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必修2

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。 转入抗虫基因的棉花能够抗虫，是因为合成了抗虫蛋白 新疆长绒棉，品质优，产量大 4.1 基因指导蛋白质的合成 新教材•人教版•必修二 学习目标 1 概述RNA的结构、种类和功能 对比DNA与RNA的结构特点 2 概述遗传信息转录的过程 3 归纳DNA复制与转录异同点 4 核糖体 DNA 蛋白质 问题1:细胞核中的基因如何指导细胞质中蛋白质合成？ 核孔 实现核质之间频繁的物质交换和信息交流 DNA(基因） 主要存在于细胞核中 蛋白质的合成 在细胞质中的核糖体上进行 信使 信使 资料1： 1955年，戈德斯坦和普劳特观察到放射性物质标记的RNA从细胞核转移到细胞质。 资料2：1955年，布拉切特以洋葱根尖和变形虫为材料，用RNA酶分解细胞中的RNA，蛋白质的合成就停止。如果再加入酵母中提取的RNA，蛋白质又开始合成。 RNA充当了DNA的信使 知 识 回 顾 1.RNA的名称： 2.RNA的基本单位： 核糖核酸 4种核糖核苷酸 腺嘌呤核糖核苷酸 鸟嘌呤核糖核苷酸 胞嘧啶核糖核苷酸 尿嘧啶核糖核苷酸 3.RNA的结构： 通常是单链 4.RNA的分布： 主要在细胞质中 问题2:为什么RNA适于作DNA的信使？ 种 类 DNA RNA 组 成 部 分 碱基 磷酸 五碳糖 全 称 基本组成单位 空间结构 分布（真核细胞） 特有： 特有： 共有： A、G、C 都有磷酸 脱氧核糖 核糖 脱氧核糖核酸 核糖核酸 脱氧核苷酸 核糖核苷酸 多为规则双螺旋结构 多为单链 细胞核（主要） 线粒体、叶绿体 细胞质（主要） T U ①RNA也是由基本单位--核苷酸组成，含氮碱基有A、G、C、U，这些特点使得RNA具备准确传递遗传信息的可能。 ②RNA一般是单链，而且比DNA短，因此能够通过核孔，从细胞核转移到细胞质中。 ④RNA与DNA的关系中，也遵循“碱基互补配对原则”；因此以mRNA为媒介可将遗传信息传递到细胞质中。 ③RNA为单链结构，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。 为什么RNA适于作DNA的信使？ ①信使RNA ( mRNA) ②转运RNA ( tRNA) ③核糖体RNA( rRNA ) 携带遗传信息，蛋白质合成的模板 识别密码子，运载氨基酸 核糖体的组成成分 RNA的分类 ①作为某些病毒的遗传物质 ②某些RNA具有催化作用（酶） ④识别并转运氨基酸（tRNA） ③作为合成蛋白质的模板（mRNA） ⑤核糖体的组成成分（rRNA） 结合学过的内容,归纳RNA的作用有哪些? 问题3:DNA的遗传信息是怎样传给mRNA 的？ 科学家通过研究发现，是通过转录过程完成的。 阅读教材P65， 思考下列问题: 1.转录的概念是什么? 2.转录的场所? 3.转录的过程怎么进行? 4.转录的过程需要哪些条件? 5.转录的产物？ 6.转录的过程有何特点？ 7..碱基配对方式是什么? 遗传信息的转录 2、场所： 1、概念： 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。 (主要)、线粒体、叶绿体 真核细胞：细胞核 原核细胞：拟核、细胞质（质粒） 3、过程： 12 5' 5' 3' 3' 5' 3' RNA聚合酶 游离的核糖核苷酸 DNA mRNA 转录的方向 1.解旋 4.释放和复旋 3.连接 2.配对 mRNA的5’到3’ RNA聚合酶的作用： 1.使DNA双链解开；2.使核糖核苷酸连接成长链 编码链 （有义链） 模板链 （反义链） 4、条件: 6、特点: ③能量 DNA的一条链 4种游离的核糖核苷酸 RNA聚合酶 ATP 边解旋边转录边复旋 ①模板 ②原料 ④酶 A与U配对 T与A配对 C与G配对 G与C配对 7、配对方式: 遗传信息的转录 5、产物: RNA（包括mRNA、 tRNA、 rRNA） DNA RNA 15 如图表示一个DNA分子的片段，讨论相关问题。 5′－TACGCTCCGTACCC－3′　编码链(有义链) 3′－ATGCGAGGCATGGG－5′　模板链(反义链) 5′－UACGCUCCGUACCC－3′ 基本相同，区别是mRNA链上的碱基U，对应在编码链上的碱基是T。 ②转录出的mRNA碱基序列与DNA模板链的碱基序列有什么关系？ 互补配对 ③转录出的mRNA碱基序列与DNA非模板链的碱基序列有哪些异同？ ①写出该片段转录出的mRNA中的碱基排列顺序。 