高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第4章 基因的表达第1节 基因指导蛋白质的合成学案

这是一份高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第4章 基因的表达第1节 基因指导蛋白质的合成学案，共18页。学案主要包含了遗传信息的转录，遗传信息的翻译，中心法则等内容，欢迎下载使用。

一、遗传信息的转录
1．RNA的结构与种类
(1)基本单位及组成
①磷酸；②核糖；③碱基：A、U、G、C；④核糖核苷酸。
(2)空间结构：一般是单链，且比DNA短。
(3)RNA的种类及其作用
①eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(名称：信使RNA（mRNA）,作用：DNA的信使))
②eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(名称：核糖体RNA（rRNA）,作用：组成核糖体))
③eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(名称：转运RNA（tRNA）,作用：识别并转运氨基酸))
(4)RNA与DNA的比较
2.遗传信息的转录
(1)概念：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。
(2)过程
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。
2．密码子
(1)概念
mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻的碱基叫作1个密码子。密码子的碱基是连续的，没有间隔，图中表示的mRNA上含有3个密码子。
(2)种类
①共有64种密码子。
②有2种起始密码子：在真核生物中AUG作为起始密码子；在原核生物中，GUG也可以作为起始密码子，此时它编码甲硫氨酸。
③有3种终止密码子：UAA、UAG、UGA。正常情况下，终止密码子不编码氨基酸，仅作为翻译终止的信号，但在特殊情况下，UGA可以编码硒代半胱氨酸。
3．tRNA的结构和功能特点
(1)结构和功能
(2)功能特点：每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
4．翻译的过程
三、中心法则
1．提出者：克里克。
2．中心法则的提出及其发展
(1)图示
(2)根据图示，完成下表
3.生命是物质、能量和信息的统一体
(1)DNA、RNA是信息的载体。
(2)蛋白质是信息的表达产物。
(3)ATP为信息的流动提供能量。
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．遗传信息转录的产物只有mRNA。( )
2．转录和翻译都是以mRNA为模板合成生物大分子的过程。( )
3．一个tRNA分子中只有一个反密码子。( )
4．mRNA在核糖体上移动翻译出蛋白质。( )
5．在蛋白质合成过程中密码子都决定氨基酸。( )
6．DNA病毒没有RNA，其遗传信息的传递不遵循中心法则。( )
提示：1．× 转录合成的RNA有三种类型：mRNA、tRNA、rRNA。
2．× 转录的模板是DNA分子的一条单链，不是mRNA。
3．√
4．× 核糖体在mRNA上移动翻译出蛋白质。
5．× 密码子共有64种，有3种终止密码子，不决定氨基酸，决定氨基酸的密码子有61种。
6．× DNA病毒没有RNA，但其遗传信息的传递仍遵循中心法则，包括DNA复制、转录和翻译三个过程。
遗传信息的转录和翻译
1．DNA复制、转录、翻译的区别与联系
2.相关图解及分析
(1)图解
(2)分析
3．基因表达过程中的相关数量计算
DNA(基因)、mRNA上碱基数目与氨基酸数目之间的关系
(1)图示：
(2)规律：蛋白质中氨基酸数目＝1/3 mRNA中碱基数目＝1/6 DNA(或基因)中碱基数目。
1．如图表示遗传信息表达的某一环节，据图回答下列问题：
(1)图中a、b、c依次为何种物质或结构？图中显示b、c间存在何种的数量关系？其意义何在？
