高考生物一轮复习讲义第21讲基因的表达.docx
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高考生物一轮复习讲义第21讲基因的表达
第21讲 基因的表达
遗传信息的转录和翻译
1.RNA的组成、结构与类型
2.遗传信息的转录
(1)概念:
以DNA的一条链为模板,按碱基互补配对原则合成RNA的过程。
(2)转录过程(如图)
3.遗传信息的翻译
(1)概念:
游离在细胞质中的各种氨基酸,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
①概念:
mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸,每3个这样的碱基称为1个密码子。
②种类:
64种,其中决定氨基酸的密码子有61种,终止密码子有3种。
③密码子与反密码子的比较
项目
密码子
反密码子
位置
mRNA
tRNA
作用
直接决定蛋白质中氨基酸的序列
识别密码子,转运氨基酸
特点
与DNA模板链上的碱基互补
与mRNA中密码子的碱基互补
(3)翻译过程(如图)
(4)产物:
多肽
蛋白质。
(必修2P65“思考与讨论”T3改编)组成蛋白质的20种氨基酸应对应多少种密码子?
由此推知一种氨基酸可能对应多个密码子,这对生物体的生存发展有何意义?
答案:
20种氨基酸共对应61种密码子,其意义主要表现为如下两方面:
(1)增强容错性:
当密码子中有一个碱基改变时,由于密码的简并性,可能并不会改变其对应的氨基酸,因而有利于蛋白质或性状的稳定。
(2)保证翻译速度:
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。
仔细观察下面两图,并回答下列问题:
(1)两图显示的是何种生理过程?
它们有何差异?
(2)大肠杆菌可进行图中哪个过程,图1还是图2?
判断依据是什么?
(3)两图中a~f分别是什么物质或结构?
答案:
(1)图示过程为转录和翻译,两图的区别在于图1所示转录、翻译过程有“时空”差异,即转录在细胞核,时间在前,翻译在细胞质的核糖体上,时间在后。
图2所示转录、翻译同时进行。
(2)图2。
大肠杆菌为原核生物,其转录与翻译是同时进行的,只能进行图2过程不能进行图1过程(图1过程在细胞核中转录,在细胞质中翻译)。
(3)a~f依次为mRNA、核糖体、多肽链、DNA、mRNA、RNA聚合酶。
考向1 DNA与RNA的比较
1.(2019·浙江杭州教学质量检测)下列关于真核细胞内DNA和RNA的叙述,正确的是( )
A.相同的rRNA分子在不同细胞中参与构成的细胞器不同
B.相同的mRNA分子在不同细胞合成的蛋白质不同
C.相同的tRNA分子在不同细胞中转运的氨基酸不同
D.相同的DNA分子在不同细胞中的转录产物可能不同
解析:
选D。
相同的rRNA分子在不同细胞中参与构成的细胞器相同,都是核糖体,A错误;所有生物共用一套遗传密码,所以相同的mRNA分子在不同细胞中合成的蛋白质相同,相同的tRNA分子在不同细胞中转运的氨基酸也相同,B、C错误;细胞内的基因具有选择性表达的特点,所以相同的DNA分子在不同细胞中的转录产物可能不同,D正确。
2.(2019·山东青岛城阳期中)下面分别为DNA、tRNA的结构示意图。
以下叙述不正确的是( )
A.图示DNA分子中的⑤为氢键,tRNA中的b为磷酸二酯键
B.DNA分子复制、切割目的基因片段时分别破坏的化学键为⑤⑥
C.tRNA是由三个核糖核苷酸连接成的单链分子
D.c处表示反密码子,可以与mRNA的碱基互补配对
解析:
选C。
题图中⑤为氢键,⑥⑦均可称为磷酸二酯键,但⑦为一个核苷酸内部脱氧核糖的5号碳原子与磷酸基团之间的连接,而⑥为两个脱氧核苷酸之间的连接,b指在tRNA臂上,若代表化学键,只能是磷酸二酯键;DNA分子复制和切割目的基因片段时破坏的化学键分别是⑤氢键和⑥脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键;tRNA是由多个核糖核苷酸连接成的三叶草结构。
