4.1 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

第1节 基因指导蛋白质的合成 第四章 基因的表达 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，因此具有抗虫性状。转入的是基因，得到的却是蛋白质！为什么会这样？ 基因可以控制蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达。 课本63页： ①DNA主要存在于细胞的哪个部分？ ②蛋白质合成的场所是什么？ DNA（主：细胞核） 蛋白质合成（细胞质的核糖体上） ？ 问题回顾 细胞核 细胞质中的核糖体 通过信使——RNA RNA是什么物质？为什么RNA适于作DNA的信使？ （一）RNA概述 1.RNA的全称： 2.RNA的基本单位： 3.RNA与DNA在化学组成上的主要区别： 核糖核酸 4种核糖核苷酸 （1）五碳糖不同：RNA的五碳糖是核糖，DNA的五碳糖是脱氧核糖； （2）碱基不完全相同：RNA的碱基组成中没有碱基T，而有碱基U，DNA与之相反； **科学家常用同位素分别标记胸腺嘧啶脱氧核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸来研究DNA、RNA的动态变化； 一 、遗传信息的转录 4.RNA与DNA在结构上的主要区别： DNA是规则的________结构，RNA一般是____链，而且比DNA____； 双螺旋 单 短 5、RNA适于作DNA信使的原因？64、65页 ①它也是由基本单位——核苷酸连接而成，由核糖、磷酸、碱基(C、G、A、U(尿嘧啶))共同组成4种核苷酸，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。 ③在RNA与DNA的关系中，也遵循“碱基互补配对原则”，但由于RNA中没有T，DNA中没有U，所以当RNA与DNA有关系时，U与A配对。 种类 mRNA tRNA rRNA 名称 信使RNA 转运RNA 核糖体RNA 功 能 结 构 示 意 图 共同点 传递遗传信息； 蛋白质合成的模板 识别并转运特定氨基酸 组成核糖体 单链 单链，部分碱基配对形成三叶草型结构 单链 ①都是转录的产物；②基本单位相同；③都与翻译过程有关。 少数RNA还具有催化作用，有的作为RNA病毒的遗传物质 6、RNA的种类、结构及功能 DNA的遗传信息是怎样传给mRNA的呢？ 一 、遗传信息的转录 （二）转录 1.转录的概念 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。 3´ 5´ （二）转录 注意：mRNA、rRNA和tRNA都是转录而来的。 U A G C 游离的核糖核苷酸 RNA聚合酶 第1步：RNA聚合酶与编码这个蛋白质的一段DNA结合，使DNA双链解开，碱基暴露出来 第2步：游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对，在RNA聚合酶作用下开始mRNA的合成 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：新合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双螺旋恢复。 DNA （二） 转录 11 5’ 3’ 3’ 5’ 第1步： 解旋 RNA聚合酶与编码蛋白质的一段DNA结合，使DNA双链解开，碱基暴露出来 注意：该过程不需要解旋酶，RNA聚合酶作用于氢键有解旋作用； 2.转录的过程 （二）转录 碱基互补配对原则 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 第2步 mRNA的合成 游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对，在RNA聚合酶的作用下开始mRNA的合成。特点：边解旋边转录 新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上（RNA聚合酶催化） 延伸方向：从5’-端→3’-端 2.转录的过程 第3步 mRNA的延伸 第4步 转录的结束和mRNA的释放 合成的mRNA从DNA上释放，而后DNA恢复双螺旋结构。 mRNA （先合成的先释放） 2、转录的过程 RNA聚合酶 转录 DNA分子 碱基互补配对 主要在细胞核 A－U、T－A、G－C、C－G 活细胞新陈代谢过程中 mRNA 小结 模板：DNA的一条链（供转录的那一条） 原料：四种游离的核糖核苷酸 能量：细胞提供的能量（ATP等） 酶：RNA聚合酶 场所： 原则： 条件： 遗传信息流动： 时间： 特点： 边解旋边转录 DNA→mRNA 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 新链从5’端-3’端延伸 新链从5’端-3’端延伸 小结 问题情境 转录后进入细胞质的mRNA仍是碱基序列，而不是蛋白质，那么mRNA上的碱基序列如何能变成蛋白质中氨基酸的种类数目和排列顺序呢？ 