資源簡介

第1節 基因指導蛋白質的合成
第2課時　遺傳信息的翻譯、中心法則
【自主預習】
一、遺傳信息的翻譯
1.翻譯
2.tRNA的結構和功能特點
(1)tRNA的結構示意圖
(2)功能特點:每種tRNA只能識別并轉運　一種　氨基酸。
3.密碼子和反密碼子
結合課本密碼子表和右圖填空。
(1)屬于密碼子的是　b　(填字母),其位于[d]　mRNA　(填名稱)上,實質是決定一個氨基酸的　3個相鄰　的堿基。
(2)屬于反密碼子的是　a　(填字母),其位于[c]　tRNA　(填名稱)上,實質是與　密碼子　發生堿基互補配對的3個相鄰的堿基。
(3)密碼子的種類有　64　種,其中AUG既可以編碼　甲硫氨酸　,又是起始密碼子;GUG在　原核生物　中,可以作為　起始　密碼子,此時它編碼　甲硫氨酸　,在其他情況下,它編碼　纈氨酸　。UGA在正常情況下是　終止　密碼子,在特殊情況下可以編碼硒代半胱氨酸。
4.翻譯的過程
5.翻譯能高效進行的原因
通常,一個mRNA分子上可以相繼結合　多　個核糖體,同時進行多條肽鏈的合成。
二、中心法則
1.提出者:　克里克　。
2.完善后的內容
(1)DNA的復制:遺傳信息從　DNA　流向　DNA　。
(2)轉錄:遺傳信息從　DNA　流向　RNA　。
(3)翻譯:遺傳信息從　RNA　流向　蛋白質　。
(4)RNA的復制:遺傳信息從　RNA　流向　RNA　。
(5)逆轉錄:遺傳信息從　RNA　流向　DNA　。
3.實質:描述遺傳信息的流動方向。
【合作探究】
任務1　概述遺傳信息的翻譯過程
活動1　閱讀課本P70以及P66~67內容,分析、歸納密碼子的特點
1.mRNA上的堿基有4種,而氨基酸有21種,它們之間有怎樣的對應關系呢
　　提示　由于mRNA上的堿基有4種,如果1個堿基決定1個氨基酸,那么4種堿基只能決定4種氨基酸,如果2個堿基決定1個氨基酸,4種堿基能決定42=16種氨基酸,如果3個堿基決定1個氨基酸,4種堿基能決定43=64種氨基酸,能夠滿足組成蛋白質的21種氨基酸的需要。
2.分析、歸納密碼子的特點。
　　提示　①相鄰的密碼子之間無間隔,不重疊;②64個密碼子都有作用,其中有3個終止密碼子;③絕大多數氨基酸都有幾個密碼子。
3.地球上幾乎所有的生物體都共用一套密碼子。根據這一事實,你能想到什么
　　提示　地球上的生物有或近或遠的親緣關系(或有共同的起源);體現了生物界的統一性等。
4.一種氨基酸可能有幾個密碼子,這一現象稱作密碼子的簡并。你認為密碼子的簡并對生物體的生存發展有什么意義
　　提示　密碼子的簡并增強了基因表達的容錯性,也可提高翻譯的速率。
5.圖中甲、乙、丙的含義分別是什么
　　提示　甲是結合氨基酸的部位,乙是堿基對,丙是反密碼子。
6.結合tRNA的結構分析氨基酸被運送到合成蛋白質的“生產線”上的過程。
　　提示　每種tRNA可以特異性識別一種氨基酸,攜帶氨基酸的tRNA通過反密碼子與mRNA上的密碼子互補配對。
認知生成
遺傳信息、密碼子、反密碼子的比較
項目 遺傳信息 密碼子 反密碼子
概念 基因中脫氧核苷酸序列 mRNA上決定一個氨基酸的3個相鄰堿基 tRNA中與密碼子互補配對的3個堿基
位置 DNA mRNA tRNA
作用 從根本上決定氨基酸的排列順序,指導蛋白質合成 直接決定蛋白質中氨基酸的序列 識別密碼子
