学年高中生物第4章基因的表达第1节基因指导蛋白质的合成学案.docx

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学年高中生物第4章基因的表达第1节基因指导蛋白质的合成学案

第1节基因指导蛋白质的合成

1.RNA有三种：

信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）。

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。

3．翻译的场所是核糖体，条件是模板（mRNA）、原料（20种氨基酸）、酶和能量。

4．密码子共有64种，其中决定氨基酸的密码子有61种。

5．一种氨基酸对应一种或多种密码子，一种密码子最多只决定一种氨基酸。

6．每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸，一种氨基酸可由一种或多种tRNA识别和转运。

遗传信息的转录

[自读教材·夯基础]

1．RNA的组成和种类[判断]

（1）DNA和RNA中都含有脱氧核糖。

（×）

（2）DNA和RNA共有的碱基是A、G、C，RNA特有的碱基是U，DNA特有的碱基是T。

（√）

（3）RNA一般为单链结构。

（√）

2．RNA的种类与功能

种类

功能

信使RNA（mRNA）

传递遗传信息

转运RNA（tRNA）

运输氨基酸

核糖体RNA（rRNA）

组成核糖体

3．DNA的转录

（1）

（2）过程：

1．现有一核酸片段，欲确定是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；③利用甲基绿吡罗红染液进行染色。

2．下图是一小段DNA片段，①链是模板链，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：

RNA的碱基序列为

两者关系：

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

[跟随名师·解疑难]

1．三种RNA的比较

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

2．转录有关问题分析

（1）碱基互补配对关系：

G—C、C—G、T—A、A—U。

（2）mRNA与DNA模板链碱基互补，但与非模板链碱基序列基本相同，只是用U代替T。

[特别提醒]　

（1）转录的基本单位是基因，而不是整个DNA。

（2）在真核细胞内，转录出来的RNA需经过加工才具有生物活性。

遗传信息的翻译

[自读教材·夯基础]

1．翻译的概念

2．密码子与反密码子

密码子

反密码子

位置

mRNA

tRNA

种类

64种

61种

实质

决定一个氨基酸的3个相邻的碱基

与密码子发生碱基互补配对的3个相邻的碱基

　　3.过程

1．若某一多肽链片段为“—苯丙氨酸—色氨酸—谷氨酸—”，请写出指导该多肽合成的mRNA中相应碱基组成；若某一mRNA片段为“—AUGGAAGCA—”，请写出其编码的氨基酸序列。

提示：

①UUUUGGGAA或UUCUGGGAA或UUUUGGGAG或UUCUGGGAG。

②—甲硫氨酸—谷氨酸—丙氨酸—。

2．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。

3．一个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。

[跟随名师·解疑难]

1．DNA上遗传信息、密码子、反密码子的对应关系

（1）密码子：

mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻碱基。

①种类

②

（2）反密码子：

与mRNA分子中的密码子互补配对的tRNA上的3个碱基。

①种类：

61种。

②

③特点：

反密码子的三个碱基与相应的DNA模板链上对应的碱基相同，只是DNA的“T”对应tRNA的“U”。

2．遗传信息的转录与翻译

[特别提醒]　

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

（2）密码子的特性：

①简并性：

a.当密码子中有一个碱基改变时，可能并不会改变其对应的氨基酸，从而减少变异发生的频率。

b.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保证翻译的速率。

②通用性：

说明所有生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的。

遗传信息的转录

[例1]　下图表示细胞核中所完成的mRNA的形成过程示意图，有关叙述正确的是（　　）

A．图中RNA聚合酶的移动方向是从左向右

B．图中a链和b链上所携带的遗传信息相同

C．图示RNA—DNA杂交区域中DNA上的A与RNA上的T配对

D．DNA双螺旋解开需要解旋酶的参与，同时消耗能量

[思路点拨]

[解析]　依图示，RNA聚合酶的移动方向是从左向右；a链和b链碱基互补，二者所携带的遗传信息不同；图示中RNA—DNA杂交区域中DNA上的A与RNA上的U配对；RNA聚合酶本身具有解旋功能，转录不需要解旋酶的参与。

[答案]　A

1．对于下列图解，正确的说法有（　　）

①表示DNA复制过程　②表示DNA转录过程　③共有5种碱基　④共有8种核苷酸　⑤共有5种核苷酸　⑥A均代表同一种核苷酸

A．①②③　　　　　　　B．④⑤⑥

C．②③④D．①③⑤

解析：

选C　由图可知，此过程是遗传信息的转录过程，整个过程涉及5种碱基——A、T、G、C、U，但由于组成DNA链的是4种脱氧核苷酸，组成RNA链的是4种核糖核苷酸，因此图解中共有8种核苷酸。