要想知道mRNA是如何翻译成蛋白质的，首先要寻找mRNA的碱基与氨基酸之间的对应关系； 碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的？ 思考： 组成蛋白质的氨基酸： 信使RNA的碱基： 4种碱基如何决定蛋白质的21种氨基酸呢？ 21种 4种 思考：如果1个碱基决定1种氨基酸，则 思考：如果2个碱基决定1种氨基酸，则 A、G、C、U分别决定1种，共4种 AA AG AC AU GA GG GC GU CA CG CC CU UA UG UC UU 共有16种组合，可以决定16种氨基酸 第1个碱基 第2个碱基 A G C U A G C U 如果1个碱基决定1种氨基酸，则 如果2个碱基决定1种氨基酸，则 共有16种组合，可以决定16种氨基酸 42 A、G、C、U分别决定1种，共4种 41 如果3个碱基决定1种氨基酸，则 43 共有64种组合 经过科学家一步步的推测与实验，最后破解了遗传密码，得知mRNA上3个相邻的碱基决定一个氨基酸；每3个这样的碱基叫做1个密码子，并将64个密码子编制成密码子表； 二、遗传信息的翻译 A A G U G U U A U mRNA 密码子 密码子 密码子 1.密码子的概念 密码子认读是从mRNA的5'→3'，相邻的密码子无间隔、不重叠 5' 3' （一）密码子和密码子表 mRNA上3个相邻的碱基决定一个氨基酸；每3个这样的碱基叫做1个密码子 第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基 U C A G U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C 亮氨酸 丝氨酸 终止 终止、硒代半胱氨酸 A 亮氨酸 丝氨酸 终止 色氨酸 G C 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C 亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A 亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G A 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C 异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A 甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 G G 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C 缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A 缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G 第1个碱基 第2个碱基 第3个碱基 密码子 苯丙氨酸 U U U UUU 精氨酸 A G G AGG 2.密码子的种类 （1）共有____种密码子； （2）有____种起始密码子： （3）有____种终止密码子： 64 2 真核生物只有1种—____，编码_________； 原核生物可以有2种—_____（编码_________）和____（编码_________，如果该密码子不作为起始密码子时，其编码_________） AUG 甲硫氨酸 AUG 甲硫氨酸 GUG 甲硫氨酸 缬氨酸 3 ______和_______不编码氨基酸； 正常情况下，____也不编码氨基酸，特殊情况下，可以编码_________； UAA UAG UGA 硒代半胱氨酸 3.密码子的特性 课本P67： 1.从密码子表上可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子——①简并 2.几乎所有的生物都共用一套密码子表——②通用性 *简并性的意义：增强密码子的容错性，即当一个碱基改变时，由于简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸；当某种氨基酸使用频率高时，几种不同的密码子都编码一种氨基酸，可以保证翻译的速度 *启示：生物可能有着共同的祖先，共同的起源；转基因可以实现； 思考： 当某DNA碱基发生改变，是否一定会导致生物性状发生改变？ 