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

4.1 基因指导蛋白质的合成 【知识目标】 1.列表比较DNA和RNA的异同 2.从场所、模板、条件、原料、产物等方面比较转录和翻译的异同 【能力目标】 运用数学方法，分析碱基与氨基酸的对应关系 目标一：DNA与RNA的比较 【自主学习】 科学家发现，在DNA和蛋白质之间，还有一种中间物质充当信使，它就是________。 1.（1）为什么RNA适于作DNA的信使呢？ ①它的分子组成与_____很相似，也是由基本单位——核糖核苷酸连接而成，核苷酸也含有四种碱基，也能储存遗传信息。 ②RNA一般是_________，而且比DNA_______，因此能够通过核孔，从细胞核转移到__________中。 ③在RNA与DNA的关系中，也遵循“______________原则”，但U-A。 （2）RNA的在细胞中有三种：信使RNA、转运RNA、核糖体RNA。 ①信使RNA（ ）：单链结构，由DNA转录而来，其碱基序列包含遗传信息，因将DNA中遗传信息转录下来故名信使RNA。遗传密码位于mRNA上。 ②转运RNA（ ）：三叶草结构，头端特定的三个碱基叫反密码子，尾端连接特定的氨基酸，在蛋白质合成中运输氨基酸，所以叫做转运RNA。 ③核糖体RNA（ ）：与核糖体结合，是核糖体的重要组成部分。 2.细胞中的两种核酸的比较：即DNA与RNA的比较 种类项目 DNA RNA 结构 通常呈双链结构 通常呈单链结构 基本单位 四种脱氧核糖核苷酸 四种核糖核苷酸 特有碱基 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U） 五碳糖 脱氧核糖 核糖 存在部位 主要位于细胞核中的染色体上，极少数位于线粒体和叶绿体中 主要位于细胞质中，少量在细胞核中 【合作学习】核酸种类的判断方法： （1）核酸中若有___________，一定为RNA，若有脱氧核糖，一定为___________。 （2）若含T，一定为___________；若含U，一定为___________。所以用放射性同位素标记T或U，可探知DNA或RNA。若大量利用T，可认为进行了DNA的合成；若大量利用U，可认为进行了RNA的合成。 （3）若含T，A≠T或嘌呤≠嘧啶，则为___________。因为双链DNA分子中_____＝_____，_____＝_____，且嘌呤(A＋G)＝嘧啶(T＋C)。 （4）若嘌呤之和≠嘧啶之和，肯定不是双链DNA（可能为单链DNA，也可能为RNA）。但若是细胞中所有核酸的嘌呤≠嘧啶，则可能既有双链DNA，又有RNA。 【典型例题】 例1：下列关于DNA和RNA的叙述，错误的是（ ） A．两种核酸中的五碳糖不相同 B．原核细胞含有5种碱基，8种核苷酸 C．病毒中的遗传物质都是RNA D．人类的遗传物质是DNA，不是RNA 目标二：遗传信息的转录 【自主学习】 （1）转录的含义：RNA是在细胞核中，通过_____________以_______________为模板合成的，这一过程叫作转录。 （2）过程： 第一步：DNA双链解开，DNA双链的碱基得以暴露。 第二步：游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对，在______________的作用下开始mRNA的合成。 第三步：新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上。 第四步：合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双链恢复。 （3）场所：主要在真核细胞的_________中 （4）条件： a.模板：____________________ b.能量：______________________ c.酶：______________________ d.