4.1.2 基因指导蛋白质的合成课件-2025-2026学年高一下学期生物人教版必修2

必修二 第4章 基因的表达 第1节 基因指导蛋白质的合成 (第2课时) 转录的实质： 通过转录，遗传信息由DNA传递给了mRNA。 DNA上的碱基排列顺序 【思考】基因转录只得到mRNA么？(教材P65) 转录 Bt抗虫蛋白基因 ...TACCTATTGTTAGGC... ...ATGGATAACAATCCG... ...AUGGAUAACAAUCCG... Bt抗虫蛋白mRNA 转录 ①信使RNA(mRNA) ③核糖体RNA(rRNA) ②转运RNA(tRNA) ：携带遗传密码，指导合成蛋白质传达DNA上的遗传信息 ：氨基酸的运载工具 ：核糖体的组成部分 mRNA tRNA rRNA 其他作用：某些病毒的遗传物质或催化作用的酶 【思考】基因转录只得到mRNA么？ (教材P65) 转录 ？ 蛋白质 Bt抗虫蛋白基因 ...TACCTATTGTTAGGC... ...ATGGATAACAATCCG... ...AUGGAUAACAAUCCG... Bt抗虫蛋白mRNA Bt抗虫蛋白 转录 ？ 遗传信息到达细胞质后，细胞又是怎样解读的呢？ mRNA携带的遗传信息 蛋白质 核苷酸排序 氨基酸排序 任务四：探究碱基与氨基酸的对应关系 转录得到的RNA是核糖核酸，而不是蛋白质。那么，RNA上的碱基序列与蛋白质中氨基酸的种类、数量和排列顺序有何关系？ AA AG AC AU GA GG GC GU CA CG CC CU UA UG UC UU mRNA： 碱基的数量 蛋白质： 氨基酸的数量 碱基的排列顺序 碱基的种类 氨基酸的排列顺序 氨基酸的种类 4种 21种 问题1：4种碱基是怎样决定蛋白质的21种氨基酸的呢？ 1个碱基决定一个氨基酸，则能决定： 决定 决定 决定 2个碱基决定一个氨基酸，则能决定： 3个碱基决定一个氨基酸，则能决定： 41=4 42=16 43=64 第1个碱基 第2个碱基 A G C U A G C U 任务四：探究碱基与氨基酸的对应关系 组成人体蛋白质的氨基酸有21种，至少需要3个碱基对应1个氨基酸 碱基和氨基酸间的对应关系可能 最多编码的氨基酸种类 1个碱基→1个氨基酸 2个碱基→1个氨基酸 3个碱基→1个氨基酸 4个碱基→1个氨基酸 …… 三联体密码的提出 三联体密码的实验证据 野生型噬菌体 插入3个碱基（位置接近） 野生型或接近野生型噬菌体 野生型噬菌体 野生型或接近野生型噬菌体 上述实验结果可以用三联体密码解释，但难以用四联体密码解释。 删去3个碱基（位置接近） 4 16 64 256 GGTTCGCACGCTTTGAGC GGTATCGCACGCTTTGAGC GGTAATCGCACGCTTTGAGC GGTAAATCGCACGCTTTGAGC 分析上图: 减少___个碱基对原有氨基酸序列影响最小。 3 插入1个碱基： 插入3个碱基： 插入2个碱基： 克里克是第一个用实验证明遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸的科学家。这个实验还同时表明:遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的方式阅读,编码之间没有分隔符。 生物科学史话 生物科学史话 每个试管各加入一种氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，结果加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链。 1961-1962年，尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验： 生物科学史话 mRNA 5' 3' 密码子 密码子 密码子 决定 决定 决定 缬氨酸 组氨酸 精氨酸 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 P67密码子表： 问题2：什么是密码子？根据材料遗传密码的阅读方式是重叠的还是非重叠的？遗传密码的阅读是连续的还是存在有分隔符？ 问题3：密码子一共有多少种？所有的密码子都能决定氨基酸吗？ 共64种；有2个终止密码子没有对应的氨基酸。能决定氨基酸的遗传密码只有62个。 任务四：探究碱基与氨基酸的对应关系 21种氨基酸的密码子表 真核生物的起始密码子均为AUG，编码甲硫氨酸 原核生物GUG也可以是起始密码子，编码甲硫氨酸。但，GUG作为肽链中间的密码子，编码缬氨酸。 问题4：请找出苯丙氨酸、丝氨酸的密码子，每种氨基酸都只与一种密码子对应吗？ 苯丙氨酸: UUU、UUC 不是 任务四：探究碱基与氨基酸的对应关系 丝氨酸: UCU、UCC、UCA、UCG AGU、AGC 起始密码子 终止密码子 AUG(甲硫氨酸) UGA(硒代半胱氨酸) 密码子 (64种) AUG(甲硫氨酸)、 UAA、UAG (不编码任何氨基酸) 编码氨基酸的密码子_____种 62 ②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。 