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第1節 基因指導蛋白質的合成
第四章 基因的表達
電影《侏羅紀公園》
億萬富豪韓文根據遺傳工程學理論，透過史前蚊子所遺留血液中的恐龍的DNA，悉心以胚胎繁殖，竟令在地球上絕跡了六千五百萬年的史前動物得以再生 。
問題探討
從化石中提取出恐龍的DNA,真的可以使恐龍復活嗎？
一種生物的整套DNA中儲存著該種生物生長、發育等生命活動所需的全部遺傳信息，也可以說是構建生物體的藍圖。但是，從DNA到具有各種性狀的生物體，需要通過極其復雜的基因表達及調控過程才能實現。因此，在可預見的將來，利用DNA來使滅絕的生物復活仍是難以做到的。
問題探討
細胞核
核糖體
細胞質
DNA
(2nm)
主要存在于細胞核中
蛋白質
在細胞質中的核糖體上合成
信使
細胞核中的基因如何指導細胞質中的蛋白質合成？
基因通過一種中間物質——信使，到細胞質中指導蛋白質合成
DNA(基因）
核孔：0.9nm、實現核質之間頻繁的物質交換和信息交流
信使
基因能指導蛋白質的合成，控制生物的性狀這個過程就是基因的表達。
1.RNA的結構
基本單位：
核糖核苷酸
堿基
磷酸
核糖
A
腺嘌呤
G
鳥嘌呤
C
胞嘧啶
U
尿嘧啶
空間結構：
一般是單鏈，而且比DNA短
元素組成：
C、H、O、N、P
一、RNA的結構和功能
比較項目 DNA RNA
中文名稱
基本單位
五碳糖
堿基
空間結構 一般為 ， 一般為_____
分布 主要在 、 ， 主要在 ，
核糖核苷酸
脫氧核糖
核糖
雙螺旋結構
單鏈
脫氧核糖核酸
核糖核酸
脫氧(核糖)核苷酸
A、G、C、T
A、G、C、U
細胞核
細胞質
擬核
一、RNA的結構和功能
2.DNA與RNA的比較
信使 RNA
(mRNA)
轉運 RNA
(tRNA)
作為DNA的信使，翻譯的模板
核糖體 RNA
(rRNA)
識別并轉運氨基酸
與蛋白質組成核糖體
tRNA
“三葉草型”
作為某些病毒的遺傳物質
某些RNA具有催化作用（酶）
一、RNA的結構和功能
3.RNA的種類及其作用
它的基本結構與DNA很相似，具備準確傳遞遺傳信息的可能。
RNA一般單鏈，且比DNA短，因此能夠通過核孔，從細胞核進入細胞質。
思考：DNA的遺傳信息是怎樣傳給信使RNA的？
在RNA與DNA的關系中，也遵循“堿基互補配對原則”。
DNA：A T G C
RNA：
U
A
C
G
一、RNA的結構和功能
4.RNA適于作DNA信使的原因
在細胞核中，通過RNA聚合酶以DNA的一條鏈為模板合成RNA過程。
真核生物：
原核生物：
細胞核（主要）、葉綠體、線粒體
擬核（主要）
二、遺傳信息的轉錄
1.定義
2.場所
遺傳信息的轉錄過程（視頻）
二、遺傳信息的轉錄
3.過程
DNA
3'
3'
5'
5'
5'
①解旋：RNA聚合酶與編碼蛋白質的一段DNA結合，使DNA雙鏈解開，堿基暴露出來。
不需要解旋酶
②配對：游離的核糖核苷酸與DNA模板鏈上的堿基互補配對，在RNA聚合酶的作用下開始mRNA的合成。
游離的4種核糖核苷酸
RNA聚合酶
mRNA
DNA模板鏈
③連接：新結合的核糖核苷酸連接到正在合成的mRNA分子上。
④釋放：合成的mRNA從DNA鏈上釋放。而后，DNA雙螺旋恢復。
3'
DNA的一條鏈
RNA聚合酶
能量：
模板：
酶：
原料：
4種游離的核糖核苷酸
由ATP提供
打開氫鍵
催化RNA的合成，催化形成磷酸二酯鍵
二、遺傳信息的轉錄
4.條件
