课程信息

 

【本讲教育信息】

一、教学内容

遗传信息的表达

1. DNA分子与RNA分子的区别。

2. 遗传信息的表达过程及遗传密码。

3. 中心法则。

 

二、重点导学

遗传信息的传递和表达过程

 

三、全面突破

知识点1：DNA分子与RNA分子的区别

1. DNA的功能：

（1）携带遗传信息：以自身为模板，半保留复制保持遗传信息的稳定性。

（2）表达遗传信息：根据DNA所贮存的遗传信息决定蛋白质的结构，以控制性状。

思考：

①DNA分子主要存在于细胞的什么部位？

②蛋白质在细胞的什么地方进行合成？

（DNA分子主要存在于细胞核中的染色体上，而蛋白质的合成在细胞质中的核糖体上进行。）

2. DNA分子与RNA分子的区别

 

DNA

RNA

碱基

A、G、C、T

A、G、C、U

五碳糖

脱氧核糖（C5H10O4）

核糖（C5H10O5）

磷酸

磷酸

磷酸

基本单位

脱氧核苷酸

核糖核苷酸

结构

通常呈双螺旋结构

通常呈单链状结构

3. 染色体、DNA、基因、生物性状的相互关系

基因是遗传的一个基本功能单位，它在适当的环境条件下控制生物的性状。本质上，基因就是一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段，大多数生物中是一段DNA，而在RNA病毒中则是一段RNA。

遗传的主要物质是DNA分子；基因是有遗传效应的DNA片段；基因在染色体上呈直线排列；基因的不同是由于脱氧核苷酸的排列顺序不同导致的；基因控制性状就是通过控制蛋白质合成来完成的；DNA的遗传信息又是通过RNA来传递的。

思考：细胞核中的DNA分子是如何控制细胞质中蛋白质的合成的呢？

 

知识点2：遗传信息的表达过程

遗传信息的表达过程包括遗传信息从DNA分子上转录给RNA分子，再从RNA分子翻译成蛋白质分子。

1. 转录

（１）定义：在细胞核中以DNA的一条链为模板， 合成RNA的过程。即：

思考：转录中模板DNA链中的碱基A、G、C、T是如何与信使RNA中的碱基A、G、C、U互补配对的呢？

符合DNA分子中碱基互补配对原则，即A与T配对，G与C配对，但RNA分子中没有T碱基，因此是DNA分子中的A与RNA分子中的U配对。

（2）场所：细胞核

（3）转录的条件：模板：DNA的一条链

原料：4种核糖核苷酸

能量：ATP

酶：解旋酶、RNA聚合酶

（4）转录的结果：形成RNA，通过转录，DNA分子的遗传信息（即碱基排列顺序）就传递给了信使RNA。

（5）合成的RNA的种类

①信使 RNA（mRNA）：传递DNA上的遗传信息，是合成蛋白质的直接模板。

②核糖体 RNA（rRNA）：组成核糖体的成分，是核糖体行使功能所必需的物质。

③转运 RNA（tRNA）：把氨基酸运送到核糖体，使之按照mRNA的信息指令连接起来形成蛋白质。

2. 翻译

思考：转录得到的RNA仍是碱基序列，而不是蛋白质。那么，RNA上的碱基序列如何才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？

