4.1 基因指导蛋白质的合成课件-2023-2024学年高一下学期生物人教版（2019）必修2

第1节 基因指导蛋白质的合成 第四章 基因的表达 学习目标 通过比较DNA与RNA的结构，归纳RNA适于作DNA的信使的条件。 通过分析、归纳教材的图文资料，概述遗传信息的转录过程以及翻译过程。 运用数学方法，分析DNA的碱基、RNA的碱基与氨基酸之间的对应关系。 基于地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码的事实，阐明生物界的统一性，认同当今生物可能有着共同的起源，形成生物进化观。 通过了解中心法则的提出和修正过程，认同科学是不断发展的，形成生命是物质、能量和信息的统一体的生命观念。 新课导入 将苏云金杆菌抗虫蛋白基因（Bt抗虫蛋白基因）转入普通棉花，培育出的棉花植株会产生Bt抗虫蛋白。 这个现象说明什么？ 基因 蛋白质的合成 指导 基因的表达 作出假设 基因是有遗传效应的DNA片段； DNA主要存在于细胞核中，而蛋白质的合成是在细胞质中进行的 DNA携带的遗传信息是怎样传到细胞质的呢？ 细胞核中的DNA如何指导细胞质中的蛋白质的合成？ 在DNA和蛋白质之间，还有一种中间物质充当信使 遗传信息的转录 提问：充当遗传信息的信使物质可能是什么？为什么？ 资料1 1955年，比利时细胞生物学家Brachet用洋葱根尖细胞和变形虫进行实验，发现如果用分解RNA的酶把细胞内的RNA分解掉，蛋白质合成就停止；如果把从酵母菌中提取出的RNA再加进去，细胞重新合成蛋白质。 实验结果说明了什么？ 说明蛋白质的合成与RNA有关。 遗传信息的转录 资料2 1955年，拉斯特等人的变形虫核移植实验： 放射性同位素3H标记的尿嘧啶核糖核苷酸培养 A组 一段时间后，放射性在细胞质中出现 B组 无放射性同位素标记的尿嘧啶核糖核苷酸培养 放射性首先在细胞核中出现 细胞核、细胞质中均未出现放射性 细胞核、细胞质中均未出现放射性 实验结果说明： RNA的合成场所在细胞核，并会移至细胞质。 遗传信息的转录 资料3 1961年，霍尔等科学家用噬菌体SP8侵染枯草芽孢杆菌，研究噬菌体侵染后产生的RNA与噬菌体DNA、枯草芽孢杆菌DNA的关系。 在SP8侵染细菌后，裂解枯草芽孢杆菌，分别提取枯草芽孢杆菌的DNA、SP8噬菌体的DNA和噬菌体侵染后产生的RNA。把RNA分别与加热分开的枯草芽孢杆菌DNA单链或噬菌体DNA单链混合在一起缓慢冷却，发现新产生的RNA只与噬菌体的DNA中固定的一条单链形成DNA-RNA杂交分子，而不与枯草芽孢杆菌的DNA相杂交。 该实验结果证明：合成的噬菌体的RNA是以噬菌体的DNA的一条链为模板，该RNA为信使RNA，也叫mRNA。 遗传信息的转录 1、总结归纳：RNA充当遗传信息信使的实验证据 RNA与蛋白质的合成有关 RNA的合成，以DNA链为模板 提问：为什么RNA适于作DNA的信使呢？ 遗传信息的转录 比较项目 DNA RNA 组成元素 C、H、O、N、P 结 构 通常双螺旋结构 一般短链结构 基本单位 脱氧核苷酸 核糖核苷酸 五碳糖 脱氧核糖 核糖 含氮碱基 A、T、C、G A、U、C、G 分布 主要在细胞核，少量在线粒体、叶绿体 主要在细胞质 2、比较分析：RNA与DNA的比较 遗传信息的转录 （1）RNA由核苷酸连接而成的，核苷酸也含有4种碱基，使得RN具备准确传递遗传信息的可能。 （2）在RNA和DNA的关系中，也遵循“碱基互补配对原则”：A与U配对，T与A配对，G与C配对，C与G配对。 （3）RNA一般是单链，比DNA短，因此能够通过核孔，从细胞核转移到细胞质中。 提问：为什么RNA适于作DNA的信使呢？ 阅读教材P64 （4）RNA不稳定，易降解，使得完成使命的RNA能迅速分解，保证生命活动的有序进行。 遗传信息的转录 RNA是在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的，这一过程叫做转录。 遗传信息的转录 mRNA 信使RNA 分布：主要在细胞质中 功能：翻译的直接模板 结构：单链 tRNA 转运RNA 分布：主要在细胞质中 功能：翻译时运载氨基酸 结构：单链，部分碱基配 对形成三叶草型结构 rRNA 核糖体RNA 分布：与蛋白质结合成核糖体 功能：组成核糖体 结构：单链 遗传信息的转录过程 过程 解旋：在ATP的驱动下，RNA聚合酶与编码某种蛋白质的一段DNA结合，将DNA双螺旋的两条链解开。 C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A C G T A T A C G G C T A G C C G T A 3' 5' C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A 3' 5' ATP RNA聚合酶 13 遗传信息的转录过程 合成mRNA：游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基配对，确定RNA的核糖核苷酸排列顺序。 C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A 3' 5' U A U G C A U G A U C G A G C U U 14 遗传信息的转录过程 ③ mRNA延伸：通过RNA聚合酶形成磷酸二酯键，从5’→3’延伸。 C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A 3' 5' U A U G C A U G A U C G A G C U U U A U G C A U G A U C G A G C U U 5' 3' ATP 形成磷酸二酯键 15 遗传信息的转录过程 脱离：mRNA释放，DNA双链恢复 U A U G C A U G A U C G A G C U U C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A C G T A T A C G G C T A G C C G T A 3' 5' 细胞质 细胞核 mRNA 16 遗传信息的转录 转录概念： 转录场所： 转录模板： 转录原料： 转录条件： 碱基互补配对方式： 转录产物： 特点： 主要在细胞核中，以DNA的一条链为模板，合成RNA的过程 细胞核、叶绿体、线粒体、拟核 DNA分子的一条链 四种游离的核糖核苷酸 模板、原料、能量、酶（RNA聚合酶同时具有解旋功能） G-C C-G T-A A-U 三种RNA（mRNA rRNA tRNA) 边解旋边转录 思考·讨论 教材P66页 1.