第4章 基因的表达知识总结-2025-2026学年高一下学期生物人教版必修2

第4章 基因的表达 第1节 基因指导蛋白质的合成 一、基因的表达的概念：指基因使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上，从而使后代表现出与亲代相似的性状的这一过程。 ▼基因主要有三大功能：①储存遗传信息；②通过复制，传递遗传信息；③通过表达，控制生物的遗传性状。 二、RNA与DNA的比较： 核酸 DNA（脱氧核糖核酸） RNA（核糖核酸） 分布 主要在细胞核（线粒体、叶绿体） 主要在细胞质内（细胞核内也有） 基本组成单位 脱氧核苷酸（四种） 核糖核苷酸（四种） 化学组成 磷酸 磷酸 五碳糖 脱氧核糖（C5H10O4） 核糖（C5H10O5） 碱基 腺嘌呤（A） 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 鸟嘌呤（G） 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U） 胞嘧啶（C） 胞嘧啶（C） 空间结构 主要是有规则的双螺旋结构（双链） 主要是单链结构 功能 作为遗传物质，携带、传递和表达遗传信息 ①mRNA：转录遗传信息，翻译的模板 ②tRNA：运输特定氨基酸 ③rRNA：核糖体的组成成分 其它 不能通过核孔 比DNA短，能通过核孔，从细胞核转移到细胞质。 ▼问题：RNA为什么适于作DNA的信使？ ⑴构成RNA的核苷酸也含有4种碱基，可以储存遗传信息（承载DNA上的遗传信息）； ⑵RNA一般是单链，而且比DNA短，能通过核孔。 三、基因指导蛋白质合成的过程——即基因的表达过程 ——分为两大阶段：遗传信息的转录和翻译。 （一）遗传信息的转录 1．概念：(主要)在细胞核内，通过RNA聚合酶以DNA(基因)的一条链为模板合成RNA的过程。 ▼提示：在细胞质，如叶绿体、线粒体中，也有遗传物质DNA，因此也有转录和翻译。 2．大致过程： (1)在细胞核内，RNA聚合酶与DNA特定部位结合并在其的作用下，其特定区段上的双链解开，双链的碱基得出暴露——解旋。 (2)游离的核糖核苷酸随机地与DNA的碱基碰撞，当核糖核苷酸与DNA的碱基互补时，两者得以结合——配对。 (3)新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的RNA分子上——连接。 (4)合成的mRNA从DNA链上释放，DNA双螺旋恢复——释放。 3．转录的基本条件： ①模板：DNA(基因)的一条链—模板链。 ②原料：4种游离的核糖核苷酸。 ③能量：ATP—细胞呼吸。 ④有关酶：RNA聚合酶等。 ▼提醒： 1.模板链（反义链）和非模板链（有义链）：在转录过程中，DNA（基因）只有一条链能作为转录的模板，即具有转录功能，这一条链叫模板链。另一条没有转录功能，即不能作为模板的链叫非模板链（也叫有义链）。就某一个基因来说，模板链一般是固定不变的，同一个DNA上不同的基因，模板链可能相同，可能不同的。 2.与DNA复制过程相比，转录过程碱基互补配对的方式有所区别： DNA复制：A—T，G—C。转录：A—U，T—A，G—C。 3.转录的方向(RNA链的延伸方向)：5'→3'。 4.转录的产物：mRNA、tRNA和rRNA等。 5.边解旋边转录有利于提高转录的效率。 （二）遗传信息的翻译 1．概念：在细胞质的核糖体上，以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。 2．密码子及密码子表： ㈠密码子：指mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基。 ㈡关于密码子表： ⒈共有43=64个密码子。有61个密码子可以决定氨基酸，称为“有意义密码”。其中有3个终止密码（UAA、UAG、UGA），表示翻译终止，但不能决定氨基酸，称为“无意义密码”。有2个起始密码子（AUG、GUG）表示翻译开始，同时可以决定氨基酸。 ⒉一种氨基酸可以只有一个密码子（如甲硫氨酸），也可以有几种不同的密码子（称为密码子的简并性）。