考向2 DNA的复制、转录和翻译的比较
3.(2019·山东莱芜高三期中)如图表示细胞内基因表达过程,下列有关叙述不正确的是( )
A.①过程表示转录,该过程的模板是甲中的a链
B.②过程表示翻译,需要的原料是氨基酸
C.若甲的a链中(G+T)/(A+C)=2/3,则b链中(G+T)/(A+C)=3/2
D.②过程需要RNA聚合酶催化
解析:
选D。
分析题图可知,图中①过程表示遗传信息的转录,由碱基互补配对的情况可知,该过程的模板是甲中的a链,A正确;②过程表示翻译,需要的原料是氨基酸,B正确;由于DNA分子两条单链遵循A与T配对,G与C配对的原则,若甲的a链中(G+T)/(A+C)=2/3,则b链中(G+T)/(A+C)=3/2,C正确;RNA聚合酶催化转录过程,不催化翻译过程,D错误。
4.(2019·湖南浏阳三中月考)如图是两种细胞中主要遗传信息的表达过程。
据图分析,下列叙述中不正确的是( )
A.两种表达过程均主要由线粒体提供能量,由细胞质提供原料
B.甲细胞没有核膜围成的细胞核,所以转录、翻译同时发生在同一空间内
C.乙细胞的基因转录形成的mRNA需要通过核孔才能进入细胞质
D.甲、乙细胞均需要RNA聚合酶
解析:
选A。
从图中可以看出,甲细胞是原核细胞,乙细胞是真核细胞,甲细胞不含线粒体,A错误;原核细胞的转录和翻译同时发生在细胞质中,B正确;乙细胞翻译的场所为细胞质中的核糖体,细胞核DNA转录出来的mRNA必须通过核孔才能进入细胞质,C正确;甲、乙细胞内均存在转录过程,均需RNA聚合酶,D正确。
DNA复制、转录和翻译的比较(以真核生物为例)
项目
复制
转录
翻译
场所
主要在细胞核
主要在细胞核
细胞质(核糖体)
模板
DNA的两条链
DNA的一条链
mRNA
原料
4种脱氧核苷酸
4种核糖核苷酸
20种氨基酸
原则
T—A;A—T;
G—C;C—G
T—A;A—U;
G—C;C—G
U—A;A—U;
G—C;C—G
结果
两个子代
DNA分子
mRNA、tRNA、
rRNA
蛋白质
信息
传递
DNA→DNA
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
意义
传递遗传信息
表达遗传信息
考向3 遗传信息、密码子、反密码子的比较
5.(2019·广东韶关高三一模)下列关于密码子、tRNA和氨基酸的关系,说法正确的是( )
A.mRNA上每3个相邻的碱基都决定一种氨基酸
B.密码子的简并性是指每种氨基酸都有多种密码子
C.tRNA分子内部均不存在氢键
D.每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸
解析:
选D。
mRNA上每3个相邻的碱基构成一个密码子,其中终止密码不编码氨基酸,A错误;密码子的简并性是指一种氨基酸可能由一种或多种密码子编码,B错误;tRNA分子中存在局部双链结构,因此其内部存在氢键,C错误;tRNA具有专一性,即每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸,D正确。
6.(2019·安徽合肥高三模拟)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,下列说法中正确的是( )
A.由图分析可知①链应为DNA的α链
B.DNA形成②的过程发生的场所是细胞核
C.酪氨酸和天冬氨酸的密码子分别是AUG,CUA
D.图中②与③配对的过程需要在核糖体上进行
解析:
选D。
根据碱基互补配对原则,可知①链是β链,A错误;由于蓝藻属于原核生物,没有由核膜包被的细胞核、线粒体及叶绿体,所以DNA形成②的过程发生在拟核,B错误;tRNA的一端的三个相邻的碱基是反密码子,密码子在mRNA上,C错误;图中②与③配对的过程是翻译,需要在核糖体上进行,D正确。
