第4章基因的表達第1節基因指導蛋白質的合成學習目標素養定位1.概述RNA的結構、種類和功能。2.概述遺傳信息轉錄和翻譯的過程。3.描述中心法則,即遺傳信息的傳遞規律1.運用結構與功能觀,理解RNA的結構和功能。(生命觀念)2.構建轉錄和翻譯的模型,分析基因表達的場所、原料、模板及特點,理解基因指導蛋白質合成的過程。(科學思維)3.通過分類與比較,明確中心法則各生理過程的異同。(科學思維)預習案·自主學習梳理必備知識,儲備素養根基1一、RNA的結構、種類和功能1.RNA的結構(1)元素組成:

。(2)基本單位:

。C、H、O、N、P核糖核苷酸(3)組成成分。(4)結構:一般是

,長度比DNA短;能通過

從細胞核轉移到細胞質中。核糖尿嘧啶(U)單鏈核孔2.RNA的種類及其作用信使RNADNA核糖體RNA轉運RNA識別并轉運氨基酸3.RNA與DNA的比較比較項目DNARNA組成單位基本組成單位不同

五碳糖不同脫氧核糖核糖堿基不同特有的是

特有的是

結構不同規則的雙螺旋結構一般為

脫氧核苷酸核糖核苷酸胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)單鏈RNA聚合酶二、遺傳信息的轉錄1.概念在細胞核中,通過

以

為模板合成RNA,這一過程叫作轉錄。DNA的一條鏈2.過程RNA游離的核糖核苷酸RNARNA三、遺傳信息的翻譯1.概念游離在細胞質中的各種

,以

為模板合成

,這一過程叫作翻譯。2.密碼子(1)概念。mRNA上決定1個氨基酸的

的堿基叫作1個密碼子。氨基酸mRNA具有一定氨基酸順序的蛋白質3個相鄰(2)種類。①共有

種密碼子。②有2種起始密碼子:在真核生物中AUG作為起始密碼子;在原核生物中,GUG也可以作為起始密碼子,此時它編碼

。③有3種終止密碼子:

。正常情況下,終止密碼子不編碼氨基酸,僅作為翻譯終止的信號,但在特殊情況下,UGA可以編碼

。64甲硫氨酸UAA、UAG、UGA硒代半胱氨酸3.tRNA的結構和功能特點(1)結構(如圖)。(2)功能特點:每種tRNA只能識別并轉運一種

。氨基酸反密碼子氨基酸4.過程核糖體AUG肽鍵核糖體mRNAmRNA的終止密碼子四、中心法則1.提出者1957年,

提出了中心法則。克里克2.補充后的內容圖解復制逆轉錄3.生命是物質、能量和信息的統一體(1)DNA、RNA是

的載體。(2)蛋白質是信息的

。(3)

為信息的流動提供能量。信息表達產物ATP判斷正誤(1)RNA通常為單鏈結構,分子中沒有氫鍵。(

)提示:RNA通常為單鏈結構,tRNA中有部分堿基對通過氫鍵相連。(2)僅mRNA是由轉錄產生的,tRNA與rRNA不是由轉錄產生的。(

)提示:mRNA、tRNA和rRNA都是由轉錄產生的。××(3)轉錄和翻譯過程不需要酶的催化,但需要消耗ATP。(

)提示:轉錄和翻譯過程既需要酶的催化,也需要消耗ATP。(4)DNA聚合酶和RNA聚合酶的結合位點分別在DNA和RNA上。(

)提示:DNA聚合酶和RNA聚合酶的結合位點都在DNA上。××(5)同一細胞中轉運同一種氨基酸時所用的tRNA可能不同。(

)(6)DNA病毒中沒有RNA,其遺傳信息的傳遞不遵循中心法則。(

)提示:DNA病毒中沒有RNA,但其遺傳信息的傳遞仍遵循中心法則,包括DNA的復制、轉錄和翻譯三個過程。√×探究案·互動探究逐點擊破疑難,提升關鍵能力2如圖為真核生物細胞核內轉錄過程的示意圖,請據圖回答下列問題。探究一遺傳信息的轉錄(1)請寫出圖中數字所表示的物質或結構的名稱。提示:①是RNA聚合酶,②是胞嘧啶脫氧核苷酸,③是胞嘧啶核糖核苷酸,④是RNA。(2)圖中結構①的移動方向是由右向左還是由左向右?提示:由右向左。(3)轉錄形成的mRNA的堿基序列,與作為模板的DNA單鏈的堿基序列有何關系?提示:轉錄形成的mRNA的堿基序列,與作為模板的DNA單鏈的堿基序列互補配對。(4)DNA復制和轉錄過程有什么不同?提示:①DNA復制中有A與T配對,轉錄中有A與U配對。②DNA復制時一個DNA分子完整復制,形成兩個DNA分子;轉錄是以基因為單位進行的,在DNA分子中,只有處于表達狀態的片段(基因)才會被轉錄,轉錄形成一條單鏈RNA。(5)轉錄完成后,細胞核中的④需通過多少層生物膜才能進入細胞質?提示:真核生物轉錄形成的RNA通過核孔進入細胞質,不需要穿過生物膜。遺傳信息轉錄的6點總結(1)轉錄不是轉錄整個DNA,而是轉錄其中的基因。(2)轉錄時不需要解旋酶。(3)完成正常使命的RNA易被迅速降解,從而保證生命活動的有序進行。(4)線粒體、葉綠體中也可進行轉錄。(5)細胞核中轉錄形成的RNA通過核孔進入細胞質,穿過0層膜,需要消耗能量。(6)轉錄時,邊解旋邊轉錄,單鏈轉錄。1.下列關于真核生物轉錄過程的敘述,正確的是(

