2020-2021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 课件（41张PPT）

第4章
基 因 的 表 达
第1节
基因指导蛋白质的合成
课程要求
核心素养
概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成
1．科学思维：从化学组成、结构、分布、功能等方面，概括说明DNA和RNA分子的异同。从存在位置、作用等方面，概括说明遗传信息、密码子、反密码子的区别。
2．生命观念：结合图示图解，概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成。
美国科幻电影《侏罗纪公园》曾轰动一时。影片围绕着虚构的“侏罗纪公园”，展现了丰富而新奇的科学幻想：各种各样的恐龙飞奔跳跃、相互争斗，而这些复活的恐龙是科学家利用提取的恐龙DNA还原而来的。
从原理上分析，利用已灭绝生物的DNA，真的能够使它们复活吗？
一种生物的整套DNA中储存着该种生物生长、发育等生命活动所需要的全部遗传信息。但是，从遗传信息（DNA）到遗传性状（蛋白质）的生物体，需要复杂的过程，因此复活恐龙很难做到。
问题探讨
基因如何指导蛋白质合成？
基因(DNA)的分布：
主要存在于细胞核（真核生物）中；拟核（原核生物）
蛋白质的合成场所：
核糖体（细胞质）
DNA的分布和蛋白质的合成场所不同，那么遗传信息如何传递？如何解读？
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。
基因如何指导蛋白质合成？
DNA为什么不能出细胞核指导蛋白质的合成？
DNA是遗传物质；
细胞核控制细胞的遗传和代谢。
核糖体为何不能进入细胞核合成蛋白质？
细胞核的核孔通道直径为9nm，核糖体为圆形颗粒状，直径约为23nm。
最终结论：
在DNA和蛋白质之间，有一种中间物质充当信使，这种中间物质是RNA。
一、遗传信息的转录
为什么RNA适于作DNA的信使？
DNA与RNA的比较
比较项目
DNA
RNA
基本单位
脱氧核苷酸
核糖核苷酸
五碳糖
脱氧核糖
核糖
含氮碱基
A T C G
A U C G
结 构
双链结构
多为单链结构
主要存在部位
细胞核
细胞质
组成RNA的五碳糖是核糖；
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)。
1.RNA适于作DNA的信使的原因
（2）RNA一般是单链，而且比DNA短，因此能通过核孔进入细胞质。
这种作为DNA信使的RNA叫信使RNA，也叫mRNA。
（1）RNA的分子组成与DNA的很相似，使得RNA具备准确传递遗传信息
的可能。
２. RNA的种类
种类
mRNA
tRNA
rRNA
名称
信使RNA
转运RNA
核糖体RNA
分布
功能
结构
示
意
图
共同点
主要在细胞质中
主要在细胞质中
与蛋白质结合成核糖体
翻译的直接模板
翻译时运载氨基酸
组成核糖体
单链
单链
单链
①都是转录产物 ②基本单位相同 ③都与翻译过程有关
(1)概念：
(2)场所：
细胞核（主要）、叶绿体、线粒体
3.转录
在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成RNA的过程。
U
A
A
G
U
C
C
C
T
T
G
G
A
A
A
游离的核糖核苷酸
RNA聚合酶
mRNA
DNA
1. 解旋:
RNA聚合酶与编码蛋白质的一段DNA结合，使DNA双链解开，碱基暴露出来。
游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对，在RNA聚合酶的作用下开始mRNA的合成。
新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上。
4. 释放:
3. 连接:
2. 配对:
合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双螺旋恢复。
(3) 过程：
模板：
原料：
能量：
酶：
（6）转录的产物：
（7）转录的原则：
（4）转录的条件：
DNA的一条链
4种游离的核糖核苷酸
ATP
RNA聚合酶
mRNA、rRNA、tRNA
碱基互补配对原则
A-U G-C T-A C-G
（8）转录时遗传信息流动：
DNA　　 RNA
（5）转录的特点:
边解旋边转录
比较项目
DNA复制
DNA转录
模板
原料
碱基互补配对原则
酶
产物
DNA
RNA
DNA的两条链
DNA的一条链
四种脱氧核苷酸
四种核糖核苷酸
A-T；T-A；G-C；C-G
A-U；T-A；G-C；C-G
解旋酶、DNA聚合酶等
RNA聚合酶
模板链
思考?讨论
1.转录与DNA复制有那么共同之处？这对保证遗传信息的准确转录有什么意义？
转录与复制都需要模板、都遵循碱基互补配对原则。
碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性。
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？
转录时，游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对。因此，转录出的RNA的碱基与DNA模板链的碱基是互补配对的关系。该RNA碱基与DNA另一条链（非模板链）的碱基序列的区别在于RNA链上碱基U的位置，对于在非模板链上的碱基是T。
思考?讨论
2.与DNA复制相比，转录所需要的原料和酶各有什么不同？
DNA复制过程需要解旋酶和DNA聚合酶，以4种游离的脱氧核苷酸为原料；转录则需要RNA聚合酶，以4种游离的核糖核苷酸为原料。
A
C
G
T
G
T
T
A
T
A
C
G
U
G
U
U
U
A
mRNA
T
G
C
A
C
A
A
A
T
细胞质
细胞核
核孔
DNA
A
C
G
U
G
U
U
U
A
mRNA
转录得到的RNA仍是碱基序列，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的种类、数量和排列顺序呢？
mRNA如何将信息翻译成蛋白质？
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。
mRNA：
碱基的数量
排列顺序
种类
蛋白质：
氨基酸的数量
排列顺序
种类
决定
决定
决定
?种
4种
21种
讨论：4种碱基怎么决定蛋白质的21种氨基酸？
2.翻译的实质：
将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列
二、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，这一过程叫作翻译。
