高中生物浙科版浙江专版必修二学案第三章 第四节 遗传信息的表达RNA和蛋白质的合成 Word版含答案.docx

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高中生物浙科版浙江专版必修二学案第三章第四节遗传信息的表达RNA和蛋白质的合成Word版含答案

第四节

遗传信息的表达——RNA和蛋白质的合成

　　　　　　　　　　　　　　1．DNA具有携带遗传信息、传递遗传信息和表达遗传信息的三重功能。

其中基因的表达通过转录和翻译两个过程完成。

2．转录的主要场所是细胞核，条件是模板（DNA的一条链）、原料（4种核糖核苷酸）、酶（RNA聚合酶）和能量（ATP）。

3．翻译的场所是核糖体，条件是模板（mRNA）、“搬运工”

（tRNA）、原料（20种氨基酸）、酶和能量。

4．密码子是在信使RNA上决定一个氨基酸的三个相邻碱基。

密码子共有64种，其中决定氨基酸的密码子有61种，3种终止密码子不决定氨基酸。

一种密码子只能决定一种氨基酸，一种氨基酸可以有一种或几种密码子。

5．每种tRNA只能识别并转运一种特定的氨基酸，同种氨基酸可以被一种或多种转运RNA携带。

6．基因是一段有遗传功能的核酸片段。

在遗传物质为DNA的细胞生物和DNA病毒中，基因是一段有遗传功能的DNA片段；而在遗传物质为RNA的RNA病毒中，基因则是一段有遗传功能的RNA片段。

转　录

1．DNA的功能

DNA具有携带遗传信息、传递遗传信息和表达遗传信息的三重功能，即一方面DNA储存遗传信息，遗传信息是一段DNA的基因中特定的脱氧核苷酸序列；第二方面通过DNA以自身为模板的复制，保持遗传信息的稳定性；第三方面DNA所贮存的遗传信息通过转录和翻译过程控制和决定蛋白质的结构。

2．转录

（1）概念：

遗传信息由DNA传递到RNA上的过程，结果是形成RNA。

（2）过程：

①结合：

RNA聚合酶与DNA分子的某一启动部位结合。

②解旋：

一个或者几个基因的DNA片段的双螺旋解开，暴露碱基。

③配对：

以解开的DNA双链中的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，游离的核糖核苷酸的碱基与DNA模板链上的碱基配对。

