资料简介
第4章 基因的表达
第1节 基因指导蛋白质的合成
一、遗传信息的转录
1.转录的含义:
结合遗传信息转录的概念,判断下列说法的正误。
(1)转录主要发生在细胞核中。 ( )
(2)转录的模板是DNA的一条链。 ( )
(3)转录的原料是4种核苷酸。 ( )
√
√
×
(4)转录遵循碱基互补配对原则A-U、G-C、C-G、T-A。
( )√
2.过程:
3.遗传信息的传递方向:DNA→____。RNA
【激疑】
储存在DNA中的遗传信息为什么不能直接指挥细胞质中
蛋白质的合成?
提示:DNA被核膜限制在细胞核内,使转录和翻译过程分
别在细胞的不同区域进行,有利于这两项重要生命活动
高效、准确地进行。
二、遗传信息的翻译
1.密码子与反密码子的比较:
密码子 反密码子
种类 ___种 ___种
位置 _____ _____
实质
决定一个氨基酸的____
___________(终止密码
除外)
与_______发生碱基互
补配对的3个相邻的碱
基
64 61
mRNA tRNA
3个
相邻的碱基
密码子
2.概念:
3.过程:
(1)起始:_____与_______结合。
(2)运输:_____携带氨基酸置于特定位置。
(3)延伸:核糖体沿_____移动,读取下一个密码子,由对
应的_____运输相应的氨基酸加到延伸中的肽链上。
(4)终止:当核糖体读取到_____上的_________时,合成终
止。
mRNA 核糖体
tRNA
mRNA
tRNA
mRNA 终止密码
【激疑】
已知一段氨基酸序列为甲硫氨酸—谷氨酸—丙氨酸—
半胱氨酸,控制该段氨基酸序列的mRNA的碱基序列是否
唯一?
提示:不唯一。因为一种氨基酸可由多个密码子决定。
知识点一 RNA的结构和种类
1.RNA的结构和种类:
2.DNA和RNA的比较:
比较项目 DNA RNA
组成
单位
基本组成
单位不同 脱氧核苷酸 核糖核苷酸
五碳糖
不同 脱氧核糖 核糖
碱基不同 A、G、C、T A、G、C、U
结构不同 规则的双螺
旋结构 一般为单链
【思考·讨论】
1.结合学过的内容,归纳RNA的作用有哪些?(科学思维)
提示:①某些RNA具有催化作用。
②作为某些病毒的遗传物质。
③作为合成蛋白质的模板。
④组成核糖体的成分。
⑤识别并转运氨基酸。
2.DNA是双链结构,两条单链之间通过氢键相连,那么单
链的RNA分子中,是否存在氢键?(科学思维)
提示:可能存在。tRNA上不同部位的碱基通过氢键配对,
使tRNA形成三叶草结构。
【素养案例】
下列关于DNA和RNA的结构与功能的说法,错误的是
( )
A.区分单双链DNA、单双链RNA四种核酸可以依据碱基
比率和种类判定
B.双链DNA分子中碱基G、C含量越高,其结构稳定性相
对越大
C.含有DNA的生物,其遗传物质是DNA不是RNA
D.含有RNA的生物,其遗传物质是RNA不是DNA
【解题导引】抓住两个关键:
(1)根据碱基互补配对原则判断单双链DNA和RNA。
(2)细胞生物的遗传物质是DNA,病毒的遗传物质是DNA
或RNA。
【解析】选D。组成DNA和RNA的碱基种类不完全相同,
且双链DNA和RNA分子中碱基之间的配对遵循碱基互补
配对原则,因此区分单双链DNA、单双链RNA四种核酸可
以根据碱基比率和种类判定,A正确;双链DNA分子中,C
和G之间有3个氢键,A和T之间有2个氢键,因此碱基G、C
含量越高,其结构稳定性相对越大,B正确;含有DNA的生
物,其遗传物质是DNA不是RNA,C正确;含有RNA的生物,
其遗传物质是RNA或DNA,D错误。
【素养·探究】——情境迁移
非洲猪瘟是一种急性、发热传染性很高的滤过性病毒
所引起的疾病,其特征是发病过程短,但死亡率高达
100%,临床表现为发热,皮肤发绀,淋巴结、肾、胃肠黏
膜明显出血。
(1)如何用同位素标记法探究其遗传物质是DNA还是
RNA?(科学探究)
提示:分别用标记的胸腺嘧啶和尿嘧啶培养该病毒的宿
主细胞,然后让该病毒侵染宿主细胞,检测得到病毒的