4种碱基只能决定4种氨基酸，41=4
4种碱基最多只能编码16种，42=16
三个碱基决定一个氨基酸能决定64种，43=64，足够有余
（3）一个氨基酸的编码至少需要多少个碱基，才足以组合出构成
蛋白质的21种氨基酸？
（2）如果2个碱基编码一个氨基酸，最多能编码多少种氨基酸？
（1）如果1个碱基决定1个氨基酸，4种碱基能决定多少种氨基酸？
思考?讨论
（1）概念：mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。
3.密码子:
P67 密码子表
?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
C
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
天冬氨酸
丝氨酸
U
异亮氨酸
苏氨酸
天冬氨酸
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
64种
特殊密码子说明：
①在正常情况下，UGA是终止密码子，但在特殊情况下可编码硒代半胱氨酸。
②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。
（2）密码子种类：
起始密码子：
终止密码子：
能决定氨基酸的密码子:
AUG甲硫氨酸; GUG缬氨酸、甲硫氨酸
UAA; UAG; UGA 硒代半胱氨酸
61或62种
密码子与氨基酸关系：
①1种氨基酸可能由1种或几种密码子决定。
②1种密码子只能决定1种氨基酸（正常情况下）。
1.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性。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？
分析密码子的特点
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；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。
2.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？
地球上几乎所有的生物共用一套密码子表。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。
思考?讨论
（3）密码子的特点
简并性：绝大多数氨基酸都有几个密码子，这一现象称为密码子的简并。
通用性：几乎所有的生物体都共用一套密码子。
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？
4．tRNA——“搬运工”
(1)形态：
RNA链经过折叠，形成三叶草形
3'
5'
(2)功能特点：
每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
结合氨基酸的部位
碱基配对
(3)反密码子
mRNA
5'
3'
A
C
U
密码子
U
G
A
反密码子
位于tRNA上，其实质是与密码子发生碱基互补配对的3个相邻的碱基。
不是所有的密码子都有与之对应的反密码子。
一般情况下，密码子64种，反密码子61种。
5、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。
核糖体沿着mRNA移动---5'至3'端
6. 翻译场所：
7. 翻译的条件：
模板：mRNA
原料：21种游离的氨基酸
能量：ATP
酶
8. 原则：碱基互补配对
9. 翻译产物：
核糖体
RNA: A U C G
RNA: U A G C
多肽链
在细胞质中翻译是一个快速高效的过程。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。因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。
三、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。
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
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。
RNA
随着研究的深入，科学家对中心法则做出了补充。
复制
转录
翻译
蛋白质
DNA
RNA
逆转录
RNA
的复制
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。
真核生物DNA复制、转录和翻译的比较
项目
DNA复制
转录
翻译
时间
细胞分裂前的间期
生长发育的整个过程中
场所
主要在细胞核中，部分在线粒体和叶绿体中
主要在细胞核中，部分在线粒体和叶绿体中
细胞质中的核糖体上
原料
4种脱氧核苷酸
4种核糖核苷酸
20种氨基酸
模板
DNA的两条链
DNA的一条链
mRNA
课堂小结
项目
DNA复制
转录
翻译
条件
特定的酶和ATP等
模板
去向
分别进入两个子代DNA分子中
模板链与非模板链重新组成双螺旋结构
分解成单个核糖核苷酸
特点
边解旋边复制，半保留复制
边解旋边转录，DNA双链全保留
一个mRNA上可结合多个核糖体
产物
两个双链DNA分子
RNA
肽链
意义
复制遗传信息，传递遗传信息
表达遗传信息，使生物体表现出各种性状
真核生物DNA复制、转录和翻译的比较
课堂小结
生物种类
遗传信息的传递过程
原核生物
真核生物
DNA病毒
RNA复制病毒
逆转录病毒
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
复制
RNA
翻译
蛋白质
逆转录
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
复制
RNA
不同生物遗传信息传递途径：
A—C—U—G—G—A—U—C—U
mRNA：
苏氨酸——甘氨酸——丝氨酸
肽链：
DNA：
A—C—T—G—G—A—T—C—T
T—G—A—C—C—T—A—G—A
肽键 肽键
（假设以B链为模板进行转录）
A链
B链
转录
翻译
基因的表达过程中碱基与氨基酸的数量关系
基因中的碱基数：mRNA中的碱基数：蛋白质中的氨基酸数 ＝
6∶3∶1
思考?讨论
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。
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聚合酶的活性
三种抗生素都是通过阻止遗传信息的传递和表达，进而抑制细菌增殖的。具体而言，红霉素影响翻译过程，环丙沙星影响复制过程，福利平影响转录过程。
巩固练习