種類 脫氧核苷酸的排列順序(4n種,n等于有遺傳效應的DNA片段上堿基的對數) 64種,其中一般61種(特殊情況下62種)能編碼氨基酸;3種終止密碼子不能編碼氨基酸(特殊情況下2種) —
特點 多樣性、特異性 簡并性、通用性 —
例1　下列敘述正確的是(　　)。
A.密碼子有64種,每個密碼子都與一個反密碼子相對應
B.反密碼子位于mRNA上,密碼子位于tRNA上
C.除原核生物外,一個密碼子最多只能對應一個氨基酸
D.每種氨基酸可以對應多種tRNA,每種tRNA也可以對應多種氨基酸
　　【答案】　C
【解析】　密碼子有64種,有兩種終止密碼子不與反密碼子相對應,A錯誤;反密碼子位于tRNA上,密碼子位于mRNA上,B錯誤;在真核生物中,一個密碼子最多只能對應一個氨基酸,在原核生物中,GUG可對應兩種氨基酸(纈氨酸和甲硫氨酸),C正確;由于密碼子的簡并,絕大多數氨基酸可以對應多種tRNA,但是每種tRNA只可以對應一種氨基酸,D錯誤。
對點練1　根據下表提供的信息,可以確定色氨酸的密碼子是(　　)。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
DNA G
C
信使RNA C
轉運RNA A
氨基酸 色氨酸
A.UCC　　　　 B.TCC　　　　 C.ACC　　　　 D.GCC
　　【答案】　A
【解析】　信使RNA上的密碼子和轉運RNA上的反密碼子互補配對,據表可推知色氨酸的密碼子的第一個堿基為U,該密碼子的第三個堿基為C,模板鏈是DNA上面的一條鏈,可知第二個堿基為C,因此色氨酸的密碼子是UCC,A正確。
活動2　下圖是翻譯過程的示意圖,請據圖分析并回答下列問題
1.圖甲中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ分別是哪種分子或結構 該過程的堿基互補配對方式與DNA復制和轉錄相比完全一樣嗎
　　提示　Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ分別是tRNA、核糖體、多肽鏈。不完全一樣,DNA復制中堿基配對方式為A—T、T—A、G—C、C—G,轉錄中堿基配對方式為A—U、T—A、C—G、G—C,翻譯中堿基配對方式為A—U、U—A、C—G、G—C。
2.根據遺傳密碼的閱讀方式,判斷圖甲中核糖體沿著mRNA移動的方向,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。
3.圖乙中①⑥分別是什么分子或結構 圖乙中翻譯的方向如何判斷
　　提示　①⑥分別是mRNA、核糖體。核糖體移動的方向是由右向左,翻譯的方向與核糖體的移動方向一致。
4.最終合成的多肽鏈②③④⑤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.依據圖乙所示的翻譯特點,分析其意義。
　　提示　一條mRNA上面可以結合多個核糖體,少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白質。
6.翻譯能精確進行的原因有哪些
　　提示　①mRNA為翻譯提供了精確的模板;②mRNA上的密碼子與tRNA上的反密碼子的堿基互補配對,保證了翻譯能夠準確地進行。
7.翻譯合成的肽鏈能直接承擔相應的生物學功能嗎