（1）定义：

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。

（2）场所：细胞质的核糖体中。

（3）翻译的条件：模板（mRNA）、原料（氨基酸）、ATP、酶、转运RNA（tRNA）。

（4）产物：蛋白质（多肽）

（5）碱基互补配对：G－C、C－G、U－A、A－U

（6）遗传信息流动：mRNA→蛋白质（多肽）。

思考：

（1）翻译过程中mRNA上的碱基是如何决定蛋白质中的氨基酸的？

（2）组成蛋白质的氨基酸的种类以及蛋白质多样性的原因？

（即：一般有20种；蛋白质多样性是由氨基酸种类、数量、排列顺序及空间结构决定的。）

（3）氨基酸有20种，而信使RNA只有四种碱基（A、G、C、U），如何决定20种氨基酸呢？

逻辑推理：

一个碱基决定一个氨基酸，只能决定4种，41=4，不行；

两个碱基决定一个氨基酸，只能决定16种，42=16，不行；

三个碱基决定一个氨基酸，只能决定64种，43=64，足够且有余。

3. 密码子

（1）密码子的发现过程：

1961年英国的克里克和同事用实验证明一个氨基酸是由信使RNA上的三个相邻碱基决定的。

美国年轻的生物化学家尼伦伯格和同事用人工合成方式，首先阐明了遗传密码的第一个密码子—UUU，即决定苯丙氨酸的密码子。

1967年科学家已将20种氨基酸的密码子全部破译。

（2）密码子：mRNA上决定一种氨基酸的三个相邻的碱基。

思考：游离于细胞质基质中的氨基酸是怎样到达核糖体并按一定排列顺序形成蛋白质的呢？

此时需要一种搬运工具搬运——即另一种RNA（转运RNA，即tRNA）。转运RNA种类很多，但每种转运RNA只能识别并转运一种氨基酸。这是因为在转运RNA的一端是携带氨基酸的部位，另一端有三个碱基，能专一性地与信使RNA上的特定的三个碱基（即密码子）配对。

例如：信使RNA上的三个碱基UUA就是一个密码，转运RNA中转运亮氨酸一端的三个碱基是AAU，只有它才能按照碱基互补配对原则配对。由于核糖体中的信使RNA中有许多密码子，每个密码子与转运特定氨基酸的转运RNA能够碱基配对，这样它才能对号入座。也就是说一种转运RNA在哪个位置上对号入座是靠转运RNA的三个碱基去识别的。而位置则是信使RNA按遗传信息预先定了的。

（3）遗传密码的特性

①有3个终止密码子，没有对应的氨基酸，所以在64个遗传密码子中，能决定氨基酸的遗传密码子只有61个。

②通用性：地球上几乎所有的生物共用一套密码子。

③简并性：一种氨基酸有两种以上的密码子的情况。在一定程度上能防止由于碱基的改变而导致的遗传信息的改变。

（4）DNA是如何决定蛋白质的多样性的？

a. 信使RNA的遗传信息即碱基排列顺序是由DNA决定的。

b. 转运RNA携带的氨基酸（如赖氨酸、丙氨酸）在蛋白质的氨基酸顺序的哪一个位置上是由信使RNA决定的，归根到底是由DNA的特定片段（基因）决定的，由于DNA分子的多样性，决定了蛋白质分子的多样性。

4. DNA的复制、转录、翻译比较

 

复制

转录

翻译

场所

细胞核

细胞核

核糖体

模板

DNA两条链

DNA一条链

mRNA

原料

四种脱氧核苷酸

四种核糖核苷酸

20种氨基酸

其他条件

ATP 解旋酶 DNA聚合酶

ATP  解旋酶  RNA聚合酶

ATP  tRNA 酶

产物

两个DNA分子

RNA

多肽链

碱基互补配对

A—T  G—C

T—A  C—G

A—U  G—C

T—A   C—G

A—U  G—C

U—A  C—G

 

知识点3：中心法则

1. 克里克提出的中心法则

2. 发现RNA病毒及逆转录修改后的中心法则

基因控制生物性状的途径主要有两条：一是通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而间接控制生物的性状，二是控制蛋白质的结构直接控制生物的性状。但是许多生物的性状受基因的控制情况往往会更复杂，有的生物性状是受多个基因控制的，同时基因与基因，基因与基因的产物，基因与环境之间存在着复杂的相互作用，一起精密地控制着生物的性状。

 

【典型例题】

例1、tRNA与mRNA碱基互补配对的现象可出现在真核细胞的  （    ）

A. 细胞核中        B. 核糖体上       C. 核膜上         D. 核孔处

分析：mRNA是通过DNA转录形成的，该过程一般发生在细胞核内，它是通过核孔离开细胞核而进入细胞质的，与核糖体结合并在核糖体上进行翻译，翻译时是以mRNA为模板将氨基酸连成蛋白质或者多肽。因而核糖体是蛋白质合成的场所。而原料（氨基酸）是依靠tRNA运输而来，tRNA与mRNA碱基互补配对现象也就发生在核糖体上。

答案：B

 

例2、遗传学上将某种分子上决定一个氨基酸的三个相邻碱基称为“密码子”，这种分子是  （    ）

A. 肽链                B. DNA                 C. 信使RNA        D. 转运RNA

分析：正确选项为C，即遗传学上的“密码子”是指信使RNA分子上决定一个氨基酸的三个相邻碱基。DNA分子上的碱基排列顺序虽然最终决定蛋白质的氨基酸排列顺序，但遗传学称之为“遗传信息”而不是“密码子”。转运RNA分子上同决定氨基酸有直接关系的三个相邻碱基称为“反密码子”。至于肽链，则是由氨基酸而不是由碱基组成的。