④连接：

RNA聚合酶将相邻的核糖核苷酸通过磷酸二酯键聚合形成分子。

⑤释放：

合成的mRNA从DNA分子上释放，DNA双链恢复到双螺旋结构。

（3）条件：

①原料：

4种游离的核糖核苷酸。

②酶：

RNA聚合酶等。

③能量：

ATP。

④模板：

DNA的一条链。

3．RNA分子

（1）基本单位：

核糖核苷酸。

与DNA的区别：

①五碳糖中没有脱氧核糖，但有核糖。

②嘧啶碱基中没有胸腺嘧啶（T），但有尿嘧啶（U）。

（2）结构，一般是单链结构。

（3）种类和功能：

1．转录中模板DNA链的碱基A、G、C、1T是如何与信使RNA中碱基A、G、C、U互补配对呢？

提示：

A与U配对，T与A配对，G与C之间相互配对。

2．mRNA在细胞核中合成后到达细胞质的过程中共经过几层生物膜，为什么？

提示：

0层。

mRNA通过核孔从细胞核进入细胞质，不需要穿过生物膜。

3．DNA转录时是把所有DNA分子都转录出来吗？

提示：

转录的不是整个DNA分子，而是以基因为单位进行的。

4．现有一核酸片段，欲确定其是DNA还是RNA，你能从哪些方面进行判断？

提示：

①根据五碳糖不同；②根据含氮碱基不同。

5．下图是一小段DNA片段，①链是模板链，②是编码链，请写出其转录生成的RNA的碱基序列，并分析RNA的碱基序列与DNA两条链碱基序列的关系？

提示：

（1）

（2）生成的RNA的碱基序列与模板链互补，与编码链碱基序列基本相同（除T和U外）。

1．DNA与RNA的比较

项目

DNA

RNA

组成成分

五碳糖

脱氧核糖

核糖

碱基

胸腺嘧啶（T）

尿嘧啶（U）

腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）

磷酸

磷酸

基本单位

脱氧核苷酸（4种）

核糖核苷酸（4种）

产生途径

DNA复制、逆转录

转录、RNA复制

结构

规则的双螺旋结构

常呈单链结构

分布

主要分布于细胞核，其次分布于线粒体、叶绿体

主要分布于细胞溶胶、线粒体、叶绿体，核糖体，少量分布于细胞核

2．DNA与RNA的判定方法

（1）若某核酸分子中有脱氧核糖，一定为DNA；有核糖，一定为RNA。

（2）若含碱基“T”，一定为DNA或其基本单位；若含碱基“U”，一定为RNA或其基本单位。

因而用放射性同位素标记碱基“T”或碱基“U”可探知DNA或RNA。

若细胞中大量利用碱基“T”，一般可认为进行DNA的复制；若大量利用碱基“U”，一般可认为正进行RNA的合成。

（3）若有T但T≠A或嘌呤≠嘧啶，则为单链DNA，因双链DNA分子中A＝T、G＝C，嘌呤（A＋G）＝嘧啶（T＋C）。

（4）若发现嘌呤≠嘧啶，则肯定不是双链DNA（可能为单链DNA，也可能为RNA）。

3．三种RNA的比较

项目

mRNA

tRNA

rRNA

分布部位

常与核糖体结合

细胞质中

与蛋白质结合形成核糖体

结构

功能

翻译时作模板

翻译时作搬运

氨基酸的工具

参与核糖

体的组成

联系

①组成相同：

4种核糖核苷酸

②来源相同：

都由转录产生

③功能协同：

都与翻译有关

[特别提醒]

