4.1基因指导蛋白质的合成 课件 2024—2025学年高一下学期生物人教版必修2

基因指导蛋白质的合成 染色体 → 个 ←—每条染色体上含有一个或两个DNA 分子 DNA —是主要的遗传物质 → 个 < 每个DNA分子含有许多个基因 基因 —是遗传物质的结构和功能单位 人 <—每个基因中含有许多脱氧核苷酸 脱氧核苷酸 染色体是DNA的主要载体 基因是有遗传效应的DNA 片段 基因在染色体上呈线性排列 —→ 基因的脱氧核苷酸排列顺序 代表遗传信息 复习-基因与脱氧核苷酸、 DNA 、染色体的关系 基因如何指导蛋白质合成? 基因(DNA) 的分布： 主要在细胞核(真核生物);拟核(原核生物) 蛋白质的合成场所： 细胞质 分布和合成场所不同，那么遗传信息如何传递?如何解读? 科学家推测： 在DNA 和蛋白质之间，还有一种中间物质充当信使。 DNA 为什么不能出细胞核指导蛋白质的合成? DNA 是遗传物质； 细胞核控制细胞的遗传和代谢。 核糖体为何不进入细胞核合成蛋白质? 细胞核的核孔通道直径为9nm, 核糖体为圆形颗粒状，直径约为23nm 最终结论： 在DNA 和蛋白质之间，有一种中间物质充当信使，这种中间物质是RNA。 DNA 水解产物：脱氧核糖核苷酸 RNA水解产物：核糖核苷酸 DNA完全水解产物：脱氧核糖、磷酸、A 、T、C 、G(4 种碱基) RNA 完全水解产物：核糖、磷酸、A、 U、C、G(4 种碱基) DNA 和RNA 的区别 DNA 中文名称：脱氧核糖核酸 RNA 中文名称：核糖核酸 核糖和脱氧核糖的结构模式图 核糖 脱氧核糖 RNA的分子组成与DNA 很相似， 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。 DNA 和RNA 在化学组成上的区别 RNA 脱氧核糖 胸腺嘧啶(T) DNA 磷酸 腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) 胞嘧啶(C) 核糖 尿嘧啶(U) DNA RNA 组成元素相同 C、H、O、N、P 基本单位不同 脱氧核苷酸 核糖核苷酸 组成不完全 相同 五碳糖 脱氧核糖 核糖 含氮碱基 A、G、C、T A、G、C、U 分布不同 主要在细胞核 主要在细胞质 空间结构不同 规则的双螺旋结构 通常呈单链 种类不同 1 种 ( D N A ) 3种(mRNA、tRNA、rRNA) 功能不同 生物的主要遗传物质 作为部分病毒的遗传物质 作为翻译的模板 作为氨基酸的搬运工 参与核糖体的构成 少数具有催化作用 DNA 和RNA的比较(总结) 方法一：根据五碳糖种类判断 有脱氧核糖的是DNA; 有核糖的是RNA 方法二：根据碱基种类来判断 有胸腺嘧啶(T) 的是DNA; 有尿嘧啶(U) 的是RNA (用放射性同位素标记法，可探知DNA 或RNA) 方法三：根据碱基含量/比例来判断 若嘌呤数≠嘧啶数，则一定不是双链DNA分子 DNA 和RNA 的判断方法 RNA 分为3种 1、信使RNA( mRNA) 蛋白质合成的模板。 2、转运RNA( tRNA) 氨基酸的运载工具。 3、核糖体RNA( rRNA) 核糖体的组成部分。 RNA 的种类 RNA 是由多个核糖核苷酸连接而成的单链分子。 蛋白质 核糖体 tRNA 遗传信息的转录 科学家通过研究发现： 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。 这个过程称为转录。 转录的条件： ①模板：DNA 的一条链 ②原料：4种核糖核苷酸(A/U/C/G) ③酶：RNA 聚合酶(磷酸二酯键) ④能量：ATP 转录的基本过程： ①RNA 聚合酶与编码这个蛋白质的一 段DNA 结合，使DNA 双链解开。 ②细胞中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，依次连接 (磷酸二酯键) ,形成一个mRNA 分 子。 ④mRNA 通过核孔进入细胞质指导翻 译过程，原DNA 恢复双链结构。 第4步 合成的mRNA 从DNA 链上释放。商 后，DNA双链恢复 DNA mRJA 以mRNA 为例说明转录的基本过程 DNA PIA警台酶 游离的核悟核套融 第2步 游离的核塘核苷酸随 机地与DNA 链上的破基碰撞， 当核糖核苷酸与DNA 的碱基互 补时，两者以氢键结合 第 1 步 DNA 双链解 开，DNA双链的碱基得 以暴露 第3步 新结台 的核糖核营酸连 接到正在合成的 mRNA 分子上 以mRNA 为例说明转录的基本过程 RNA 聚合酶 A A T C A A T A G G C U G C G 下 Q A G U G C RNA 聚合酶 A A T C A A T A G U C G U A A A T C A A T AG G C C G U G RNA 聚合酶 U C AA T A G G C RNA 聚合酶 本 U G C G U C G Y A A U U G A G A CD C G T RNA 聚合酶 T A C A G C G Y A A T C U U A G G A U C RNA 聚合酶 A U T A 1 A U C A U G G C A U I TA1 RNA 聚合酶 G G A U 十 A 一 A U A A T C T A U U A G A U 核孔 DNA mRNA TA A U G C 转录的结果： 形成一个mRNA 分子 DNA RNA 聚台酶 转录的意义： 游离的核塘核查配 mPJA 将DNA 上的遗传信息传递到mRNA 上 转录的特点： ①以DNA 一条链为模板 ②边解旋边转录 第2步 游离的核塘核苷酸随 机地与DNA 槌上的碱基碰撞。 