2023-2024学年高一生物人教版（2019）必修第二册 学案 4.1 第2课时 遗传信息的翻译、中心法则

第1节 基因指导蛋白质的合成
第2课时　遗传信息的翻译、中心法则
【自主预习】
一、遗传信息的翻译
1.翻译
2.tRNA的结构和功能特点
(1)tRNA的结构示意图
(2)功能特点:每种tRNA只能识别并转运　一种　氨基酸。
3.密码子和反密码子
结合课本密码子表和右图填空。
(1)属于密码子的是　b　(填字母),其位于[d]　mRNA　(填名称)上,实质是决定一个氨基酸的　3个相邻　的碱基。
(2)属于反密码子的是　a　(填字母),其位于[c]　tRNA　(填名称)上,实质是与　密码子　发生碱基互补配对的3个相邻的碱基。
(3)密码子的种类有　64　种,其中AUG既可以编码　甲硫氨酸　,又是起始密码子;GUG在　原核生物　中,可以作为　起始　密码子,此时它编码　甲硫氨酸　,在其他情况下,它编码　缬氨酸　。UGA在正常情况下是　终止　密码子,在特殊情况下可以编码硒代半胱氨酸。
4.翻译的过程
5.翻译能高效进行的原因
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。
二、中心法则
1.提出者:　克里克　。
2.完善后的内容
(1)DNA的复制:遗传信息从　DNA　流向　DNA　。
(2)转录:遗传信息从　DNA　流向　RNA　。
(3)翻译:遗传信息从　RNA　流向　蛋白质　。
(4)RNA的复制:遗传信息从　RNA　流向　RNA　。
(5)逆转录:遗传信息从　RNA　流向　DNA　。
3.实质:描述遗传信息的流动方向。
【合作探究】
任务1　概述遗传信息的翻译过程
活动1　阅读课本P70以及P66~67内容,分析、归纳密码子的特点
1.mRNA上的碱基有4种,而氨基酸有21种,它们之间有怎样的对应关系呢
　　提示　由于mRNA上的碱基有4种,如果1个碱基决定1个氨基酸,那么4种碱基只能决定4种氨基酸,如果2个碱基决定1个氨基酸,4种碱基能决定42=16种氨基酸,如果3个碱基决定1个氨基酸,4种碱基能决定43=64种氨基酸,能够满足组成蛋白质的21种氨基酸的需要。
2.分析、归纳密码子的特点。
　　提示　①相邻的密码子之间无间隔,不重叠;②64个密码子都有作用,其中有3个终止密码子;③绝大多数氨基酸都有几个密码子。
3.地球上几乎所有的生物体都共用一套密码子。根据这一事实,你能想到什么
　　提示　地球上的生物有或近或远的亲缘关系(或有共同的起源);体现了生物界的统一性等。
4.一种氨基酸可能有几个密码子,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
　　提示　密码子的简并增强了基因表达的容错性,也可提高翻译的速率。
5.图中甲、乙、丙的含义分别是什么
　　提示　甲是结合氨基酸的部位,乙是碱基对,丙是反密码子。
6.结合tRNA的结构分析氨基酸被运送到合成蛋白质的“生产线”上的过程。
　　提示　每种tRNA可以特异性识别一种氨基酸,携带氨基酸的tRNA通过反密码子与mRNA上的密码子互补配对。
认知生成
遗传信息、密码子、反密码子的比较
项目 遗传信息 密码子 反密码子
概念 基因中脱氧核苷酸序列 mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻碱基 tRNA中与密码子互补配对的3个碱基
位置 DNA mRNA tRNA
作用 从根本上决定氨基酸的排列顺序,指导蛋白质合成 直接决定蛋白质中氨基酸的序列 识别密码子
种类 脱氧核苷酸的排列顺序(4n种,n等于有遗传效应的DNA片段上碱基的对数) 64种,其中一般61种(特殊情况下62种)能编码氨基酸;3种终止密码子不能编码氨基酸(特殊情况下2种) —
特点 多样性、特异性 简并性、通用性 —
例1　下列叙述正确的是(　　)。
A.密码子有64种,每个密码子都与一个反密码子相对应
B.反密码子位于mRNA上,密码子位于tRNA上
C.除原核生物外,一个密码子最多只能对应一个氨基酸
D.每种氨基酸可以对应多种tRNA,每种tRNA也可以对应多种氨基酸
　　【答案】　C