提示：a为肽链，b为核糖体，c为mRNA。图示表明一个mRNA分子上可相继结合多个核糖体，其意义在于可同时进行多条肽链的合成，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。
(2)图示翻译方向是A→B还是B→A，判断依据是什么？
提示：由c中三条链越往A侧越延长，可确认翻译方向是B→A。
2．科学家已经发现密码子有64种，反密码子有61种，而组成蛋白质的氨基酸约有21种，那么三者之间有什么样的对应关系？
提示：除3种终止密码子外，密码子和反密码子之间是一一对应的关系；除3种终止密码子外，一种密码子对应一种氨基酸，一种氨基酸对应一种或多种密码子；一种反密码子对应一种氨基酸，一种氨基酸对应一种或多种反密码子。
1．如图所示为细胞中遗传信息的传递和表达过程，相关叙述正确的是 ( )
① ② ③
A．①是DNA的复制，②是转录，③是翻译，三个过程中碱基配对情况不完全相同
B．②③过程发生的场所可能相同，③过程中以DNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的肽链
C．①②过程所需要的原料相同
D．③过程中不同核糖体合成的是同一种肽链，核糖体的移动方向是由右向左
A [①是DNA的复制，②是转录，③是翻译。DNA复制过程中碱基配对方式为A—T、C—G、G—C、T—A，转录过程中碱基配对方式为A—U、C—G、G—C、T—A，翻译过程中碱基配对方式为A—U、C—G、G—C、U—A，可见这三个过程中碱基配对情况不完全相同，A正确。②是转录过程，主要发生在细胞核中，此外还可以发生在线粒体和叶绿体中；③是翻译过程，发生在核糖体上，也能发生在线粒体和叶绿体中，该过程中以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的肽链，B错误。①②过程所需要的原料不同，①过程所需要的原料是脱氧核苷酸，②过程所需要的原料是核糖核苷酸，C错误。③过程中不同核糖体合成的是同一种肽链，核糖体的移动方向是由左向右，D错误。]
2．(2020·全国卷Ⅲ)细胞内有些tRNA分子的反密码子中含有稀有碱基次黄嘌呤(I)。含有I的反密码子在与mRNA中的密码子互补配对时，存在如图所示的配对方式(Gly表示甘氨酸)。下列说法错误的是( )
A．一种反密码子可以识别不同的密码子
B．密码子与反密码子的碱基之间通过氢键结合
C．tRNA分子由两条链组成，mRNA分子由单链组成
D．mRNA中的碱基改变不一定造成所编码氨基酸的改变
C [根据图像可知，反密码子CCI可与mRNA中的GGU、GGC、GGA互补配对，说明一种反密码子可以识别不同的密码子，A项正确；密码子与反密码子的碱基互补配对，密码子与反密码子的碱基之间通过氢键结合，B项正确；tRNA分子和mRNA分子都是单链结构，C项错误；由于某些氨基酸可对应多种密码子，故mRNA中的碱基改变不一定造成所编码氨基酸的改变，D项正确。]
3．一个mRNA分子有m个碱基，其中(G＋C)有n个；由该mRNA指导合成的蛋白质有两条肽链。则控制该mRNA合成的DNA分子至少含有的(A＋T)数、合成蛋白质时最多脱去的水分子数分别是( )
A．m、(m/3)－1
B．m、(m/3)－2
C．2(m－n)、(m/3)－1
D．2(m－n)、(m/3)－2
D [由题意知，mRNA分子有m个碱基且(G＋C)的数目为n，则此mRNA分子中(A＋U)的数目为(m－n)，控制其合成的DNA分子模板链中(A＋T)的数目至少为(m－n)，整个双链DNA分子中(A＋T)的数目至少为2(m－n)；由mRNA分子有m个碱基可知，以其为翻译模板可合成最多含m/3个氨基酸的蛋白质分子，题干中给出此蛋白质分子有两条肽链，脱去的水分子数最多应为(m/3)－2。]
原核生物与真核生物基因转录和翻译的辨别
(1)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进行，即先转录后翻译。
(2)原核细胞的转录和翻译没有分隔，可以同时进行，边转录边翻译。过程如右图所示：
图中①是DNA模板链，②③④⑤表示正在合成的4条mRNA，每条mRNA上有多个核糖体同时进行翻译过程，翻译的方向是从下到上。