答案：C

 

例3、科学家将含人的α－抗胰蛋白酶基因的DNA片段，注射到羊的受精卵中，该受精卵发育的羊能分泌含α－抗胰蛋白酶的奶。这一过程不涉及  （    ）

A. DNA按照碱基互补配对原则自我复制

B. DNA以其一条链为模板合成RNA

C. RNA以自身为模板自我复制

D. 按照RNA密码子的排列顺序合成蛋白质

分析：题干所列过程至少包括外源基因在卵裂和发育中的复制和表达，故涉及中心法则中DNA的复制、转录和RNA的翻译，但该过程不涉及RNA的自我复制。

答案：C

 

例4、下列关于遗传密码的说法错误的是（    ）

A. 遗传密码阅读时是连续的

B. 一种氨基酸的遗传密码可能有多个

C. tRNA的反密码子与mRNA的密码子是互补配对的

D. 能代表氨基酸的密码子共有64个

分析：密码子是mRNA上三个相邻的碱基，其与tRNA的反密码子是互补配对的，一种氨基酸的遗传密码可能有多个，对真核生物来说，密码子共有64个，但真正代表氨基酸的有61个，故D错误。

答案：D

 

例5、真核生物染色体DNA遗传信息的传递与表达过程，在细胞质中进行的是

A. 复制              B. 转录                C. 翻译              D. 转录和翻译

分析：真核生物的细胞核具有核膜，将细胞核和细胞质分开，染色体DNA存在于细胞核，并在细胞核分裂之前进行复制。转录在细胞核中进行，转录产生的mRNA经过核孔进入细胞质，在核糖体上翻译，产生由氨基酸组成的蛋白质。

答案：C

 

【超前思维】

下一讲我们将学习第四章《生物的变异》的第一节《生物变异的来源》，请大家从以下几方面做好预习。

1. 不可遗传变异与可遗传变异的不同。

2. 基因重组及其意义。

3. 基因突变的特征和原因。

4. 染色体结构变异和数目变异。

 

重点导学

1. 基因重组是指在生物体进行有性生殖的过程中，控制           的基因的重新组合。基因重组是生物变异的来源之一，对生物的进化也有重要的意义。

2. DNA分子中发生碱基对的     、      和缺失，而引起的基因      的改变，叫做基因突变。基因突变的原因是细胞分裂       期DNA分子       时，由于外界理化因素或自身生理因素引起的碱基对的替换、增添或缺失。基因突变在生物界中是普遍存在的；基因突变是随机发生的、不定向的；在自然状态下，基因突变的频率是很低的。基因突变是     产生的途径；是生物变异的       来源；是生物进化的原始材料。

3. 染色体结构变异的类型包括：

（1）染色体中某一片段     引起的变异；

（2）染色体中      某一片段引起的变异；

（3）染色体的某一片段移接到另一条         染色体上引起的变异；

（4）染色体中某一片段位置      也可引起变异。

4. 染色体数目变异的类型包括：

一类是细胞内       染色体的增加或减少；另一类是细胞内染色体数目以       的形式成倍地增加或减少。

5. 染色体组

细胞中的一组        ，在形态和功能上各不相同，携带着控制生物生长发育的全部遗传信息，这样的一组染色体，叫做一个染色体组。

6. 二倍体、多倍体、单倍体

体细胞中含有     个染色体组的叫做二倍体。由      发育而成的个体，体细胞中含有三个或三个以上染色体组的叫做多倍体。体细胞中含有本物种        染色体数目的个体，叫做单倍体。

 

【模拟试题】（答题时间：25分钟）

一、选择题

1. DNA复制，转录和翻译后所形成的产物分别是（    ）

A. DNA，RNA和蛋白质              B. DNA，RNA和氨基酸

C. RNA，DNA和核糖               D. RNA，DNA和蛋白质

2. 某种蛋白质中含200个氨基酸，在控制此蛋白质合成的DNA中，最少应有几个脱氧核苷酸（    ）

A. 1200             B. 600              C. 400              D. 200

3. 已知某转运RNA（tRNA）一端的3个碱基顺序是GAU，它运载的是亮氨酸（亮氨酸的密码子是UUA、UUG、CUU、CUA、CUC、CUG），那么决定此亮氨酸的密码子是由DNA模板链上的哪个碱基序列转录而来的（    ）