原料：______________________ （5）产物：产生______________________ （6）碱基互补配对原则：__________________________ 【合作学习】 1.转录的单位：转录是以基因为单位的，当转录开始时，并不是整条DNA解旋，而是基因__________解旋。这样可以保护其他不转录基因的安全，因为解旋后容易发生碱基的改变。 2.已知DNA片段的碱基对顺序，写出对应的mRNA的碱基顺序 (以链2为模板进行转录)。 DNA链1：…… A T GA T AGGGAAA…… 链2：…… T AC T A T CCCT T T…… mRNA ……__________________…… 3.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？ 两者均以DNA为模板，都遵循碱基互补配对原则。精确的模板，严格的碱基互补配对原则，保证了遗传信息的准确转录。 4.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 转录 模板 DNA的______________ DNA的_________ 原料 4种游离的脱氧核苷酸 4种游离的核糖核苷酸 能量 ATP 酶 5.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？ RNA与DNA的模板链 ；与另一条链碱基序列相同，但T被U替换。 【典型例题】 例2：如图为真核生物细胞核内转录过程的示意图，下列说法正确的是（ ） A．①链的碱基A与②链的碱基T互补配对 B．②是以4种核糖核苷酸为原料合成的 C．若③表示酶分子，则它的名称是DNA聚合酶 D．②的右侧端为3’端 目标三：遗传信息的翻译 【自主学习】 1.密码子和反密码子 （1）密码子存在于_________上，为相邻3个碱基组成，共有64种。决定氨基酸的密码子有62种；终止密码子有3种，其中2种（UAA、UAG）不决定氨基酸，1种（UGA）决定具体氨基酸；起始密码子有2种（AUG、GUG）决定具体氨基酸。 特性：①通用性：对于所有生物都是通用的。 ②________：几种不同密码子同时决定一种氨基酸。 ③专一性：一个密码子只决定一个特定的氨基酸。 （2）转运RNA（ ）：三叶草结构，头端特定的三个碱基叫_____________，尾端连接特定的___________，在蛋白质合成中运输氨基酸，所以叫做转运RNA。 （3）反密码子存在于________上，能够特异性识别密码子，将所携带的氨基酸放在指定位置。 （4）氨基酸与密码子、反密码子的关系 ①每种氨基酸对应______种密码子，可由______种tRNA转运。 ②1种密码子只能决定______种氨基酸，1种tRNA只能转运______种氨基酸。 思考:mRNA……U－U－A－G－A－U－A－C－U ……上有多少个密码子？写出相应的反密码子，并根据密码子表，列出相应的氨基酸序列： 有密码子____________个与其相应的反密码子为______________________________ 氨基酸序列为__________________________________________（查密码子表填写） 2. 翻译的含义：以__________________为模板合成________________________过程。 （1）该过程起始于起始密码子，终止于__________________。 （2）该过程进行的碱基配对是____________、____________。 （3）__________________在mRNA上以一个密码子(3个碱基)位置为单位移动。 （4）该过程需要条件有：模板________、原料______、运载工具______、场所__________，以及相关的酶和能量等。 （5）过程： 第1步：_________进入细胞质，与_____结合。携带甲硫氨酸的_______，通过与碱基AUG互补配对，进入位点1 第2步：携带组氨酸的tRNA以同样的方式进入位点2 第3步：甲硫氨酸通过与组氨酸形成____________而转移到占据位点2的tRNA上。 第4步：核糖体读取下一个密码子，原占据位点1的tRNA离开核糖体，占据位点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_________的合成。重复步骤2、3、4，直至核糖体读取到mRNA的____________，合成才告终结。 【合作学习】 判断正误： （1）转录只发生在细胞核中 (　　) （2）转录时以核糖核苷酸为原料 (　　) （3）转录时RNA聚合酶能识别DNA中特定碱基序列 (　　) （4）mRNA在核糖体上移动翻译出蛋白质 (　　) （5）不同密码子编码同种氨基酸可增强密码的容错性 (　　) （6）密码子位于mRNA上，是由三个相邻碱基组成的，密码子与氨基酸是一一对应关系 (　　) （7）决定氨基酸的密码子有64种，反密码子位于tRNA上，也有64种 (　　) 【典型例题】 例3：下列有关蛋白质合成的叙述，错误的是（ ） A．mRNA上的个别密码子并不对应多肽链中的一个氨基酸 B．tRNA作为搬运工能结合氨基酸，不会连接多肽链 C．核糖体沿着mRNA不断移动，读取一个接一个的密码子 D．一个mRNA分子可以结合多个核糖体，同时进行多条肽链合成 【自主学习】原核细胞与真核细胞基因表达过程区别 （1）原核生物的转录和翻译的过程（如图1），转录还没有结束，翻译就开始进行，根据肽链合成的长短，可判断翻译的方向是自下到上。 （2）真核生物转录和翻译的过程（如图2），转录在细胞核内结束后， 通过核孔进入细胞质中进行翻译。 （3）二者的区别与判断方法 ①从细胞结构上看，有细胞核或核膜（如图2），为真核细胞；若无细胞核或核膜（如图1），则为原核生物。 ②从发生时间上看，转录和翻译 进行，该过程属于原核生物的基因表达过程（如图1，在真核生物的线粒体、叶绿体中也发生此过程）；转录和翻译 进行（先转录后翻译），该过程属于真核生物的基因表达过程（如图2）。 目标四：中心法则 【自主学习】 1.中心法则：遗传信息可以从DNA流向DNA ，即_______________；也可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质，即_________________________________。 2.中心法则（遗传信息的传递） ①___________；②___________；③___________；④___________；⑤___________。 【合作学习】 1. 剖析中心法则 （1）利用流程图分类剖析中心法则 ①细胞生物及噬菌体等DNA病毒的中心法则为： ②烟草花叶病毒等大部分RNA病毒的中心法则为： ③HIV等逆转录病毒的中心法则为： （2）利用图示分类剖析中心法则 ①图示中1、8为___________过程；2、5、9为___________过程；3、10为___________过程；4、6为___________过程；7为___________过程。 ②若甲、乙、丙为病毒，则甲为_________，如噬菌体；乙为_________，如烟草花叶病毒；丙为_________，如HIV。 【典型例题】 例4：新冠病毒的增殖与大肠杆菌的增殖相比，共同点是（　　） A．遗传物质复制时都需要RNA聚合酶 B．遗传物质复制时所需原料相同 C．都在宿主细胞的核糖体上合成蛋白质 D．都遵循碱基互补配对原则 例5：下图揭示了遗传信息传递的一般规律，叙述正确的是（    ） A．酵母菌细胞中的过程①②只发生在细胞核中，过程③发生在细胞质中 B．过程①②③在洋葱根尖分生区细胞的有丝分裂和减数分裂过程中均会发生 C．蛙的红细胞在进行无丝分裂时不发生过程① D．