(3)转录不是转录整个DNA，是转录其中的基因，不同种类的细胞，由于基因的选择性表达，mRNA的种类和数量不同，但tRNA和rRNA的种类没有差异。
中心法则
1．中心法则的内容及应用
(1)细胞生物及噬菌体等DNA病毒的中心法则的表达式
(2)烟草花叶病毒等大部分RNA病毒的中心法则的表达式
(3)HIV等逆转录病毒的中心法则的表达式
(4)高度分化的细胞内中心法则的表达式
DNAeq \(――→,\s\up8(转录))RNAeq \(――→,\s\up8(翻译))蛋白质
(5)能分裂的细胞内中心法则的表达式
(1)逆转录需要逆转录酶。
(2)逆转录和RNA复制只有在某些病毒复制时才能进行。
(3)哺乳动物成熟的红细胞中无遗传信息的传递。
2．中心法则体现了DNA的两大基本功能
(1)传递遗传信息：通过DNA复制完成的，发生于亲代产生子代的生殖过程或细胞增殖过程中。
(2)表达遗传信息：通过转录和翻译完成的，发生在个体发育过程中。
3．中心法则与基因表达的关系
4．中心法则五个过程的比较
乙肝被称为“中国第一病”。乙肝病毒的DNA有一条环状链和一条较短的半环链，侵染时先形成完整的环状，再以其中一条作为原始模板复制形成新的病毒，如图所示：
(1)发生在宿主细胞质内的过程有哪些？(填写图中序号)。
提示：⑤⑥⑦。
(2)发生了碱基互补配对现象的过程有哪些？(填图中序号)。
提示：③④⑤⑦。
(3)用图示表示乙肝病毒的中心法则。
提示：。
1．如图是4种遗传信息的流动过程，对应的叙述不正确的是 ( )
甲 丙
乙 丁
A．甲可表示胰岛细胞中胰岛素合成过程中的遗传信息的传递方向
B．乙可表示逆转录病毒在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向
C．丙可表示DNA病毒(如噬菌体)在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向
D．丁可表示RNA病毒(如烟草花叶病毒)在宿主细胞内繁殖过程中的遗传信息传递方向
A [甲表示胰岛细胞合成胰岛素，但胰岛细胞高度分化，不能进行DNA自我复制，A错误；乙能进行逆转录过程，可表示逆转录病毒在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向，B正确；丙包括DNA的复制、转录和翻译，可表示DNA病毒(如噬菌体)在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向，C正确；丁包括RNA的自我复制和翻译，可表示RNA病毒，如烟草花叶病毒在宿主细胞内繁殖过程中的遗传信息传递方向，D正确。]
2．某种RNA病毒在增殖过程中，其遗传物质需要经过某种转变后整合到真核宿主的基因组中。物质Y与脱氧核苷酸结构相似，可抑制该病毒的增殖，但不抑制宿主细胞的增殖，那么物质Y抑制该病毒增殖的机制是( )
A．抑制该病毒RNA的转录过程
B．抑制该病毒蛋白质的翻译过程
C．抑制该RNA病毒的反(逆)转录过程
D．抑制该病毒RNA的自我复制过程
C [RNA病毒逆转录生成DNA，需要的原料是4种脱氧核苷酸，物质Y与脱氧核苷酸结构相似，会混入逆转录生成的DNA中，致使逆转录生成的DNA不能整合到真核宿主的基因组中，影响病毒RNA及蛋白质的合成，从而抑制该病毒增殖，故只有C项正确。]
中心法则各生理过程快速确定的三大依据
随着抗生素的广泛使用甚至滥用，目前细菌对抗生素的耐药性问题已十分严重，抗生素耐药性正在对全球健康构成威胁。因此，发展新型抗生素势在必行，基于不同机制的新型抗生素正处于研发的不同阶段。红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物能抑制细菌的生长，抗菌机制如下表：
通过分析和比较不同抗菌药物的抗菌机制，从而深刻理解遗传信息在细胞内的传递过程和规律。针对不同情况的病症，应选用合理的抗生素，以增强生命健康。
1．结合遗传信息传递途径和上表，分析这几种药物在遗传信息传递途径中的作用。(科学思维)
提示：红霉素能与核糖体结合，抑制肽链的延伸，故抑制细菌的翻译过程。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，故抑制细菌的转录过程。青霉素抑制细菌细胞壁的合成，影响遗传信息的传递和表达。