【解析】　密码子有64种,有两种终止密码子不与反密码子相对应,A错误;反密码子位于tRNA上,密码子位于mRNA上,B错误;在真核生物中,一个密码子最多只能对应一个氨基酸,在原核生物中,GUG可对应两种氨基酸(缬氨酸和甲硫氨酸),C正确;由于密码子的简并,绝大多数氨基酸可以对应多种tRNA,但是每种tRNA只可以对应一种氨基酸,D错误。
对点练1　根据下表提供的信息,可以确定色氨酸的密码子是(　　)。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
DNA G
C
信使RNA C
转运RNA A
氨基酸 色氨酸
A.UCC　　　　 B.TCC　　　　 C.ACC　　　　 D.GCC
　　【答案】　A
【解析】　信使RNA上的密码子和转运RNA上的反密码子互补配对,据表可推知色氨酸的密码子的第一个碱基为U,该密码子的第三个碱基为C,模板链是DNA上面的一条链,可知第二个碱基为C,因此色氨酸的密码子是UCC,A正确。
活动2　下图是翻译过程的示意图,请据图分析并回答下列问题
1.图甲中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ分别是哪种分子或结构 该过程的碱基互补配对方式与DNA复制和转录相比完全一样吗
　　提示　Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ分别是tRNA、核糖体、多肽链。不完全一样,DNA复制中碱基配对方式为A—T、T—A、G—C、C—G,转录中碱基配对方式为A—U、T—A、C—G、G—C,翻译中碱基配对方式为A—U、U—A、C—G、G—C。
2.根据遗传密码的阅读方式,判断图甲中核糖体沿着mRNA移动的方向,写出图甲中翻译出的氨基酸序列。
　　提示　核糖体沿着mRNA从左向右移动。图甲中对应的氨基酸序列为甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸。
3.图乙中①⑥分别是什么分子或结构 图乙中翻译的方向如何判断
　　提示　①⑥分别是mRNA、核糖体。核糖体移动的方向是由右向左,翻译的方向与核糖体的移动方向一致。
4.最终合成的多肽链②③④⑤的氨基酸序列相同吗 为什么
　　提示　相同。因为它们的模板是同一条mRNA。
5.依据图乙所示的翻译特点,分析其意义。
　　提示　一条mRNA上面可以结合多个核糖体,少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质。
6.翻译能精确进行的原因有哪些
　　提示　①mRNA为翻译提供了精确的模板;②mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子的碱基互补配对,保证了翻译能够准确地进行。
7.翻译合成的肽链能直接承担相应的生物学功能吗
　　提示　一般不能,翻译所合成的肽链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后,才能承担相应的生物学功能。
8.根据转录和翻译的场所推测真核生物与原核生物在基因表达过程中的区别。
　　提示　真核细胞的转录主要发生在细胞核中,翻译发生在细胞质中,在空间和时间上被分隔开,先转录后翻译,而原核细胞的转录和翻译没有分隔开,可以同时进行,边转录边翻译。
认知生成
真核生物中DNA的复制、转录和翻译的比较
过程 DNA的复制 转录 翻译
时间 主要发生在有丝分裂前的间期和减数分裂前的间期 生长发育的整个过程中
信息传 递方向 DNA→DNA DNA→RNA RNA→多肽
场所 主要在细胞核,少部分在线粒体和叶绿体中 核糖体
模板 DNA的两条链 DNA的一条链 mRNA
原料 含A、T、C、G的四种游离的脱氧核糖核苷酸 含A、U、G、C的四种游离的核糖核苷酸 21种氨基酸
酶 解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶 多种酶
模板 去向 分别进入两个 子代DNA中 模板链与非模板链重新组成双螺旋结构 分解成多个核糖核苷酸
特点 边解旋边复制, 半保留复制 边解旋 边转录 一个mRNA分子可以结合多个核糖体,同时合成多条相同的肽链
例2　下图为基因表达过程的示意图,下列叙述正确的是(　　)。
A.①是DNA,其一条链可进入细胞质作为转录的模板