基因表达过程分析

[例2]　下图表示真核细胞内合成某种分泌蛋白过程中由DNA到蛋白质的信息流动过程，①②③④表示相关过程。

请据图回答下列问题：

（1）①过程的产物是DNA，则①过程发生在____________期，催化过程②的酶是______________。

（2）已知甲硫氨酸和酪氨酸的密码子分别是AUG、UAC，某tRNA一端的三个碱基是UAC，该tRNA所携带的氨基酸是________。

（3）a、b为mRNA的两端，核糖体在mRNA上的移动方向是________。

④过程进行的场所有______________。

（4）一个mRNA上连接多个核糖体叫做多聚核糖体，多聚核糖体形成的意义是________________。

从原核细胞中分离的多聚核糖体常与DNA结合在一起，这说明________________________________。

（5）如合成胰岛素共含51个氨基酸，控制其合成的基因上至少含有脱氧核苷酸________个。

[思路点拨]

[解析]　

（1）据图分析可知：

①过程指DNA的复制，在真核细胞中发生在有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期。

②过程指转录过程，催化DNA转录为RNA的酶为RNA聚合酶。

（2）决定氨基酸的密码子在mRNA上，据tRNA上的反密码子UAC可推知密码子为AUG，AUG决定的氨基酸是甲硫氨酸。

（3）据图可知：

越接近b端的核糖体上翻译出的肽链越长，说明越接近b端的核糖体在mRNA上移动的距离越长，由此推出核糖体在mRNA上的移动方向为a→b。

④过程是对蛋白质加工和运输的过程，相应的场所有内质网和高尔基体。

（4）当一个mRNA上连接多个核糖体以后，可以同时合成多条相同的肽链，提高蛋白质的合成速率。

在原核细胞中分离的多聚核糖体常与DNA结合在一起，说明在原核细胞中边转录边翻译，转录和翻译可同时同地点进行。

（5）信使RNA上每3个相邻碱基决定1个特定的氨基酸，据此，合成含51个氨基酸的蛋白质，基因上脱氧核苷酸数至少为306个。

[答案]　

（1）有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间　RNA聚合酶　

（2）甲硫氨酸　（3）由a→b　内质网和高尔基体　（4）短时间内能合成较多的蛋白质　原核细胞中的转录和翻译是同时同地点进行的　（5）306

规律方法

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上的碱基数目比蛋白质氨基酸数目的6倍多。

2．一段原核生物的mRNA通过翻译可合成一条含有11个肽键的多肽，则此mRNA分子至少含有的碱基个数及合成这段多肽需要的tRNA个数以及转录此mRNA的基因中至少含有的碱基数依次为（　　）

A．33、11、66B．36、12、72

C．12、36、24D．11、36、72

解析：

选B　此多肽含有11个肽键，所以是由12个氨基酸脱水缩合而成的，推出mRNA上的密码子至少有12个，mRNA上的碱基数至少为12×3＝36（个）。

转录此mRNA的基因中的碱基数至少为36×2＝72（个）。

1．模拟遗传密码的破译。

2．探究影响基因表达的过程和因素。

典例剖析

抗生素是临床上治疗各种由细菌引起的疾病的特效药，能够有效地抑制细菌蛋白质的合成，而不影响人的蛋白质的合成。

抗生素是通过什么机制抑制细菌蛋白质的合成的呢？

有人提出了如下两种假设：

①抗生素能抑制细菌DNA的转录过程，而不影响人体DNA的转录过程。

②抗生素能抑制细菌体内的翻译过程，而不影响人体内的翻译过程。

请你设计实验，探究抗生素抑制细菌蛋白质合成的原因。

（假设抗生素不影响人体的任何生理功能）

（1）实验设计的思路：

①先设计两组实验（甲、乙两组），体外模拟细菌________的过程，甲组加适量________，乙组加等量蒸馏水，检测两组实验中________的生成量。

通过这两组实验探究是否为第一种假设。

②再设计两组实验（丙、丁两组），体外模拟细菌________的过程，丙组加适量________，丁组加等量蒸馏水，检测两组实验中________的生成量，以此来探究是否为第二种假设。

（2）实验结果及结论：

①若甲组________生成量明显少于乙组，丙、丁两组蛋白质生成量相似，则说明抗生素是通过抑制________来抑制细菌蛋白质合成的；

②若甲、乙两组RNA生成量相似，丙组________生成量明显少于丁组，则说明抗生素是通过抑制________来抑制细菌蛋白质合成的；

③若甲组RNA生成量明显少于乙组，丙组蛋白质生成量明显少于丁组，则说明抗生素是通过抑制______________________来抑制细菌蛋白质合成的。

[解析]　由题干信息可知，实验目的是探究抗生素影响细菌蛋白质的原理。

若抗生素只抑制细菌的转录，则其体内RNA的含量将减少；若只抑制翻译过程，则细菌体内蛋白质含量会减少；若细菌体内RNA和蛋白质的含量都减少，则说明抗生素既能抑制转录，又能抑制翻译过程。