2．根据生活常识和题干，如何使用抗生素？(社会责任)
提示：轻微感冒不必使用抗生素治疗，可选用一般感冒药即可，用抗生素治疗，不仅“大材小用”，还会干扰体内正常菌群，或造成耐药菌株增多。许多人误认为最新的药就是最好的药，如果一开始就用最新的抗生素药物，会加快病菌出现对新药的抗药性，使得病菌在与人类研制新药的斗争中处于领先位置。因此应针对病症选用合理的抗生素。
[课堂小结]
1．下列关于人体细胞中mRNA、rRNA和tRNA的叙述，正确的是( )
A．mRNA在细胞核中合成，tRNA和rRNA在细胞质中合成
B．mRNA和rRNA都是单链结构，而tRNA是双链结构
C．三种RNA中有两种参与蛋白质的合成过程
D．mRNA可携带遗传信息，tRNA和rRNA不携带遗传信息
D [真核细胞内mRNA、tRNA和rRNA主要都在细胞核中合成，A错误；mRNA、rRNA和tRNA都是单链结构，B错误；mRNA、rRNA和tRNA都参与蛋白质的合成过程，C错误；mRNA可携带遗传信息，tRNA和rRNA不携带遗传信息，D正确。]
2．细胞中DNA转录形成mRNA，关于此过程的说法正确的是( )
A．不存在T—A的碱基配对方式
B．形成的mRNA分子中A的数量总是等于U的数量
C．两条链同时作模板进行转录
D．一个DNA分子可以转录出多种mRNA分子
D [转录过程中，DNA与mRNA碱基互补配对，存在DNA中的T与mRNA中的A的碱基配对方式，A错误；mRNA分子为单链结构，其中A的数量不一定等于U的数量，B错误；转录的模板是DNA的一条链，C错误；一个DNA分子含有多个基因，因此可以转录出多种mRNA分子，D正确。]
3．如图为细胞内蛋白质合成过程的部分示意图，下列叙述错误的是( )
A．图中①结构中含有核糖体RNA
B．需要RNA聚合酶催化
C．mRNA上碱基改变有可能改变肽链中氨基酸的种类
D．会发生A与U的互补配对
B [图中核糖体由核糖体RNA和蛋白质组成，A正确；RNA聚合酶催化的是转录过程，而图示为翻译过程，B错误；mRNA上碱基改变会导致密码子发生改变，而密码子决定氨基酸，因此有可能改变肽链中氨基酸的种类，C正确；图示为翻译过程，其中mRNA与tRNA配对，由于RNA分子中含有的碱基是A、U、G、C，所以mRNA与tRNA之间会发生A与U的互补配对，D正确。]
4．克里克提出的中心法则是指( )
A．遗传信息的转录、翻译过程
B．遗传信息的转录、翻译及表达过程
C．DNA复制及转录、翻译过程中的碱基互补配对原则
D．遗传信息通过DNA复制、转录及翻译传递的过程
D [克里克提出的中心法则主要包括遗传信息从DNA传递到DNA的自我复制过程，以及从DNA流向RNA进而流向蛋白质的转录和翻译过程。]
5．如图表示某DNA片段遗传信息的传递过程，①～⑤表示物质或结构。a、b、c表示生理过程。请据图回答下列问题。(可能用到的密码子：AUG—甲硫氨酸、GCU—丙氨酸、AAG—赖氨酸、UUC—苯丙氨酸、UCU—丝氨酸、UAC—酪氨酸)
(1)完成遗传信息表达的是________(填字母)过程，a过程所需的酶有________________________。
(2)图中含有核糖的是________(填数字)；由②指导合成的多肽链中氨基酸序列是_____________________________________________________________。
(3)该DNA片段第三次复制需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目为________个。
(4)若在AUG后插入3个核苷酸，合成的多肽链中除在甲硫氨酸后多一个氨基酸外，其余氨基酸序列没有变化。由此证明___________________________