B.该图可以表示原核生物基因表达的过程
C.③是核糖体,翻译过程中③将由3'向5'方向移动
D.④是tRNA,能识别mRNA上的密码子
　　【答案】　D
【解析】　据图分析,①②③④依次代表DNA、mRNA、核糖体、tRNA,其中②(mRNA)是以①(DNA)的一条链为模板合成的,场所是细胞核,A错误;原核生物是在拟核区边转录边翻译的,B错误;③(核糖体)沿着mRNA由5'向3'方向移动,C错误;④是tRNA,其上的反密码子能与mRNA上的密码子配对,D正确。
对点练2　下图表示生物细胞中基因的表达过程,下列相关判断不正确的是(　　)。
A.图示现象不可能发生在人体细胞的核基因表达过程中
B.一个基因可在较短时间内合成多条肽链
C.一条多肽链的合成需要多个核糖体的共同参与
D.图示过程中既有DNA与RNA之间的碱基互补配对,也有RNA与RNA之间的碱基互补配对
　　【答案】　C
【解析】　题图显示转录和翻译过程同时发生,可表示原核细胞基因表达的过程,也可表示真核细胞的细胞质基因表达的过程,而人体细胞具有由核膜包被的细胞核,核基因的转录发生在细胞核中,翻译发生在细胞质中的核糖体上,A正确;由题图可知,一条mRNA可相继与多个核糖体结合,加快了翻译的速度,因此一个基因可在较短时间内合成多条肽链,B正确;一条多肽链的合成只需一个核糖体的参与,C不正确,转录过程中有DNA和RNA的碱基互补配对,翻译过程中有RNA和RNA的碱基互补配对,D正确。
素能提升　了解硒代半胱氨酸(科学探究能力)
　　1986年,英国科学家Chambers等人在研究和鉴定一些动物(猫、牛和鼠等)谷胱甘肽过氧化物酶的作用时发现了第21种氨基酸即硒代半胱氨酸,该发现第一次揭示了硒代半胱氨酸是由密码子UGA编码的。
　　UGA这个密码子原来仅视为多肽合成的终止密码子,现在发现它也是硒代半胱氨酸的密码子,故它是一个双功能的密码子。这个发现在硒蛋白研究中具有里程碑式的意义,它揭示了硒的分子生物学基础。迄今为止,硒代半胱氨酸已经被发现是25种硒酶的活性中心,是含硒酶(尤其是抗氧化酶)的核心。如果没有这第21种氨基酸,含硒酶就无法工作,人就会出各种各样的病症。在一条mRNA的序列里,UGA是编码硒代半胱氨酸还是作为终止密码子由什么决定呢 科研人员猜测这取决于编码的蛋白质是否是硒蛋白,并利用以UGA为终止密码子的含硒蛋白的mRNA和不含硒蛋白的mRNA在体外翻译体系中进行了如下实验:
加入的物质组别 mRNA 氨基酸
A 含硒蛋白的mRNA 21种氨基酸(含硒代半胱氨酸)
B 含硒蛋白的mRNA 20种氨基酸(不含硒代半胱氨酸)
C 不含硒蛋白的mRNA 21种氨基酸(含硒代半胱氨酸)
D 不含硒蛋白的mRNA 20种氨基酸(不含硒代半胱氨酸)
1.已知科研人员的猜测是正确的,推测该实验出现的结果。
　　提示　A组合成的蛋白质含硒,B组合成的不含硒且肽链比A组短。C组和D组合成的蛋白质相同且均不含硒。
2.科研人员在研究中还发现游离的硒代半胱氨酸不会直接与tRNA结合,而是在某种氨基酸与特定tRNA结合后加硒修饰而成。仿照上面的实验,你能否设计实验证明这一发现 请简要写出实验步骤和预期结果。
　　提示　提取含硒蛋白的mRNA分为A、B两组,A组加入含21种氨基酸(包括硒代半胱氨酸)的普通培养液,B组加入含20种氨基酸(不含硒代半胱氨酸)的含硒培养液。在体外翻译体系中反应一段时间后检测合成的蛋白质是否含硒。预期结果:A组合成的蛋白质不含硒,B组合成的蛋白质含硒,且A组合成的蛋白质比B组短。
3.通过对氨基酸结构的分析,科学家推测修饰为硒代半胱氨酸的氨基酸是丝氨酸或半胱氨酸。你能否用同位素标记法设计实验证明这一发现 请简要写出实验步骤和结果。
　　提示　提取含硒蛋白的mRNA分为A、B两组,加入含有20种氨基酸的含硒培养液,A组的丝氨酸用14C标记,B组的半胱氨酸用14C标记。在体外翻译体系中反应一段时间后检测合成的蛋白质中是否含有放射性标记。若A、B两组蛋白质长度相同且A组含有放射性标记则说明修饰为硒代半胱氨酸的氨基酸是丝氨酸,若A、B两组蛋白质长度相同且B组含有放射性标记则说明修饰为硒代半胱氨酸的氨基酸是半胱氨酸。
任务2　了解中心法则的提出和修正过程
活动3　阅读课本P69,中心法则揭示了生物遗传信息传递的规律,据图回答下列问题
1.②表示什么过程 需要何种酶参与 ④表示什么过程 需要何种酶参与
