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第4章 基因的表达
第1节 基因指导蛋白质的合成
背景知识
将苏云金杆菌抗虫蛋白基因（Bt抗虫蛋白基因）转入普通棉花，培育出的棉花植株会产生Bt抗虫蛋白。转入的是基因，得到的却是蛋白质！为什么会这样？
原来，基因可以控制蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达。
DNA主要存在于细胞核中，而蛋白质是在细胞质（核糖体）中合成的。
DNA和核糖体两者在空间上是隔开的。那么，DNA携带的遗传信息是怎么传递到细胞质中的呢？
已知，DNA不能出核孔（核孔有选择性）
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。
背景知识
充当信使的物质——RNA
脱氧核糖
DNA
胸腺嘧啶（T）
磷酸
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
RNA
核糖
尿嘧啶（U）
RNA的基本单位
DNA的基本单位
为什么RNA适于作DNA（基因）的信使？
一、RNA的结构与功能
1.RNA适于作为DNA信使的原因：
（1）RNA组成与DNA的很相似： 它也是由基本单位——核苷酸连接而成的，核苷酸也含有4种碱基，这些特点使得RNA具备准确传递遗传信息的可能。
（2）RNA一般为单链，比DNA短，能通过核孔，从细胞核转移到细胞质中。
（3）组成RNA的碱基也严格遵循碱基互补配对原则。
一、RNA的结构与功能
2.RNA的种类与功能
信使RNA（mRNA）：
能将遗传信息从细胞核传递到细胞质中
转运RNA（tRNA）：
转运氨基酸的工具
核糖体RNA（rRNA）：核糖体的组成成分
一、RNA的结构与功能
1.概念：
2.时间：
3.场所：
4.条件：
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。
个体生长发育的整个过程
主要是细胞核，在叶绿体、线粒体中也能发生转录过程。
DNA的一条链
4种游离的核糖核苷酸
ATP
RNA聚合酶
模板：
原料：
能量：
酶：
二、遗传信息的转录
A
C
C
T
G
G
A
T
C
G
A
A
C
C
T
G
G
T
G
A
C
C
T
A
G
C
T
T
G
G
A
C
①解旋：DNA双链解开，碱基暴露出来。
5.过程：
二、遗传信息的转录
②配对：游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对。
A
C
C
T
G
G
A
T
C
G
A
A
C
C
T
G
U
G
G
A
C
A
U
G
U
G
G
A
C
U
5.过程：
二、遗传信息的转录
③连接：在RNA聚合酶的作用下，mRNA开始合成，新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的RNA分子上
A
C
C
T
G
G
A
T
C
G
A
A
C
C
T
G
U
G
G
A
C
U
A
G
C
U
U
C
G
G
A
C
5.过程：
二、遗传信息的转录
④释放：合成的RNA从DNA链上释放，而后DNA双螺旋恢复。
A
C
C
T
G
G
A
T
C
G
A
A
C
C
T
G
A
G
C
U
U
C
G
G
A
C
U
G
G
A
C
U
5.过程：
二、遗传信息的转录
5.过程：
二、遗传信息的转录
①解旋：双链解开，暴露碱基。
②配对：
③连接：RNA聚合酶
④释放：合成的RNA从DNA链上释放，DNA双螺旋恢复。
5.过程：
原则：碱基互补配对原则(A-U，T-A，C-G，G-C)
模板：解开的DNA双链中的一条链
原料：游离的4种核糖核苷酸
6.产物：
mRNA 、tRNA、rRNA。
⑤方向：子链的5’→3’
二、遗传信息的转录
7.特点：
（1）一个DNA分子中有许多个基因，转录是以基因为单位进行的，每个基因可分别转录成一条mRNA，由于基因的选择性表达，一个DNA分子中某个基因进行转录时，其他基因可能转录也可能不转录，它们之间互不影响。
二、遗传信息的转录
7.特点：
（2）转录的起点和终点分别是DNA分子上基因的启动子和终止子，其中启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。
真核细胞的基因结构
编码区
非编码区
非编码区
内含子
外显子
启动子
终止子
与RNA聚合酶结合位点
二、遗传信息的转录
7.特点：
（3）真核生物的DNA转录形成的mRNA需要在细胞核加工处理成为成熟的mRNA后才能作为下一步翻译的模板。
3’
5’
转录的DNA序列
新合成的mRNA
5’
3’
成熟的mRNA
5’
3’
二、遗传信息的转录
思考·讨论
？
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？
转录和DNA复制都是以DNA为模板并按碱基互补配对原则进行的，碱基互补配对原则能够保证遗传信息准确无误地传递下去，从而保证了遗传的稳定性。
2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？
转录所需要的原料是核糖核苷酸，酶是RNA聚合酶。
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？
转录的RNA碱基序列和模板DNA单链的碱基序列互补配对，与DNA的另一条链的碱基序列相同(只是DNA链上T的位置，RNA链上是U)。
二、遗传信息的转录
DNA复制 转录
主要场所
解旋
模板
原料
酶
能量
碱基配对
产物
细胞核
细胞核
完全解旋
只解有遗传效应的DNA片段
DNA的两条链
只有DNA的一条链
4种脱氧核苷酸
4种核糖核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
ATP
ATP
A－T、T－A、G－C、C－G
A－U、T－A、G－C、C－G
子代DNA
mRNA
DNA复制与转录的比较
三、遗传信息的翻译
转录得到的是RNA，而不是蛋白质。
那么，RNA上的碱基序列如何能变成蛋白质中氨基酸排列顺序呢？
