密码子第一个碱基为U、第三个碱基为C，据DNA信息第二个碱基为C，故X的密码子是UCC。
例2　C。
解析：甲是DNA复制，原料是脱氧核糖核苷酸，A错误；乙是转录，产物是RNA，其中mRNA才能作为翻译（丙）的模板，B错误；只有能进行分裂的细胞才能完成DNA复制，故能进行转录和翻译的细胞不一定能进行DNA复制，D错误。
对点2　B。
解析：据mRNA链的长短可知转录方向为从右往左，图中一个基因短时间内可合成4条mRNA，A正确、B错误；该过程是边转录边翻译，发生在原核生物，不可能发生在胰岛B细胞合成胰岛素过程中，C正确。
例3　A。
解析：寨卡病毒由RNA和蛋白质组成，属RNA病毒，增殖过程中无DNA复制，故体内没有DNA聚合酶，A错误。
对点3　C。
解析：克里克1957年提出的中心法则只包含①③⑤，后人补充了逆转录与RNA复制，A正确；DNA、RNA是遗传信息的载体，B正确；②④是RNA病毒所特有的，发生于RNA病毒寄生的宿主细胞内，C错误；②④⑤所需原料分别为脱氧核苷酸、核糖核苷酸、氨基酸，D正确。
四、分层训练
1．(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×　(7)√　(8)√
2．C。
3．C。
4．D。
解析：tRNA链存在空间折叠，局部双链间发生碱基互补配对，A错误；反密码子为5'-CAU-3'的tRNA只能与密码子3'-GUA-5'配对，只能携带一种氨基酸，B错误；mRNA中存在终止密码子，核糖体读取到终止密码子时翻译结束，C错误；密码子第3位碱基可与反密码子第1位碱基I配对，提高了容错率，有利于保持物种遗传的稳定性，D正确。
5．D。
解析：叠氮脱氧胸苷（AZT）可与逆转录酶结合并抑制其功能，逆转录过程需要逆转录酶催化，故AZT可直接阻断逆转录过程，D符合题意。
6．(1) A组：合成含硒的蛋白质；B组：合成不含硒的蛋白质，且肽链比A组短（提前终止）；C组、D组合成的不含硒的蛋白质相同且均不含硒。
6．(2) 实验步骤：提取含硒蛋白的mRNA均分为A、B两组，A组加入含21种氨基酸（含硒代半胱氨酸）的体系，B组加入含20种氨基酸（不含硒代半胱氨酸）的体系，于体外翻译体系中培养后检测蛋白是否含硒。预期结果：A组蛋白不含硒而B组含硒，且A组肽链比B组短。
6．(3) 实验思路：分别用放射性标记的丝氨酸与半胱氨酸进行实验，检测蛋白质中的放射性。预期结果：若蛋白长度相同且丝氨酸组有放射性，说明被修饰的是丝氨酸；若半胱氨酸组有放射性，说明被修饰的是半胱氨酸。

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