即几种不同的密码子决定的是同一种氨基酸。 ⒊一种转运RNA只能运输一种氨基酸，但某一种氨基酸可能由几种不同的转运RNA来运输。 ⒋所有的生物共用一套密码子表。这说明了所有的生物具有共同的祖先。 ▼提醒：核糖体是翻译的场所。转运RNA是运载氨基酸的工具。mRNA是蛋白质的合成的模板。 3．转运RNA（tRNA）——氨基酸的运载工具 单链RNA，比mRNA小得多，经折叠后外形呈三叶草形，见右图。 特点如下： ①每一种转运RNA都有两端，一端有三个碱基，能专一性与信使RNA上的特定的3个碱基（即密码子）配对，另一端是携带氨基酸的部位。——反密码子。 ②转运RNA具有高度的专一性。即一种tRNA只能运载一种相应的氨基酸。并将其放于mRNA的相应部位。 ③反密码子：指tRNA上可以与mRNA上的碱基互补配对的3个碱基。 4．过程描述：（参照课本P66图4－6） (1)在细胞核内转录形成的mRNA通过核孔进入细胞质，并与核糖体结合。 (2)通过tRNA的运输作用，把细胞质中相应的氨基酸运送进入核糖体，并按碱基互补配对原则(A~U、C~G)，把氨基酸安放在正确的位置上，接着第二个转运RNA又带着相应的氨基酸进入核糖体，把氨基酸放在正确的位置，这两个氨基酸发生脱水缩合反应，并通过肽键连在一起，与此同时，核糖体在mRNA上会移位(移动3个碱基的位置)，准备接受新的氨基酸。这样不断进行下去，肽链也就不断延伸，直到在mRNA上出现终止密码子为止。 (3)肽链合成后，与mRNA脱离，脱离后，再经过一定的折叠、卷曲等，最终形成一个具有一定氨基酸顺序的、有一定空间结构和功能的蛋白质分子。 5．翻译的基本条件： 场所：核糖体；运载工具：转运RNA。 ①模板：mRNA。②原料：（21种）氨基酸。③能量：ATP，来自于细胞呼吸。④有关酶：有关蛋白质合成的酶。 ▼提示：通常，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（这些多肽链的氨基酸序列相同）的合成，因此少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。 ▼注意：DNA复制主要发生于细胞分裂的间期，而转录与翻译则可能发生在活细胞的任何时期。 ▼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 概念 基因中脱氧核苷酸的排列顺序 mRNA中决定一个氨基酸的三个相邻碱基 tRNA中与mRNA密码子互补配对的三个碱基 作用 控制生物的遗传性状 直接决定蛋白质中的氨基酸序列 识别密码子，转运氨基酸 种类 基因中脱氧核苷酸种类、数目和排列顺序的不同，决定了遗传信息的多样性 64种：其中61种能翻译出氨基酸 3种是终止密码子，不能翻译氨基酸 61种 联系 ①基因中脱氧核苷酸的序列mRNA中核糖核苷酸的序列 ②mRNA中碱基序列与基因模板链中碱基序列互补 ③密码子与相应反密码子的序列互补配对 四、中心法则的提出及其发展 （一）中心法则的提出： 1．提出人：克里克。 2．内容（即克里克的观点）：遗传信息可以从DNA流向DNA（即DNA的自我复制），也可以由从DNA流向RNA，进而流向蛋白质（即遗传信息的转录和翻译）。但是遗传信息不能从蛋白质流向蛋白质；也不能从蛋白质流向DNA或RNA。 图示： （二）中心法则的发展——重要补充 1.RNA的复制：在某些病毒中，发现了一种RNA复制酶，要在其催化作用下，RNA也可以复制，即遗传信息可以从RNA→RNA。如车前草病毒、烟草花叶病毒。 2.逆转录：在某些病毒中，发现一种逆转录酶，在这种逆转录酶的作用下，能够以RNA为模板，合成DNA。即发现遗传信息可以从RNA流向DNA，并且把这一过程，叫做逆转录现象。如HIV、SARS病毒、流感病毒，某些致癌病毒等。 ▼提示：RNA的复制和逆转录是病毒具有的生命现象（遗传信息传递的途径），但它们发生在病毒的宿主细胞中。 （三）遗传信息的传递过程——－完善后的中心法则可总结为： ▼在遗传信息的流动过程中，DNA、RNA是信息载体，蛋白质是信息的表达产物，而ATP为信息流动提供能量，可见，生命是物质、能量和信息的统一体。 [小结]：——逆转录和RNA复制的基本条件小结： ⒈逆转录的基本条件：①模板：RNA；②原料：四种脱氧核苷酸；③能量：ATP——由宿主细胞呼吸提供；④有关酶：逆转录酶等。 ⒉RNA复制的基本条件：①模板：RNA；②原料：四种核糖核苷酸；③能量：ATP，由宿主细胞呼吸提供；④有关酶：RNA复制酶等。 ▼不同的生物或细胞内遗传信息的传递途径有所不同： (1)绝大多数生物(所有真核生物、原核生物、DNA病毒) ： (2)某些RNA病毒，如烟草花叶病毒、车前草病毒等： (3)HIV、SARS病毒等逆转录病毒中： (4)在神经细胞等失去了分裂能力的细胞内： 第2节 基因表达与性状的关系 一、基因表达产物与性状的关系 基因通过控制蛋白质的合成来控制生物体的遗传性状。 ▼基因控制生物体性状的方式（原理）： 1.基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体性状 2.基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。 二、基因的选择性表达与细胞分化 1.管家基因和奢侈基因： (1)管家基因：在所有细胞中都表达的基因，指导合成的蛋白质是维持细胞基本生命活动所必需的。 (2)奢侈基因：只在某类细胞中特异性表达的基因。 2.细胞分化的本质是基因的选择性表达。 ▼特别提示：一般地，同一生物个体内，不同的细胞中，DNA相同，mRNA不完全相同，蛋白质不完全相同。 三、表观遗传 (一)定义：生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象，叫做表观遗传。 (二)表观遗传的特点：1.基因序列保持不变；2.基因表达发生变化(是否表达，表达水平改变)；3.引起生物表型的变化；4.可以遗传。 (三)表观遗传的方式(即基因表达的调控方式)： 1.DNA甲基化修饰 2.组蛋白修饰(甲基化或乙酰化) 组蛋白是组成染色质的主要蛋白质，组蛋白被修饰后，染色体形态发生变化，有利于基因表达(促进表达)或不利于基因表达(抑制基因表达)。 3.非编码RNA (三)表观遗传的现象及应用 1.表观遗传现象： 表观遗传现象普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中。举例如下： (1)基因组成相同的同卵双胞胎所具有的微小差异就与表观遗传有关。 (2)一个蜂群中，蜂王和工蜂都是由受精卵发育而来的，但它们在形态、结构、生理和行为等方面截然不同，表观遗传也在其中发挥了重要作用。 (3)多细胞生物体中，由受精卵分裂分化来的各种细胞，形态结构和生理功能不同，在细胞分化过程中，表观遗传发挥了重要作用。 2.表观遗传的应用： 首例克隆猴“中中”和“华华”在中国诞生。 1.克隆猴有难度： 自1996年第一只克隆羊 “多莉”诞生以来，各国科学家先后克隆牛、狗等多种其他哺乳动物，但一直没能跨越与人类最相近的非人灵长类动物的 “屏障” 。这是为什么呢？ 体细胞与受精卵相比，细胞核中的DNA基本相同，但其DNA上的表观遗传修饰不同，因此基因表达也有所差异，于是体细胞细胞核转移入去核卵细胞后，无法正常 “指挥” 生长发育过程。如何突破这一难点呢？ 2.应用表观遗传突破难点：研究人员在细胞核转移后，引入表观遗传调节剂，关闭抑制胚胎发育的基因。他们向融合细胞内注入去甲基化酶Kdm4d的mRNA，去除甲基化修饰，并用组蛋白去乙酰化抑制剂TSA处理细胞， 最终在表观因子的刺激下， 重新激活被抑制的基因，大大提高了胚胎发育的效率和代孕母猴成功怀孕的比例。 目前，表观遗传在疾病诊断、治疗和药物开发方面都有广阔的应用前景。 四、基因与性状的对应关系 1.基因与性状的关系并不都是简单的一一对应(线性)关系。 生物体的有些性状是由单个(对)基因控制，有些性状由多个(对)基因共同控制，有些单个(对)基因可影响生物体的多种性状。 2.生物性状的调控网络： 基因与基因、基因与基因产物、基因与环境之间存在着复杂的相互作用，这种相互作用形成了一个错综复杂的网络，精细地调控着生物体的性状。 学科网（北京）股份有限公司 $