)A.轉錄沿整條DNA長鏈進行B.轉錄時,一個或幾個基因的DNA片段的雙螺旋解開C.RNA聚合酶與RNA分子上的某一啟動部位結合后開始轉錄D.mRNA是以DNA上的基因區段為模板轉錄而來,rRNA、tRNA則不是√解析:一個DNA分子有很多個基因,而細胞中基因會發生選擇性表達,因此轉錄時只需要沿著該基因對應的DNA片段進行;轉錄時,有一個或幾個基因的DNA雙螺旋解開;RNA聚合酶與DNA分子上的某一啟動部位結合后開始轉錄,而不是在RNA上;rRNA、tRNA和mRNA都是以DNA上的基因區段為模板轉錄而來。2.如圖為真核生物細胞核內轉錄過程的示意圖,下列說法中正確的是(

)A.①鏈的堿基A與②鏈的堿基T互補配對B.②是以4種核糖核苷酸為原料合成的C.如果③表示酶分子,則它的名稱是DNA聚合酶D.轉錄完成后,②需穿過兩層生物膜才能與核糖體結合√解析:由題圖可知,①鏈為模板鏈,②鏈為RNA,①鏈中的堿基A與②鏈中的堿基U互補配對;③表示RNA聚合酶;轉錄完成后,②通過核孔進入細胞質與核糖體結合,穿過0層生物膜。如圖甲、乙表示真核細胞翻譯過程的示意圖。請回答下列問題。探究二遺傳信息的翻譯(1)該過程發生的堿基互補配對與DNA復制和轉錄相比完全一樣嗎?提示:不完全一樣;DNA復制時堿基互補配對有A—T、T—A、G—C、C—G;轉錄時堿基互補配對有A—U、T—A、C—G、G—C;翻譯時堿基互補配對有A—U、U—A、C—G、G—C。(2)圖甲中核糖體沿著mRNA移動的方向是什么?根據教材中密碼子表,寫出圖甲中翻譯出的氨基酸序列。提示:核糖體沿著mRNA從左向右移動。圖甲中對應的氨基酸序列為甲硫氨酸—丙氨酸—絲氨酸—苯丙氨酸。(3)若給你一條肽鏈的氨基酸順序,如甲硫氨酸—亮氨酸—甘氨酸—丙氨酸,能寫出確定的mRNA的堿基序列嗎?為什么?提示:不能,因為絕大多數氨基酸都有多個密碼子。(4)最終合成的多肽鏈①②③的氨基酸序列相同嗎?為什么?提示:相同;因為它們的模板是同一條mRNA。(5)由圖乙可知,1個mRNA分子上通常可以相繼結合多個核糖體,同時進行多條肽鏈的合成。試分析這有什么意義。提示:少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白質,提高了翻譯的效率。(6)圖丙為原核細胞轉錄、翻譯過程的示意圖,結合甲、乙兩圖,概括真核細胞和原核細胞轉錄翻譯的區別。提示:真核細胞為先轉錄,后翻譯;原核細胞為邊轉錄邊翻譯。1.遺傳信息、密碼子、反密碼子及氨基酸的關系(1)遺傳信息、密碼子與反密碼子之間的聯系。(2)密碼子、tRNA和氨基酸之間的對應關系。①一種密碼子只能決定一種氨基酸,一種tRNA只能轉運一種氨基酸。②每種氨基酸對應一種或幾種密碼子(密碼子的簡并),可由一種或幾種tRNA轉運。2.DNA復制、轉錄和翻譯的比較項目DNA復制轉錄翻譯作用傳遞遺傳信息表達遺傳信息時間細胞分裂前的間期個體生長發育的整個過程場所主要在細胞核主要在細胞核細胞質的核糖體模板DNA的兩條單鏈DNA的一條鏈mRNA原料4種脫氧核苷酸4種核糖核苷酸21種氨基酸能量都需要酶解旋酶、DNA聚合酶RNA聚合酶多種酶產物2個雙鏈DNA分子一個單鏈RNA分子多肽鏈(或蛋白質)產物去向傳遞到子細胞中通過核孔進入細胞質組成細胞結構蛋白或功能蛋白特點邊解旋邊復制,半保留復制邊解旋邊轉錄,轉錄后DNA恢復原狀翻譯結束后,mRNA被降解成單體堿基配對A—T、T—A、C—G、G—CA—U、T—A、C—G、G—CA—U、U—A、C—G、G—C研究方法可用放射性同位素標記“T”可用放射性同位素標記“U”可用放射性同位素標記“氨基酸”DNA復制以整個DNA分子為單位,而基因表達則以基因為單位,即以基因為單位進行轉錄和翻譯。3.圖①～③分別表示人體細胞中發生的3種生物大分子的合成過程。以下說法正確的是(

