第15讲 基因的表达-备战2025年高考生物一轮复习精讲课件（新高考通用）

第15讲 基因的表达 目录 Contents 一 遗传信息的转录和翻译 二 中心法则 第15讲 基因的表达 三 基因表达与性状的关系 四 基因与性状的关系 【学习目标】 概念3 遗传信息控制生物性状，并代代相传； 3.1 亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA分子上 3.1.4 概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成，细胞分化的本质是基因选择性表达的结果，生物的性状主要通过蛋白质表现。 3.1.5 概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象 第 页 苏云金芽孢杆菌含Bt基因，Bt基因编码的毒蛋白进入棉铃虫的肠道，会结合到肠上皮细胞的特异性受体上，导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解，最后造成害虫死亡。抗虫转基因植物就是将Bt基因等抗虫基因转入植物体内。抗真菌转基因植物就是将几丁质酶基因转移到植物体内，使植物体产生几丁质酶，能分解真菌的细胞壁，使真菌细胞死亡，从而起到抗真菌作用。下图为我国科学家利用农杆菌转化法培育抗虫棉的过程图：据图回答： 【分析情境】 【问题】请用文字和箭头表示，转入苏云金芽孢杆菌的Bt基因后，棉花叶肉细胞发育成抗虫棉并产生毒蛋白的过程中遗传信息的传递过程。为什么苏云金芽孢杆菌的基因能在棉花细胞中表达出同样的蛋白质？ 遗传信息传递过程： DNA （Bt基因） DNA （Bt基因） mRNA 蛋白质 （毒蛋白） 转录 翻译 DNA复制 组织培养的细胞分裂中 在叶肉细胞中 表达同样蛋白质的原因： 基因的本质都是有遗传效应的DNA片段；不同生物的基因表达都遵循中心法则；遗传密码子具有通用性。 一 遗传信息的转录和翻译 基因指导蛋白质合成的过程，叫基因的表达 基因控制生物性状 体现 蛋白质 主要在细胞核 在细胞质进行 基因是怎样指导蛋白质的合成呢？ DNA 核糖体 DNA能否直接从细胞核进入细胞质中指导蛋白质合成？ 一 遗传信息的转录和翻译 【自主阅读教材，思考如下问题】 1.为什么RNA适合做信使？3种RNA的作用分别是什么？与DNA相比RNA特有的化学组成？ 2.启动子、终止子、起始密码子、终止密码子的位置及作用分别是什么？ 3.转录的场所、条件、特点分别是什么？ 翻译的场所、条件、特点分别是什么？ 多聚核糖体有什么意义？ 4.密码子的概念和特点？密码子简并性对生物体的生存发展有什么意义？ 一 遗传信息的转录和翻译 DNA的基本单位 RNA的基本单位 1.DNA与RNA的比较 比较项目 DNA RNA 基本单位 五碳糖 含氮碱基 结 构 主要存在部位 脱氧核苷酸 核糖核苷酸 脱氧核糖 核糖 A T C G A U C G 通常呈双螺旋结构 多为单链结构 细胞核 细胞质 提醒　DNA和RNA的区别 (1)正确判断DNA和RNA ①含有碱基T或脱氧核糖⇒DNA； ②含有碱基U或核糖⇒RNA。 (2)DNA和RNA合成的判断：用放射性同位素标记T或U可判断DNA和RNA的合成。若大量消耗T，可推断正在进行DNA的合成；若大量利用U，可推断正在进行RNA的合成。 一 遗传信息的转录和翻译 蛋白质 rRNA mRNA(信使RNA） 蛋白质合成的直接模板 tRNA (转运RNA） 氨基酸的运载工具 rRNA (核糖体RNA） 核糖体的组成部分 2.RNA的种类及其结构与功能 以密码子的形式，携带来自DNA的 ， 遗传信息 携带的 能与mRNA上的 。互补配对，转运 。 氨基酸 反密码子 密码子 还能催化 的形成。 肽键 （肽酰转移酶） 一 遗传信息的转录和翻译 （1）信使RNA（mRNA） （1）遗传信息的使者 （2）翻译的模板 ①由DNA中脱氧核苷酸序列决定的核糖核苷酸序列蕴藏着遗传信息； ②单链，比DNA短，能够通过核孔，从细胞核转移到细胞质，与核糖体结合。 