原核生物: 真核生物: GUG(甲硫氨酸,缬氨酸) ①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。 任务四：探究碱基与氨基酸的对应关系 讨论1：你认为密码子的简并对生物体的生存和发展有什么意义？ 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。 1.专一性 一种密码子决定一种氨基酸。 2.简并性 绝大多数氨基酸都有几个密码子。 3.通用性 几乎所有的生物都共用同一套密码子。 讨论2：根据密码子的通用性这一事实，你能想到什么？ 生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的 问题5：你能总结出密码子的特点么？ 遗传密码小结 （1）遗传密码共64个，能决定氨基酸的遗传密码有62个（含UGA）。有3个终止密码子（含UGA），一般情况下没有对应的氨基酸。 （2）专一性：一个密码子决定一个特定的氨基酸。 （3）密码子的简并性： 多数氨基酸有2个以上的密码子。 （4）密码子的通用性： 地球上几乎所有的生物共用一套密码子表。 任务四：探究碱基与氨基酸的对应关系 mRNA通过核孔进入细胞质，与核糖体结合，组装成合成蛋白质的生产线。 细胞质中的氨基酸怎样运输到蛋白质生产线？ 5´ 3´ 异亮氨酸 甲硫氨酸 谷氨酸 亮氨酸 色氨酸 精氨酸 P 结合氨基酸的部位 反密码子 5´ 3´ 5´ 3´ A C A tRNA的反密码子和所携带的氨基酸有何关系？ mRNA OH tRNA的结构 18 （2）存在碱基互补配对现象，形成氢键 tRNA为单链 （1）反密码子： 每个tRNA上的这3个碱基可以与mRNA上的密码子互补配对，称反密码子 tRNA含多个碱基 （3）对应关系： 一种tRNA只能转运一种氨基酸， 一种氨基酸可由多种tRNA转运。 结合氨基 酸的部位 碱基配对 反密码子 tRNA的结构 转运RNA(tRNA)具有两个特异性端，一为氨基酸臂，是携带一定氨基酸的，一为反密码子环，其上裸露着三个碱基，称反密码子，不同的转运RNA其反密码子是不同的。 19 模拟题常认为密码子和反密码子一一对应，从而认定反密码子（或tRNA）有62种。 实际上反密码子中的碱基I能与A、C、U配对，这有利于提高mRNA和tRNA配对的速率。 tRNA ...AUGGAUAACAAUCCG... Bt抗虫蛋白mRNA Bt抗虫蛋白 ？ 任务五：通过物理模型模拟遗传信息的翻译过程 问题1:mRNA上的什么信息决定着翻译的起始和终止？ 问题2:图4-7中的mRNA上共有几个密码子？ 问题3:翻译时，tRNA是如何与核糖体配合，准确搬运氨基酸的？请模拟翻译的过程。 起始密码子和终止密码子 5个 [小组活动]：请根据提供的mRNA、tRNA、核糖体的模型，以小组为单位模拟翻译过程。概述翻译的过程，思考以下几个问题。（提示：参考课本第68页的图4-7） mRNA翻译成蛋白质的过程 [小组活动]：请根据提供的mRNA、tRNA、核糖体的模型，以小组为单位模拟翻译过程。 任务五：通过物理模型模拟遗传信息的翻译过程 聚/焦/大/单/元·共/研/新/理/念 A U G G A U A A A A C U C C G U A A 位点1 位点2 U A C Met C U A Asp U U A Asn G G C Pro [1]进入细胞质的mRNA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，携带相应氨基酸的tRNA以同样方式进入位点2 U U G Asn 任务五：通过物理模型模拟遗传信息的翻译过程 CAC 组氨酸 UGG 色氨酸 CGU 精氨酸 UGC 半胱氨酸 24 聚/焦/大/单/元·共/研/新/理/念 U A C Met C U A Asp U U G Asn G C A Arg G G C Pro [2]甲硫氨酸与位点2 tRNA上的氨基酸形成肽键。核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子。原位点2的RNA进入位点1，原位点1的RNA离开核糖体，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成 任务五：通过物理模型模拟遗传信息的翻译过程 A U G G A U A A A A C U C C G U A A CAC 组氨酸 UGG 色氨酸 CGU 精氨酸 UGC 半胱氨酸 25 聚/焦/大/单/元·共/研/新/理/念 C U A Met Asp U U G Asn U U A Asn G G C pro [2]甲硫氨酸与位点2 tRNA上的氨基酸形成肽键。核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子。