　　提示　一般不能,翻譯所合成的肽鏈通常經過一系列步驟,盤曲折疊成具有特定空間結構和功能的蛋白質分子后,才能承擔相應的生物學功能。
8.根據轉錄和翻譯的場所推測真核生物與原核生物在基因表達過程中的區別。
　　提示　真核細胞的轉錄主要發生在細胞核中,翻譯發生在細胞質中,在空間和時間上被分隔開,先轉錄后翻譯,而原核細胞的轉錄和翻譯沒有分隔開,可以同時進行,邊轉錄邊翻譯。
認知生成
真核生物中DNA的復制、轉錄和翻譯的比較
過程 DNA的復制 轉錄 翻譯
時間 主要發生在有絲分裂前的間期和減數分裂前的間期 生長發育的整個過程中
信息傳 遞方向 DNA→DNA DNA→RNA RNA→多肽
場所 主要在細胞核,少部分在線粒體和葉綠體中 核糖體
模板 DNA的兩條鏈 DNA的一條鏈 mRNA
原料 含A、T、C、G的四種游離的脫氧核糖核苷酸 含A、U、G、C的四種游離的核糖核苷酸 21種氨基酸
酶 解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶 多種酶
模板 去向 分別進入兩個 子代DNA中 模板鏈與非模板鏈重新組成雙螺旋結構 分解成多個核糖核苷酸
特點 邊解旋邊復制, 半保留復制 邊解旋 邊轉錄 一個mRNA分子可以結合多個核糖體,同時合成多條相同的肽鏈
例2　下圖為基因表達過程的示意圖,下列敘述正確的是(　　)。
A.①是DNA,其一條鏈可進入細胞質作為轉錄的模板
B.該圖可以表示原核生物基因表達的過程
C.③是核糖體,翻譯過程中③將由3'向5'方向移動
D.④是tRNA,能識別mRNA上的密碼子
　　【答案】　D
【解析】　據圖分析,①②③④依次代表DNA、mRNA、核糖體、tRNA,其中②(mRNA)是以①(DNA)的一條鏈為模板合成的,場所是細胞核,A錯誤;原核生物是在擬核區邊轉錄邊翻譯的,B錯誤;③(核糖體)沿著mRNA由5'向3'方向移動,C錯誤;④是tRNA,其上的反密碼子能與mRNA上的密碼子配對,D正確。
對點練2　下圖表示生物細胞中基因的表達過程,下列相關判斷不正確的是(　　)。
A.圖示現象不可能發生在人體細胞的核基因表達過程中
B.一個基因可在較短時間內合成多條肽鏈
C.一條多肽鏈的合成需要多個核糖體的共同參與
D.圖示過程中既有DNA與RNA之間的堿基互補配對,也有RNA與RNA之間的堿基互補配對
　　【答案】　C
【解析】　題圖顯示轉錄和翻譯過程同時發生,可表示原核細胞基因表達的過程,也可表示真核細胞的細胞質基因表達的過程,而人體細胞具有由核膜包被的細胞核,核基因的轉錄發生在細胞核中,翻譯發生在細胞質中的核糖體上,A正確;由題圖可知,一條mRNA可相繼與多個核糖體結合,加快了翻譯的速度,因此一個基因可在較短時間內合成多條肽鏈,B正確;一條多肽鏈的合成只需一個核糖體的參與,C不正確,轉錄過程中有DNA和RNA的堿基互補配對,翻譯過程中有RNA和RNA的堿基互補配對,D正確。
素能提升　了解硒代半胱氨酸(科學探究能力)
　　1986年,英國科學家Chambers等人在研究和鑒定一些動物(貓、牛和鼠等)谷胱甘肽過氧化物酶的作用時發現了第21種氨基酸即硒代半胱氨酸,該發現第一次揭示了硒代半胱氨酸是由密碼子UGA編碼的。