放射性。若标记胸腺嘧啶组得到的病毒有放射性,则遗
传物质为DNA;若标记尿嘧啶组得到的病毒有放射性,则
遗传物质为RNA。
(2)除了用同位素标记法外,还可以用什么方法确定其
遗传物质的种类?(科学探究)
提示:提取该种病毒的核酸,分析其碱基种类,若含有碱
基T,则遗传物质为DNA;若含有碱基U,则遗传物质为RNA。
【素养·迁移】
1.如图为核苷酸的模式图,下列相关说法不正确的是
( )
A.DNA与RNA在核苷酸上的不同点只有②方面
B.如果②为核糖,则③有4种
C.③在生物体中共有5种
D.人体内的③有5种,②有2种
【解析】选A。DNA与RNA在核苷酸上的不同点:五碳糖
不同,含氮碱基不完全相同;如果②为核糖,则③有4种,
可构成4种核糖核苷酸;③在生物体中共有5种,即A、G、
C、T、U;人体内既有DNA又有RNA,所以人体内的③有5
种,②有2种。
2.在信使RNA分子结构中,相邻的碱基G与C之间是通过
什么结构连接而成的 ( )
A.3个氢键
B.—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—
C.—核糖—磷酸—核糖—
D.—磷酸—核糖—磷酸—
【解析】选C。相邻碱基G与C之间不按照碱基互补配对
原则配对形成氢键,A项错误;信使RNA分子结构中不含
脱氧核糖,B项错误;信使RNA是单链结构,相邻核糖核苷
酸之间的核糖和磷酸之间以磷酸二酯键相连,则相邻的
碱基G与C之间是通过“—核糖—磷酸—核糖—”连在
一起的,C项正确,D项错误。
知识点二 遗传信息的转录和翻译
1.相关图解及分析:
(1)图解:
(2)分析:
2.DNA复制、转录和翻译的比较:
DNA复制 转录 翻译
场所 主要在细胞核 主要在细胞核 核糖体
模板 DNA的两条链 DNA的一条链 mRNA
原料 四种脱氧核苷
酸
四种核糖核苷
酸 20种氨基酸
条件
酶(解旋酶、
DNA聚合酶)、
ATP
酶(RNA聚合酶
)、ATP 酶、ATP
DNA复制 转录 翻译
产物 DNA RNA 多肽链
特点 边解旋边复制、
半保留复制 边解旋边转录
一个mRNA上
可结合多个
核糖体,同时
合成多条相
同肽链
碱基
配对
A-T,T-A,G-C,C
-G
A-U,T-A,
G-C,C-G
A-U,U-A,G-
C,
C-G
DNA复制 转录 翻译
遗传
信息
传递
DNA→DNA DNA→RNA RNA→蛋白质
意义
将遗传信息从
亲代传给子代,
从而保持遗传
信息的连续性
表达遗传信息,使生物表现出
各种性状
【思考·讨论】
1.某同学认为“转录和翻译是两个独立的过程,因此这
两个过程是不能同时进行的”,说出你对这句话的评价,
并分析。(科学思维)
提示:这句话是错误的。真核细胞中,转录的主要场所
是细胞核,而翻译的场所是核糖体,所以转录和翻译不
能同时进行;而原核细胞没有细胞核,DNA在转录的同时,
合成的RNA同时结合核糖体进行翻译。
2.翻译的产物是多肽链,如果要成为有活性的胰岛素,
需在什么场所进行加工修饰?(科学思维)
提示:胰岛素是分泌蛋白,需在内质网和高尔基体加工
修饰。
【素养案例】
在大肠杆菌的遗传信息的传递过程中,不会发生的是
( )
A.DNA分子在RNA聚合酶的作用下转录出mRNA
B.mRNA可以结合多个核糖体同时进行多条肽链的合成
C.DNA复制、转录都是以DNA两条链为模板,翻译则是以
核糖体RNA为模板
D.转录和翻译可以在细胞质中同时进行
【解题导引】
(1)关键信息:题干中生物为大肠杆菌,为原核生物;遗
传信息的传递途径。
(2)重要知识:真核细胞和原核细胞遗传信息传递的异
同。
【解析】选C。DNA复制以DNA的两条链为模板,转录只
以DNA的一条链为模板;大肠杆菌是原核生物,在细胞质
中同时进行转录和翻译。
【素养·探究】——母题追问
(1)科学思维——归纳总结
mRNA可以结合多个核糖体同时进行多条肽链的合成,合
成的这些肽链是否相同?其意义是什么?