不一定； 因为发生改变的碱基可能有以下两种情况： 1.该碱基位于DNA无遗传效应的片段上； 2.该碱基改变后形成的密码子与原来的密码子决定同一种氨基酸（简并） mRNA进入细胞质后，就与蛋白质的“装配机器”________结合起来，形成合成蛋白质的“生产线”；有了“生产线”，还要“工人”才能生产产品； 核糖体 那么，游离的氨基酸，是怎样被运送到“生产线”上的呢？ 通过tRNA的识别和转运 （二）tRNA和反密码子 1.tRNA的结构 经过折叠，tRNA呈_______ ____形； 一端是携带氨基酸的部位，游离的基团为_____，是此单链RNA的__ ___； 一端有3个相邻的碱基，可以与_______上的_________互补配对，叫做________； 三叶草的叶 -OH 3’-端 mRNA 密码子 反密码子 易错知识点判断： 一个tRNA只有三个碱基 （ ） RNA通常都是单链，因此不存在碱基对 （ ） 一个tRNA分子只有一个反密码子 （ ） 因为tRNA只有一个3’-端和5’-端，所以即使tRNA有部分片段互补配对形成碱基对，tRNA依然是单链构成的 （ ） × × √ √ 2.反密码子的识别 tRNA的__ __往__ __识别，tRNA与mRNA也是反向连接的； 3’-端 5’-端 A C G U G U U U A mRNA C A U 甲硫氨酸 3’ 5’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ A A C G A U 缬氨酸 异亮氨酸 3、tRNA与氨基酸的对应关系 每种tRNA只能识别并转运____种氨基酸； 而一种氨基酸可由__________种tRNA转运； 一 C A U U C U C U C mRNA A A G 亮氨酸 3’ 5’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ G A G 亮氨酸 亮氨酸 U A G 一或多 五、遗传信息的翻译 （三）翻译 1.翻译的概念： 2.翻译的实质** 3.发生时期 _____在_______中各种_______，以______为模板合成____________________ ___ _的过程； 游离 细胞质 氨基酸 mRNA 具有一定氨基酸顺序的蛋白质 将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列 个体生长发育的整个过程 （在细胞发育的任何时期都可以进行） 4.发生场所 主要在细胞质中的核糖体 5.产物 多肽（或蛋白质） 位点1 E 位点2 甲 A U G C A C U G G C G U U G C U G U C C U U A A 3’ 5’ 起始 密码子 C A U 5’ 3’ 6.遗传信息的翻译过程 第1步：mRNA进入细胞质，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 位点1 E 位点2 甲 第2步：携带某个氨基酸的tRNA以同样的方法进入位点2 C A U 5’ 3’ 组 G U G 5’ 3’ A U G C A C U G G C G U U G C U G U C C U U A A 3’ 5’ 起始 密码子 第3步：甲硫氨酸与这个氨基酸形成肽键，从而转移到位点2的tRNA 6.遗传信息的翻译过程 位点1 E 位点2 甲 C A U 5’ 3’ 色 C C A 5’ 3’ A U G C A C U G G C G U U G C U G U C C U U A A 3’ 5’ 起始 密码子 组 G U G 5’ 3’ 精 A C G 5’ 3’ 半 G C A 5’ 3’ 半 A C A 5’ 3’ 脯 A G G 5’ 3’ 第4步：核糖体沿着mRNA移动，读取下一个密码子，原位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。 6.遗传信息的翻译过程 34 位点1 E 位点2 A U G C A C U G G C G U U G C U G U C C U U A A 3’ 5’ 起始 密码子 A C A 5’ 3’ 甲 色 组 精 半 半 脯 A G G 5’ 3’ 释放因子 直至核糖体读取到mRNA上的终止密码子，合成才告终止。 肽链释放后，盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子。 6.遗传信息的翻译过程 35 场所: 模板: 原料: 酶: 能量： 产物: 原则: 主要细胞质的核糖体上 以信使RNA为模板 21种氨基酸 多种酶 多个多肽或蛋白质 密码子与反密码子配对, 既碱基互补配对原则（A=U，G=C） ATP tRNA mRNA 7.