原位点2的RNA进入位点1，原位点1的RNA离开核糖体，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成 任务五：通过物理模型模拟遗传信息的翻译过程 A U G G A U A A A A C U C C G U A A CAC 组氨酸 UGG 色氨酸 CGU 精氨酸 UGC 半胱氨酸 26 聚/焦/大/单/元·共/研/新/理/念 Met Asp Asn Asn G G C Pro [3]随核糖体的移动tRNA以上述方式将携带的氨基酸输送过来以合成肽链。当核糖体遇到mRNA的终止密码子时，合成终止 任务五：通过物理模型模拟遗传信息的翻译过程 A U G G A U A A A A C U C C G U A A CAC 组氨酸 UGG 色氨酸 CGU 精氨酸 UGC 半胱氨酸 27 肽链合成后，就从核糖体与mRNA的复合物上脱离，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分子，然后开始承担细胞生命活动的各项职责。 盘曲 折叠 盘绕 聚集 任务五：通过物理模型模拟遗传信息的翻译过程 ...AUGGAUAACAAUCCG... Bt抗虫蛋白mRNA Bt抗虫蛋白 （部分序列） 翻译 任务五：概述遗传信息的翻译过程 问题4：请写出翻译后合成的氨基酸序列。(提示：查阅密码子表) 根据翻译的过程，请归纳翻译的概念： 请阅读课本第68页的图4-7，回答下列问题： 甲硫 氨酸 天冬 氨酸 天冬 酰胺 天冬 酰胺 脯氨酸 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。 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。 基因指导蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达 场所： 产物： 模板： 条件 原料： 酶 能量： 运载工具： 信息流动方向： 游离21种 。 核糖体 有一定 顺序的蛋白质/多肽 mRNA 氨基酸 ATP mRNA → 蛋白质/多肽 （密码子） （控制性状） 氨基酸 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。 遗传信息的翻译-小结 酶：rRNA催化肽键形成 31 转录 翻译 正在合成的多肽链 翻译 转录 DNA 真核生物主要在细胞核中进行转录,然后在细胞质中进行翻译(在线粒体、叶绿体中也可边转录边翻译)。　 原核细胞与真核细胞转录、翻译比较: 原核生物：边转录边翻译 真核生物:先转录后翻译 原核生物没有核膜,转录和翻译在同一空间进行,两个过程常紧密偶联，同时发生。 基因表达速率更快 32 [正误判断5]1. DNA是蛋白质合成的直接模板。（　　　）2. mRNA在核糖体上移动翻译出蛋白质。（　　　）　　　3. 翻译过程发生在核糖体中。（　　　）4. 在人体细胞中，能进行DNA的复制、转录和翻译。（　　　） [当堂检测5] 下列有关蛋白质合成的叙述，错误的是（ ）A. 终止密码子可以编码氨基酸 B.每种tRNA只转运1种氨基酸C. tRNA的反密码子携带了决定氨基酸序列的遗传信息D.核糖体可在mRNA上移动 × × √ √ C 一条mRNA如何在短时间内合成多个相同的蛋白质？观察图片回答下列问题： (1)图中每个核糖体是共同合成一条多肽链，还是分别合成一条完整的多肽链？ (2)图中合成的4条多肽链是否相同？判断依据是什么？ (3)图中翻译的方向？ (4)图中所示的翻译方式对生命体具有怎样的意义？ 分别合成 相同 因为模板mRNA相同 左→右 少量的mRNA 分子可以迅速合成大量的蛋白质。（翻译是一个快速高效的过程） 【小组讨论】 项目 复制 转录 翻译 场所 条件 模板 原料 能量 酶 原则 特点 产物 信息传递 细胞核（主要场所） 细胞核（主要场所） 核糖体 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 21种游离的氨基酸 ATP ATP ATP 解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶 DNA RNA 多肽 A-T T-A G-C C-G A-U T-A G-C C-G A-U U-A G-C C-G 特定的酶 DNA的复制、转录和翻译的比较 半保留复制,边解旋边复制 边解旋边转录 多核糖体翻译蛋白质 DNA→DNA DNA→mRNA mRNA→蛋白质 A T A C G G A A C α T A T G C C T T G β 转录 U A UG C C U U G DNA 模板链 RNA DNA、RNA的碱基和氨基酸的数量关系 A T A C G G A A C α 翻译 遗传信息 密码子 反密码子 A U A C G G C A A 酪氨酸 丙氨酸 