2022-2023学年高一生物人教版（2019）必修二4.1 基因指导蛋白质的合成（教学课件）（28张ppt）

(共27张PPT)
生物学 必修二
遗传与进化
第4章 基因的表达
4.1 基因指导蛋白质的合成
思考：基因指导蛋白质的合成，可能遇到哪些困难
1、基因是什么？基因在哪里？蛋白质在哪里合成？
2、基因的碱基序列和蛋白质的氨基酸序列有怎样的对应关系？
一. RNA在DNA和蛋白质之间充当信使
RNA在DNA和蛋白质之间充当信使：细胞核中的基因如何指导细胞质中的蛋白质合成？科学家推测，在DNA和蛋白质之间，还有一种中间物质充当信使。后来发现细胞中的确有这样的物质，它就是RNA。
1、RNA的特点
①RNA由基本单位——核苷酸连接而成，核苷酸也含有4种碱基，这使RNA具备准确传递遗传信息的可能。
② RNA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与DNA不同的是，组成RNA的五碳糖是核糖而不是脱氧核糖；RNA的碱基组成中没有碱基T（胸腺嘧啶），而替换成碱基U（尿嘧啶）。
2、RNA的种类和功能
信使RNA（ mRNA ）：作为DNA的信使，是蛋白质合成的模板。
转运RNA（ tRNA ）：转运氨基酸
核糖体RNA（ rRNA ）：组成核糖体
思考：除此之外，RNA还有哪些功能？
二. 遗传信息的转录
二. 遗传信息的转录
1、转录的过程：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。当细胞开始合成某种蛋白质时，RNA聚合酶与编码这个蛋白质的一段DNA结合，使DNA双链解开，双链的碱基得以暴露。细胞中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，依次连接，然后形成一个mRNA分子。
2、DNA的编码链（有义链）和模板链（反义链）：
①基因的两条链，作为转录模板的称为模板链（反义链），另一条为编码链（有义链），一个DNA分子上的不同基因，编码链和模板链可以不同。
②转录是基因表达的核心步骤，其实就是拷贝出一条与DNA链编码链（有义链）序列完全相同（除了T→U）的mRNA的过程，mRNA就是DNA的编码链，是翻译蛋白质的模板。
3、转录的条件：原料（NTP）、能量、模板、酶
4、碱基互补配对原则：模板链（ATGC）——mRNA（UACG）
思考：
1、转录与DNA复制有什么共同之处？这对保证遗传信息的准确转录有什么意义？
2、与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？
3、转录成的RNA的碱基序列，与DNA两条单链的碱基序列各有哪些异同？
三. 遗传信息的翻译
1、翻译：mRNA合成以后，通过核孔进入细胞质中。游离在细胞质中的各种氨基酸，就以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质，这一过程叫作翻译。翻译的实质是将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列。
思考：mRNA上的碱基和氨基酸之间的对应关系是怎样的？
三. 遗传信息的翻译
2、密码子
①密码子是三联体：mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基为1个密码子
思考：
①为什么密码子是三联体？能否由两个mRNA上的碱基决定一个氨基酸？
②分析材料：克里克以T4噬菌体为实验材料，研究其中某个基因的碱基增加或减少对其所编码蛋白质的影响。克里克发现，在相关碱基序列中增加或删除1个或2个碱基，无法产生具有正常功能的蛋白质，但是，当增加或删除3个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。克里克是第一个用实验证明遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸的科学家。
结论：遗传密码是三联体，从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读，密码子之间没有分隔符。
三. 遗传信息的翻译
2、密码子
②遗传密码的破译：蛋白质体外合成技术（思考：如何满足翻译条件？）
三. 遗传信息的翻译
2、密码子
③21种氨基酸的密码子表
1、分析：密码子、起始密码、终止密码、决定氨基酸的密码子种类，氨基酸和密码子的对应关系。
2、从密码子表可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子，这一现象称作密码子的简并。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？
3、几乎所有的生物体都共用上述密码子。根据这一事实，你能想到什么？
三. 遗传信息的翻译
3、tRNA和反密码子
mRNA进入细胞质后，就与蛋白质的“装配机器”——核糖体结合起来，形成合成蛋白质的“生产线”。有了“生产线”，还要有“工人”，才能生产产品。