__________________________________________________________________。
[解析] 分析图示过程可知：a为DNA的复制、b为转录、c为翻译。(1)完成遗传信息表达的是转录和翻译，即图中的b和c，DNA的复制需要在解旋酶的作用下解开双链，然后在DNA聚合酶的作用下合成DNA子链。(2)RNA中含有核糖，所以图中含有核糖的结构包括mRNA、tRNA、rRNA。根据②mRNA上的密码子可知指导合成的多肽链中氨基酸的序列：甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸—苯丙氨酸。(3)由图可知DNA片段含7个T，故第三次复制需要23－1×7＝28(个)胸腺嘧啶脱氧核苷酸。(4)三个核苷酸对应一个氨基酸，由此证明一个密码子由三个相邻的碱基(核糖核苷酸)组成。
[答案] (1)b、c 解旋酶和DNA聚合酶 (2)②③⑤ 甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸—苯丙氨酸 (3)28 (4)一个密码子由三个相邻的碱基(核糖核苷酸)组成
课标内容要求
核心素养对接
概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成。
1．生命观念：根据结构和功能观，理解RNA的结构和功能。
2．科学思维：通过分析与综合，进行转录、翻译过程中的有关计算；并通过分类与比较，明确中心法则各生理过程的异同。
比较项目
DNA
RNA
组成
单位
基本组成
单位不同
脱氧核糖核苷酸
核糖核苷酸
五碳糖不同
脱氧核糖
核糖
碱基不同
特有的是胸腺嘧啶(T)
特有的是尿嘧啶(U)
结构不同
规则的双螺旋结构
一般为单链
项目
序号
生理过程
遗传信息传递过程
最初提出
①
DNA复制
DNA流向DNA
②
转录
DNA流向RNA
③
翻译
RNA流向蛋白质
发展
④
RNA复制
RNA流向RNA
补充
⑤
逆转录
RNA流向DNA
项目
复制
转录
翻译
时间
细胞分裂前的间期
个体生长发育的整个过程
场所
主要在细胞核中
主要在细胞核中
细胞质中的核糖体
模板
DNA的两条单链
DNA的一条链
mRNA
原料
4种脱氧核苷酸
4种核糖核苷酸
21种氨基酸
能量
都需要(ATP)
酶
解旋酶、DNA聚合酶等
RNA聚合酶
多种酶
产物
2个双链DNA
mRNA、tRNA、rRNA等
多肽(或蛋白质)
产物
去向
传递到2个子代中
主要通过核孔进入细胞质
组成细胞结构蛋白或功能蛋白
特点
边解旋边复制，半保留复制
边解旋边转录，转录后DNA恢复双螺旋
翻译结束后，mRNA被降解
碱基
配对
A—T，T—A，
C—G，G—C
A—U，T—A，C—G，G—C
A—U，U—A，
C—G，G—C
意义
传递遗传信息
表达遗传信息，使生物表现出各种性状
过程
模板
原料
酶
碱基配对方式
产物
实例
DNA的复制
DNA的每一条母链
脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶
A—T、
T—A、
G—C、
C—G
DNA
以DNA作为遗传物质的生物
转录
DNA的一条链
核糖核苷酸
RNA聚合酶
A—U、
T—A、
G—C、
C—G
RNA
除病毒外几乎所有生物
翻译
信使RNA
21种氨基酸
A—U、
U—A、
G—C、
C—G
多肽
除病毒外的细胞生物
RNA的复制
RNA
核糖核苷酸
RNA复制酶
A—U、
U—A、
G—C、
C—G
RNA
以RNA作为遗传物质的生物
RNA的逆转录
RNA
脱氧核苷酸
逆转录酶
A—T、
U—A、
G—C、
C—G
DNA
某些RNA病毒等
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
青霉素
抑制细菌细胞壁的合成
知 识 网 络 构 建
核 心 语 句 背 诵
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)、“搬运工”(tRNA)、原料(21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，3种终止密码子不决定氨基酸。
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.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。生命是物质、能量和信息的统一体。