（1）转录的基本单位是基因，而不是整个DNA，因此转录时只解旋基因片段，其他部位不解旋。

（2）转录时mRNA与DNA模板链碱基互补，配对关系：

G－C、C－G、T－A、A－U，结果mRNA与DNA模板编码链上碱基序列基本相同，只是用U代替T。

（3）在真核细胞内，转录出来的RNA需经过加工才能成为具有生物活性的成熟的mRNA。

翻　译

1．翻译

（2）过程

（3）特点：

多肽链合成时，若干个核糖体同时进行工作，大大增加了翻译效率。

2．遗传密码

（1）概念：

mRNA上3个连续的碱基，决定一种氨基酸。

（2）特点：

①除少数密码子外，生物界的遗传密码是通用（或统一）的。

②除少数氨基酸只有一种遗传密码外，大多数氨基酸有两个以上的遗传密码。

（3）种类：

64种，其中决定氨基酸的密码子有61种。

一种密码子只能决定一种氨基酸，一种氨基酸可以有一种或几种密码子，3种终止密码子不决定氨基酸。

1．细胞核内能否合成蛋白质？

提示：

不能。

因为细胞核内缺乏核糖体。

细胞核内的蛋白质是在细胞质中合成后重新进入细胞核的。

2．密码子、tRNA和氨基酸的种类及它们之间的数量关系如何？

提示：

（1）密码子有64种，其中包括3种终止密码子，能编码蛋白质的密码子有61种；tRNA有61种；氨基酸有20种。

（2）一种氨基酸可以由一种或几种密码子来决定；一种密码子（终止密码子除外）和一种tRNA只能决定一种氨基酸。

3．翻译过程完成后得到的是蛋白质吗？

提示：

不是。

翻译过程只得到了多肽，多肽经过相应的加工，形成一定的空间结构后，才成为真正的蛋白质。

4．一个mRNA可结合多个核糖体，每个核糖体只合成多肽链中的一段，还是独立合成一条完整的多肽链？

提示：

每个核糖体合成一条完整的多肽链。

5．基因中的碱基数目、mRNA中的碱基数目和蛋白质中的氨基酸数目有怎样的关系？

提示：

基因中的碱基数目∶mRNA中的碱基数目∶蛋白质中的氨基酸数目＝6∶3∶1。

6．若指导蛋白质合成的基因中某一碱基发生改变，其控制合成的氨基酸是否一定发生改变？

为什么？

提示：

不一定。

因为一种氨基酸可对应一种或多种密码子。

1．DNA复制、转录和翻译的比较

项目

复制

转录

翻译

时间

细胞分裂的间期

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

DNA的两条单链

DNA的其中一条链

mRNA

原料

4种脱氧核苷酸

4种核糖核苷酸

20种氨基酸

能量

都需要

酶

解旋酶、DNA聚合酶

解旋酶、RNA聚合酶

合成酶

产物

2个双链DNA

1个单链RNA

多肽链

（或蛋白质）

产物

去向

传递到2个子细

胞或子代

离开细胞核进入细胞质

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恢复原状

翻译结束后，mRNA被降解成单体

碱基

配对

A—T，T—A，

C—G，G—C

A—U，T—A，

C—G，G—C

A—U，U—A，

C—G，G—C

实质

遗传信息的传递

遗传信息的表达

2．遗传信息、密码子、反密码子的对应关系

项目

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。

61种：

能翻译出氨基酸；3种：

终止密码子，不能翻译氨基酸

61种或tRNA也为61种

联系

①基因中脱氧核苷酸的序列决定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

3．基因中的碱基、mRNA中的碱基和蛋白质中氨基酸的数量关系

计算项目

组成蛋白质的氨基酸数＝密码子数＝tRNA分子数（即反密码子数）

mRNA分子中：

碱基（核糖核苷酸）数＝信息链（DNA单链）碱基（脱氧核苷酸）数

DNA分子中：

碱基数（脱氧核苷酸数）

数据

a

3a（或＋3）

6a（或＋6）

备注

“或”表示考虑终止密码，相应要计算括号内数据

[特别提醒]

（1）从核糖体上脱离下来的只是多肽链，再经折叠、加工才能成为具有复杂空间结构的有活性的蛋白质。

（2）一般认为DNA（基因）中的碱基数是mRNA碱基数的2倍，但事实上，DNA（基因）中的碱基数比mRNA碱基数多很多。

（3）一般认为mRNA碱基数是蛋白质分子中氨基酸数的3倍，但事实上，mRNA碱基数至少是蛋白质分子中氨基酸数的3倍；DNA（基因）中碱基数至少是蛋白质分子中氨基酸数的6倍。

中心法则与基因

1．中心法则

（1）中心法则的提出及内容：

①提出者：

克里克。

②中心法则内容[连线]：

③图解：

（2）中心法则的发展：

发展内容

信息流动

举例

RNA自我复制

遗传信息从RNA流向RNA

RNA病毒

RNA逆转录合成DNA

遗传信息从RNA流向DNA

HIV病毒、致癌的RNA病毒

2．基因

（1）基因是遗传的一个基本功能单位，它在适当的环境条件下控制生物的性状。

（2）基因的本质是一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段，在大多数生物中基因是一段DNA，在RNA病毒中基因则是一段RNA。

（3）真核生物细胞中，基因以一定的次序排列在染色体上，一条染色体上有多个基因存在。

1．在正常人体细胞中能否进行RNA复制和逆转录？

遗传信息是如何流动的？

提示：

不能，RNA复制和逆转录是RNA病毒在寄主细胞中繁殖活动中的一项遗传活动。

人体细胞内遗传信息流动过程为：

2．生物体细胞核中染色体和DNA分子数相对恒定，而生物的性状却是多种多样的。

这如何解释？

提示：

一个DNA分子含有多个基因，可通过控制多种蛋白质的合成来控制多种性状。

3．在真核细胞中，“染色体－DNA－基因”三者之间在遗传上是怎样的关系？

提示：

在真核细胞的遗传关系上，DNA分子是遗传物质；染色体是DNA的主要载体；基因是有遗传效应的DNA片段。

基因的不同是由于脱氧核苷酸的排列顺序不同导致的；基因控制性状就是通过控制RNA和蛋白质合成来完成的。

4．无血缘关系的两个人的DNA分子和基因会相同吗？

提示：

DNA分子具有多样性和特异性，不同人的DNA分子中脱氧核苷酸序列是不同的，而每个人的DNA分子中脱氧核苷酸序列是特定的，因此无血缘关系的两个人的DNA分子是不同的；基因是有遗传功能的DNA片段，是一段能控制生物性状的脱氧核苷酸序列，无血缘关系的两个人可能拥有相同的基因。