DNA复制和转录的比较 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 新链的5’端-3’端延伸 新链的5’端-3’端延伸 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？ 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？ 2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？ 教材66页：讨论 教材66页：讨论 转录与DNA复制都需要模板、都需要ATP提供能量、都遵循碱基互补配对原则等等。其中，碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性。 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？ 2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？ DNA复制所需要的原料是4种游离的脱氧核苷酸，所需要的酶是解旋酶和DNA聚合酶；转录所需要的原料是4种游离的核糖核苷酸，所需要的酶是RNA聚合酶。 转录时，游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对。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。 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？ （1）转录时，DNA链完全解开吗？ （2）一个DNA分子中某个基因转录时，其他基因是否一定也在进行转录？ （3）一个基因的两条链都能转录吗？ （4）不同基因的模板链是否相同？ （5）分裂间期和分裂期可以进行转录吗？ （6）高度分化的细胞可以转录吗？ 分裂期的染色体高度螺旋，DNA无法解旋，转录无法发生 非编码区 非编码区 编码区 启动子 终止子 原核细胞基因的结构示意图 真核细胞基因的结构示意图 非编码区 非编码区 编码区 启动子 终止子 外显子 内含子 真核细胞与原核细胞中基因表达过程示意图 能转录相应的mRNA，进一步编码出蛋白质的DNA序列。 不编码蛋白质,含有能调控遗传信息表达的DNA序列(如启动子、终止子）。 原核基因 真核基因 编码区 非编码区： 能转录相应的mRNA，进一步能编码蛋白质的DNA序列 外显子： 内含子： 不编码蛋白质,含有能调控遗传信息表达的DNA序列(如启动子、终止子）。 编码区 非编码区： 能转录相应的mRNA，然后在翻译前就被剪切掉，不能编码蛋白质的DNA序列 RNA聚合酶识别并结合的位点，驱动转录 启动子 终止子 本质： 位置： 作用： 是一段特殊序列结构的DNA片段； 位于基因上游； 本质： 位置： 作用： 是一段特殊序列结构的DNA片段； 位于基因下游； 终止转录 转录一般从启动子开始，到终止子结束 遗传信息的翻译 阅读教材P66-67， 思考下列问题: 1.翻译的概念是什么? 2.翻译的实质是什么? 3.什么是密码子? 4.起始密码子和终止密码子有哪些？ 5.什么是密码子的简并? 6.什么是反密码子？ 7.tRNA的运载特点是什么? 遗传信息的翻译 2、实质： 1、概念： 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。 3、密码子： 翻译的实质是将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列。 mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸，每3个这样的碱基称作 一个密码子。 27 蛋白质 mRNA 转录 （碱基） （氨基酸） DNA 翻译 问题 ： mRNA 的碱 基与氨基酸之间的 对应关系是怎样的？ DNA和RNA都只含有4种碱基 而在绝大多数生物体内，组成蛋白质的氨基酸有21种 决定？ 1个碱基决定1种氨基酸 4种 显然不够 2个碱基决定1种氨基酸 4x4种 还是不够 3个碱基决定1种氨基酸 4x4x4种 足够满足 猜想： 遗传密码的破译 实验材料： 实验思路： 实验过程： 实验结果： 实验结论： T4噬菌体 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 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。 ①增加或删除1个/2个碱基,无法产生具有正常功能的蛋白质； ②增加或删除3个碱基，合成了具有正常功能的蛋白质 ①遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸。 ②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。 1961年克里克实验 教材70页：生物科学史话 遗传密码的破译 密码子对应哪个氨基酸？ 实验过程： 实验结果： 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 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。 加入苯丙氨酸的试管中，出现了多聚苯丙氨酸的肽链。 尼伦伯格和马太--蛋白质的体外合成实验 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 注:①在正常情况下，UGA是终止密码子，但在特殊情况下，UGA可以编码硒代半胱氨酸。 ②在原核生物中，GUG也可以作起始密码子，此时它编码甲硫氨酸。 2.起始密码子： 3.终止密码子： 原核生物中，GUG也是 AUG 编码‘甲硫氨酸’ （GUG不作为起始密码子时，编码‘缬氨酸’） UAA、 UGA UAG、 （特殊情况下，UGA编码‘硒代半胱氨酸’） 1.密码子的种类： 64种 翻译通常是从mRNA上的起始密码子开始到终止密码子结束 4.密码子与氨基酸关系： ①1种氨基酸可能由1种或几种密码子决定。 ②一般情况下，1种密码子只能决定1种氨基酸。 mRNA 密码子 密码子 密码子 决定 精氨酸 决定 组氨酸 决定 缬氨酸 5.密码子的阅读方向： mRNA的5’端到3’端 5’ 3’ 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？ 教材67页：思考·讨论 ①增强密码子的容错性。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； ②密码子的使用频率。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。 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？ 说明所有生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的。 2.密码子的简并性： 3.密码子的通用性： 1.密码子的专一性： 绝大多数氨基酸都有几个密码子。 地球上几乎所有的生物都共用同一套密码子。 一种密码子决定一种氨基酸。 密码子的特性： mRNA进入细胞质后，就与蛋白质的“装配机器”——核糖体结合起来，形成合成蛋白质的“生产线”。有了“生产线”，还要有“工人”，才能生产产品。 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？ 这种未知的小RNA就是转运氨基酸的搬运工--tRNA RNA链经过折叠，形成三叶草形 3' 5' 每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸 结合氨基酸的部位 氢键 mRNA 5' 3' A C U 密码子 U G A 反密码子 tRNA 一端是携带氨基酸的部位，另一端是反密码子 每个tRNA的这3个碱基可以与mRNA上的密码子互补配对，叫作反密码子 一种氨基酸可能由一种或多种tRNA转运 (1)形态： (2)结构特点： (4)功能特点： (5)反密码子： (3)种类 ： 61或62种 翻译的过程 1、条件: 3、方向: ③能量 mRNA 多种氨基酸（21种不一定全部参与） ATP 沿着mRNA 5’ 端往3’端移动（核糖体的移动方向） ①模板 ②原料 ④酶 4、配对方式: 遗传信息的翻译 2、产物: 具有一定氨基酸顺序的蛋白质 ⑤工具 tRNA A与U配对 U与A配对 C与G配对 G与C配对 mRNA tRNA 翻译结束后，mRNA被迅速降解成单体，以保证生物体生命活动的有序进行。 39 多聚核糖体 先转录后翻译 （2）翻译能够精确进行的原因是什么？ （3）翻译合成的肽链就具有相应的生物学功能吗？ 不具有，还需要加工。 ①mRNA为翻译提供了精确的模板； ②通过mRNA上的密码子和tRNA上的反密码子的碱基互补配对，保证了翻译能够准确地进行。 （1）多条肽链的氨基酸序列是否相同？ 相同，因为其模板相同。 40 翻译的方向： 肽链短→肽链长 41 真核生物 先转录， 后翻译 遗传信息的翻译 42 DNA mRNA RNA聚合酶 边转录边翻译 原核生物 遗传信息的翻译 43 1.每种氨基酸都具有两种或两种以上的密码子。( ) 2.核糖体的翻译通常是从mRNA上的起始密码子开始，终止密码子结束。( ) 3.tRNA由3个碱基构成(　　) 4.mRNA在核糖体上移动翻译出蛋白质(　　) 5.每种氨基酸仅由一种tRNA转运(　　) × 正误判断 √ × × × [典例1] 下列关于遗传信息的翻译的叙述中，正确的是(　　) A.