提示:由于是对同一条mRNA进行的翻译过程,所以得到
的多肽链是相同的,这样可以提高翻译的效率,在短时
间内合成大量相同的肽链。
(2)科学探究——设计实验
现提供数量足够的胰岛素基因、RNA聚合酶、ATP、4种
游离的核糖核苷酸,其他条件均满足,设计实验证明转
录只以基因的一条链还是两条链为模板进行。
提示:在两支试管中加入适量且等量的胰岛素基因、
RNA聚合酶、ATP、4种游离的核糖核苷酸,反应一段时
间后检测试管中RNA的种类。若只有一种RNA,则证明只
以胰岛素基因特定的一条链为模板进行转录;若有两种
RNA,则证明是以胰岛素基因的两条链为模板进行转录。
【素养·迁移】
1.关于基因控制蛋白质合成的过程,下列叙述正确的是
( )
A.一个含n个碱基的DNA分子,转录的mRNA分子的碱基数
是n/2个
B.细菌的一个基因转录时两条DNA链可同时作为模板,
提高转录效率
C.DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点分别在DNA和RNA
上
D.在细胞周期中,mRNA的种类和含量均不断发生变化
【解析】选D。DNA上可能有不具有遗传效应的片段,且
基因会选择性表达,所以mRNA分子的碱基数小于n/2个;
转录是以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则
合成RNA的过程;DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点都
在DNA上;在细胞周期中,如分裂间期的G1期和G2期中,
mRNA的种类和含量有所不同。
2.（2019·全国卷Ⅰ)用体外实验的方法可合成多肽链。
已知苯丙氨酸的密码子是UUU，若要在体外合成同位素
标记的多肽链，所需的材料组合是( )
①同位素标记的tRNA
②蛋白质合成所需的酶
③同位素标记的苯丙氨酸
④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸
⑤除去了DNA和mRNA的细胞裂解液
A．①②④ B．②③④
C．③④⑤ D．①③⑤
【解析】选C。本题考查基因表达的条件。用体外实验
的方法合成多肽链，应该提供蛋白质合成的各种条件，
如果在体外合成同位素标记的多肽链，就应该以同位
素标记的苯丙氨酸为原料，以人工合成的多聚尿嘧啶
核苷酸为模板，还需要tRNA、酶等条件，这些可以由
除去了DNA和mRNA的细胞裂解液提供，所以所需的材料
组合是③④⑤。
知识点三 转录和翻译过程中的数量关系
1.遗传信息、密码子、反密码子的比较:
项目 遗传信息 密码子 反密码子
作用 控制生物
的性状
直接决定蛋白质
中的氨基酸序列
识别密码子,转
运氨基酸
图解
2.密码子、反密码子、氨基酸的对应关系:
由上图得出如下结论:
(1)由①⑥知:除终止密码外,一种密码子对应一种反密
码子。
(2)由④⑤知:一种氨基酸对应一种或多种密码子(或反
密码子)。
(3)由②③知:一种密码子(除终止密码)或一种反密码
子只对应一种氨基酸。
3.基因表达过程中相关数量计算:
(1)DNA(基因)、mRNA上碱基数目与氨基酸数目之间的
关系。
①图示:
②规律:蛋白质中氨基酸数目=1/3 mRNA中碱基数目
=1/6 DNA(或基因)中碱基数目。
③计算公式:蛋白质中肽链数+肽键数=氨基酸数=
1/3 mRNA中碱基数=1/6基因中碱基数。
(2)计算中“最多”和“最少”的分析。
①翻译时,mRNA上的终止密码子不决定氨基酸,则mRNA
上的碱基数目是蛋白质中氨基酸数目的3倍还要多一些。
②基因或DNA上的碱基数目比对应的蛋白质中氨基酸数
目的6倍还要多一些。
③在回答问题时应加上“最多”或“最少”等字,如
mRNA上有n个碱基,转录产生它的基因中最少有2n个碱
基,该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。
【思考·讨论】
1.“不同的基因表达出的蛋白质一定不同”,这句话描
述是否准确,说出你的理由。(科学思维)
提示:这句话是错误的。基因是有遗传效应的DNA片段,
不同基因的碱基种类和排列顺序不同,但由于一种氨基
酸可以对应多种密码子,所以即使两个基因的碱基种类
和排列顺序不同,也可能表达出相同的蛋白质。
2.在不同个体的细胞中,DNA、mRNA和tRNA三种物质中
具有特异性的有哪些?在同一个体的不同细胞中,DNA、
mRNA和tRNA三种物质中具有特异性的有哪些?(科学思
维)
提示:不同个体的细胞中DNA是不同的,转录出的mRNA不
同,但tRNA都有61种,所以不同个体的细胞中DNA和mRNA
具有特异性,tRNA没有特异性;同一个体的不同细胞中
DNA是相同的,由于基因的选择性表达,不同细胞中mRNA
不同,tRNA没有特异性,所以同一个体的不同细胞中
mRNA有特异性,DNA和tRNA没有特异性。
【素养案例】
某条多肽的相对分子质量为2 778,若氨基酸的平均相
对分子质量为110,如不考虑终止密码子,则编码该多肽
的基因长度至少是 ( )
A.75对碱基 B.78对碱基
C.90对碱基 D.93对碱基
【解题导引】
(1)抓题眼:“不考虑终止密码子”“基因长度至少”。
(2)巧关联:由多肽链相对分子质量推导出氨基酸数量,
根据氨基酸数量、mRNA上碱基数和DNA上碱基数的数量
关系推导。
【解析】选C。蛋白质中的肽键数=脱去的水分子数=水
解消耗水分子数=氨基酸分子个数-肽链数;蛋白质的相
对分子质量=氨基酸总质量(氨基酸分子个数×氨基酸
平均相对分子质量)-失水量(18×脱去的水分子数)。
根据题意,若求基因的长度首先应计算出氨基酸的个数
(设为n),则有n×110-(n-1)×18=2 778,推出n=30,又
因为题干中给出“不考虑终止密码子”,所以密码子数
为30个,而DNA分子中三个连续的碱基对决定一个密码
子,所以需要30×3=90个碱基对。
【素养·探究】——母题追问
(1)科学思维——数据模型
若考虑终止密码子,上题中的基因长度至少是多少?