转录与DNA复制有什么共同之处？这对保证遗传信息的准确转录有什么意义？ 转录与复制都需要模板、能量、酶，都遵循碱基互补配对原则等等。碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性。 2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？ DNA复制所需的原料是4种游离的脱氧核苷酸，所需要的酶是解旋酶和DNA聚合酶；转录所需的原料是4种游离的核糖核苷酸，所需要的酶是RNA聚合酶。 3.转录成的RNA的碱基序列，与DNA两条单链的碱基序列各有哪些异同？ 转录时，游离的核糖核苷酸与DNA模板上的碱基互补配对。因此，转录成的RNA的碱基与DNA模板链的碱基是互补配对的关系。该RNA的碱基序列与DNA另一条链（非模板链）的碱基序列的区别是RNA链上的碱基U，对应在非模板链上的碱基是T。 思考·讨论 教材P66页 复制和转录的不同点 细胞分裂前的间期 生长发育全过程 完全解旋 只解有遗传效应片段（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 边解旋边复制，半保留复制 边解旋边转录,DNA仍保留 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 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 转录 （RNA释放，DNA双链恢复） DNA分子 碱基互补配对 主要在细胞核 四种核糖核苷酸、 DNA的一条链（供转录的那一条） RNA聚合酶 G－C、C－G、A－U、T－A DNA→RNA 活细胞新陈代谢过程中 RNA 转录 RNA是在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的，这一过程叫作转录。 场所： 原则： 模板： 条件： 遗传信息流动： 时间： 概念： 原料： 酶： 能量： ATP 小结 21 转录得到的mRNA仍是碱基序列，而不是蛋白质。那么，mRNA上的遗传信息如何传递到蛋白质上呢？ DNA携带的遗传信息——碱基序列 蛋白质——氨基酸序列 mRNA携带的遗传信息——碱基序列 转录 ? 22 遗传信息的翻译 游离在细胞质中的各种氨基酸，就以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质，这一过程叫作翻译。 碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的？ DNA、RNA都只含有4种碱基 组成生物体蛋白质的氨基酸有21种 1个碱基决定1个氨基酸 2个碱基决定1个氨基酸 3个碱基决定1个氨基酸 4种氨基酸 16种氨基酸 64种氨基酸 阅读教材P70“生物科学史话” ？ 遗传信息的翻译 1961年克里克实验 实验材料：T4噬菌体 实验思路：研究其中某个基因的碱基增加或减少对其编码蛋白质的影响。 实验过程：增加或删除1个/2个/3个碱基，观察是否能正常产生蛋白质。 实验结果： ①增加或删除1个/2个碱基，无法正常产生蛋白质； ②增加或删除3个碱基，可以正常产生蛋白质。 实验结论：遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸。遗传密码从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读，密码子之间没有分隔符。 mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸，每3个这样的碱基叫作1个密码子。 遗传信息的翻译 1961年蛋白质的体外合成实验 科学家：尼伦伯格、马太 实验技术：蛋白质的体外合成技术 实验过程： ①在每个试管中分别加入1种氨基酸； ②在每个试管中加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液； ③在每个试管中加入人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸。 实验结果：加入苯丙氨酸的试管中，出现了多聚苯丙氨酸的肽链。 除去DNA和mRNA的细胞提取液 人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸 肽链 实验结论： 与苯丙氨酸对应的密码子是UUU（第一个被破译的密码子）。 在多位科学家的不断实验下，终于破译了全部64密码子，并编制出密码子表。 遗传信息的翻译 21种氨基酸的密码子表 第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基 U C A G U 苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 酪氨酸 酪氨酸 终止 终止 半胱氨酸 半胱氨酸 终止、硒代半胱氨酸 色氨酸 U C A G C 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 U C A G A 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸(起始) 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 U C A G G 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸、甲硫氨酸(起始) 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 U C A G 遗传信息的翻译 真核生物的起始密码子均为AUG，编码甲硫氨酸 一般情况下，GUG编码缬氨酸，只在原核生物中作为起始密码子时，编码甲硫氨酸 双功能密码子 UGA 简并性：一种密码子决定一种氨基酸，但一种氨基酸可以由几种不同的密码子决定。 