1．中心法则

（1）过程图示：

（2）各类生物中遗传信息的流动过程：

生物种类

代表生物

遗传信息的传递过程

DNA病毒

噬菌体

RNA病毒

烟草花叶病毒

逆转录病毒

HIV病毒、劳氏肉瘤病毒

原核生物

蓝细菌、细菌

真核生物

人、动植物等

（3）几个生理过程的比较：

过程

模板

原料

碱基互补

①DNA的复制DNA→DNA

DNA的两条链

A、T、C、G四

种脱氧核苷酸

A→T　T→A

C→G　G→C

②DNA的转录DNA→RNA

DNA的一条链

A、U、G、C四

种核糖核苷酸

A→U　T→A

C→G　G→C

③翻译

RNA→多肽

信使RNA

20种氨基酸

A→U　U→A

C→G　G→C

④RNA的复制

RNA→RNA

RNA

A、U、G、C四

种核糖核苷酸

A→U　U→A

C→G　G→C

⑤RNA的逆转录

RNA→DNA

RNA

A、T、C、G四

种脱氧核苷酸

A→T　U→A

C→G　G→C

[特别提醒]

（1）中心法则中几个生理过程准确进行的原因：

①前者为后者的产生提供了一个标准化的模板。

②严格的碱基互补配对原则决定了后者是以前者提供的模板为依据形成的。

由此可见，准确的模板和严格有序的碱基互补配对关系保证了遗传信息的正常传递和表达，进而保证了物种的相对稳定性。

（2）中心法则中逆转录和RNA复制只有某些RNA病毒才能进行。

逆转录需要逆转录酶，其碱基配对方式为A－T、U－A、G－C、C－G。

2．对基因概念的理解

（1）真核细胞中，脱氧核苷酸、基因、DNA和染色体的关系图解：

（2）全方位理解“基因”：

①本质上，基因是有遗传效应的（遗传物质）DNA片段或RNA片段。

②结构上，基因是含有特定遗传信息的脱氧核苷酸序列或核糖核苷酸序列。

③功能上，基因是遗传物质的结构和功能的基本单位。

④位置上，真核细胞内，基因在染色体上呈线性排列。

（3）对于多细胞生物而言，同一个体的不同类型的细胞中含有相同的基因，因为它们是由同一个受精卵经有丝分裂和细胞分化形成的，而在此过程中遗传物质不发生改变。

[特别提醒]　由于绝大多数生物的遗传物质是DNA，一般而言，“平时所说”的基因是指真核细胞的基因，即基因是一段有遗传功能的DNA片段。

以过程图为依托，考查转录与翻译

[例1]　下图为人体内蛋白质合成的一个过程。

据图分析并回答问题：

（1）图中所示属于基因控制蛋白质合成过程中的________过程，该过程发生在细胞的________部分。

（2）图中A、B、D分别代表__________、____________、____________。

（3）图中的C表示________，按从左到右的顺序写出mRNA区段所对应的DNA链的碱基排列顺序__________________。

（4）该过程不可能发生在（　　）

A．神经细胞

B．肝细胞

C．成熟的红细胞

D．油脂细胞

[思路点拨]

[精讲精析]　图示是翻译过程，A是mRNA，B是核糖体，C是tRNA，D是肽链。

mRNA是以DNA的一条链为模板根据碱基互补配对原则转录而成的，mRNA片段从左到右是AUGGCUUCUUUC，所以DNA一条链上的碱基顺序是TACCGAAGAAAG。

成熟的红细胞没有细胞核及其他有膜的细胞器，也没有核糖体，因此不能合成蛋白质。

[答案]　