当核塘核苷酸与DNA 的碱基互 补时，两者以氦键结合 第 1 步 DNA 双链解 开，DNA双键的碱基得 以暴露 第3步 新结合 的核糖核苷酸连 接到正在合成的 mRNA 分子上 第4步 合成的mRNA 从DNA 链上释放。衡 后，DNA双链恢复 遗传信息的翻译： 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，这个过程叫作翻译。 蛋白质 翻译的实质： 将mRNA 的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列。 翻译的场所： 主要在细胞质中 的核糖体上 ，线粒体和叶绿体中也发生翻译。 rRNA 核糖体 遗传信息的翻译 碱基与氨基酸的对应关系 早先猜测： 1个碱基决定1个氨基酸(4种碱基只能决定4种氨基酸<21种氨基酸) 2个碱基决定1个氨基酸(4种碱基只能决定4²=16种氨基酸<21种氨基酸) 3个碱基决定1个氨基酸(4种碱基只能决定4³=64种氨基酸>21种氨基酸) 推测：3个碱基决定1个氨基酸。 科学家通过推测与实验，得出结论： 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。 CAuao 密码子 密码子 ↓ A 组氨酸 精氨酸 G U G 密码子 A 缬氨酸 mRNA 5' 3' 1954年科普作家伽莫夫 最开始运用排列组合的方式研究遗传密码， 并在《自然Nature》 杂志首次发表了遗传 密码的理论研究的文章，提出三个碱基编 码一个氨基酸的设想。 1954年森格尔用纸层析法分析了胰岛素的结构后，对蛋白质的氨基酸序 列了解得越来越多。 遗传密码子的破译 遗传密码子的破译 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。 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 1 2 3 4 1 2 3 4 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。 丝氨酸 半胱氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 肽链 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 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 UC AG 21种氨基酸的密码子表 A G 密码子的特点 密码子种类：64种 氨基酸种类：21种 特殊密码子说明： ①在正常情况下，UGA 是终止密码子，但在特殊情况下可编码硒代半胱氨酸。 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。 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。 ②1种密码子只能决定1种氨基酸( 正常情况下)。 起始密码子：AUG、GUG (甲硫氨酸) 终止密码子：UAA、UAG、UGA (不编码任何氨基酸) 能决定氨基酸的遗传密码子：61种 密码子的简并性： 像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子的现象。 (简并性的意义：维持物种的稳定性) 密码子的通用性： 几乎所有的生物体都共用一套密码子。(生物之间存在或近或远的亲缘关系) 氨基酸的搬运工——tRNA 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”。将氨基酸运送到“生产线”上去的是“搬运工”一 —tRNA(转运RNA) ③分子结构特别：三叶草的叶形，一端是携带氨基酸的部位，另一端有3个相邻 的碱基，这3个碱基可以与mRNA 上的密码子配对，叫作反密码子。 tRNA 的特点： ①种类很多，61种 ②每种tRNA只能识别并转运1种氨基酸 tRNA 转运RNA Ⅲ A AU CUA U A G mRNA U UA GA U A U C 反密码子 亮氨酸 天冬酰胺 异亮氨酸 tRNA 碱基配对 密码子与反密码子 结合氨基酸 的部位 POH ①模板：mRNA ②原料：合成蛋白质的21种氨基酸 ③能量：ATP ④转运工具：tRNA 注 ：tRNA 和rRNA 都参与蛋白质的合成过程，但是这两种RNA 本身不会翻译 为蛋白质。 