2020版高中生物第四章基因的表达1基因指导蛋白质的合成课件（新人教版必修2）

 第4章 基因的表达 第1节 基因指导蛋白质的合成 一、遗传信息的转录 1.转录的含义: 结合遗传信息转录的概念,判断下列说法的正误。 (1)转录主要发生在细胞核中。 ( ) (2)转录的模板是DNA的一条链。 ( ) (3)转录的原料是4种核苷酸。 ( ) √ √ × (4)转录遵循碱基互补配对原则A-U、G-C、C-G、T-A。 ( )√ 2.过程: 3.遗传信息的传递方向:DNA→____。RNA 【激疑】 储存在DNA中的遗传信息为什么不能直接指挥细胞质中 蛋白质的合成? 提示:DNA被核膜限制在细胞核内,使转录和翻译过程分 别在细胞的不同区域进行,有利于这两项重要生命活动 高效、准确地进行。 二、遗传信息的翻译 1.密码子与反密码子的比较: 密码子 反密码子 种类 ___种 ___种 位置 _____ _____ 实质 决定一个氨基酸的____ ___________(终止密码 除外) 与_______发生碱基互 补配对的3个相邻的碱 基 64 61 mRNA tRNA 3个 相邻的碱基 密码子 2.概念: 3.过程: (1)起始:_____与_______结合。 (2)运输:_____携带氨基酸置于特定位置。 (3)延伸:核糖体沿_____移动,读取下一个密码子,由对 应的_____运输相应的氨基酸加到延伸中的肽链上。 (4)终止:当核糖体读取到_____上的_________时,合成终 止。 mRNA 核糖体 tRNA mRNA tRNA mRNA 终止密码 【激疑】 已知一段氨基酸序列为甲硫氨酸—谷氨酸—丙氨酸— 半胱氨酸,控制该段氨基酸序列的mRNA的碱基序列是否 唯一? 提示:不唯一。因为一种氨基酸可由多个密码子决定。 知识点一 RNA的结构和种类 1.RNA的结构和种类: 2.DNA和RNA的比较: 比较项目 DNA RNA 组成 单位 基本组成 单位不同 脱氧核苷酸 核糖核苷酸 五碳糖 不同 脱氧核糖 核糖 碱基不同 A、G、C、T A、G、C、U 结构不同 规则的双螺 旋结构 一般为单链 【思考·讨论】 1.结合学过的内容,归纳RNA的作用有哪些?(科学思维) 提示:①某些RNA具有催化作用。 ②作为某些病毒的遗传物质。 ③作为合成蛋白质的模板。 ④组成核糖体的成分。 ⑤识别并转运氨基酸。 2.DNA是双链结构,两条单链之间通过氢键相连,那么单 链的RNA分子中,是否存在氢键?(科学思维) 提示:可能存在。tRNA上不同部位的碱基通过氢键配对, 使tRNA形成三叶草结构。 【素养案例】 下列关于DNA和RNA的结构与功能的说法,错误的是 (  ) A.区分单双链DNA、单双链RNA四种核酸可以依据碱基 比率和种类判定 B.双链DNA分子中碱基G、C含量越高,其结构稳定性相 对越大 C.含有DNA的生物,其遗传物质是DNA不是RNA D.含有RNA的生物,其遗传物质是RNA不是DNA 【解题导引】抓住两个关键: (1)根据碱基互补配对原则判断单双链DNA和RNA。 (2)细胞生物的遗传物质是DNA,病毒的遗传物质是DNA 或RNA。 【解析】选D。组成DNA和RNA的碱基种类不完全相同, 且双链DNA和RNA分子中碱基之间的配对遵循碱基互补 配对原则,因此区分单双链DNA、单双链RNA四种核酸可 以根据碱基比率和种类判定,A正确;双链DNA分子中,C 和G之间有3个氢键,A和T之间有2个氢键,因此碱基G、C 含量越高,其结构稳定性相对越大,B正确;含有DNA的生 物,其遗传物质是DNA不是RNA,C正确;含有RNA的生物, 其遗传物质是RNA或DNA,D错误。 【素养·探究】——情境迁移 非洲猪瘟是一种急性、发热传染性很高的滤过性病毒 所引起的疾病,其特征是发病过程短,但死亡率高达 100%,临床表现为发热,皮肤发绀,淋巴结、肾、胃肠黏 膜明显出血。 (1)如何用同位素标记法探究其遗传物质是DNA还是 RNA?(科学探究) 提示:分别用标记的胸腺嘧啶和尿嘧啶培养该病毒的宿 主细胞,然后让该病毒侵染宿主细胞,检测得到病毒的 放射性。若标记胸腺嘧啶组得到的病毒有放射性,则遗 传物质为DNA;若标记尿嘧啶组得到的病毒有放射性,则 遗传物质为RNA。 (2)除了用同位素标记法外,还可以用什么方法确定其 遗传物质的种类?(科学探究) 提示:提取该种病毒的核酸,分析其碱基种类,若含有碱 基T,则遗传物质为DNA;若含有碱基U,则遗传物质为RNA。 【素养·迁移】 1.如图为核苷酸的模式图,下列相关说法不正确的是 (  ) A.DNA与RNA在核苷酸上的不同点只有②方面 B.如果②为核糖,则③有4种 C.③在生物体中共有5种 D.人体内的③有5种,②有2种 【解析】选A。DNA与RNA在核苷酸上的不同点:五碳糖 不同,含氮碱基不完全相同;如果②为核糖,则③有4种, 可构成4种核糖核苷酸;③在生物体中共有5种,即A、G、 C、T、U;人体内既有DNA又有RNA,所以人体内的③有5 种,②有2种。 2.在信使RNA分子结构中,相邻的碱基G与C之间是通过 什么结构连接而成的 (  ) A.3个氢键 B.—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖— C.—核糖—磷酸—核糖— D.—磷酸—核糖—磷酸— 【解析】选C。相邻碱基G与C之间不按照碱基互补配对 原则配对形成氢键,A项错误;信使RNA分子结构中不含 脱氧核糖,B项错误;信使RNA是单链结构,相邻核糖核苷 酸之间的核糖和磷酸之间以磷酸二酯键相连,则相邻的 碱基G与C之间是通过“—核糖—磷酸—核糖—”连在 一起的,C项正确,D项错误。 知识点二 遗传信息的转录和翻译 1.相关图解及分析: (1)图解: (2)分析: 2.DNA复制、转录和翻译的比较:   DNA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的两条链 DNA的一条链 mRNA 原料 四种脱氧核苷 酸 四种核糖核苷 酸 20种氨基酸 条件 酶(解旋酶、 DNA聚合酶)、 ATP 酶(RNA聚合酶 )、ATP 酶、ATP   DNA复制 转录 翻译 产物 DNA RNA 多肽链 特点 边解旋边复制、 半保留复制 边解旋边转录 一个mRNA上 可结合多个 核糖体,同时 合成多条相 同肽链 碱基 配对 A-T,T-A,G-C,C -G A-U,T-A, G-C,C-G A-U,U-A,G- C, C-G   DNA复制 转录 翻译 遗传 信息 传递 DNA→DNA DNA→RNA RNA→蛋白质 意义 将遗传信息从 亲代传给子代, 从而保持遗传 信息的连续性 表达遗传信息,使生物表现出 各种性状 【思考·讨论】 1.某同学认为“转录和翻译是两个独立的过程,因此这 两个过程是不能同时进行的”,说出你对这句话的评价, 并分析。(科学思维) 提示:这句话是错误的。真核细胞中,转录的主要场所 是细胞核,而翻译的场所是核糖体,所以转录和翻译不 能同时进行;而原核细胞没有细胞核,DNA在转录的同时, 合成的RNA同时结合核糖体进行翻译。 2.翻译的产物是多肽链,如果要成为有活性的胰岛素, 需在什么场所进行加工修饰?(科学思维) 提示:胰岛素是分泌蛋白,需在内质网和高尔基体加工 修饰。 【素养案例】 在大肠杆菌的遗传信息的传递过程中,不会发生的是 (  ) A.DNA分子在RNA聚合酶的作用下转录出mRNA B.mRNA可以结合多个核糖体同时进行多条肽链的合成 C.DNA复制、转录都是以DNA两条链为模板,翻译则是以 核糖体RNA为模板 D.转录和翻译可以在细胞质中同时进行 【解题导引】 (1)关键信息:题干中生物为大肠杆菌,为原核生物;遗 传信息的传递途径。 (2)重要知识:真核细胞和原核细胞遗传信息传递的异 同。 【解析】选C。DNA复制以DNA的两条链为模板,转录只 以DNA的一条链为模板;大肠杆菌是原核生物,在细胞质 中同时进行转录和翻译。 【素养·探究】——母题追问 (1)科学思维——归纳总结 mRNA可以结合多个核糖体同时进行多条肽链的合成,合 成的这些肽链是否相同?其意义是什么? 提示:由于是对同一条mRNA进行的翻译过程,所以得到 的多肽链是相同的,这样可以提高翻译的效率,在短时 间内合成大量相同的肽链。 (2)科学探究——设计实验 现提供数量足够的胰岛素基因、RNA聚合酶、ATP、4种 游离的核糖核苷酸,其他条件均满足,设计实验证明转 录只以基因的一条链还是两条链为模板进行。 提示:在两支试管中加入适量且等量的胰岛素基因、 RNA聚合酶、ATP、4种游离的核糖核苷酸,反应一段时 间后检测试管中RNA的种类。