遗传信息的翻译 专一性：一个密码子只对应一种氨基酸 简并性：一种氨基酸可对应多个密码子 通用性：地球上几乎所有生物都共用一套密码子 特殊密码子 3个终止密码子:UAA UAG UGA 2个起始密码子:AUG GUG 完成教材P67页，思考·讨论。 遗传密码的特点： 思考·讨论教材P67页 1.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？ 从增强密码子容错性的角度来看：当密码子中有一个碱基改变时，由于密码子的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸（比如密码子ACU突变为ACC，但都对应苏氨酸）； 从密码子的使用频率来看，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，这样可以保证翻译的速度。 2.几乎所有的生物体都共用上述密码子。根据这一事实，你能想到什么？ 可以想到地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码， 说明当今生物可能有着共同的起源或生命在本质上是统一的。 运输氨基酸的工具——tRNA RNA链经过折叠，形成三叶草形。 比mRNA小，RNA单链经过折叠形成4环4臂，环的部分没有碱基互补配对，臂的部分由于碱基互补配对形成氢键。 形态 识别氨基酸 转运氨基酸 功能 3' 5' 结合 氨基酸的部位 碱基配对 mRNA 5' 3' A C U 密码子 U G A 反密码子 位于tRNA上，其实质是与密码子发生碱基互补配对的3个相邻的碱基。 游离在细胞质中的氨基酸，是怎样被运送到合成蛋白质的“生产线”上的呢？ 每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸 每种氨基酸可由一种或几种tRNA转运 30 翻译的过程 第1步 mRNA进入细胞质，与核糖体结合。携带甲硫氨酸的tRNA，通过与碱基AUG互补配对，进入位点1。 ①起始氨基酸进位 1 2 遗传信息的翻译 第2步 携带某个氨基酸的tRNA以同样的方式进入位点2。 ②第二氨基酸进位 1 2 翻译的过程 遗传信息的翻译 第3步 甲硫氨酸与这个氨基酸形成肽键，从而转移到位点2的tRNA上。 ③连接-形成肽键 1 2 翻译的过程 遗传信息的翻译 第4步 核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子。原位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。 就这样，随着核糖体的移动，tRNA以上述方式将携带的氨基酸输送过来，以合成肽链。直到核糖体遇到mRNA的终止密码子，合成才告终止。 ④移动-读码-延伸-终止 1 2 翻译的过程 遗传信息的翻译 遗传信息的翻译 翻译概念： 翻译场所： 翻译模板： 翻译原料： 翻译条件： 翻译互补配对方式： 翻译产物： 翻译过程： 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 细胞质中的核糖体上（注：线粒体、叶绿体内含有核糖体，可以合成蛋白质） mRNA 氨基酸 模板、原料、能量、酶、tRNA等 G-C C-G U-A A-U 多肽，经加工后为成熟的蛋白质 遗传信息的翻译 1、如何短时间内由一条mRNA合成出多个相同的蛋白质分子？ 2、翻译合成的多肽链能否承担相应的生命活动？ 不能，通常经过一系列步骤，盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质。 一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成。 遗传信息的翻译 1、基因中的碱基数、mRNA分子中的碱基数、蛋白质分子中的氨基酸数之间有何数量关系？ 2、基因中的碱基数、mRNA分子中的碱基数、蛋白质分子中的氨基酸数是否一定遵循以上数量关系？ A链 A—C—T—G—G—A—T—C—T B链 T—G—A—C—C—T—A—G—A A—C—U—G—G—A—U—C—U 苏氨酸——甘氨酸——丝氨酸 DNA RNA 肽链 转录 翻译 基因中的碱基数（双链）：mRNA中的碱基数：合成蛋白质的氨基酸个数= 1个氨基酸 3个碱基 6个碱基 6：3：1 遗传信息的翻译 真核细胞中复制、转录和翻译的比较 真核细胞中复制、转录和翻译过程 中心法则 中心法则：遗传信息可以从DNA流向DNA，即DNA的复制；也可以从DNA流向RNA ，进而流向蛋白质，即遗传信息的转录和翻译。 复制 转录 翻译 蛋白质 DNA RNA 中心法则 中心法则的完善： 1965年，科学家在RNA病毒里发现了一种RNA复制酶，它能对RNA进行复制。 1970年，在致癌的RNA病毒中发现逆转录酶，它能以RNA为模板合成DNA。 复制 转录 翻译 蛋白质 DNA 复制 RNA 逆转录 中心法则图解（虚线表示少数生物的遗传信息的流向） DNA、RNA是遗传信息的载体 蛋白质是信息的表达产物 ATP为信息的流动提供能量 生命是物质、能量和信息的统一体 课堂小结 谢谢观看 EVCapture4.1.4软件录制 Lavf57.25.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn $$