【本讲教育信息】

一、教学内容

第三节 基因控制蛋白质的合成

二、学习内容：

从基因到蛋白质 遗传密码是怎样破译的 基因对性状的控制 人类基因组计划

三、学习目标

说明基因和遗传信息的关系

概述遗传信息的转录和翻译过程

四、学习重点：

基因的碱基排列顺序代表着遗传信息，而RNA的碱基排列顺序代表着遗传密码；基因控制蛋白质的转录、翻译过程。

五、学习难点：

基因控制蛋白质的转录、翻译过程

六、学习过程

自然界的生物绚丽多彩，千姿百态。人的直发和鬈发；长毛狗和短毛狗，狼狗和哈巴狗；白猫和黑猫……同样是人，同样是狗，同样是猫，为什么性状互不相同呢？这和决定性状的蛋白质密切相关。

1. 从基因到蛋白质

⑴ 基因的本质 基因是DNA分子上具有遗传效应的片段。基因的遗传表达是通过基因控制蛋白质的合成来实现的

⑵ 基因控制蛋白质的合成需要通过RNA作为媒介

DNA（细胞核中）→RNA→蛋白质

⑶ 转录：在细胞核中，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程称为转录

① 转录中， RNA的碱基组成中含U（尿嘧啶）而不含T（胸腺嘧啶），在以DNA为模板合成RNA时，以U代替T（如图）与A配对。

② DNA→RNA以及RNA→RNA时，以U（尿嘧啶）代替T（胸腺嘧啶）进行碱基配对：A—U，G—C

③ 转录产生的RNA有信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）和转运RNA（tRNA）等，通过转录，DNA分子把遗传信息传递到mRNA上。

遗传信息在RNA→蛋白质的传递中，存在着RNA的碱基如何决定蛋白质的问题——遗传密码问题，破译遗传密码是下一个重大的研究课题。

2. 破译遗传密码

（例：电报密码——“胰岛素”的电报密码是“3534 3213 2728”）遗传密码的最终破译是由几位青年分子生物学家通过艰辛而富有创新的实验完成的。

⑴ 尼伦贝格破译遗传密码的研究

1960年，一些青年科学家来到美国国立卫生研究院，和正在那里从事体外蛋白质人工合成研究的尼伦贝格（M. W.Nirenberg）一起开始了破译遗传密码的研究

研究的核心是哪种RNA可以促进多肽的合成。

⑵ 他们创造性地设计并实施了相关实验：

ATP＋游离的氨基酸＋酶＋核糖体＋多聚U→多肽（加入多聚U和苯丙氨酸的试管）

⑶ 1966年科学家终于破译了全部遗传密码

⑷ 遗传密码——遗传学上把mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基叫做一个遗传密码子。例如，UAU或UAC编码酪氨酸，CAU或CAC编码组氨酸，AAG或AAA编码赖氨酸

⑸ 尼伦贝格等的研究表明

① 在全部64个密码子中有61个密码子负责20种氨基酸的编码

② AUG不仅编码甲硫氨酸，同时也是真核细胞唯一的起始密码子

③ 3个终止密码子（UAA、UAG、UGA），不编码任何氨基酸。

④ 密码子的特征为——连续性：密码子与密码子之间没有任何不编码的核苷酸；不重叠性：在多核苷酸链上任何两个相邻的密码子不共用任何核苷酸；简并性：一种氨基酸可由多个密码子决定；统一性：所有生物几乎均用同一套密码子。

尼伦贝格等因破译遗传密码而荣获1968年的诺贝尔生理学或医学奖

由于遗传密码的破译，探索基因控制蛋白质合成的研究也取得了进展。细胞中蛋白质的合成是一个严格按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸分子合成为多肽链的过程，这一过程称为翻译（translation）。翻译是在细胞质中进行的。