mRNA tRNA 遗传信息的翻译 翻译的条件： 翻译的过程： ①mRNA 进入细胞质，与核糖体结合。 ②携带甲硫氨酸的tRNA 开始进行翻译。 ③核糖体移动，读取密码子，并形成肽链。 ④遇到终止密码子，肽链合成终止。 A U G C A C /U G G I 位点1 位点2 甲硫氨酸 UAc 核糖体 组氨酸 G U G mRNA 翻译的特点： ①以mRNA 为模板。 ②一条mRNA 上可以结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成。 ③肽链由相邻的氨基酸通过肽键连接形成。 翻译的结果： 多肽(蛋白质) 5 翻译的意义： AUG 使mRNA 上的遗传信息反映到蛋白质结构上 UAG stop codon 中心法则 克里克在1957年提出中心法则： 遗传信息可以从DNA 流向DNA, 即DNA 的复制； 也可以流向RNA, 进而流向蛋白质，即遗传信息的转录和翻译。 随着研究的深入，中心法则也进行了相关的补充： 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。 转录 复制 DNA 逆转录 翻译 复制 RNA — → 中心法则图解 蛋白质 转录 翻译 复制 DNA —→ RNA —→ 蛋白质 以RNA 为遗传物质的生物遗传信息的传递 翻译 复制 RNA —→ 蛋白质 逆转录 转录 —— 复制 DNA 一 → 以DNA 为遗传物质的生物遗传信息的传递 翻译 RNA — 蛋白质 RNA 中心法则适用条件： ①DNA 复制、转录和翻译是所有具有细胞结构的生物遵循的法则。 ②RNA 复制和逆转录只发生在被RNA 病毒寄生的细胞中，且逆转录过程必须 有逆转录酶的参与。 中心法则的意义： ①对遗传信息流动过程的概括。 ②对DNA 基本功能(传递和表达遗传信息)的概括。 ③对生物遗传物质和性状的关系以及传递途径的概括。 生命是物质、能量和信息的统一体。 mRNA tRNA rRNA 分布部位 常与核糖体结合 细胞质中 与蛋白质结合形成核糖体 特点 带有从DNA上转录下 来的遗传信息 一端与氨基酸结合，一端 有反密码子与mRNA上的 遗传密码子配对 由核仁组织区DNA转录而来， 是核糖体的组成物质 功能 翻译时作模板 翻译时识别密码子、搬运 氨基酸 参与构成合成蛋白质的场所 结构 单链 单链，三叶草形 单链 共同点 都是经转录产生；基本组成单位相同；都与翻译过程相关 3种RNA 总结 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的两条单链 DNA的一条链 mRNA 原料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 21种氨基酸 条件 ATP、解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶、ATP ATP、tRNA、酶 产物 2个双链DNA 1个单链RNA 多肽链 特点 半保留复制；边解旋边复制 边解旋边转录； DNA双链全保留 1条mRNA可同时合 成多条肽链 复制、转录、翻译总结 复制、转录、翻译相关的计算 DNA 的碱基数、mRNA 的碱基数、蛋白质中氨基酸的数量关系： 基因中碱基数：mRNA 的碱基数：蛋白质的氨基酸数 =6n:3n:n ( 若 为DNA 的碱基数，则要大于6n) 蛋白质中肽链条数+肽键数(或脱水数): =蛋白质中氨基酸的数目 =参加转运的tRNA 的数目 =1/3 mRNA的碱基数 =1/6基因的碱基数 课堂练习 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。( X ) (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 ) 2. 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( D ) 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 3. 一条多肽链中有500个氨基酸，则作为合成该肽链的信使RNA 分子和用来转录该信使RNA 的DNA 分子至少要有碱基( D) A.1500 个和1500个 B.500个和1000个 C.1000个和2000个 D.1500个和3000个 4. 已知某转运RNA一端的三个碱基顺序是GAU, 它所转运的氨 基酸是亮氨酸，那么决定此氨基酸的密码子是由下列哪个转录来 的 ( A ) A.GAT B.GAA C.GUA D.GTA 5. 碱基互补配对原则可发生在下列哪些结构中( C) ①线粒体②高尔基体③叶绿体④核糖体⑤中心体⑥细胞核 A.②⑥ B.①②③④⑤⑥ C.①③④⑥ D.①③⑤⑥ $$