A. GAT           B. GAU           C. CUA            D. CAT

4. 下列哪项生理过程与碱基互补配对原则无关（    ）

A. tRNA与mRNA相结合              B. 遗传信息的转录

C. tRNA与氨基酸相结合              D. 遗传信息的复制

5. 某DNA分子片段中碱基为2400对，则由此片段所控制合成的多肽链中，最多有几种氨基酸 （    ）

A. 800            B. 400            C. 200            D. 20

6. 在人体中，由A、T、C三种碱基参与构成的核苷酸共有（    ）

A. 2种            B. 4种           C. 5种            D. 6种

7. 已停止分裂的细胞，其遗传信息的传递情况可能是（    ）

A. DNA→DNA                                  B. RNA→RNA

C. DNA→RNA                                  D. 蛋白质→RNA

8. 如果一个基因含有600个碱基，那么由它控制合成的蛋白质最多有多少个氨基酸分子（    ）

A. 100个                  B. 200个             C. 300个                   D. 600个

9. 一段信使RNA上有30个碱基，其中A和G有12个，转录出该信使RNA的一段DNA中的C和T的个数以及翻译合成一条多肽时脱去的水分子数分别是 （    ）

A. 30个、10个  B. 30个、9个     C. 18个、9个   D. 12个、10个

10. 在遗传信息的传递过程中，不可能发生的是（    ）

A. DNA复制、转录以及翻译过程中都遵循碱基互补配对原则

B. 核基因转录形成的mRNA穿过核孔进入细胞质中进行翻译过程

C. DNA复制、转录都是以DNA一条链为模板，翻译则是以mRNA为模板

D. DNA复制、转录和翻译的原料依次是脱氧核苷酸、核糖核苷酸、氨基酸

11. 骨骼肌细胞中合成mRNA及多肽链的场所分别是（    ）

A. 细胞质和细胞核                   B. 细胞核和线粒体

C. 内质网与核糖体                   D. 细胞核与核糖体

*12. 以某DNA分子片段为模板，转录成一个RNA分子，其中A和U碱基分别占全部碱基的16%和32%，那么这段DNA分子中胸腺嘧啶占全部碱基的（    ）

A. 48%                 B. 32%                  C. 24%                 D. 16%

13. 一般情况下，同一生物个体不同功能的细胞中，转录出的mRNA（    ）

A. 种类和数量均无差异                 B. 种类相同，数量不同

C. 种类和数量均有差异                 D. 种类不同，数量相同

 

二、非选择题

14. 下表是在某蛋白质合成过程中，参与决定某氨基酸的有关核酸中的碱基，请回答［解题中可能要用到的密码子和氨基酸：GAU、GAC（天门冬氨酸），CUU、CUA、CUC（亮氨酸）］

DNA

A链

 

 

T

B链

 

T

 

转运RNA

G

 

 

信使RNA

 

 

 

密码子

 

 

A

（1）表中决定的氨基酸是                       。

（2）你认为控制合成“某蛋白质”的遗传信息在                上。

A. DNA（A链）   B. DNA（B链）    C. 信使RNA      D. 转运RNA

（3）每个转运RNA中的碱基有（    ）

A. 3个                  B. 6个                C. 很多个             D. 无数个

15. 艾滋病（AIDS）是目前威胁人类生命的重要疾病之一。能导致艾滋病的HIV病毒是RNA病毒。它感染人的T淋巴细胞，导致人的免疫力下降，使患者死于广泛感染。请回答：

（1）该病毒进入细胞后，能以             为模板，在             酶的作用下合成                   ，并整合于人的基因组中。

（2）整合后它按照                     原则进行复制；又能以           为模板合成               ，并进而通过                过程合成病毒蛋白。

（3）如果将病毒置于细胞外，该病毒不能繁殖，原因是                       。

 

 

【试题答案】

一、选择题

1. A   2. A   3. A   4. C   5. D   6. C   7. C   8. A   9. B   10. C   11. D  

12. C（提示：RNA分子中A和U碱基分别占全部碱基的16%和32%，则DNA分子中A和T的总和为48%，A和T各占24%。）  

13. C

 

二、非选择题

14. （1）亮氨酸   （2）A   （3）C

15. （1）RNA   逆转录   DNA   （2）碱基互补配对   DNA   mRNA   翻译

（3）病毒本身缺乏繁殖所需的原料、能量和酶等。