3. 基因对性状的控制（基因→蛋白质）

⑴ 基因和性状 基因作为遗传物质，其主要功能是把遗传信息转变为由特定的氨基酸按一定的顺序构成的多肽和蛋白质，从而决定生物体的性状。

① 生物体的性状包括生物体所表现出来的形态特征和生理生化特性。例如，豌豆种子形状的圆形和皱形，人对苯硫脲的尝味能力等

② 生物体的基因组成（基因型）是生物体内在的遗传基础，是性状表现必须具备的内在因素。生物体的一个性状有时还受多个基因的影响（如玉米叶绿素的形成至少与50多个不同的基因有关），而有些基因还会影响多种性状（如决定豌豆开红花的基因也决定其结灰色的种子）。

（2）转录：以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成mRNA，

① mRNA从细胞核的核孔进入到细胞质中。

② 原核生物转录的mRNA直接用于蛋白质的合成。mRNA在完成转录前便开始在核糖体上翻译

③ 在真核生物细胞核的DNA链上具有不能编码蛋白质的核苷酸片段（内含子）和编码蛋白质的核苷酸片段（外显子）。转录后新合成的mRNA是未成熟的mRNA（又称为前体mRNA），这些RNA需要经过一定的加工过程除去内含子并进行一定的修饰，最后形成较短的有功能的成熟mRNA。

（3）翻译 是一个合成具有一定氨基酸序列的蛋白质的过程

① 条件

mRNA——模版 mRNA分子有3个主要部分：领头序列，该序列向核糖体提供蛋白质合成起始的信息；编码序列，决定翻译过程中蛋白质的氨基酸序列，长度因其编码的蛋白质长度而异；结尾序列，结尾序列指示编码序列翻译的完成。

tRNA——运载工具 由具有特定空间结构的单链RNA构成：tRNA的一端携带一个氨基酸，另一端有相对应的3个特定碱基，这3个碱基只能专一性地与mRNA上相对应的3个碱基配对，称为反密码子；细胞中有许多tRNA，每种tRNA只能识别并运转1种氨基酸。

核糖体——肽链装配场所；由大小两个亚基构成，有与mRNA结合的位置

多种酶——催化作用

多种氨基酸——合成蛋白质的原料。

蛋白质合成示意图

② 翻译过程 翻译过程分为起始、延伸和终止等阶段。

Ⅰ 起始阶段：mRNA、tRNA与核糖体相结合。mRNA上的起始密码子（如AUC）位于核糖体的第一位置上。相应的tRNA识别并与其配对。

起始过程是核糖体、mRNA和tRNA三者结合的阶段。mRNA通过核孔进入细胞质，与核糖体相结合。核糖体是蛋白质合成的场所，当tRNA运载一个氨基酸进入核糖体后，就以mRNA为模板，按照碱基互补配对的原则，把转运来的氨基酸放在相应的位置上。

Ⅱ 延伸阶段：携带着特定氨基酸的tRNA按照碱基互补配对原则，识别并进入第二位置。在酶的作用下，将氨基酸依次连接，形成多肽链。

肽链延伸过程比较复杂。当核糖体接受2个氨基酸后，随后第一个tRNA离开核糖体，核糖体在mRNA上会向前移动3个碱基的位置，第二个tRNA前移到第一位置上，其携带的氨基酸在酶的作用下通过肽键与前一个氨基酸连接起来。mRNA上空出来的第二位置为接受新运载来的氨基酸做好准备。上述过程往复进行，肽链不断延伸。

Ⅲ 终止阶段：识别终止密码子，多肽链合成终止并被释放。

核糖体沿着mRNA移动，一旦遇到mRNA上的终止密码子（UAG、UGA、UAA），翻译即自行停止。

多肽链合成以后，从核糖体上脱离，再经过加工形成一定的空间结构，最终形成具有一定功能的蛋白质分子。

4. 中心法则及其发展

⑴ 在遗传学上，把遗传信息的传递叫做信息流。信息流的方向可以用科学家克里克1958年提出的“中心法则”（如图）来表示。

⑵ 中心法则认为

遗传信息可以从DNA流向DNA，即完成DNA的自我复制过程，也可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译过程。