通过翻译将mRNA中的碱基序列翻译为蛋白质中的氨基酸序列 B.生物体内合成蛋白质时，一种氨基酸只能由一种密码子决定 C.生物体内合成蛋白质的氨基酸有21种，则tRNA也有21种 D.生物体内合成蛋白质时，一种密码子一定能决定一种氨基酸 A 如图为某生物细胞中转录、翻译的示意图。据图判断，下列描述中正确的是（ ） B A. 图中表示4条多肽链正在合成 B. 一个基因在短时间内可表达 出多条完全相同的多肽链 C. 核糖体的移动方向为从左向右 D. 多个核糖体共同完成一条肽链的合成 46 DNA复制 转录 翻译 蛋白质 时间 场所 模板 原料 条件 原则 特点 产物 信息传递 细胞分裂间期 主要是细胞核 DNA的两条链 4种脱氧核苷酸 解旋酶、DNA聚合酶等 A-T、T-A、C-G、G-C 半保留复制、边解旋边复制 2个子代DNA分子 生长发育过程 主要是细胞核 基因的一条链 4种核糖核苷酸 RNA聚合酶等 边解旋边转录 RNA 生长发育过程 细胞质 mRNA 21种氨基酸 tRNA、酶等 多核糖体翻译蛋白质 DNA→DNA DNA→mRNA mRNA→蛋白质 A-U、T-A、C-G、G-C A-U、U-A、C-G、G-C 真核细胞中复制、转录、翻译的比较 ◆时间： 1957年 ◆提出者： 克里克 ◆内容： 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 中心法则 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 复制 ◆补充： 少数生物(如一些RNA病毒)的遗传信息可以从RNA流向RNA以及从RNA流向DNA 中心法则 转录 DNA RNA 翻译 蛋白质 逆转录 复制 复制 蛋白质是信息的表达产物 DNA、RNA是信息的载体 ATP为信息的流动提供能量 在遗传信息的流动过程中 生命是物质、能量和信息的统一体 生物种类 遗传信息的传递过程 以DNA作为遗传物质的生物 原核生物 真核生物 DNA病毒 以RNA作为遗传物质的生物 一般RNA病毒 逆转录病毒 (HIV) 翻译 蛋白质 复制 DNA 转录 RNA 复制 RNA 蛋白质 翻译 蛋白质 翻译 转录 DNA RNA 逆转录 RNA 复制 各种生物的遗传信息传递过程 （1）具有逆转录功能的RNA病毒(如艾滋病病毒) 请写出以下生物的遗传信息的传递过程： （2）能分裂的细胞(分生区)及DNA病毒(噬菌体等)遗传信息的传递 （3）高度分化的细胞（洋葱表皮细胞） （4）具有RNA复制功能的RNA病毒（烟草花叶病毒） 课堂小结 基因表达的计算 核心探究 DNA（基因）碱基总数：mRNA碱基数：多肽链氨基酸数 6 ： 3 ： 1 思考：为什么实际上基因表达过程中的数量关系不符合 6∶3∶1？ 因此一般题目中带有“至少”或“最多”字样。 1.无遗传效应的片段和非编码区不能转录出mRNA 2.真核细胞中，内含子转录出的mRNA片段被剪切 3.起始密码子前的mRNA片段不翻译 4.终止密码子及其之后的mRNA片段不翻译 5.蛋白质加工过程会切掉部分氨基酸 一段原核生物的mRNA通过翻译可合成一条含有11个肽键的多肽，则此mRNA分子至少含有的碱基个数及合成这段多肽需要的tRNA个数以及转录此mRNA的基因中至少含的碱基数依次为（ ） A.33、11、66 B.36、12、72 C.12、36、24 D.11、36、72 B 55 习题巩固 1．基因的表达包括遗传信息的转录和翻译两个过程。判断下列相关表述 是否正确。 （1）DNA转录形成的mRNA，与母链碱基的组成、排列顺序都是相同的。 （ ） （2）一个密码子只能对应一种氨基酸，一种氨基酸必然有多个密码子。 （ ） X X 56 习题巩固 密码子决定了蛋白质的氨基酸种类以及翻译的起始和终止。 密码子是指 （ ） A. 基因上3个相邻的碱基 B. DNA上3个相邻的碱基 C. tRNA上3个相邻的碱基 D. mRNA上3个相邻的碱基 D 57 习题巩固 3.红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物能够抑制细菌的生长，它们的 抗菌机制如下表所示， 请结合本节内容说明这些抗菌药物可用于治疗 疾病的道理。 题中的三种抗生素都是通过阻止遗传信息的传递和表达，来干扰细菌蛋白质的合成，进而抑制细菌生长的。具体而言，红霉素影响翻译过程，环丙沙星影响复制过程，利福平影响转录过程。 抗菌药物 抗菌机制 红霉素 能与核糖体结合，抑制肽链的延伸 环丙沙星 抑制细菌DNA的复制 利福平 抑制细菌RNA酶的活性 58 Lavf56.40.101 Tencent APD MTS Lavf56.40.101 Tencent APD MTS $$