结构： ①单链； ②从左至右，依次每相邻的三个碱基为一个遗传密码（密码子）。 功能： 2.RNA的种类及其结构与功能 (2)转运RNA（tRNA） 功能： 转运氨基酸至核糖体中 (3)核糖体RNA（rRNA） 核糖体的组成成分；与蛋白质合成密切相关。 1.tRNA在细胞核内合成（核孔出去） 2.tRNA是单链，大约含有70多个碱基，但有部分双链，因此碱基间也有氢键。 3.tRNA有顺序的，由长到短，反密码子是有方向的。 2.RNA的种类及其结构与功能 ①RNA聚合酶将DNA双链解开，碱基暴露出来 ②游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对 ③在RNA聚合酶的作用下，新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的RNA分子上 ④合成的RNA从DNA链上释放，而后DNA双螺旋恢复 RNA与模板链是互补的 该过程不需要解旋酶,RNA聚合酶也有解旋功能。 提醒：每次转录的只是DNA分子特定的片段（基因），该片段携带的遗传信息能准确地传递给mRNA分子。 一 遗传信息的转录和翻译 3.遗传信息的转录 （1） 概念: 在细胞核中，通过RNA聚合酶以______________为模板，按碱基互补配对原则合成RNA的过程。 DNA的一条链 （2） 场所: 主要是 ，在 、 中也能发生转录过程。 细胞核 叶绿体 线粒体 DNA的一条链 4种核糖核苷酸 （4） 产物: 信使RNA、核糖体RNA、转运RNA RNA聚合酶（作用于磷酸二酯键和氢键） 3. 遗传信息的转录 （1） 概念: 在细胞核中，通过RNA聚合酶以______________为模板，按碱基互补配对原则合成RNA的过程。 DNA的一条链 （2）场所: 主要是 ，在 、 中也能发生转录过程。 细胞核 叶绿体 线粒体 DNA的一条链 4种核糖核苷酸 (4) 产物: 信使RNA、核糖体RNA、转运RNA RNA聚合酶（作用于磷酸二酯键和氢键） 【注意】真核生物的核DNA转录形成的mRNA需要在细胞核加工处理成为成熟的mRNA后才能作为翻译的模板。 ★注意：细胞中不是所有基因都会转录，转录是有选择的。细胞分化时基因选择性表达源于基因的选择性转录。 关于模板链的说明： A T C G A G C G A G T C T T C G T C A A T C G A T G A C A T C G G C DNA U C G C U A G C RNA RNA ▲ 基因的两条链中只有一条链是模板链，同一DNA分子中的不同基因，到底哪条链是模板链因基因不同而不同。 ▲ 进行转录的只是DNA中的某个片段—基因； 基因1 基因2 a b 基因中只有一条链有转录功能 以基因为单位；边解旋边转录 基因上有一段特殊的DNA序列，这段DNA序列可以结合RNA聚合酶(RNA聚合酶结合位点)。也成为转录起始位点，从而起始转录过程 。 3. 遗传信息的转录【拓展补充】 基因的结构的拓展 DNA片段 基因1 基因2 基因3 放大 非编码区 非编码区 编码区 编码区上游 编码区下游 编码区：能转录相应的mRNA，进一步编码（翻译）出蛋白质的DNA区段。 非编码区：不能转录为相应的mRNA，不能编码蛋白质的区段。 17 （1）原核细胞的基因结构 非编码区 非编码区 编码区 编码区上游 编码区下游 启动子 终止子 连续的、不间隔的 RNA聚合酶识别并结合的位点，驱动基因转录出mRNA 启动子 本质： 位置： 作用： 是一段有特殊序列结构的DNA片段 位于基因上游 终止子 本质： 位置： 作用： 也是一段有特殊序列结构的DNA片段 位于基因下游 终止转录 18 （2）真核细胞的基因结构 非编码区 非编码区 编码区 编码区上游 编码区下游 启动子 终止子 间隔的、不连续的 内含子 外显子 外显子： 内含子： 能转录相应的mRNA，进一步能编码蛋白质的DNA序列。 能转录相应的mRNA，但却不能编码蛋白质的DNA序列。 