① 1970年泰明（H. M. Temin）等在RNA肿瘤病毒中发现了逆转录酶，它是以RNA为模板，催化合成DNA的酶。这说明细胞中遗传信息也可以从RNA传递给DNA。上述逆转录过程以及RNA自我复制过程的发现，补充和发展了中心法则，使之更加完整。

② 中心法则认为mRNA的碱基序列决定了蛋白质的氨基酸序列，但是某些肽类抗生素（如短杆菌肽等）并非是在mRNA的指导下合成的，而是由短杆菌肽合成酶按顺序吸附了相应的氨基酸排列在酶分子表面，然后使其发生缩合反应而合成新蛋白质。

③ 中心法则认为蛋白质应当是遗传信息传递的终端，可一些朊病毒（如引起疯牛病的朊病毒）只有蛋白质而没有核酸，它们进入宿主细胞后能靠自身的蛋白质改变宿主正常蛋白质的构象而繁殖自己。而当朊病毒存在的时候，正常的朊病毒蛋白就会转化为朊病毒。下图表示朊病毒的复制方式。

5. 人类基因组计划：

人类的体细胞中有23对染色体，为了便于研究，人们根据染色体的形态、大小等特征，将染色体编号并排列成染色体组型图。

⑴ 1988年，美国国立卫生研究院和能源部制定并实施了一项生命科学领域内最为宏大的研究计划——人类基因组计划。

① 人类基因组计划的主要内容是完成人体24条染色体上的全部基因的遗传图、物理图和全部碱基的序列测定（如图）

② 1990年该项计划正式启动

③ 当时预计要用15年时间，花费30亿美元。

⑵ 2003年4月14日，美、日、德、法、英、中6国科学家宣布人类基因组框架图绘制完成，共测出31.647亿个碱基。这是人类认识自身遗传组成的重大事件，但DNA双螺旋结构的发现者之一沃森却认为，序列图的完成只是人类在认识自我方面向前迈出的一小步。

⑶ 我国生物科学工作者为此作出了积极的贡献。

① 人类基因组序列图绘制完成后，我国生物科学工作者又完成了水稻等生物的基因组测定。② 我国还将加强人类基因组的后续研究与开发，主要是开展与重大疾病、重要生理功能相关的基因和蛋白质以及重要病原菌功能基因组等的研究与开发，力争使我国在人类基因组的后续研究与开发方面进入世界先进行列。

【典型例题】

1. 研究转录和翻译过程最好的时期是在细胞的…（ ）

A. 有丝分裂间期 B. 有丝分裂后期

C. 四分体时期 D. 减数第二次分裂间期

分析：转录和翻译过程是蛋白质的合成过程，在有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期都有蛋白质的合成过程。

答案：A

2. 在遗传信息的翻译过程中，翻译者是………（ ）

A. 基因 B. 信使RNA C. 转运RNA D. 遗传密码

分析：转运RNA既能识别特定的氨基酸，又能与特定的mRNA上的碱基“三联体”配对，从而准确地为氨基酸定位。

答案：C

3. 某蛋白质由n条肽链组成，氨基酸的平均相对分子质量为a，控制该蛋白质合成的基因含b个碱基对，则该蛋白质的相对分子质量约为………（ ）

A. 2ab/3－6b＋18n B. ab/3－6b

C. （b/3－a）×18 D. ab/3－（b/3－n）×18

分析：由题意知该蛋白质含有氨基酸数目为2b/6＝b/3个，氨基酸在缩合过程中失去的H₂O为（b/3－n）个，所以该蛋白质的相对分子质量为ab/3－（b/3－n）×18。