[答案]　

（1）①转录　抗生素　RNA　②翻译　抗生素　蛋白质　

（2）①RNA　细菌的转录

②蛋白质　细菌的翻译　③细菌的转录和翻译

归纳拓展

探究实验设计的思路

（1）把握实验的目的，确认自变量。

实验目的是实验的核心，通过思考要明确“探究什么”，其中要把握三个要素，即①探究的因素；②探究的对象；③观察的指标。

确认自变量的方法

（2）确定实验的原理。

实验原理通常根据实验目的和题目所给的材料进行分析处理，确定实验变量的检测方案，再根据我们所学过的知识联系起来确定实验的原理。

（3）设置对照实验，选择合理的实验对照方法。

对照实验的设置，要确保一个实验自变量对应一个可观测的因变量，尽可能避免无关变量的干扰。

（4）选择实验材料。

实验材料要根据原理来选择或根据题干所给的信息来确定。

（5）设计实验步骤。

设计实验步骤时在理顺实验思路的基础上注意遵循实验设计的四个基本原则（对照原则、单一变量原则、等量原则、科学性原则）。

实验步骤基本模式是：

分组编号→变量操作→条件控制→观察记录。

[随堂基础巩固]

1．下列关于RNA的叙述，错误的是（　　）

A．少数RNA具有生物催化作用

B．真核细胞内mRNA和tRNA都是在细胞质中合成的

C．mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基称为密码子

D．细胞中有多种tRNA，一种tRNA只能转运一种氨基酸

解析：

选B　真核细胞内的mRNA和tRNA主要是在细胞核中合成的；少数RNA是酶，具有催化作用；mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基称为一个密码子；tRNA具有特异性，一种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。

2．下列关于DNA复制、转录和翻译的叙述，正确的是（　　）

A．有丝分裂的分裂间期和分裂期都存在转录和翻译过程

B．复制、转录和翻译遵循的碱基互补配对方式相同

C．转录时RNA聚合酶识别mRNA上特定的碱基序列

D．翻译过程中需要三种RNA参与

解析：

选D　有丝分裂的分裂间期存在转录和翻译过程，但分裂期由于染色体高度螺旋化，不能解旋，只能依靠间期转录出的mRNA为模板进行翻译过程；碱基互补配对方式在复制过程中有T—A、A—T，在转录过程中有A—U、T—A，而在翻译过程中有A—U、U—A，配对方式不完全相同；转录过程中RNA聚合酶识别的是DNA上特定的碱基序列；翻译过程是以mRNA为模板、tRNA为运载工具、在核糖体（其结构中有rRNA）上进行的。

3．下面关于tRNA和氨基酸相互关系的说法，正确的是（　　）

A．每种氨基酸都由一种特定的tRNA携带

B．每种氨基酸都可由几种tRNA携带

C．一种tRNA可以携带几种结构相似的氨基酸

D．一种氨基酸可由一种或几种tRNA携带

解析：

选D　在翻译过程中，运输氨基酸的tRNA上的反密码子要与mRNA上决定氨基酸的密码子配对。

一种氨基酸可对应一种或多种密码子，但每种密码子只对应一种氨基酸。

4.如图是起始甲硫氨酸和相邻氨基酸形成肽键的示意图，下列叙述正确的是（　　）

A．图中结构含有核糖体RNA

B．甲硫氨酸处于图中ⓐ的位置

C．密码子位于tRNA的环状结构上

D．mRNA上碱基改变即可改变肽链中氨基酸的种类

解析：

选A　分析题干中关键信息“形成肽键”可知，图中正在进行脱水缩合反应，进而推知这是发生在核糖体中的翻译过程，图中的长链为mRNA，三叶草结构为tRNA，核糖体中含有核糖体RNA（rRNA）。

甲硫氨酸是起始氨基酸，图中ⓐ位置对应的氨基酸明显位于第2位。

密码子位于mRNA上，而不是tRNA上。

由于密码子的简并性，mRNA上碱基改变时，肽链中的氨基酸不一定发生变化。

5．下图表示细胞内遗传信息表达的过程，根据所学的生物学知识回答：

（1）图2中方框内所示结构是________的一部分，它主要在____________中合成，其基本组成单位是________，可以用图2方框中数字________表示。

（2）图1中以④为模板合成⑤物质的过程称为________，进行的主要场所是[　　]________，所需要的原料是________。

（3）若该多肽合成到图1所示UCU决定的氨基酸后就终止合成，则导致合成结束的终止密码子是________。

（4）若图1中①所示的分子中有1000个碱基对，则由它所控制形成的信使RNA中含有的密码子个数和合成的蛋白质中氨基酸种类最多不超过（　　）

A．166和55B．166和20

C．333和111D．333和20

解析：

图1所示为遗传信息的表达过程，具有转录和翻译两个步骤，其中的①②③④⑤⑥分别是DNA、tRNA、氨基酸、mRNA、多肽链、核糖体，在mRNA的UCU碱基后的密码子是UAA；根据碱基的构成判断，图2中方框内是RNA，其基本组成单位是核糖核苷酸，它由一分子磷酸、一分子核糖及一分子含氮碱基构成，如图2方框中的1、2、7。