缬氨酸 肽链 氨基酸 【小组讨论】 DNA、RNA的碱基和氨基酸的数量关系 (1)DNA碱基数∶mRNA碱基数∶氨基酸数＝6∶3∶1 【小组讨论】 (2)计算中“最多”和“最少”的分析 DNA、RNA的碱基和氨基酸的数量关系 ①翻译时，mRNA上的终止密码子不决定氨基酸，因此准确地说，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注意“最多”或“最少”：在回答有关问题时，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至少有2n个碱基，该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。 科学家克里克首先预见了遗传信息传递的一般规律，并于1957年提出了中心法则： 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。 DNA 复制 转录 RNA 翻译 蛋白质 任务六：回顾中心法则的提出和修正过程 随着研究的不断深入，科学家对中心法则作出了补充： 请同学们观察：“HIV生活史模式图”关注遗传信息的流向，并依照中心法则的形式绘制出艾滋病毒遗传信息的流动图解。 【资料1】逆转录病毒的信息流动： HIV生活史模式图 某些致癌病毒、艾滋病病毒 随着研究的不断深入，科学家对中心法则作出了补充： 任务六：回顾中心法则的提出和修正过程 【资料2】某类非逆转录病毒的信息流动： RNA 新冠病毒生活史模式图 请同学们观察：“新冠病毒生活史模式图”绘制遗传信息的流动图解。 流感病毒、SARS病毒、烟草花叶病毒 任务六：回顾中心法则的提出和修正过程 随着研究的不断深入，科学家对中心法则作出了补充： 生命是物质、能量、信息的统一体。 任务六：回顾中心法则的提出和修正过程 逆转录和RNA复制通常发生在RNA病毒中，一般认为正常细胞不发生逆转录和RNA复制。实际上人体干细胞中的端粒酶具有逆转录活性。 利用DNA合成蛋白质目前只在实验室条件下实现，生物体内暂未发现。 43 逆转录 复制 DNA 复制 转录 RNA 翻译 蛋白质 随着研究的不断深入，科学家对中心法则作出了补充： 【资料1】许多RNA病毒（如脊髓灰质炎病毒、双链RNA噬菌体等）在感染宿主细胞后，其RNA能进行自我复制；一些小型核酶（如锤头核酶、发夹核酶等）也参与自我复制，表明有一部分RNA具有自我复制的能力。 【资料2】在逆转录病毒（如HIV）中的逆转录酶的作用下，遗传信息可以从RNA传递到DNA。 任务六：回顾中心法则的提出和修正过程 DNA聚合酶 解旋酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 核糖体 DNA mRNA 多肽链 复制 转录 翻译 你能根据DNA复制和基因指导蛋白质合成的过程画一张流程图，表示遗传信息的传递方向吗？ DNA → mRNA （遗传信息）（密码子） mRNA → 蛋白质 （密码子）（控制性状） DNA → DNA （亲代遗传信息）（子代密码子） ①遗传信息的转录 场所： 产物： 模板： 条件 原料： 酶： 能量： 信息流动方向： 细胞核（主要）、线粒体、叶绿体 mRNA（还有tRNA和rRNA） DNA的 链 一条 核糖核苷酸 RNA聚合酶（作用于 键） 游离的四种 磷酸二酯键和氢 ATP DNA → mRNA （遗传信息） （密码子） （以真核生物为例） 知识梳理 场所： 产物： 模板： 条件 原料： 酶： 能量： 信息流动方向： 游离21种 。 核糖体 有一定 顺序的蛋白质 mRNA 氨基酸 rRNA（催化 ） ATP mRNA → 蛋白质 （密码子） （控制性状） 氨基酸 肽键形成 ②遗传信息的翻译（以真核生物为例） 知识梳理 DNA的复制、转录和翻译的总结 决定 决定 决定 决定 在细胞核内进行转录 在细胞质内进行翻译 知识梳理 美国科幻电影《侏罗纪公园》曾轰动一时。影片围绕着虚构的“侏罗纪公园”，展现了丰富而新奇的科学幻想：各种各样的恐龙飞奔跳跃、相互争斗，而这些复活的恐龙是科学家利用提取的恐龙DNA还原而来的。 从恐龙化石中提取出恐龙 DNA ，真的可以使恐龙复活吗？ 问题探讨 一、概念检测 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。 （ ） × × 练习与应用 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 （ ） 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 练习与应用 二、拓展应用 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。 练习与应用 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.42_sync_fix $