5.時間：
個體生長發育的整個過程
6.原則:
堿基互補配對
A－U、T－A、G－C、C－G
7.產物:
RNA（mRNA、tRNA、rRNA）
8.特點:
邊解旋邊轉錄
二、遺傳信息的轉錄
9.遺傳信息流動的方向：
10.轉錄的意義：
11.轉錄方向：
DNA→RNA
遺傳信息從DNA傳遞到RNA（mRNA）上，為翻譯做準備
子鏈的5’端→ 3’端
與RNA聚合酶的運動方向相同
RNA與模板鏈是反向連接的
先合成先釋放
已合成的mRNA釋放的一端(5′－端)為轉錄的起始方向。
轉錄方向
注意：每次轉錄的只是DNA分子特定的基因片段（并非整個DNA）
2.與DNA復制相比，轉錄所需要的原料和酶各有什么不同？
DNA復制過程需要解旋酶和DNA聚合酶，以4種游離的脫氧核苷酸為原料；轉錄則需要RNA聚合酶，以4種游離的核糖核苷酸為原料。
1.轉錄與DNA復制有那么共同之處？這對保證遺傳信息的準確轉錄有什么意義？
轉錄與復制都需要模板、都遵循堿基互補配對原則。堿基互補配對原則能夠保證遺傳信息傳遞的準確性。
思考 討論P66
二、遺傳信息的轉錄
3.轉錄成的RNA的堿基序列，與DNA兩條單鏈的堿基序列各有哪些異同。
DNA雙鏈片段 a鏈
b鏈 C G A A C C T C A C G C
信使RNA
G C T T G G A G T G C G
G C U U G G A G U G C G
比較mRNA和b鏈，以及mRNA和a鏈的堿基序列的差異。
二、遺傳信息的轉錄
思考 討論P66
DNA復制 轉錄
時間
場所
解旋
模板
原料
酶
配對方式
特點
方向
產物
意義
細胞分裂間期
生長發育過程
完全解旋
只解有遺傳效應片段（基因）
DNA的兩條鏈均為模板
DNA的一條鏈為模板
四種脫氧核苷酸
四種核糖核苷酸
解旋酶、 DNA聚合酶等
RNA聚合酶等
A-T、 T—A、C—G 、 G—C
A-U、 C—G 、T—A、 G—C
半保留復制，邊解旋邊復制
邊解旋邊轉錄
2個子代DNA分子
mRNA、tRNA、rRNA
使遺傳信息從親代傳遞給子代，從而保持了遺傳信息的連續性
遺傳信息從DNA傳遞到RNA（mRNA）上，為翻譯做準備
主要在細胞核或擬核，少部分在線粒體、葉綠體、質粒
新鏈從5’端-3’端延伸
新鏈從5’端-3’端延伸
DNA復制和轉錄的比較
小結
轉錄得到的是RNA，而不是蛋白質。那么，RNA上的堿基序列如何能變成蛋白質中氨基酸排列順序呢？
mRNA通過核孔進入細胞質中，與核糖體結合，開始它新的歷程--翻譯。
三、遺傳信息的翻譯
1.定義：
游離在細胞質中的各種氨基酸，以mRNA為模板合成具有一定氨基酸順序的蛋白質的過程。
DNA攜帶的遺傳信息
mRNA攜帶的遺傳信息
蛋白質
轉錄
翻譯
堿基序列
堿基序列
氨基酸序列
三、遺傳信息的翻譯
4種
21種
4種堿基如何決定21種氨基酸
2.堿基與氨基酸之間的對應關系
決定
？
mRNA4種堿基
蛋白質21種氨基酸
1個堿基決定1個氨基酸，則4種堿基只能決定 種氨基酸；
2個堿基決定1個氨基酸，則4種堿基只能決定 種氨基酸；
3個堿基決定1個氨基酸，則4種堿基只能決定 種氨基酸。
4 (41)
64 (43)
16 (42)
三、遺傳信息的翻譯
＜21種氨基酸
＜21種氨基酸
＞21種氨基酸
至少3個堿基決定1個氨基酸才能滿足需要。
定義：
mRNA上決定一個氨基酸的三個相鄰的堿基
識別：
密碼子認讀是從mRNA的5'→3',相鄰的密碼子無間隔、不重疊
mRNA
5'
3'
G
U
G
G