　　提示　②表示转录过程,需要RNA聚合酶参与。④表示逆转录过程,需要逆转录酶参与。
2.图中遵循碱基互补配对原则的过程有哪些
　　提示　①②③④⑤。
3.任意一个人体细胞均能发生①②③过程吗
　　提示　高度分化的细胞不再进行细胞分裂,因而不能发生①过程。哺乳动物成熟的红细胞无细胞核,也无线粒体、核糖体等细胞器,不能发生①②③过程。
4.以DNA作为遗传物质的生物(包括原核生物、真核生物和DNA病毒)的遗传信息流动方向是怎样的 请以图示表示。
　　提示　
5.据研究,烟草花叶病毒等部分RNA病毒的遗传信息可以从RNA流向RNA,请你绘出该类生物的中心法则图解。
　　提示　
6.HIV是一种逆转录病毒,其遗传信息流动方向又是怎样的 请以图示表示。
　　提示　
7.从中心法则的内容可以看出遗传信息的流动过程在生物学中的重要地位,这个法则反映了遗传物质的哪两大功能
　　提示　中心法则反映了遗传物质的信息传递、表达这两大功能。
8.下列4支试管中分别模拟的是中心法则中的哪个过程 分别需要什么酶
　　提示　模拟的过程:a.DNA的复制;b.转录;c.RNA的复制;d.逆转录。需要的酶:a.解旋酶和DNA聚合酶;b.RNA聚合酶;c.RNA复制酶;d.逆转录酶。
例3　下图表示某种生理过程,下列与此图相关的叙述,不正确的是(　　)。
　XY　
A.图中的“能量”直接来源于ATP水解
B.若X、Y均表示DNA,则图中的酶为DNA聚合酶和解旋酶
C.若X是RNA,则Y只能是蛋白质,图中“原料”为氨基酸
D.若X是DNA,Y是RNA,则此过程要以X为模板,酶是RNA聚合酶
　　【答案】　C
【解析】　ATP是生命活动的直接能源物质,图中的“能量”直接来源于ATP水解,A正确;若X、Y均表示DNA,该过程为DNA的复制过程,则图中的酶为DNA聚合酶和解旋酶,B正确;若X是RNA,则Y可能是蛋白质、RNA或DNA,该过程分别为翻译、RNA的复制或逆转录过程,C不正确;若X是DNA,Y是RNA,则此过程是转录过程,要以DNA为模板,酶是RNA聚合酶,D正确。
【方法技巧】　　中心法则问题的解题技巧
1.从模板分析
(1)如果模板是DNA,生理过程可能是DNA复制或转录。
(2)如果模板是RNA,生理过程可能是翻译、RNA复制或逆转录。
2.从原料分析
(1)如果原料为脱氧核苷酸,产物一定是DNA。
(2)如果原料为核糖核苷酸,产物一定是RNA。
(3)如果原料为氨基酸,产物一定是多肽链。
3.从生物种类分析
(1)如果是细胞生物,能进行DNA复制、转录和翻译过程。
(2)如果是RNA病毒,分两种情况:
①RNA自我复制和翻译。如烟草花叶病毒。
②逆转录、DNA复制、转录和翻译。如人类免疫缺陷病毒(HIV)。
对点练3　(2023·张掖校考)下图为中心法则示意图。下列相关叙述正确的是(　　)。
A.①②③分别表示转录、复制、翻译
B.正常人体细胞能完成的过程是①②⑤
C.④过程为逆转录过程,存在A—U、C—G、T—A、G—C碱基配对方式
D.某些病毒可进行④⑤过程
　　【答案】　D
【解析】　①②③分别表示复制、转录、翻译,A错误;正常人体细胞不能完成⑤(RNA分子的复制),B错误;④过程为逆转录过程,遵循碱基互补配对原则,该过程以RNA为模板合成DNA,因此存在A—T、C—G、U—A、G—C的碱基配对方式,C错误;有些病毒可进行⑤过程(RNA的复制),例如烟草花叶病毒,有些病毒可以进行④过程(逆转录),例如HIV,D正确。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
判断正误。 (1)密码子位于mRNA上,ATC一定不是密码子。 (√) (2)mRNA在核糖体上移动翻译出蛋白质。 (×) (3)每种转运RNA能识别并转运一种或多种氨基酸。 (×) (4)遗传信息只能从DNA流向RNA,进而流向蛋白质。 (×) (5)每种氨基酸都具有两种或两种以上的密码子。 (×) (6)tRNA一经发挥作用便迅速被酶分解而无法重复使用。 (×) (7)中心法则表示的是遗传信息的流动过程。 (√) (8)叶绿体和线粒体中遗传信息的传递也遵循中心法则。 (√)
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