19 DNA复制 转录 时间 场所 解旋 模板 原料 酶 配对方式 特点 方向 产物 意义 细胞分裂间期 生长发育过程 完全解旋 只解旋有遗传效应片段（基因） DNA的两条链均为模板 DNA的一条链为模板 四种脱氧核苷酸 四种核糖核苷酸 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 半保留复制，边解旋边复制 边解旋边转录 2个子代DNA分子 mRNA、tRNA、rRNA 使遗传信息从亲代传递给子代，从而保持了遗传信息的连续性 遗传信息从DNA传递到RNA（mRNA）上，为翻译做准备 主要在细胞核或拟核，少部分在线粒体、叶绿体、质粒 新链从5’端-3’端延伸 新链从5’端-3’端延伸 过程 mRNA tRNA mRNA tRNA 终止密码子 脱离 4.遗传信息的翻译 5’ 3’ 一 遗传信息的转录和翻译 游离在细胞质中的各种氨基酸，以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。 翻译 mRNA分子 碱基互补配对 细胞质的核糖体 mRNA A－U、U－A、G－C、C－G mRNA→多肽 场所： 原则： 模板： 条件： 遗传信息流动： 多肽 转 录 翻译 20种游离氨基酸、 ATP、酶、 tRNA 4.遗传信息的翻译： 一 遗传信息的转录和翻译 生物学意义： 少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。 注意：多个核糖体翻译的是同一条mRNA，得到的是同一种多肽链。是核糖体在mRNA上移动 如何加快翻译的速度？ →多个核糖体同时进行翻译 翻译的方向： 5'-端→3'-端 图中合成的多肽链种类相同吗？最终形成的蛋白质呢？ 翻译方向是？为何多肽链长短不同？ 从 到 （如图：从 ）。 短 长 右到左 结果：合成的仅是多肽链，要形成蛋白质往往还需要运送至内质网、高尔基体等结构中进一步加工。 一 遗传信息的转录和翻译 (1).起始密码子AUG决定甲硫氨酸，为什么蛋白质的第一个氨基酸往往不是甲硫氨酸？翻译过程中，核糖体是如何使肽链延伸的？从核糖体上脱落下来的是有特定功能的成熟蛋白质吗？ 提示　翻译生成的多肽链往往需进行加工修饰，甲硫氨酸在此过程中往往会被剪切掉。翻译过程中，核糖体在mRNA上移动并依次读取密码子进行肽链的合成，直到读取到mRNA上的终止密码子，合成才能终止。刚从核糖体上脱落下来的只能称之为多肽，其通常经过一定的加工修饰才能成为具有特定功能的成熟蛋白质。 一 遗传信息的转录和翻译 密码子(遗传密码) (1)概念： mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸，每3个这样的碱基称为1个密码子。 (2)种类： 64种；其中决定氨基酸的密码子61种(包括2个起始密码-AUG、GUG),终止密码子有3种(UAA、UGA、UAG)。 并不是所有的密码子都决定氨基酸，其中终止密码子不决定氨基酸。 (3)特点： ①通用性：不同的生物密码子基本相同，即共用一套密码子。 ②不重叠性：在mRNA链上任何两个相邻的密码子不共用任何核苷酸。 ③简并性：除了甲硫氨酸和色氨酸外，每一个氨基酸都至少有两个密码子。 密码子认读是从mRNA的5'→3' 一 遗传信息的转录和翻译 (2)必修2 “思考·讨论”：从密码子表可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子，这一现象称作密码子的简并。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？ 提示　当一个密码子中有一个碱基改变时，可能并不会改变其对应的氨基酸，增强了密码子的容错性；当某种氨基酸使用频率高时，几种不同的密码子都编码同一种氨基酸可以保证翻译的速度。 (3)几乎所有的生物体都共用一套密码子，这体现了密码子的什么特点？ 提示　这体现了密码子的通用性，说明当今生物可能有着共同的起源。 