若只有一种RNA,则证明只 以胰岛素基因特定的一条链为模板进行转录;若有两种 RNA,则证明是以胰岛素基因的两条链为模板进行转录。 【素养·迁移】 1.关于基因控制蛋白质合成的过程,下列叙述正确的是 (  ) A.一个含n个碱基的DNA分子,转录的mRNA分子的碱基数 是n/2个 B.细菌的一个基因转录时两条DNA链可同时作为模板, 提高转录效率 C.DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点分别在DNA和RNA 上 D.在细胞周期中,mRNA的种类和含量均不断发生变化 【解析】选D。DNA上可能有不具有遗传效应的片段,且 基因会选择性表达,所以mRNA分子的碱基数小于n/2个; 转录是以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则 合成RNA的过程;DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点都 在DNA上;在细胞周期中,如分裂间期的G1期和G2期中, mRNA的种类和含量有所不同。 2.（2019·全国卷Ⅰ)用体外实验的方法可合成多肽链。 已知苯丙氨酸的密码子是UUU，若要在体外合成同位素 标记的多肽链，所需的材料组合是( ) ①同位素标记的tRNA ②蛋白质合成所需的酶 ③同位素标记的苯丙氨酸 ④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸 ⑤除去了DNA和mRNA的细胞裂解液 A．①②④ B．②③④ C．③④⑤ D．①③⑤ 【解析】选C。本题考查基因表达的条件。用体外实验 的方法合成多肽链，应该提供蛋白质合成的各种条件， 如果在体外合成同位素标记的多肽链，就应该以同位 素标记的苯丙氨酸为原料，以人工合成的多聚尿嘧啶 核苷酸为模板，还需要tRNA、酶等条件，这些可以由 除去了DNA和mRNA的细胞裂解液提供，所以所需的材料 组合是③④⑤。 知识点三 转录和翻译过程中的数量关系 1.遗传信息、密码子、反密码子的比较: 项目 遗传信息 密码子 反密码子 作用 控制生物 的性状 直接决定蛋白质 中的氨基酸序列 识别密码子,转 运氨基酸 图解 2.密码子、反密码子、氨基酸的对应关系: 由上图得出如下结论: (1)由①⑥知:除终止密码外,一种密码子对应一种反密 码子。 (2)由④⑤知:一种氨基酸对应一种或多种密码子(或反 密码子)。 (3)由②③知:一种密码子(除终止密码)或一种反密码 子只对应一种氨基酸。 3.基因表达过程中相关数量计算: (1)DNA(基因)、mRNA上碱基数目与氨基酸数目之间的 关系。 ①图示: ②规律:蛋白质中氨基酸数目=1/3 mRNA中碱基数目 =1/6 DNA(或基因)中碱基数目。 ③计算公式:蛋白质中肽链数+肽键数=氨基酸数= 1/3 mRNA中碱基数=1/6基因中碱基数。 (2)计算中“最多”和“最少”的分析。 ①翻译时,mRNA上的终止密码子不决定氨基酸,则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在回答问题时应加上“最多”或“最少”等字,如 mRNA上有n个碱基,转录产生它的基因中最少有2n个碱 基,该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。 【思考·讨论】 1.“不同的基因表达出的蛋白质一定不同”,这句话描 述是否准确,说出你的理由。(科学思维) 提示:这句话是错误的。基因是有遗传效应的DNA片段, 不同基因的碱基种类和排列顺序不同,但由于一种氨基 酸可以对应多种密码子,所以即使两个基因的碱基种类 和排列顺序不同,也可能表达出相同的蛋白质。 2.在不同个体的细胞中,DNA、mRNA和tRNA三种物质中 具有特异性的有哪些?在同一个体的不同细胞中,DNA、 mRNA和tRNA三种物质中具有特异性的有哪些?(科学思 维) 提示:不同个体的细胞中DNA是不同的,转录出的mRNA不 同,但tRNA都有61种,所以不同个体的细胞中DNA和mRNA 具有特异性,tRNA没有特异性;同一个体的不同细胞中 DNA是相同的,由于基因的选择性表达,不同细胞中mRNA 不同,tRNA没有特异性,所以同一个体的不同细胞中 mRNA有特异性,DNA和tRNA没有特异性。 