A
A
C
C
U
密碼子
密碼子
密碼子
決定
纈氨酸
決定
組氨酸
決定
精氨酸
后來科學家又通過一步步的推測和實驗，證明了確實是mRNA上三個相鄰的堿基決定一個氨基酸，最終破解了64個遺傳密碼子。
位置：
mRNA上
三、遺傳信息的翻譯
3.密碼子
三、遺傳信息的翻譯
種類：
( 64 )種
起始密碼子:
AUG（甲硫氨酸）
GUG（甲硫氨酸）
在原核生物中，GUG也可以作起始密碼子，此時它編碼甲硫氨酸。
終止密碼子:
UAA、UAG、UGA（前兩種不編碼任何氨基酸）
在正常情況下，UGA是終止密碼子，但在特殊情況下可編碼硒代半胱氨酸。
三、遺傳信息的翻譯
密碼子的特點：
1種密碼子決定1種氨基酸
專一性：
1種氨基酸可由1種或多種密碼子決定。
簡并性：
幾乎所有生物共用一套遺傳密碼子
通用性：
生物可能有著共同的起源。
3'
5'
結合氨基酸的部位
堿基配對
（形成氫鍵）
mRNA
5'
3'
A
C
U
密碼子
U
G
A
反密碼子
形態：
RNA鏈經過折疊，形成三葉草形
功能：
識別氨基酸、轉運氨基酸
一種tRNA只能識別并轉運一種氨基酸（一對一）
一種氨基酸可以由多種tRNA轉運（一對多）
功能特點：
反密碼子:
位于tRNA上，其實質是與密碼子發生堿基互補配對的3個相鄰的堿基，有61或62種。
三、遺傳信息的翻譯
4.運輸氨基酸的工具 ——tRNA：
三、遺傳信息的翻譯
5.翻譯的過程：
起始密碼子
01起始：mRNA進入細胞質，與核糖體結合；攜帶甲硫氨酸的tRNA通過與mRNA上的堿基AUG互補配對進入位點1。
核糖體移動方向
E
1
2
5’
3’
A
U
G
C
A
C
U
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
U
A
A
M
核糖體
三、遺傳信息的翻譯
5.翻譯的過程：
E
1
2
甲
02進位：攜帶某個氨基酸的tRNA以同樣的方法進入位點2。
03縮合：通過脫水縮合形成肽鍵，甲硫氨酸被轉移到位點2的tRNA上。
H
5’
3’
A
U
G
C
A
C
U
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
U
A
A
三、遺傳信息的翻譯
5.翻譯的過程：
E
1
2
04移位：核糖體沿mRNA移動，讀取下一個密碼子，原占位點1的tRNA離開核糖體，原位點2的tRNA進入位點1，一個新的攜帶氨基酸的tRNA進入位點2，繼續肽鏈的合成。
精
色
半
半
甲
組
5’
3’
5’
3’
5’
3’
脯
5’
3’
5’
3’
5’
3’
核糖體移動方向
A
U
G
C
A
C
U
G
G
C
G
U
U
G
C
U
G
U
C
C
U
U
A
A
三、遺傳信息的翻譯
5.翻譯的過程：
直至核糖體讀取到mRNA上的終止密碼子，合成才告終止。
05終止：肽鏈合成后，從核糖體上脫離，盤曲折疊成具有特定空間結構和功能的蛋白質分子。
三、遺傳信息的翻譯
5.翻譯的過程：
位點1
位點2
5.翻譯的過程：
在細胞質中翻譯是一個快速高效的過程。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。因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白質。
多聚核糖體——高效翻譯的機制
三、遺傳信息的翻譯
6.翻譯的特點：
比較DNA復制、轉錄和翻譯
項目 復制 轉錄 翻譯
場所
條件 模板
原料
能量