提示:终止密码子对应mRNA中3个碱基,对应DNA中的6个
碱基(3对碱基),所以此时基因长度至少为90+3=93个碱
基对。
(2)科学思维——归纳与概括
如果该基因片段中含有碱基A 40个,则该基因片段复制
3次时至少需要游离的G多少个(不考虑终止密码子)?
提示:该基因片段中A=T=40,所以G=C=50,复制3次需游
离的G=(23-1)×50=350个。
【素养·迁移】
1.如图表示蓝藻DNA上遗传信息、密码子、反密码子间
的对应关系。请判断下列说法正确的是 ( )
A.分析题图可知①链是β链,完成此过程的场所是细胞
核内
B.除图中所示的两种RNA之外,RNA还包括tRNA
C.图中翻译过程需要在核糖体上进行
D.能够决定氨基酸的③的种类有61种
【解析】选C。选项A,根据碱基互补配对原则,从图中
②的碱基组成可以确定β链是转录模板,蓝藻是原核生
物,没有细胞核,错误。选项B,RNA包括mRNA(图中②)、
tRNA(图中③)和rRNA(核糖体RNA),错误。选项C,图中
翻译过程在核糖体上进行,正确。选项D,能够决定氨基
酸的是密码子,密码子在mRNA上,③是tRNA,上面有反密
码子,能够决定氨基酸的密码子有61种,错误。
2.如图表示某原核生物的细胞内发生的一系列生理变
化,X表示某种酶,请据图分析并回答下列问题: 世纪金
榜导学号
(1)酶X的移动方向为__________。一个mRNA有_____
_____个游离的磷酸基团,以该mRNA为模板翻译的多肽
链甲与多肽链乙种类__________(填“相同”或“不同
”)。
(2)该mRNA中,鸟嘌呤和胞嘧啶占碱基总数比率分别为
23%和25%,则与mRNA对应的双链DNA分子区段中胸腺嘧
啶所占的比率为__________。
(3)由于基因中一个碱基发生替换,表达过程合成的肽
链中第11位氨基酸由缬氨酸(密码子有GUU、GUC、GUA、
GUG)变成丙氨酸(密码子有GCU、GCC、GCA、GCG),则该
基因中碱基对替换的情况是__________。
【解析】(1)依题意和图示分析可知:酶X为RNA聚合酶,
其移动方向从右到左。mRNA为单链结构,因此一个mRNA
有一个游离的磷酸基团。根据肽链的长度可知:翻译多
肽链甲与多肽链乙的模板mRNA虽然相同,但翻译的起始
部位不同,因此以该mRNA为模板翻译的多肽链甲与多肽
链乙种类不同。
(2)依题意可知:在该mRNA中,G=23%,C=25%,则U+A=
1-23%-25%=52%。依据碱基互补配对原则和转录过程可
推知,DNA模板链中A+T=52%,而DNA模板链中的A与非模
板链中的T相等,所以与mRNA对应的双链DNA分子区段中
,T=52%(占单链的比率),占该区段的比率为26%。
(3)对比分析缬氨酸与丙氨酸的密码子可推知:由于基
因中一个碱基发生替换,导致编码的肽链中第11位缬氨
酸的密码子中的第2个碱基U被碱基C取代,成为丙氨酸
的密码子,则该基因的这个碱基对替换情况是A—T替换
为G—C。
答案:(1)从右到左(向左) 1 不同 (2)26%
(3)A—T替换为G—C
【课堂回眸】
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