（1）翻译　核糖体

（2）mRNA　核糖体　肽链

（3）tRNA　TACCGAAGAAAG

（4）C

中心法则与基因表达的关系

（1）DNA的复制体现了遗传信息的传递功能，发生在细胞增殖或产生子代的生殖过程中。

（2）DNA的转录和翻译共同体现了遗传信息的表达功能，发生在个体的发育过程中。

1．下面为以DNA为模板转录RNA的过程图解，图中的4、5表示两种功能不同的酶。

请据图分析回答下列问题。

（1）在玉米的叶肉细胞中，能够进行该过程的细胞结构有________、________、________。

（2）转录过程中，DNA首先在酶的催化作用下，将DNA分子中碱基对内的________断开，该过程称为________。

然后在酶的催化作用下，以其中的甲链为模板，以[　]__________为原料，由ATP提供能量，按照____________原则，合成出RNA。

图中转录的方向为从________。

（3）在真核细胞的细胞核中，转录的直接产物经加工成为成熟的________后，再通过________进入到细胞质中，与________结合在一起指导蛋白质的生物合成。

解析：

图中①是DNA，其中甲为模板链，②为新合成的RNA链，③为游离的核糖核苷酸，④与⑤均为RNA聚合酶，根据左端RNA已脱落可判定转录的方向为从左向右进行。

中心法则中的基因表达（转录和翻译）可以在真核细胞的细胞核、线粒体、叶绿体中进行。

答案：

（1）细胞核、线粒体、叶绿体

（2）RNA聚合酶　氢键　解旋　③　核糖核苷酸　碱基互补配对　左向右

（3）mRNA　核孔　核糖体

以图形为依托，考查基因表达及其拓展内容

[例2]　下面甲、乙是真核生物遗传信息传递过程中的某两个阶段的示意图，图丙为图乙中部分片段的放大示意图。

下列分析合理的是（　　）

A．甲过程发生在细胞核内，乙过程发生在细胞质内

B．催化甲、乙两过程的酶1、酶2、酶3是相同的

C．一个细胞周期中，甲所示过程在每个起点只起始一次，乙可起始多次

D．甲、乙过程中的碱基互补配对方式完全相同

[思路点拨]

[精讲精析]　图甲表示DNA分子的复制过程，图乙表示转录过程，乙的产物是单链的mRNA分子；甲、乙参与复制和转录的酶种类不同；在一个细胞周期中，核中DNA分子只复制一次，而转录可以进行多次。

甲、乙中碱基配对方式不完全相同，甲中是A－T配对，乙中是A－U配对。

[答案]　C

DNA的复制和转录过程都主要在细胞核中进行，但DNA复制只发生在间期的S期，而转录任何时间均可进行；碱基互补配对方式等均不同：

DNA复制需解旋酶和DNA聚合酶而转录需RNA聚合酶；DNA复制进行A←→T与G←→C的两种碱基互补配对方式，而转录是进行A→U、T→A、C←→G三种碱基互补配对方式。

2．（海南高考）在其他条件具备情况下，在试管中加入物质X和物质Z，可得到相应产物Y。

下列叙述正确的是（　　）

A．若X是DNA，Y是RNA，则Z是逆转录酶

B．若X是DNA，Y是mRNA，则Z是脱氧核苷

C．若X是RNA，Y是DNA，则Z是DNA聚合酶

D．若X是mRNA，Y是在核糖体上合成的大分子，则Z是氨基酸

解析：

选D　若X是DNA，Y是RNA，则Z是转录酶；若X是DNA，Y是mRNA，则Z是核糖核苷；若X是RNA，Y是DNA，则Z是逆转录酶；若X是mRNA，Y是在核糖体上合成的大分子，则Z是氨基酸。

遗传信息表达的相关计算

[例3]　一段信使RNA上有300个碱基，其中A和G有120个，转录出该信使RNA的一段DNA中的C和T的总数以及翻译合成一条多肽链时脱去的水分子数分别是（　　）

A．300个、100个　　　　　　B.300个、99个

C．180个、99个D.129个、100个

[思路点拨]