游离在细胞质中的氨基酸，是怎样被运送到合成蛋白质的“生产线”上的呢？
将氨基酸运送到“生产线”上去的“搬运工”，是另一种RNA——tRNA。tRNA的种类很多，但是，每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。tRNA比mRNA小得多，分子结构也很特别：RNA链经过折叠，看上去像三叶草的叶形，其一端是携带氨基酸的部位，另一端有3个相邻的碱基。每个tRNA的这3个碱基可以与mRNA上的密码子互补配对，叫作反密码子。
总结：tRNA的作用、种类、与氨基酸的对应关系、结构特点、碱基互补配对、反密码子的含义
三. 遗传信息的翻译
4、翻译的过程
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
第2步：携带某个氨基酸的tRNA以同样的方式进入位点2
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上
第4步：核糖体沿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
就这样，随着核糖体的移动，tRNA以上述方式将携带的氨基酸输送过来，以合成肽链。直到核糖体遇到mRNA的终止密码子，合成才告终止。
三. 遗传信息的翻译
5、翻译的条件：原料、能量、模板、酶、工具
①翻译过程中的配对：mRNA（密码子）——tRNA（反密码子）
②碱基互补配对原则：A-U，G-C
6、翻译的特点
①翻译是一个快速高效的过程：1个mRNA分子上可以结合多个核糖体，同时合成多条相同的肽链，这种复合体称为多聚核糖体。少量mRNA可以在短时间内合成大量蛋白质。
②真核生物由于存在核膜，转录和翻译的有时间和空间上的差异
③原核生物没有核膜，可以边转录边翻译。
四. DNA复制、转录和翻译的比较
过程 过程 场所 条件
原料 能量 模板 酶
DNA 复制 亲代DNA→子代DNA 主要在细胞核，线粒体、叶绿体 游离的四种脱氧核苷酸 ATP 解旋后的DNA的两条链 解旋酶、DNA聚合酶
转录 DNA→mRNA 主要在细胞核，线粒体、叶绿体 游离的四种核糖核苷酸 解旋后的DNA的一条链 RNA聚合酶
翻译 mRNA→蛋白质 细胞质 （核糖体上） 游离的21种氨基酸 mRNA 多种酶
核糖体
五. 中心法则
1、克里克提出中心法则：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。
2、中心法则的补充：少数生物（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。
3、生命是物质、能量和信息的统一体：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。
五. 中心法则
4、逆转录病毒：逆转录病毒可以根据碱基互补配对原则，按照RNA的核苷酸顺序合成DNA。这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反，故称为逆转录，催化此过程的DNA聚合酶叫作逆转录酶。后来发现逆转录酶不仅普遍存在于RNA病毒中，哺乳动物的胚胎细胞和正在分裂的淋巴细胞中也有逆转录酶。
携带逆转录酶的病毒又称为逆转录病毒，它侵入宿主细胞后先以病毒RNA为模板靠逆转录酶催化合成DNA，随后这种DNA环化，并整合到宿主细胞的染色体DNA中去，以原病毒的形式在宿主细胞中一代代传递下去。以后又发现许多逆转录病毒基因组中都含有癌基因。如果由于某种因素激活了癌基因，就可使宿主细胞转化为癌细胞。
逆转录病毒虽然属于正链RNA病毒，其基因组RNA就相当于信使RNA，但是入侵宿主以后，逆转录病毒并不用其基因组RNA编码蛋白质，而是用病毒体本身携带的逆转录酶把它逆转录成DNA。此DNA整合到染色体上，成为原病毒。以后以原病毒DNA为模板，由细胞的转录酶转录出RNA。这种RNA既用来编码蛋白质，也用作基因组。基因组和包膜组装成为病毒体，钻出细胞而不杀死细胞，继续侵染新的宿主细胞。根据生物学的分类办法，逆转录病毒可以分成7个属，在这些病毒中，我们最熟悉的是人类免疫缺陷病毒（HIV）。
知识点七：中心法则(遗传信息的流动)
过程 含义 遗传信息流动 生物
1 DNA复制 亲代DNA→子代DNA 以DNA作为遗传物质的生物
2 转录 DNA→RNA
3 翻译 mRNA→蛋白质
4 RNA复制 亲代RNA→子代RNA 普通RNA病毒（如TMV）
5 逆转录 RNA→DNA 逆转录RNA病毒（如HIV）
通常把能直接用于转录的RNA称为+RNA病毒
了解：RNA病毒分类
分类 RNA复制 翻译模板 实例
正链RNA病毒 （＋RNA） RNA→互补RNA→RNA +RNA作为遗传物质，并可直接作为翻译模板 SARS
-RNA作为遗传物质，-RNA转录得到+RNA作为翻译模板 甲型H1N1
负链RNA病毒 （-RNA）
逆转录病毒 RNA→DNA→RNA HIV是逆转录的+RNA病毒 HIV