人体成熟的红细胞在正常生命活动中不发生过程①②③④⑤ 目标五：相关过程与名词的异同 【自主学习】 1．DNA复制、转录和翻译的区别和联系 （1）区别 项目 复制 转录 翻译 作用 传递遗传信息 表达遗传信息 时间 间期 个体生长发育的整个过程 场所 主要在细胞核 主要在细胞核 细胞质的核糖体 模板 原料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 能量 都需要ATP 酶 RNA聚合酶 多种酶 产物 2个双链DNA 产物去向 传递到2个子细胞或子代 通过核孔进入细胞质 组成细胞结构蛋白或功能蛋白 特点 边解旋边复制，半保留复制 边解旋边转录，转录后DNA恢复 一个mRNA分子上可结合多个核糖体，同时合成多条相同的肽链 碱基配对 A－T，T－A，C－G，G－C ，T－A，C－G，G－C ， ，C－G，G－C （2）联系 2．遗传信息、密码子和反密码子的比较 遗传信息 密码子 反密码子 存在位置 DNA mRNA tRNA 含义 脱氧核苷酸（碱基对）的排列顺序 mRNA上决定一个 的3个相邻碱基 与密码子互补的三个碱基 生理作用 直接决定mRNA中碱基排列顺序，间接决定氨基酸的排列顺序 直接决定氨基酸的排列顺序 识别密码子 联系 ①基因中的遗传信息是脱氧核苷酸的 ，通过转录使遗传信息传递到 的核糖核苷酸的排列顺序上； ②mRNA的密码子及其顺序直接控制蛋白质分子中 的排列顺序，反密码子则起到翻译的作用。 3.关于一个mRNA结合多个核糖体，同时合成多条肽链图示的几个问题说明 （1）意义：少量的mRNA分子可以迅速合成出大量的蛋白质。 （2）核糖体在mRNA上移动的方向：从左向右(据上图），判断依据是根据多肽链的长短，长的翻译在前。 （3）蛋白质合成的结果：合成的仅是 ，要形成蛋白质还需要运送至 、 等结构中进一步加工。 （4）图示中4个核糖体合成的4条多肽链因为模板mRNA相同，所以合成了4条相同的多肽链，而不是4个核糖体共同完成一条 的合成，也不是合成出4条不同的肽链。 【典型例题】 例6：下图表示真核细胞中核基因遗传信息的传递和表达过程，下列叙述正确的是(　　） A．甲、乙两图所示生理过程都需要解旋酶和DNA聚合酶 B．甲、乙两图所示生理过程中，所需模板完全相同 C．乙、丙两图表示的是核基因遗传信息的表达过程 D．甲、乙、丙三图所示生理过程中，碱基配对情况相同 目标六：基因控制蛋白质合成中的相关计算 【自主学习】 （1）DNA(基因）、mRNA上碱基数目与氨基酸数目之间的关系 可见，蛋白质中氨基酸数目＝ mRNA碱基数目＝ DNA(或基因）碱基数目。 （2）蛋白质合成中的“最多”和“最少” 因为DNA(基因）、mRNA上有一些碱基不编码氨基酸(如mRNA上的终止密码子等），所以实际上编码n个氨基酸，mRNA上所需的碱基数目大于3n，基因上碱基数目大于6n，故一般题干中求氨基酸数有“最多”、求碱基数有“至少”等字样。在回答有关问题时，也应加上“最多”或“至少”等字。 如：mRNA上有n个碱基，转录产生它的基因中至少有 个碱基，该mRNA指导合成的蛋白质中最多有 个氨基酸。 （3）基因中碱基与蛋白质相对分子质量之间的计算 若基因中有n个碱基，氨基酸的平均相对分子质量为a，合成含m条多肽的蛋白质的相对分子质量＝a· n/6－18(n/6－m）；若改为n个碱基对，则公式为a·n/3－18(n/3－m）。 【典型例题】 例7：假设一段mRNA上有60个碱基，其中A有15个，G有25个，那么转录该mRNA的DNA分子区段中，“C＋T”的个数以及该mRNA翻译成的蛋白质所含氨基酸的个数分别是(不考虑终止密码子）(　　） A．60、20　　 B．80、40 C．40、20 D．40、30 例8：已知一个由两条肽链组成的蛋白质分子，共有肽键198个，翻译该蛋白质分子的mRNA中A和U占25%，则转录该mRNA的DNA分子中，C和G有(　　） A．700个 B．