巧辨遗传信息、密码子和反密码子
(1)界定遗传信息、密码子(遗传密码)、反密码子
(2)辨析氨基酸与密码子、反密码子的数量关系
①每种氨基酸对应一种或几种密码子(即密码子简并性),可由一种或几种tRNA转运。
②除终止密码外,一种密码子只能决定一种氨基酸;一种tRNA只能转运一种氨基酸。
③密码子有64种(3种终止密码;61种决定氨基酸的密码子);反密码子理论上有61种。
考向4 基因表达中的相关计算
7.(2019·江西南昌二中月考)已知一个由2条肽链组成的蛋白质分子,共有肽键198个,控制翻译该蛋白质分子的mRNA中A和U共占25%,则控制转录该mRNA的DNA分子中,C与G应该共有( )
A.600个 B.700个
C.800个D.900个
解析:
选D。
根据由2条肽链组成的蛋白质分子共有肽键198个,可知该蛋白质由200个氨基酸组成,则翻译形成该蛋白质的mRNA分子中至少含有600个碱基,转录该mRNA的DNA分子至少含有1200个碱基。
mRNA中A和U共占25%,可知A+U=150个,则转录形成该mRNA的DNA模板链上T+A=150个,DNA分子中非模板链上A+T=150个,整个DNA分子中A+T=300个,则该DNA分子中C+G=1200-300=900个。
8.(2019·安徽蚌埠月考)一个mRNA分子有m个碱基,其中G+C有n个;由该mRNA合成的蛋白质有两条肽链。
则其模板DNA分子的A+T数量最少、合成蛋白质时脱去的水分子数最多分别是( )
A.m、m/3-1
B.m、m/3-2
C.2(m-n)、m/3-1
D.2(m-n)、m/3-2
解析:
选D。
模板DNA分子的A+T数量最少是mRNA中A+U数的2倍,即2(m-n)个,合成蛋白质时脱去的水分子数为氨基酸数-2,氨基酸数最多是mRNA中碱基数的1/3,即为(m/3)-2,D项正确。
(1)理顺相关数量关系
DNA碱基数∶mRNA碱基数∶氨基酸数=6∶3∶1。
(2)关注计算中“最多”和“最少”问题
①mRNA上碱基数目与蛋白质中氨基酸数目的关系:
翻译时,mRNA上的终止密码不决定氨基酸,因此准确地说,mRNA上碱基数目是蛋白质中氨基酸数目的3倍还要多一些。
②DNA上的碱基数目与蛋白质中的氨基酸数目的关系:
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不能忽略“最多”或“最少”等字:
如mRNA上有n个碱基,转录产生它的基因中至少有2n个碱基,该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。
中心法则及基因与性状的关系
1.中心法则
(1)提出者:
克里克。
(2)补充后的内容图解
(3)不同类型生物遗传信息的传递
①以DNA为遗传物质的生物遗传信息的传递
②具有RNA复制功能的RNA病毒(如烟草花叶病毒)
③具有逆转录功能的RNA病毒(如艾滋病病毒)
④高度分化的细胞
DNA
RNA
蛋白质
(4)联系中心法则与基因表达的关系
2.基因控制性状的途径
(1)直接控制途径(用文字和箭头表示)
基因
蛋白质的结构
生物体的性状(完善实例分析如下)
(2)间接控制途径(用文字和箭头表示)
基因
酶的合成
代谢过程
生物体的性状(完善实例分析如下)
①白化病致病机理图解
②豌豆圆粒和皱粒的形成机理图解
据图分析生物体内遗传信息的传递和表达过程,回答下列问题:
(1)在人体细胞中发生的过程是____________。
(2)遵循碱基互补配对的过程是______________________________________________。
(3)①和②过程,碱基配对方式____________(填“完全”或“不完全”)相同,①中碱基配对方式有____________________________;②中碱基配对方式有________________________________________________________________________。