酶
產物
原則
細胞核（主要場所）
細胞核（主要場所）
核糖體
DNA的兩條鏈
DNA的一條鏈
mRNA
4種游離的脫氧核苷酸
4種游離的核糖核苷酸
21種游離的氨基酸
ATP
ATP
ATP
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
DNA
RNA
多肽
堿基互補配對
A-T T-A G-C C-G
堿基互補配對
A-U T-A G-C C-G
堿基互補配對
A-U U-A G-C C-G
特定的酶
小結：
1957年，克里克提出中心法則：
遺傳信息可以從DNA流向DNA，即DNA 的復制；也可以從DNA流向RNA，進而流向蛋白質， 即遺傳信息的轉錄和翻譯。
弗朗西斯·克里克
克里克提出的中心法則所有生物均能適用嗎？
RNA病毒
四、中心法則
資料1：1965年，科學家在RNA病毒里發現了一種RNA復制酶，像DNA復制酶能對DNA進行復制一樣，RNA復制酶能對RNA進行復制。
RNA復制酶
RNA
RNA
煙草花葉病毒模式圖
資料2：1970年，科學家在致癌的RNA病毒中發現逆轉錄酶，它能以RNA為模板合成DNA。
RNA
逆轉錄酶
DNA
四、中心法則
復制
DNA
逆轉錄
轉錄
復制
RNA
翻譯
蛋白質
圖 解
總 結
DNA、RNA是信息的載體
蛋白質是信息的表達產物
ATP為信息的流動提供能量
生命是物質、能量和信息的統一體
在遺傳信息的流動過程中
四、中心法則
生物種類 遺傳信息的傳遞過程
以DNA作為遺傳物質的生物 原核生物
真核生物
DNA病毒
以RNA作為遺傳物質的生物 一般RNA病毒
逆轉錄病毒 (HIV)
DNA
RNA
蛋白質
轉錄
翻譯
復制
復制
RNA
蛋白質
翻譯
逆轉錄
DNA
RNA
蛋白質
轉錄
翻譯
復制
RNA
逆轉錄酶
各種生物的遺傳信息傳遞過程
四、中心法則
DNA
RNA
蛋白質
1
2
3
4
5
1
DNA復制
2
DNA轉錄
4
RNA復制
3
翻譯
5
逆轉錄
a.細胞生物和DNA病毒：
b.RNA復制類病毒（煙草花葉病毒）：
c.逆轉錄病毒（HIV）：
d.根尖分生區細胞：
e.葉肉細胞：
①②③
③④
⑤①②③
①②③
②③
寫出下列生物體內能夠進行的過程:
高度分化細胞不分裂，細胞核中無DNA復制
鞏固提升
1.tRNA具有轉運氨基酸的功能。圖中 tRNA攜帶的氨基酸(選項括號中的內容為相應氨基酸的密碼子)是（ ）
A．丙氨酸（5′ -GCG-3′）
B．精氨酸（5′ -CGC-3′）
C．甘氨酸（5′ -GGC-3′）
D．脯氨酸（5′ -CCG-3′）
A
隨堂練習
2．DNA分子復制、轉錄、翻譯所需的原料依次是(　　)
A．脫氧核苷酸、脫氧核苷酸、氨基酸
B．脫氧核苷酸、核糖核苷酸、蛋白質
C．核糖核苷酸、脫氧核苷酸、氨基酸
D．脫氧核苷酸、核糖核苷酸、氨基酸
D
隨堂練習
3．結合下圖分析，下列敘述不正確的是(　 )
A.生物的遺傳信息儲存在DNA或RNA的核苷酸序列中
B.核苷酸序列不同的基因可表達出相同的蛋白質
C.遺傳信息傳遞到蛋白質是表型實現的基礎
D.編碼蛋白質的基因含遺傳信息相同的兩條單鏈
D
隨堂練習
D
×
×
三種抗生素都是通過阻止遺傳信息的傳遞和表達，來干擾細菌蛋白質的合成，進而抑制細菌生長的。
紅霉素影響翻譯過程
環丙沙星影響復制過程
利福平影響轉錄過程
課后練習P69

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