　　UGA這個密碼子原來僅視為多肽合成的終止密碼子,現在發現它也是硒代半胱氨酸的密碼子,故它是一個雙功能的密碼子。這個發現在硒蛋白研究中具有里程碑式的意義,它揭示了硒的分子生物學基礎。迄今為止,硒代半胱氨酸已經被發現是25種硒酶的活性中心,是含硒酶(尤其是抗氧化酶)的核心。如果沒有這第21種氨基酸,含硒酶就無法工作,人就會出各種各樣的病癥。在一條mRNA的序列里,UGA是編碼硒代半胱氨酸還是作為終止密碼子由什么決定呢 科研人員猜測這取決于編碼的蛋白質是否是硒蛋白,并利用以UGA為終止密碼子的含硒蛋白的mRNA和不含硒蛋白的mRNA在體外翻譯體系中進行了如下實驗:
加入的物質組別 mRNA 氨基酸
A 含硒蛋白的mRNA 21種氨基酸(含硒代半胱氨酸)
B 含硒蛋白的mRNA 20種氨基酸(不含硒代半胱氨酸)
C 不含硒蛋白的mRNA 21種氨基酸(含硒代半胱氨酸)
D 不含硒蛋白的mRNA 20種氨基酸(不含硒代半胱氨酸)
1.已知科研人員的猜測是正確的,推測該實驗出現的結果。
　　提示　A組合成的蛋白質含硒,B組合成的不含硒且肽鏈比A組短。C組和D組合成的蛋白質相同且均不含硒。
2.科研人員在研究中還發現游離的硒代半胱氨酸不會直接與tRNA結合,而是在某種氨基酸與特定tRNA結合后加硒修飾而成。仿照上面的實驗,你能否設計實驗證明這一發現 請簡要寫出實驗步驟和預期結果。
　　提示　提取含硒蛋白的mRNA分為A、B兩組,A組加入含21種氨基酸(包括硒代半胱氨酸)的普通培養液,B組加入含20種氨基酸(不含硒代半胱氨酸)的含硒培養液。在體外翻譯體系中反應一段時間后檢測合成的蛋白質是否含硒。預期結果:A組合成的蛋白質不含硒,B組合成的蛋白質含硒,且A組合成的蛋白質比B組短。
3.通過對氨基酸結構的分析,科學家推測修飾為硒代半胱氨酸的氨基酸是絲氨酸或半胱氨酸。你能否用同位素標記法設計實驗證明這一發現 請簡要寫出實驗步驟和結果。
　　提示　提取含硒蛋白的mRNA分為A、B兩組,加入含有20種氨基酸的含硒培養液,A組的絲氨酸用14C標記,B組的半胱氨酸用14C標記。在體外翻譯體系中反應一段時間后檢測合成的蛋白質中是否含有放射性標記。若A、B兩組蛋白質長度相同且A組含有放射性標記則說明修飾為硒代半胱氨酸的氨基酸是絲氨酸,若A、B兩組蛋白質長度相同且B組含有放射性標記則說明修飾為硒代半胱氨酸的氨基酸是半胱氨酸。
任務2　了解中心法則的提出和修正過程
活動3　閱讀課本P69,中心法則揭示了生物遺傳信息傳遞的規律,據圖回答下列問題
1.②表示什么過程 需要何種酶參與 ④表示什么過程 需要何種酶參與
　　提示　②表示轉錄過程,需要RNA聚合酶參與。④表示逆轉錄過程,需要逆轉錄酶參與。
2.圖中遵循堿基互補配對原則的過程有哪些
　　提示　①②③④⑤。
3.任意一個人體細胞均能發生①②③過程嗎
　　提示　高度分化的細胞不再進行細胞分裂,因而不能發生①過程。哺乳動物成熟的紅細胞無細胞核,也無線粒體、核糖體等細胞器,不能發生①②③過程。
4.以DNA作為遺傳物質的生物(包括原核生物、真核生物和DNA病毒)的遺傳信息流動方向是怎樣的 請以圖示表示。
　　提示　
5.據研究,煙草花葉病毒等部分RNA病毒的遺傳信息可以從RNA流向RNA,請你繪出該類生物的中心法則圖解。
　　提示　
6.HIV是一種逆轉錄病毒,其遺傳信息流動方向又是怎樣的 請以圖示表示。
　　提示　
7.從中心法則的內容可以看出遺傳信息的流動過程在生物學中的重要地位,這個法則反映了遺傳物質的哪兩大功能