(4)HIV可发生的过程是____________,其宿主细胞是________细胞,其进行蛋白质合成的场所是宿主细胞的__________,其“遗传信息流”的模板由__________提供,原料由______________提供。
(5)中心法则反映了遗传物质的______________两大功能。
答案:
(1)①②③
(2)①②③④⑤⑥
(3)不完全 G-C,C-G,A-T,T-A G-C,C-G,A-U,T-A
(4)①②③④ T淋巴 核糖体 病毒自身 宿主细胞
(5)传递与表达
考向1 中心法则过程分析
1.(2019·福建师大附中期末)下图是4种遗传信息的流动过程,对应的叙述不正确的是( )
A.甲可表示胰岛细胞中胰岛素合成过程中的遗传信息的传递方向
B.乙可表示逆转录病毒在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向
C.丙可表示DNA病毒(如噬菌体)在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向
D.丁可表示RNA病毒(如烟草花叶病毒)在宿主细胞内繁殖过程中的遗传信息传递方向
解析:
选A。
甲表示DNA的复制以及经过转录、翻译合成胰岛素,但胰岛细胞高度分化,DNA不能复制,只进行转录、翻译,A项错误。
乙表示逆转录、DNA的复制、转录和翻译过程,逆转录病毒是RNA病毒,通过逆转录形成DNA,再将DNA整合到宿主细胞的DNA上,随之进行复制、转录和翻译,B项正确。
DNA病毒(如噬菌体)在宿主细胞内,可以进行DNA复制,并利用自己的DNA为模板转录、翻译形成蛋白质,C项正确。
RNA病毒(如烟草花叶病毒)在宿主细胞内繁殖过程中,可以进行RNA的复制和以RNA为模板的蛋白质合成,D项正确。
2.结合下图分析,下列叙述错误的是( )
A.生物的遗传信息储存在DNA或RNA的核苷酸序列中
B.核苷酸序列不同的基因可表达出相同的蛋白质
C.遗传信息传递到蛋白质是表现型实现的基础
D.编码蛋白质的基因含遗传信息相同的两条单链
解析:
选D。
A项,对于以DNA为遗传物质的细胞生物及部分DNA病毒来说,遗传信息储存在DNA的脱氧核苷酸序列中;对于RNA病毒来说,遗传信息储存在RNA的核糖核苷酸序列中。
B项,由于密码子的简并性(即某些不同的密码子可决定相同的氨基酸)等原因,核苷酸序列不同的基因,也可能表达出相同的蛋白质。
C项,蛋白质是生物性状的主要体现者,基因对性状的控制是通过控制蛋白质的合成实现的。
D项,具有转录功能的链叫模板链或反义链,另一条无转录功能的链叫编码链或有义链。
两条链之间的碱基互补配对,核苷酸排列顺序不同,含有不同的遗传信息。
中心法则各生理过程确认的三大依据
考向2 基因对性状的控制
3.(2019·湖南浏阳一中期末)埃博拉病毒(EBV)的遗传物质是一种单链RNA,EBV感染后可能导致人体患埃博拉出血热(EBHF)。
EBV与宿主细胞结合后,将核酸—蛋白质复合体释放至细胞质,并启动如图所示途径进行增殖,进而导致人体患病。
下列推断最为合理的是( )
A.过程①所需嘌呤比例与过程③所需嘧啶比例相同
B.过程②中需要的氨基酸与tRNA的种类数相同
C.EBV增殖过程需细胞提供四种脱氧核苷酸和ATP
D.直接将EBV的-RNA注入人体细胞将引起EBHF
解析:
选A。
过程①③中分别是以-RNA、mRNA为模板按照碱基互补配对原则(相应的嘧啶碱基与嘌呤碱基配对)合成mRNA、-RNA,假设原来的-RNA中含有嘧啶数为a个,则合成mRNA时需要嘌呤数也为a个,以该mRNA为模板合成-RNA时需要嘧啶数也为a个;过程②是翻译,由于密码子的简并性,一种氨基酸可能对应多种密码子,即一种氨基酸可以由多种tRNA转运,所需的氨基酸种类数和所需的tRNA种类数并不相同;EBV的遗传物质是RNA,图中未涉及DNA的合成,故EBV增殖过程中不需要细胞提供脱氧核苷酸,需要细胞提供四种核糖核苷酸和ATP;根据题干信息可知,EBV侵入宿主细胞后将核酸—蛋白质复合体同时释放至细胞质,才能启动增殖过程,从而导致人体患EBHF,故只注入EBV的-RNA不会引起EBHF。