[精讲精析]　该段信使RNA上有300个碱基，则转录出该信使RNA的DNA分子中共有碱基600个，由于该DNA片段中C＋T占了全部碱基的50%，因此该模板DNA片段中C＋T＝300个。

该信使RNA翻译的多肽链中有300÷3＝100个氨基酸，在脱水缩合过程中失去99个水分子。

[答案]　B

基因表达蛋白质过程中，“基因碱基数∶mRNA碱基数∶多肽（氨基酸数）”一般以“6∶3∶1”计算，而蛋白质相关计算中“肽键数＝缩合脱去水分子数＝水解所需水分子数＝氨基酸数－肽链数”

基因表达过程中有关数量变化

（1）转录、翻译过程中DNA（基因）碱基数∶mRNA碱基数∶多肽链氨基酸数＝6∶3∶1。

图解如下：

（2）以上关系应理解为：

每合成1个氨基酸至少需要mRNA中3个碱基，基因中6个碱基，其原因如下：

①DNA中有的片段无遗传效应，不能转录出mRNA。

②在基因片段中，有的片段起调控作用，不转录。

③转录出的mRNA中有终止密码子，终止密码子不对应氨基酸，所以基因或DNA上碱基数目比蛋白质氨基酸数目的6倍多。

3．已知一个蛋白质分子由3条肽链组成，连接蛋白质分子中氨基酸的肽键共有297个，翻译成这个蛋白质分子的信使RNA中的A和G共有400个。

则指导该蛋白质合成的mRNA中至少含有的碱基个数及合成该蛋白质需要的tRNA个数，以及转录此mRNA的基因中（C和T）的个数之和依次是（　　）

A．900　300　1000B．900　300　900

C．900　297　1000D．900　297　900

解析：

选B　因该蛋白质中有3条肽链，肽键297个，所以其中的氨基酸个数为300个。

DNA中碱基∶mRNA碱基∶氨基酸个数＝6∶3∶1，故mRNA中碱基至少300×3＝900（个），需tRNA300个，转录此mRNA的基因中C＋T的数为（300×6）÷2＝900（个）。

以图示为依托，考查中心法则

[例4]　关于下图所示的过程，相关叙述正确的是（　　）

A．噬菌体进行①过程，需将噬菌体放在含有四种游离的脱氧核糖核苷酸的溶液中

B．正常的真核生物细胞内可发生①、②、⑤过程

C．③、④、⑥过程常见于RNA病毒侵入细胞时

D．细胞中①、④过程的发生都需要解旋酶的催化作用

[思路点拨]

[精讲精析]　噬菌体不能单独生活，必须寄生在其他活细胞内，故不能单独培养噬菌体；①、②、⑤过程在正常的真核生物细胞内可发生；到目前为止，所有的生物体内还没有发现⑥过程；①过程需要解旋酶的催化，④过程不需要。

[答案]　B

遗传物质不同的生物，其中心法则的过程不尽相同，如RNA复制和逆转录过程不能同时在同种生物体内发生。

（1）RNA的种类、结构和功能：

种类

结构

功能

病毒RNA

单链

遗传物质

mRNA

单链

传递遗传信息；是翻译的直接模板

tRNA

三叶草形结构

运载氨基酸；识别密码子

rRNA

单链

组成核糖体

（2）适用于以RNA为遗传物质的生物的中心法则

第一种情况：

不具逆转录能力的RNA病毒，如烟草花叶病毒、流感病毒等

第二种情况：

具有逆转录能力的RNA病毒，如艾滋病病毒、劳氏肉瘤病毒等

4．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，请回答下列问题：

（1）a、b、c、d所表示的四个过程依次分别是________、________、________和________。

（2）需要tRNA和核糖体同时参与的过程是________（用图中的字母回答）。

（3）a过程发生在真核细胞分裂的________期。

（4）在真核细胞中，a和b两个过程发生的主要场所是________。

（5）能特异性识别信使RNA上密码子的分子是______，后者所携带的分子是________。

（6）RNA病毒的遗传