　　提示　中心法則反映了遺傳物質的信息傳遞、表達這兩大功能。
8.下列4支試管中分別模擬的是中心法則中的哪個過程 分別需要什么酶
　　提示　模擬的過程:a.DNA的復制;b.轉錄;c.RNA的復制;d.逆轉錄。需要的酶:a.解旋酶和DNA聚合酶;b.RNA聚合酶;c.RNA復制酶;d.逆轉錄酶。
例3　下圖表示某種生理過程,下列與此圖相關的敘述,不正確的是(　　)。
　XY　
A.圖中的“能量”直接來源于ATP水解
B.若X、Y均表示DNA,則圖中的酶為DNA聚合酶和解旋酶
C.若X是RNA,則Y只能是蛋白質,圖中“原料”為氨基酸
D.若X是DNA,Y是RNA,則此過程要以X為模板,酶是RNA聚合酶
　　【答案】　C
【解析】　ATP是生命活動的直接能源物質,圖中的“能量”直接來源于ATP水解,A正確;若X、Y均表示DNA,該過程為DNA的復制過程,則圖中的酶為DNA聚合酶和解旋酶,B正確;若X是RNA,則Y可能是蛋白質、RNA或DNA,該過程分別為翻譯、RNA的復制或逆轉錄過程,C不正確;若X是DNA,Y是RNA,則此過程是轉錄過程,要以DNA為模板,酶是RNA聚合酶,D正確。
【方法技巧】　　中心法則問題的解題技巧
1.從模板分析
(1)如果模板是DNA,生理過程可能是DNA復制或轉錄。
(2)如果模板是RNA,生理過程可能是翻譯、RNA復制或逆轉錄。
2.從原料分析
(1)如果原料為脫氧核苷酸,產物一定是DNA。
(2)如果原料為核糖核苷酸,產物一定是RNA。
(3)如果原料為氨基酸,產物一定是多肽鏈。
3.從生物種類分析
(1)如果是細胞生物,能進行DNA復制、轉錄和翻譯過程。
(2)如果是RNA病毒,分兩種情況:
①RNA自我復制和翻譯。如煙草花葉病毒。
②逆轉錄、DNA復制、轉錄和翻譯。如人類免疫缺陷病毒(HIV)。
對點練3　(2023·張掖校考)下圖為中心法則示意圖。下列相關敘述正確的是(　　)。
A.①②③分別表示轉錄、復制、翻譯
B.正常人體細胞能完成的過程是①②⑤
C.④過程為逆轉錄過程,存在A—U、C—G、T—A、G—C堿基配對方式
D.某些病毒可進行④⑤過程
　　【答案】　D
【解析】　①②③分別表示復制、轉錄、翻譯,A錯誤;正常人體細胞不能完成⑤(RNA分子的復制),B錯誤;④過程為逆轉錄過程,遵循堿基互補配對原則,該過程以RNA為模板合成DNA,因此存在A—T、C—G、U—A、G—C的堿基配對方式,C錯誤;有些病毒可進行⑤過程(RNA的復制),例如煙草花葉病毒,有些病毒可以進行④過程(逆轉錄),例如HIV,D正確。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
判斷正誤。 (1)密碼子位于mRNA上,ATC一定不是密碼子。 (√) (2)mRNA在核糖體上移動翻譯出蛋白質。 (×) (3)每種轉運RNA能識別并轉運一種或多種氨基酸。 (×) (4)遺傳信息只能從DNA流向RNA,進而流向蛋白質。 (×) (5)每種氨基酸都具有兩種或兩種以上的密碼子。 (×) (6)tRNA一經發揮作用便迅速被酶分解而無法重復使用。 (×) (7)中心法則表示的是遺傳信息的流動過程。 (√) (8)葉綠體和線粒體中遺傳信息的傳遞也遵循中心法則。 (√)
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