4.(2019·福建龙岩高三期末)人类红细胞ABO血型的基因表达及血型的形成过程如图所示,血型由复等位基因IA、IB、i决定。
下列叙述正确的是( )
A.H基因正常表达时,一种血型对应一种基因型
B.若IA基因缺失一个碱基对,表达形成的多肽链就会发生一个氨基酸的改变
C.H基因正常表达时,IA基因以任一链为模板转录和翻译产生A酶,表现为A型
D.H酶缺乏者(罕见的O型)生育了一个AB型的子代,说明子代H基因表达形成了H酶
解析:
选D。
H基因正常表达时,如O型血基因型可能为HHii、Hhii,A项错误;若IA基因缺失的一个碱基对位于基因的首端或中间某部位,则表达形成的多肽链就会发生全部氨基酸或缺失部位以后所有的氨基酸的改变,B项错误;H基因正常表达时,IA基因以任一链为模板转录和翻译产生A酶,基因型可能为H_IAI-,但HhIAIB为AB型,C项错误;AB型子代的基因型可能为H_IAIB,说明H基因正常表达并产生了H酶,D项正确。
基因与性状的关系整合
(1)一个基因
一种性状(多数性状受单基因控制)
(2)一个基因
多种性状(如基因间相互作用)
(3)多个基因
一种性状(如身高、体重等)
图解如下:
此外生物的性状还受环境条件的影响,生物性状是基因型和环境条件共同作用的结果,如水毛茛,其裸露于空气中的叶为卵形,而沉于水中的叶却为丝状。
注:
若涉及的物质并非蛋白质(如植物激素),则基因对其控制往往是通过“控制酶的合成来控制代谢过程进而控制生物性状”这一间接途径实现的。
[清一清]
易错点1 对DNA和RNA合成的判断有误
[点拨] 用放射性同位素标记T或U可判断DNA和RNA的合成。
若大量消耗T,可推断正发生DNA的合成;若大量利用U,可推断正进行RNA的合成。
易错点2 不能准确界定真核生物、原核生物基因表达或误认为真核细胞中转录、翻译均不能“同时”进行
[点拨]
(1)凡转录、翻译有核膜隔开或具“时空差异”的应为真核细胞“核基因”指导的转录、翻译。
(2)原核细胞基因的转录、翻译可“同时”进行。
(3)真核细胞的线粒体、叶绿体中也有DNA及核糖体,其转录、翻译能“同时进行”。
易错点3 误认为逆转录酶同“其他酶及能量、场所、原料”一样,均由病毒的寄主细胞提供(在寄主细胞中合成≠由寄主细胞提供)
[点拨] 必修2P69资料分析中有如下描述:
(1)“1965年,科学家在某种RNA病毒里发现了一种RNA复制酶,能对RNA进行复制”;
(2)“1970年,科学家在致癌的RNA病毒中发现逆转录酶,它能以RNA为模板合成DNA”。
由此可见,RNA复制酶、逆转录酶均来自病毒自身,当然该酶起初应在寄主细胞核糖体中合成并由寄主细胞提供原料而完成。
易错点4 不能正确辨明六类酶——解旋酶、DNA聚合酶、限制酶、DNA连接酶、RNA聚合酶、逆转录酶
[点拨]
(1)解旋酶在DNA分子复制时使氢键断裂。
(2)DNA聚合酶在DNA分子复制时依据碱基互补配对原则使单个脱氧核苷酸连成脱氧核苷酸链。
(3)限制酶是使两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断裂。
(4)DNA连接酶是将两个DNA分子片段的末端“缝合”起来形成磷酸二酯键。
(5)RNA聚合酶是RNA复制或DNA转录时依据碱基互补配对原则将单个核糖核苷酸连接成RNA链。
(6)逆转录酶是某些RNA病毒在宿主细胞内利用宿主细胞的脱氧核苷酸合成DNA的一种酶。
[判一判]
(1)DNA病毒中没有RNA,其遗传信息的传递不遵循中心法则( )
(2)原核生物的tRNA合成无须基因指导( )