mRNA通过核孔进入细胞质中，与核糖体结合，开始它新的历程——翻译。
1、翻译的概念：
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，称为遗传信息的翻译。
要想知道mRNA是如何翻译成蛋白质的，首先要寻找mRNA的碱基与氨基酸之间的对应关系。
mRNA的碱基序列
蛋白质的氨基酸序列
2、翻译的实质：
三、遗传信息的翻译
三、遗传信息的翻译
mRNA的4种碱基如何对应蛋白质的21种氨基酸？
最多可以决定64（43）种氨基酸
若1个碱基决定1个氨基酸
最多可以决定4种氨基酸
若2个碱基决定1个氨基酸
最多可以决定16（42）种氨基酸
若3个碱基决定1个氨基酸
组成人体蛋白质的氨基酸有21种，至少需要3个碱基对应1个氨基酸
mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸，每3个这样的碱基称作一个密码子。
A
G
G
U
U
C
G
A
C
mRNA
5'
3'
密码子
密码子
密码子
缬氨酸
组氨酸
精氨酸
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U
苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C
亮氨酸 丝氨酸 终止 终止、硒代半胱氨酸 A
亮氨酸 丝氨酸 终止 色氨酸 G
C 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U
亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G
A 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U
异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C
异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A
甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 G
G 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U
缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C
缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A
缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G
起始密码子______种
种类
（ )种 终止密码子______种
编码氨基酸的密码子______种
64
2
62
3
在正常情况下，UGA是终止密码子，但在特殊情况下，UGA可以编码硒代半胱氨酸；在原核生物中，GUG也可以作起始密码子，此时它编码甲硫氨酸。
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U
苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C
亮氨酸 丝氨酸 终止 终止、硒代半胱氨酸 A
亮氨酸 丝氨酸 终止 色氨酸 G
C 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U
亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A
亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 G
A 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U
异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C
异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A
甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 G
G 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U
缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C
缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A
缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G
一种密码子决定____种氨基酸，
一种氨基酸由 密码子决定。
1种或几种
1
三、遗传信息的翻译
密码子的特点：
意义：在一定程度上能防止由于DNA中碱基的改变而导致的蛋白质的改变。
2.通用性：地球上几乎所有的生物共用一套密码子表。
说明生物之间存在或近或远的亲缘关系。
1.简并性：一种氨基酸可由一种或几种密码子决定 。
三、遗传信息的翻译
游离的氨基酸是如何搬运到合成蛋白质的“生产线”上的？
翻译的搬运工---转运RNA(tRNA)
①结构：tRNA链经过折叠，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，这3个碱基可以与mRNA上的密码子配对，叫作反密码子。
③种类：62种，与决定氨基酸的密码子一一对应。
②特点：1种tRNA只能识别并转运1种氨基酸
三、遗传信息的翻译
1
2
第1步: 进入细胞质，与 结合。携带甲硫氨酸的tRNA ，通过与碱基AUG ，进入位点 。
mRNA
核糖体
互补配对
1
翻译的过程
A
G
C
U
U
C
G
G
C
U
G
G
A
C
U
U
C
U
A
甲硫氨酸
三、遗传信息的翻译
1
2
A
G
C
U
U
C
G
G
C
U
G
G
A
C
U
U
C
U
A
甲硫氨酸
G
G
U
组氨酸
第2步:携带某个氨酸的tRNA以同样的方式进入位点 。
2
翻译的过程
三、遗传信息的翻译
1
2
A
G
C
U
U
C
G
G
C
U
G
G
A
C
U
U
C
U
A
甲硫氨酸
G
G
U
组氨酸
第3步:甲硫氨酸与这个氨基酸形成 ，从而转移到位点 的tRNA上。
2
肽键
翻译的过程
三、遗传信息的翻译
1
2
A
G
C
U
U
C
G
G
C
U
G
G
A
C
U
U
C
U
A
甲硫氨酸
G
G
U
组氨酸
第4步: 沿 移动，读取下一个密码子，原占位点 的tRNA离开核糖体，原位点 的tRNA进入位点 ，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点 ，继续肽链的合成。
核糖体
mRNA
1
2
1
2
G
G
U
色氨酸
翻译的过程
三、遗传信息的翻译
1
2
A
G
C
U
U
C
G
G
U
G
A
C
U
甲硫氨酸
G
G
U
组氨酸
G
G
U
色氨酸
随着________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____________，合成才告终止。
核糖体
终止密码子
……
U
A
A
核糖体的移动方向
翻译的过程
三、遗传信息的翻译
1
2
A
G
C
U
U
C
G
G
U
G
A
C
U
……
U
A
A
翻译的过程
三、遗传信息的翻译
1
2
A
G
C
U
U
C
G
G
U
G
A
C
U
……
U
A
A
肽链合成后，就从核糖体与mRNA的复合物上脱离，通常经过一系列步骤，盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子，然后开始承担细胞生命活动的各项职责。
翻译的过程
模板：
原料：
能量：
酶：
搬运工具：
三、遗传信息的翻译
1.概念：
2.场所：
3.条件：
4.产物：
5.原则：
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，称为遗传信息的翻译。
核糖体
具有一定氨基酸序列的蛋白质（肽链）
碱基互补配对（A-U，U-A，C-G，G-C）
6.遗传信息传递的方向：
RNA→蛋白质
肽链合成后，通常经过盘曲折叠，才能形成特定空间结构和功能的蛋白质分子。
mRNA
21种氨基酸
ATP
tRNA
多种酶
三、遗传信息的翻译
在细胞质中，翻译是一个快速的过程。通常一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成（原因），因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成出大量的蛋白质（意义）。
①翻译的方向（核糖体移动的方向）：
由肽链_____→肽链_____的方向进行
短
长
（从左到右）
②合成的多条肽链的氨基酸序列是否相同？
相同。因为是以同一个mRNA为模板翻译出来的。
三、遗传信息的翻译
转录与翻译的比较
转录（有解旋） 翻译（无解旋）
定义
场所
模板
遗传信息 传递的方向
原料
产物
在细胞核中，以DNA的一条链为模板合成mRNA的过程
以信使RNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程
细胞核
细胞质的核糖体
DNA的一条链
mRNA
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
4种核糖核苷酸
氨基酸
mRNA、tRNA、rRNA
一定氨基酸排列顺序的多肽
三、遗传信息的翻译
DNA
RNA
蛋白质
1
3
6
6n
3n
n
碱基数
碱基数
氨基酸数
基因中的碱基、RNA中的碱基和蛋白质中氨基酸的数量关系
基因中的碱基、RNA中的碱基和蛋白质中氨基酸的数量比为：6：3：1
说明：因为基因中存在又终止密码子等片段，实际上基因（DNA）上所含有的碱基数要大于6n,或氨基酸数目小于n。因此一般题目中带有“至少”或“最多”字样。
三、遗传信息的翻译
原核细胞和真核细胞的转录、翻译，在场所、时间上有什么不同？
原核细胞中基因的转录、翻译同时同地进行，边转录边翻译；真核生物中核DNA的转录主要在细胞核中进行，翻译主要在细胞质中进行，核基因先转录后翻译。线粒体和叶绿体中的转录和翻译与原核细胞的相同。
线粒体模式图
原核生物模式图
真核细胞基因表达模式图
四、中心法则
1957年，克里克率先提出遗传信息传递的一般规律——中心法则。
遗传信息可以从DNA流向DNA，即DNA的复制；
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
RNA
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。
随着研究的深入，科学家对中心法则进行补充：
少数生物（如一些RNA病毒）的遗传信息可以从RNA流向RNA（即RNA的自我复制）以及从RNA流向DNA（逆转录）。
逆转录
复制
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，可见，生命是物质、能量和信息的统一体。
五、练习与应用
一、概念检测
1.基因的表达包括遗传信息的转录和翻译两个过程。判断下列相关表述是否正确。
（1）DNA转录形成的mRNA，与母链碱基的组成、排列顺序都是相同的。（ ）
（2）一个密码子只能对应一种氨基酸，一种氨基酸必然有多个密码子。（ ）
×
×
2. 密码子决定了蛋白质的氨基酸种类以及翻译的起始和终止。密码子是指 （ ）
A. 基因上3个相邻的碱基 B. DNA上3个相邻的碱基
C. tRNA上3个相邻的碱基 D. mRNA上3个相邻的碱基
D
五、练习与应用
二、拓展应用
红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物能够抑制细菌的生长，它们的抗菌机制如下表所示， 请结合本节内容说明这些抗菌药物可用于治疗疾病的道理。
题中的三种抗生素都是通过阻止遗传信息的传递和表达，来干扰细菌蛋白质的合成，进而抑制细菌生长的。具体而言，红霉素影响翻译过程，环丙沙星影响复制过程，利福平影响转录过程。
抗菌药物 抗菌机制
红霉素 能与核糖体结合，抑制肽链的延伸
环丙沙星 抑制细菌DNA的复制
利福平 抑制细菌RNA酶的活性