一 遗传信息的转录和翻译 DNA的复制、转录和翻译的比较 项目 复制 转录 翻译 场所 条件 模板 原料 能量 酶 产物 原则 意义 细胞核（主要场所），线粒体，叶绿体 细胞核（主要场所），线粒体，叶绿体 细胞质 DNA的两条链 DNA的一条链 mRNA 4种游离的脱氧核苷酸 4种游离的核糖核苷酸 20种游离的氨基酸 ATP ATP ATP 解旋酶、DNA聚合酶等 RNA聚合酶 与蛋白质合成有关的酶 DNA RNA 多肽 碱基互补配对 A－T T－A G－C C－G 碱基互补配对 A－U T－A G－C C－G 碱基互补配对 A－U U－A G－C C－G 传递遗传信息 表达遗传信息 遗传信息的转录和翻译 一 遗传信息的复制、转录和翻译 27 原核细胞: 边转录边翻译 真核细胞: 先转录后翻译 注: 真核细胞中线粒体DNA和叶绿体DNA也是边转录边翻译 判定真核细胞和原核细胞的转录与翻译 转录与翻译在异地、先后进行 转录与翻译在同地、同时进行 丁 戊 “图示法”解读复制、转录、翻译的过程 判定转录与翻译的方向 【检测】下图为原核细胞中转录、翻译的示意图。据图判断，下列描述中正确的是( ) A. 图中表示4条多肽链正在合成 B. 转录尚未结束，翻译即已开始 C. 多个核糖体共同完成一条多肽链的翻译 D. 多个基因在短时间内可表达出多条多肽链 B C项: 同一条mRNA分子能够同时结合多个核糖体,同时合成若干条多肽链 A项: 图中附有核糖体的四条链是转录后的mRNA B项: 原核细胞由于没有核膜的阻断,所以可以边转录边翻译 D项: 结合在同一条mRNA上的核糖体就称为多聚核糖体，这样一个基因在短时间内可表达出多条肽链 1.提出者: 。 2.补充后的内容图解: 3.分别写出下列生物遗传信息的传递 ①具有细胞结构的生物及噬菌体等DNA病毒的遗传信息的传递 克里克 二 中心法则 ②不能分裂的细胞的中心法则表达式 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 （如新冠病毒（+RNA）、SARS病毒（+RNA）、烟草花叶病毒（+RNA）、流感病毒（-RNA） ④逆转录病毒(如艾滋病病毒-逆转录酶) +RNA -RNA +RNA 蛋白质 子代病毒 -RNA +RNA -RNA 蛋白质 子代病毒 ③RNA病毒（RNA复制酶） 二 中心法则 （一）基因控制性状的途径 1. 间接控制途径 (1)方式: 基因通过控制_________来控制代谢过程, 进而控制生物体的性状。 酶的合成 (2)实例: a. 豌豆种子形状 三 基因表达与性状的关系 b. 白化症状 2. 直接控制途径 (1)方式: 基因通过控制 _______________直接控制生物体的性状。 蛋白质的结构 (2)实例: 囊性纤维化 缺失3个 CFTR 蛋白结构 （二）基因的选择性表达与细胞分化 细胞分化的实质:___________________。 表达的基因的类型 (1)管家基因: 在所有细胞中都表达的基因, 指导合成的蛋白质是________________________________, 如ATP合成酶基因。 (2)奢侈基因: 只在某类细胞中特异性表达的基因, 如胰岛素基因。 基因选择性表达的原因: 与基因表达的_______有关。 基因的选择性表达 维持细胞基本生命活动所必需的 调控 36 （三）表观遗传 1.概念: 生物体基因的___________保持不变, 但基因表达和表型发生 _______ 变化的现象。 碱基序列 可遗传 2.表观遗传原因: DNA甲基化, 构成染色体的组蛋白甲基化、乙酰化等影响基因的表达, 即基因表达的调控直接影响性状, 如: 导致表观遗传现象发生的主要因素: 基因组成相同的同卵双胞胎所具有的微小差异就与甲基化有关 蜂王 工蜂 基因甲基化决定了蜜蜂发育成工蜂还是蜂王，二者在DNA序列方面是完全一致的 37 DNA甲基化 DNA的甲基化可以引起基因的失活，基因不能表达。 ① DNA甲基化修饰 常见的调控机制 启动子：是RNA聚合酶识别和结合的位点 （主要抑制转录） ②染色体组蛋白甲基化、乙酰化等修饰也会影响基因表达。 DNA 组蛋白 甲基化 乙酰化 磷酸化 常见的调控机制 ③非编码RNA 非编码RNA：不编码蛋白质的RNA。