【素养案例】 某条多肽的相对分子质量为2 778,若氨基酸的平均相 对分子质量为110,如不考虑终止密码子,则编码该多肽 的基因长度至少是 (  ) A.75对碱基     B.78对碱基 C.90对碱基 D.93对碱基 【解题导引】 (1)抓题眼:“不考虑终止密码子”“基因长度至少”。 (2)巧关联:由多肽链相对分子质量推导出氨基酸数量, 根据氨基酸数量、mRNA上碱基数和DNA上碱基数的数量 关系推导。 【解析】选C。蛋白质中的肽键数=脱去的水分子数=水 解消耗水分子数=氨基酸分子个数-肽链数;蛋白质的相 对分子质量=氨基酸总质量(氨基酸分子个数×氨基酸 平均相对分子质量)-失水量(18×脱去的水分子数)。 根据题意,若求基因的长度首先应计算出氨基酸的个数 (设为n),则有n×110-(n-1)×18=2 778,推出n=30,又 因为题干中给出“不考虑终止密码子”,所以密码子数 为30个,而DNA分子中三个连续的碱基对决定一个密码 子,所以需要30×3=90个碱基对。 【素养·探究】——母题追问 (1)科学思维——数据模型 若考虑终止密码子,上题中的基因长度至少是多少? 提示:终止密码子对应mRNA中3个碱基,对应DNA中的6个 碱基(3对碱基),所以此时基因长度至少为90+3=93个碱 基对。 (2)科学思维——归纳与概括 如果该基因片段中含有碱基A 40个,则该基因片段复制 3次时至少需要游离的G多少个(不考虑终止密码子)? 提示:该基因片段中A=T=40,所以G=C=50,复制3次需游 离的G=(23-1)×50=350个。 【素养·迁移】 1.如图表示蓝藻DNA上遗传信息、密码子、反密码子间 的对应关系。请判断下列说法正确的是 (  ) A.分析题图可知①链是β链,完成此过程的场所是细胞 核内 B.除图中所示的两种RNA之外,RNA还包括tRNA C.图中翻译过程需要在核糖体上进行 D.能够决定氨基酸的③的种类有61种 【解析】选C。选项A,根据碱基互补配对原则,从图中 ②的碱基组成可以确定β链是转录模板,蓝藻是原核生 物,没有细胞核,错误。选项B,RNA包括mRNA(图中②)、 tRNA(图中③)和rRNA(核糖体RNA),错误。选项C,图中 翻译过程在核糖体上进行,正确。选项D,能够决定氨基 酸的是密码子,密码子在mRNA上,③是tRNA,上面有反密 码子,能够决定氨基酸的密码子有61种,错误。 2.如图表示某原核生物的细胞内发生的一系列生理变 化,X表示某种酶,请据图分析并回答下列问题: 世纪金 榜导学号 (1)酶X的移动方向为__________。一个mRNA有_____ _____个游离的磷酸基团,以该mRNA为模板翻译的多肽 链甲与多肽链乙种类__________(填“相同”或“不同 ”)。  (2)该mRNA中,鸟嘌呤和胞嘧啶占碱基总数比率分别为 23%和25%,则与mRNA对应的双链DNA分子区段中胸腺嘧 啶所占的比率为__________。 (3)由于基因中一个碱基发生替换,表达过程合成的肽 链中第11位氨基酸由缬氨酸(密码子有GUU、GUC、GUA、 GUG)变成丙氨酸(密码子有GCU、GCC、GCA、GCG),则该 基因中碱基对替换的情况是__________。 【解析】(1)依题意和图示分析可知:酶X为RNA聚合酶, 其移动方向从右到左。mRNA为单链结构,因此一个mRNA 有一个游离的磷酸基团。根据肽链的长度可知:翻译多 肽链甲与多肽链乙的模板mRNA虽然相同,但翻译的起始 部位不同,因此以该mRNA为模板翻译的多肽链甲与多肽 链乙种类不同。 (2)依题意可知:在该mRNA中,G=23%,C=25%,则U+A= 1-23%-25%=52%。依据碱基互补配对原则和转录过程可 推知,DNA模板链中A+T=52%,而DNA模板链中的A与非模 板链中的T相等,所以与mRNA对应的双链DNA分子区段中 ,T=52%(占单链的比率),占该区段的比率为26%。 (3)对比分析缬氨酸与丙氨酸的密码子可推知:由于基 因中一个碱基发生替换,导致编码的肽链中第11位缬氨 酸的密码子中的第2个碱基U被碱基C取代,成为丙氨酸 的密码子,则该基因的这个碱基对替换情况是A—T替换 为G—C。 答案:(1)从右到左(向左) 1 不同 (2)26% (3)A—T替换为G—C 【课堂回眸】