)A.三種生理過程均需要模板和能量,且堿基配對的方式完全相同B.在線粒體增殖過程中,能發生①過程,但不發生②③過程C.①②③過程均只能發生在細胞核中,產物都是蛋白質D.上皮細胞與神經細胞發生②過程時,其起始點不完全相同√解析:由題圖可知,①為DNA分子復制過程,其堿基配對方式為A—T、T—A、C—G、G—C,②是轉錄過程,其堿基配對方式為A—U、T—A、C—G、G—C,③表示翻譯過程,其堿基配對方式為A—U、U—A、C—G、G—C,可見這三個過程中的堿基配對方式不完全相同;在線粒體增殖過程中,既有DNA的復制,也有基因的表達,故也發生②轉錄和③翻譯過程;①②過程主要發生在細胞核中,③過程發生在細胞質的核糖體上,①②③過程也可發生在線粒體中,①的產物是DNA,②的產物是RNA,③的產物是蛋白質;不同組織細胞由于細胞分化,表達的基因不完全相同,因此上皮細胞與神經細胞發生②過程時,其起始點不完全相同。4.某DNA分子共有1200對堿基,A+T占46%,其中一條鏈中G和T分別占22%和28%,則由該鏈轉錄的mRNA中G所占比例和其翻譯產物中含氨基酸的數目最多分別是(

)A.32%、400個

B.32%、200個C.18%、200個

D.22%、400個√解析:DNA分子中A+T占46%,則每條鏈中A+T占46%,G+C占54%。已知一條鏈中G和T分別為22%和28%,則該鏈中A和C分別為18%和32%,則以此鏈為模板轉錄的mRNA中G占32%。由DNA堿基數目∶RNA堿基數目∶氨基酸數目=6∶3∶1可知,其翻譯產物中含氨基酸的數目最多為1200×2÷6=400(個)。基因表達過程中堿基和氨基酸之間的數量關系下列四支試管中分別模擬的是中心法則中的某個過程。請思考回答下列問題。探究三對比分析中心法則的相關過程(1)四支試管分別模擬中心法則中的哪個過程?提示:a模擬DNA的復制;b模擬轉錄;c模擬RNA的復制;d模擬逆轉錄。(2)四支試管模擬的過程分別需要什么酶?提示:a需要解旋酶和DNA聚合酶;b需要RNA聚合酶;c需要RNA復制酶;d需要逆轉錄酶。1.歸納不同生物的遺傳信息流動途徑(1)能分裂的細胞生物及噬菌體等DNA病毒遺傳信息的傳遞。(2)具有RNA復制功能的RNA病毒(如煙草花葉病毒)遺傳信息的傳遞。(3)具有逆轉錄功能的RNA病毒(如HIV)遺傳信息的傳遞。(4)高度分化的細胞(如神經細胞)遺傳信息的傳遞。2.有關中心法則的四點提示(1)并不是所有的生物均能發生中心法則的所有過程。(2)DNA復制、轉錄、翻譯是所有具有細胞結構的生物所遵循的法則。(3)DNA復制主要發生在細胞分裂過程中,而轉錄和翻譯則可以發生在個體生長發育的整個過程中。(4)在病毒體內不會發生RNA的復制和逆轉錄過程,RNA的復制和逆轉錄過程是在被病毒寄生的宿主細胞內進行的。5.下列關于中心法則的敘述,正確的是(

)A.肽鏈的合成一定以RNA為模板,以氨基酸為原料B.酶的合成一定以RNA為模板,以氨基酸為原料C.RNA的合成一定以DNA為模板,以核糖核苷酸為原料D.DNA的合成一定以DNA為模板,以脫氧核苷酸為原料√解析:肽鏈的合成屬于翻譯過程,翻譯一定以RNA為模板,以氨基酸為原料;酶絕大多數是蛋白質,少數是RNA,其中RNA的合成以DNA為模板,合成RNA的原料是核糖核苷酸;RNA的合成也可能以RNA為模板,如RNA的自我復制;DNA的合成也可能以RNA為模板,如逆轉錄過程。6.下列關于圖示中心法則的敘述,錯誤的是(