(非tRNA和rRNA) DNA DNA mRNA 非编码RNA 蛋白质 阻止翻译(抑制基因表达) 互补配对 如下图所示的一种非编码RNA （主要抑制翻译） 常见的调控机制 3.表观遗传的特点 (1)可遗传: 基因表达和表型可以遗传给后代。 (2)不变性: 基因的碱基序列保持不变。 (3)可逆性: DNA的甲基化修饰可以发生可逆性变化,即被修饰的DNA可以发生去甲基化。 (4)普遍性: 普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中。 三 基因表达与性状的关系 关于表观遗传的几点提醒: (1)表观遗传可以通过有丝分裂和减数分裂传递被修饰的基因。 (2)表观遗传一般是影响基因的转录过程,进而影响蛋白质的合成。 (3)可遗传变异一般是指会引起遗传信息发生改变的变异，如基因突变、基因重组和染色体变异，但DNA甲基化等表观遗传，遗传信息不变也能遗传给后代，也属于可遗传变异。 基因表达与性状的关系 三 基因表达与性状的关系 42 有哪些因素会影响DNA的甲基化? 与社会的联系：有研究表明：吸烟会使人的体细胞内DNA的甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。不仅如此，还有研究发现男性吸烟者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明显升高。 三 基因表达与性状的关系 四 基因与性状的关系 (1)一个基因控制一种性状(多数性状受单基因控制)。 (2)一个基因控制多种性状(如基因间相互作用)。 (3)多个基因控制一种性状(如身高、体重等)。 (4)生物的性状是基因和环境共同作用的结果。基因型相同，表型可能不同，基因型不同，表型也可能相同。 44 1.图1所示为某种生物细胞内进行的部分生理活动，图2表示中心法则，图中字母代表具体过程。下列叙述错误的是 A.图1所示过程可在原核细胞中进行， 　其转录和翻译过程可同时进行 B.图2中过程c和d的产物不同，但涉及 　的碱基配对方式完全相同 C.图1中酶甲和酶乙催化形成磷酸二酯 　键，而酶丙则催化磷酸二酯键的水解 D.图1体现了图2中的a、b、c三个生理过程 √ √ 2.新型冠状病毒(单链RNA病毒)侵染人体细胞后，其增殖过程如图所示。以下说法错误的是 A．①和④所用到的酶和原料都不同 B．①除涉及病毒RNA外还有宿主细胞RNA的参与 C．①②③④中都会发生碱基互补配对的过程 D．新冠病毒的遗传物质中嘌呤和嘧啶的数量不一定相等 解析：①是翻译过程，②是RNA复制过程，③是RNA复制过程，④是翻译过程。①和④都是翻译过程，所用的酶和原料不完全相同，A错误；新冠病毒的遗传物质是单链RNA，其嘌呤和嘧啶的数量不一定相等，D正确。 3．如图是人体某细胞中遗传信息的传递及表达过程示意图。据图分析，以下描述正确的是 A．①②过程中两种酶的结合位点分别位于DNA和RNA分子上 B．②过程生成的mRNA长度与DNA分子的每一条链都不同 C．b中具有tRNA的结合位点，翻译时mRNA从右往左移动 D．该图可表示胰岛B细胞中胰岛素基因指导胰岛素的合成过程 √ 4．如图是两种细胞中主要遗传信息的表达过程，据图分析，下列叙述不正确的是 A．图甲细胞没有核膜包被的细胞核，所以转录和翻译同时发生 B．图中所示的遗传信息都是从DNA传递给mRNA再传递给蛋白质的 C．两种表达过程均主要由线粒体提供能量，由细胞质提供原料 D．图乙细胞中每个核糖体合成的多肽链都相同，翻译的方向是由5′端到3′端 √ 5.关于基因表达的叙述，正确的是（ ） A．所有生物基因表达过程中用到的RNA和蛋白质均由DNA编码 B．DNA双链解开，RNA聚合酶起始转录、移动到终止密码子时停止转录 C．翻译过程中，核酸之间的相互识别保证了遗传信息传递的准确性 D．多肽链的合成过程中，tRNA读取mRNA上全部碱基序列信息 √ 49 FormatFactory : www.pcfreetime.com FormatFactory : www.pcfreetime.com (3)条件 (3)条件 FormatFactory : www.pcfreetime.com $$null