(3)HIV(逆转录病毒)感染人体过程的遗传信息流示意图为:
( )
(4)基因与性状之间是一一对应的关系( )
(5)为在酵母中高效表达丝状真菌编码的植酸酶,通过基因改造,将原来的精氨酸密码子CGG改变为酵母偏爱的密码子AGA,植酸酶mRNA的序列一定改变(2016·江苏,22B改编)( )
(6)rRNA能参与蛋白质的生物合成(2015·海南,11A)( )
(7)真核生物基因中每三个相邻的碱基组成一个反密码子(海南,21改编)( )
(8)细胞核中发生的转录过程有RNA聚合酶的参与( )
(9)tRNA分子中含有一定数量的氢键( )
(10)细胞中有多种tRNA,一种tRNA只能转运一种氨基酸( )
(11)真核细胞内,转录的同时核糖体进入细胞核启动遗传信息的翻译( )
(12)tRNA的反密码子携带了氨基酸序列的遗传信息( )
(13)反密码子存在于tRNA上,有64种( )
(14)线粒体和叶绿体中遗传信息的传递遵循中心法则( )
答案:
(1)×
(2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)× (8)√ (9)√ (10)√ (11)× (12)× (13)× (14)√
(2018·高考全国卷Ⅰ)生物体内的DNA常与蛋白质结合,以DNA-蛋白质复合物的形式存在。
下列相关叙述错误的是( )
A.真核细胞染色体和染色质中都存在DNA-蛋白质复合物
B.真核细胞的核中有DNA-蛋白质复合物,而原核细胞的拟核中没有
C.若复合物中的某蛋白参与DNA复制,则该蛋白可能是DNA聚合酶
D.若复合物中正在进行RNA的合成,则该复合物中含有RNA聚合酶
解析:
选B。
真核细胞染色体和染色质主要由DNA和蛋白质组成,因此都存在DNA—蛋白质复合物,A正确;原核细胞的拟核含一个裸露的环状DNA分子,该DNA的复制及转录都需要酶催化,故拟核中存在由DNA和酶构成的DNA—蛋白质复合物,B错误;DNA复制需要DNA聚合酶的作用,DNA聚合酶的化学本质是蛋白质,故复合物中参与DNA复制的蛋白质可能是DNA聚合酶,C正确;如果复合物中正在进行RNA的合成,则复合物中必须含有RNA聚合酶,因为RNA中核糖核苷酸之间的连接需要RNA聚合酶的催化,D正确。
(2018·高考海南卷)关于复制、转录和逆转录的叙述,下列说法错误的是( )
A.逆转录和DNA复制的产物都是DNA
B.转录需要RNA聚合酶,逆转录需要逆转录酶
C.转录和逆转录所需要的反应物都是核糖核苷酸
D.细胞核中的DNA复制和转录都以DNA为模板
解析:
选C。
DNA复制是以DNA为模板合成DNA,需要DNA聚合酶、解旋酶。
转录是以DNA为模板合成RNA,需要RNA聚合酶。
逆转录是以RNA为模板合成DNA,需要逆转录酶。
故A、B、D正确;C错误。
(2017·高考全国卷Ⅲ)下列关于真核细胞中转录的叙述,错误的是( )
A.tRNA、rRNA和mRNA都从DNA转录而来
B.同一细胞中两种RNA的合成有可能同时发生
C.细胞中的RNA合成过程不会在细胞核外发生
D.转录出的RNA链与模板链的相应区域碱基互补
解析:
选C。
真核细胞的各种RNA都是通过DNA的不同片段转录产生的,A正确;由于转录产生不同RNA时的DNA片段不同,因此同一细胞中两种RNA的合成有可能同时发生,B正确;真核细胞细胞质中叶绿体、线粒体中的DNA可以转录形成RNA,C错误;转录的过程遵循碱基互补配对原则,因此产生的RNA链与模板链的相应区域碱基互补,D正确。
(2017·高考江苏卷改编)在体外用14C标记半胱氨酸tRNA复合物中的半胱氨酸(Cys),得到*CystRNACys,再用无机催化剂镍将其中的半胱氨酸还原成丙氨酸(Ala),得到*AlatRNACys(见下图,tRNA不变)。
如果该*AlatRNACys参与翻译过程,那么下列说法正确的是( )
A.在一个mRNA分子上不可以同时合成多条被14C标记的多肽链
B.反密码子与