)A.①②③過程可在細胞內發生,④⑤過程可在病毒體內發生B.②④過程的堿基互補配對方式不相同C.②過程不需要解旋酶催化DNA解旋D.⑤過程需要逆轉錄酶的催化√解析:由題圖可知,①表示DNA復制,②表示轉錄,③表示翻譯,④表示RNA復制,⑤表示逆轉錄。病毒沒有細胞結構,沒有獨立的新陳代謝能力,故④⑤過程在宿主細胞內發生;②過程中堿基配對方式為T—A、G—C、A—U、C—G,③過程堿基配對方式為A—U、U—A、G—C、C—G;②過程為轉錄,RNA聚合酶具有解旋的功能;⑤過程為RNA合成DNA的逆轉錄過程,需要逆轉錄酶的催化。聯系實際·遷移應用3[情境]細胞中存在一種調控mRNA降解引發基因沉默的機制,通過轉錄形成一類miRNA,它們是核苷酸數較少、不編碼蛋白質的RNA分子。在人體細胞內存在類型較多的miRNA,對不同組織細胞的生長、分化、凋亡、癌變等都有著重要調控作用。研究發現,miRNA可以與相應mRNA形成雜交雙鏈RNA分子,某些雜交分子可進一步與Dicer酶、Ago蛋白等蛋白質結合形成RISC復合物,將mRNA降解成小片段,從而抑制相關基因表達。探究:(1)轉錄形成miRNA時雜交雙鏈核酸片段與mRNA降解時形成的雙鏈核酸分子的堿基組成分別是哪些?提示:C、G、A、T和U;C、G、A和U。(2)miRNA能抑制相關基因表達指的是抑制了哪一個過程?提示:翻譯。(3)與mRNA上密碼子堿基數目相等的一段miRNA,是否與相應的反密碼子堿基數目相等?為什么?提示:不相等;miRNA與mRNA上終止密碼子互補的堿基沒有對應的反密碼子。課堂小結1.下列關于RNA的敘述,錯誤的是(

)A.少數RNA可催化細胞內某些生化反應B.蛋白質合成過程中,涉及mRNA、tRNA、rRNAC.RNA徹底水解可形成6種小分子物質D.只有DNA含有氫鍵,RNA不含氫鍵√隨堂檢測解析:RNA可催化細胞內某些生化反應,如核酶;蛋白質合成過程中,涉及mRNA、tRNA、rRNA;RNA徹底水解可形成6種小分子物質,分別是核糖、磷酸、A、U、C、G四種堿基;tRNA中含有部分雙鏈部分,因此也含有氫鍵。2.某種RNA病毒在增殖過程中,其遺傳物質需要經過某種轉變后整合到真核宿主的基因組中。物質Y與脫氧核苷酸結構相似,可抑制該病毒的增殖,但不抑制宿主細胞的增殖,那么物質Y抑制該病毒增殖的機制是(

)A.抑制該病毒RNA的轉錄過程B.抑制該病毒蛋白質的翻譯過程C.抑制該RNA病毒的逆轉錄過程D.抑制該病毒RNA的自我復制過程√解析:由題意可知,該RNA病毒需要經過某種轉變后整合到真核宿主的基因組中,真核細胞的基因是DNA,因此該RNA病毒的某種轉變過程為逆轉錄,RNA病毒逆轉錄生成DNA,需要的原料是4種脫氧核苷酸,物質Y與脫氧核苷酸結構相似,會混入逆轉錄生成的DNA中,致使逆轉錄生成的DNA不能整合到真核宿主的基因組中,影響病毒RNA及蛋白質的合成,從而抑制該病毒增殖。3.如圖為原核細胞中轉錄、翻譯的示意圖,據圖判斷下列敘述正確的是(

)A.圖中表示4條多肽鏈正在合成B.轉錄尚未結束,翻譯已經開始C.多個核糖體共同完成一條多肽鏈的翻譯D.mRNA在RNA聚合酶的作用下形成多肽鏈√解析:圖示轉錄出4條mRNA,每條mRNA鏈上有多個核糖體結合,表明正在合成多條多肽鏈(不止4條);原核細胞不存在細胞核,沒有核膜的阻斷,可以邊轉錄邊翻譯;在蛋白質合成過程中,一個核糖體可以合成一條多肽鏈,不是多個核糖體共同完成一條多肽鏈的翻譯;在RNA聚合酶作用下DNA雙螺旋解開