翻译的条件 8.多聚核糖体 （1）意义 （2）产物之间的关系 （3）由此图判断翻译的方向（即核糖体移动的方向） 一个mRNA分子上可以相继结合___个核糖体，同时进行____条肽链的合成 多 多 少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质 ①多个核糖体各自合成各自的链，产物是多条肽链，不是一条； ②由于模板是同一段mRNA，所以图示多个核糖体合成的肽链是相同的； 左→右 9.真核细胞和原核细胞翻译的区别 真核生物：核基因先转录后翻译 原核生物：可以边转录边翻译 为什么会是这样呢？ 原核生物没有核膜，转录和翻译可以发生在同一空间内，所以可以边转录边翻译 G C A C G T G C A 模板链 丙氨酸 DNA （基因片段） mRNA 氨基酸 DNA 碱基数目 mRNA 碱基数目 氨基酸 数目 ： ： ： ： 10、拓展：基因表达的计算 6 3 1 说明： 若氨基酸数为n，由于mRNA中存在终止密码子等片段，实际上mRNA上所含的碱基要大于3n，基因上所含有的碱基数要大于6n，因此一般题目中带有“至少”或“最多”字样才能使用这个比例关系； 现学现练： 1.一条多肽链上有氨基酸300个，则作为合成该多肽链 模板的信使RNA分子和转录信使RNA的DNA分子至少要 有碱基多少个（ ） A.300；600 B.900；1800 C.900；900 D.600；900 B 2.某基因中含有1200个碱基，则由它控制合成的一条肽链的最多含有肽键的个数是 ( 　 ) A．198个 B．199个 C．200个 D．201个 B DNA的复制、转录和翻译的比较 复　制 转  录 翻  译 时间 场所 模板 原料 能量 酶 产物 碱基配对 特点 方向 意义 细胞分裂前的间期 个体生长发育的整个过程 主要在细胞核 主要在细胞核 核糖体 DNA的两条链 DNA中的一条链 mRNA 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 21种氨基酸 解旋酶、DNA聚合酶等 RNA聚合酶等 翻译相关的多种酶 两个双链DNA分子 mRNA、tRNA、rRNA 多肽（蛋白质） A-T T-A G-C C-G A-U T-A G-C C-G A-U U-A G-C C-G 边解旋边复制（过程）半保留复制（结果） 边解旋边转录 原核生物可以边转录边翻译；一个mRNA上结合多个核糖体提高翻译效率 新链从5’端-3’端延伸 从起始密码子到终止密码子 细胞提供的能量（ATP、dNTP） 细胞提供的能量（ATP等） 细胞提供的能量 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 表达遗传信息，使生物表现出各种性状 新链从5’端-3’端延伸 三、中心法则（遗传信息传递的一般规律） 1.提出者： 2.内容： 3.补充内容 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 克里克 4.完整的中心法则图示 少数生物（如一些RNA病毒）的遗传信息可以从RNA流向RNA（即RNA的复制）以及从RNA流向DNA（即逆转录） **虚线表示少数生物的遗传信息的流向 5.不同生物的不同遗传信息传递图解 （1）以DNA为遗传物质的生物（原核生物、真核生物、DNA病毒） （2）一般RNA病毒（非逆转录病毒，如烟草花叶病毒等） （3）逆转录病毒（HIV病毒等） **不是所有的细胞都有DNA复制，例如高度分化的细胞，不会存在DNA复制，只有转录和翻译； **RNA复制后与遗传物质互补的RNA不能直接作为遗传物质； **该过程需要病毒自己携带逆转录酶进入宿主； 逆转录的产物是DNA片段，原料是脱氧核苷酸； 在遗传信息的流动过程中，DNA、RNA是信息的载体，蛋白质是信息的表达产物，而ATP为信息的流动提供能量，可见： 生命是物质、能量和信息的统一体 趣味了解：《遗传密码的破译》课本P70 克里克用实验证明3个碱基决定1个氨基酸； 尼伦伯格和马太采用蛋白质体外合成技术，在每个试管分别加入一种氨基酸，再加入除去DNA和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸，结果加入苯丙氨酸的试管出现多聚苯丙氨酸肽链，得出苯丙氨酸密码子为UUU； 后来科学家采用该思路，破译出全部密码子 （1）多聚尿嘧啶核苷酸的作用： 作为模板mRNA控制蛋白质合成 （2）各试管加入的细胞提取液提供： 能量、酶、核糖体、tRNA （3）细胞提取液除去DNA和mRNA目的： 排除细胞原有的DNA和mRNA对蛋白质合成的影响 （4）对照组是： 加入其他种类氨基酸的3组 （5）想知道更多种类氨基酸的密码子，怎样改变实验： 依次用不同种类的多聚核苷酸代替多聚尿嘧啶核苷酸 $