800个 C．600个 D．900个 例9：下图表示细胞中蛋白质合成的部分过程，叙述不正确的是 ( ） A．甲、乙分子上含有A、G、C、U四种碱基 B．甲分子上有m个密码子，乙分子上有n个密码子，若不考虑终止密码子，该蛋白质含m＋n－1个肽键 C．若控制甲合成的基因受到紫外线照射发生了一个碱基对的替换，那么丙的结构可能会受到一定程度的影响 D．丙的合成是由两个基因共同控制的 目标七：中心法则五个过程的比较 过程 DNA复制 转录 翻译 RNA复制 逆转录 DNA→DNA DNA→RNA RNA→多肽 RNA→RNA RNA→DNA 场所 真核细胞在细胞核、 、 中；原核生物主要在拟核 核糖体 宿主细胞 宿主细胞 模板 DNA的 DNA的 mRNA RNA RNA 原料 含A、T、C、G的四种脱氧核苷酸 含A、U、C、G的四种核糖核苷酸 含A、U、C、G的四种核糖核苷酸 含A、T、C、G的四种脱氧核苷酸 碱基互补配对 A—T T—A T—A A—U U—A A—T U—A C—G G—C C—G G—C C—G G—C C—G G—C C—G G—C 关键酶 解旋酶、DNA聚合酶 催化脱水缩合的酶 RNA聚合酶 产物 DNA RNA RNA DNA 实例 绝大多数生物 绝大多数生物 所有生物（病毒依赖宿主细胞） 以RNA为遗传物质的生物 某些致癌病毒、HIV等 【自主学习】 补充：1982年，科学家发现一种结构异常的蛋白质可在脑细胞内大量“增殖”引起疾病，证明遗传信息从蛋白质流向蛋白质的途径是有可能存在的。 【典型例题】 例10：下图所示的中心法则揭示了生物遗传信息由DNA向蛋白质传递与表达的过程，下列相关叙述正确的是(　　） A．人体细胞中，无论在何种情况下都不会发生e、d过程 B．在真核细胞有丝分裂间期，a先发生，b、c过程后发生 C．能特异性识别信使RNA上密码子的分子是tRNA，后者所携带的分子是氨基酸 D．真核细胞中，a过程只发生在细胞核，b过程只发生在细胞质 【达标检测】 1.不属于基因功能的是（　　） A．携带遗传信息 B．携带遗传密码 C．能转录信使RNA D．能控制蛋白质的合成 2.下列有关基因和染色体的叙述错误的是（ ） ①染色体是基因的主要载体，基因在染色体上呈线性排列 ②摩尔根利用果蝇进行杂交实验，运用“假说一演绎”法确定了基因在染色体上 ③若A、B为同源染色体，A上的基因一定能在B相同置处找到其等位基因 ④一条染色体上有许多基因，染色体就是由基因组成的 ⑤萨顿研究蝗虫的减数分裂，运用类比推理的方法提出假说“基因在染色体上” ⑥北极熊的基因都存在于染色体上 A．①②③ B．④⑥ C．③④⑥ D．③⑥ 3.某单细胞生物一个基因片段的模板链碱基序列为：5'-ATGCGTACGTTAGC-3'。下列相关叙述正确的是（ ） A．该生物在细胞分化过程中发生基因的选择性表达 B．该片段复制时，两条子链的延伸方向均为5'→3' C．该基因发生一个碱基对的替换，其控制的性状一定改变 D．该模板链转录产物的序列为5'-AUGCGUACGUUAGC-3' 4.某蛋白质由n条肽链组成，氨基酸的平均分子量为a，控制该蛋白质合成的基因含b个碱基对，则该蛋白质的分子量约为（ ） A．2/3ab－6b＋18n B．1/3ab－6b C．(1/3b－a)×18 D．1/3ab－(1/3b－n)×18 5.核糖体是蛋白质合成的场所。某细菌进行蛋白质合成时，多个核糖体串联在一条mRNA上形成念珠状结构——多聚核糖体（如图所示）。下列叙述正确的是（ ） （密码子一氨基酸：AGC-丝氨酸； GCU-丙氨酸； CGA-精氨酸； UCG-丝氨酸） A．图1所示结构可以缩短合成一条肽链所需的时间 B．图1所示 mRNA的右侧为3'端 C．图2中tRNA 所携带的氨基酸为精氨酸 D．测定发现图1的mRNA中C 占24%, 则DNA中T所占比例为26% 读书不觉已春深，一寸光阴一寸金。第 1 页 共 3 页 学科网（北京）股份有限公司 $