DNA中碱基对的数目和mRNA中碱基的个数及相应蛋白质中氨基酸的个数的比值是3∶3∶1，经翻译合成的蛋白质中氨基酸最多不超过20种。

答案：

（1）RNA　细胞核　核糖核苷酸　1、2、7　

（2）翻译　⑥　核糖体　氨基酸　（3）UAA　（4）D

[课时跟踪检测]

（满分50分　时间25分钟）

一、选择题（每小题4分，共32分）

1．基因、遗传信息和密码子分别是指（　　）

①信使RNA上核苷酸的排列顺序

②基因中脱氧核苷酸的排列顺序

③DNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基

④转运RNA上一端的3个碱基

⑤信使RNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基

⑥有遗传效应的DNA片段

A．⑤①③　　　　　　　B．⑥②⑤

C．⑤①②D．⑥③④

解析：

选B　基因是有遗传效应的DNA片段；遗传信息是基因中脱氧核苷酸的排列顺序；密码子位于mRNA上。

2．大多数生物的翻译起始密码子为AUG或GUG。

在下图所示的某mRNA部分序列中，若下划线“0”表示的是一个决定谷氨酸的密码子，则该mRNA的起始密码子可能是（　　）

A．1　　　　　　　　　　　　B．2

C．3D．4

解析：

选B　从核糖体移动方向分析，该起始密码子应在下划线“0”的左侧，由下划线“0”开始以3个碱基为单位往左推，得出“2”GUG为起始密码子。

3．关于如图所示生理过程的叙述，正确的是（　　）

A．物质1上的三个相邻碱基叫做密码子

B．该过程需要mRNA、tRNA、rRNA参与

C．多个结构1共同完成一条物质2的合成

D．结构1读取到AUG时，物质2合成终止

解析：

选B　物质1是mRNA，物质2是多肽，结构1是核糖体。

mRNA上决定氨基酸的三个相邻碱基是密码子；每个核糖体独立完成一条多肽链的合成；据多肽链长短可知，该多肽链从左向右合成，所以应该是读取到UAA时，肽链合成终止。

4．近年诞生的具有划时代意义的CRISPR/Cas9基因编辑技术可简单、准确地进行基因定点编辑。

其原理是由一条单链向导RNA引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割。

通过设计向导RNA中20个碱基的识别序列，可人为选择DNA上的目标位点进行切割（见下图）。

下列相关叙述错误的是（　　）

A．Cas9蛋白由相应基因指导在核糖体中合成

B．向导RNA中的双链区遵循碱基配对原则

C．向导RNA可在逆转录酶催化下合成

D．若α链剪切位点附近序列为……TCCAGAATC……则相应的识别序列为……UCCAGAAUC……

解析：

选C　基因控制蛋白质的合成，蛋白质的合成场所是核糖体；由图示可见，单链向导RNA中含有双链区，双链区的碱基间遵循碱基配对原则；逆转录酶催化合成的产物不是RNA而是DNA；若α链剪切位点附近序列为……TCCAGAATC……，则目标DNA中另一条链的碱基序列是……AGGTCTTAG……，故向导RNA中的识别序列是……UCCAGAAUC……。

5．已知一个由两条肽链组成的蛋白质分子，共有肽键198个，翻译该蛋白质分子的mRNA中A和U占25%，则转录该mRNA的DNA分子中，至少含有C＋G（　　）

A．700个　B．800个

C．600个D．900个

解析：

选D　肽腱数＋肽链数＝氨基酸个数，故该蛋白质共由200个氨基酸组成，对应的DNA分子中碱基个数至少为200×6＝1200（个），mRNA中A＋U占25%，则DNA中A＋T占25%，故DNA中G＋C占75%，G＋C至少有1200×75%＝900（个）。

6．已知AUG、GUG为起始密码，UAA、UGA、UAG为终止密码。

某信使RNA的碱基排列顺序如下：

A—U—U—C—G—A—U—G—A—C……（40个碱基）……C—U—C—U—A—G—A—U—C—U，此信使RNA控制合成的蛋白质含氨基酸的个数为（　　）

A．20个　B．17个

C．16个D．15个

解析：

选C　由题干中信使RNA的碱基排列顺序可知：

从起始密码AUG到终止密码UAG共有51个碱基，能编码16个氨基酸。

7．下图所示为真核细胞中遗传信息的传递和表达过程。