答案：D

4. 在一个DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的54％，其中一条链中鸟嘌呤与胸腺嘧啶分别占该链碱基总数的22％和28％，则由该链转录的信使RNA中鸟嘌呤与胞嘧啶分别占碱基总数的……（ ）

A. 24％，22％ B. 22％，28％ C. 26％，24％ D. 23％，27％

分析：设所求链为a链，另一条链为b链，已知（A+T）＝54％，则（A_a+T_a）＝（A_b+T_b）＝54％，（G_a+C_a）＝（G_b+C_b）＝46％，又知：G_b＝22％，A_b＝28％，则G_a＝C_b＝46％－22％＝24％，C_a＝G_b＝22％。

答案：A

5. 请回答下列有关遗传信息传递的问题。

（1）为研究某病毒的致病过程，在实验室中做了如下图所示的模拟实验。

①从病毒中分离得到物质A。已知A是单链的生物大分子，其部分碱基序列为—GAACAUGUU—。将物质A加入试管甲中，反应后得到产物X。经测定产物X的部分碱基序列是—CTTGTACAA—，则试管甲中模拟的是 过程。

②将提纯的产物X加入试管乙，反应后得到了产物Y。产物Y是能与核糖体结合的单链大分子，则产物Y是 ，试管乙中模拟的是 过程。

③将提纯的产物Y加入试管丙中，反应后得到了产物Z。产物Z是组成该病毒外壳的化合物，则产物Z是 。

（2）若该病毒感染了小鼠上皮细胞，则组成子代病毒外壳的化合物的原料来自 ，而决定该化合物的遗传信息来自 。若该病毒除感染小鼠外，还能感染其他哺乳动物，则说明所有生物共用一套 。该病毒遗传信息的传递过程为 。

分析：从题中知A是单链的生物大分子，且含有碱基U，所以推测其为RNA，实验甲模拟的是逆转录，产物是DNA，DNA又可转录出mRNA，然后翻译成多肽，所以可推断出X为DNA，Y为mRNA，Z为多肽（蛋白质），则乙试管中模拟的是转录过程。病毒利用的是自己的遗传信息、宿主细胞的“工具”和原料，合成自己的蛋白质外壳，这一事实说明了病毒和小鼠所用的密码子是相同的，最后根据整道题的转录和逆转录过程，归结出遗传信息的传递过程。

答案：（1）① 逆转录 ② mRNA 转录 ③ 多肽（或蛋白质） （2）小鼠上皮细胞 病毒RNA 密码子 RNA→DNA→mRNA→蛋白质。

6. 下图表示DNA（基因）控制蛋白质合成的过程，分析完成下列问题：

（1）图中所标出的碱基符号包括了 种核苷酸。

（2）DNA双链中， 链为转录的模板链；遗传信息存在于 链上；遗传密码（密码子）存在于 链上（只写标号）。

（3）如合成胰岛素，共含51个氨基酸，控制合成的蛋白质的基因上，至少含有 个脱氧核苷酸。

分析：DNA的两条链包括四种碱基，有四种脱氧核苷酸，RNA③④也包括四种碱基，有四种核糖核苷酸，共有八种核苷酸。能够与mRNA碱基相互配对的转录的模板链是②，其上脱氧核苷酸的排列顺序代表遗传信息，mRNA上核糖核苷酸的排列顺序代表遗传密码。mRNA上每3个碱基决定1个特定氨基酸，mRNA是单链，基因是双链，据此，合成51个氨基酸的蛋白质，需基因中脱氧核苷酸数（碱基数）为6×51＝306个。

答案：（1）8 （2）② ①② ③ （3）306

【模拟试题】（答题时间：80分钟）

一、选择题

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

2. 下列关于DNA复制和转录区别的叙述中错误的是………（ ）

A. 复制和转录的产物不同 B. 复制和转录的原料不同

C. 复制和转录的模板不相同 D. 复制和转录的酶都不相同

3. 把控制合成兔子血红蛋白的信使RNA加入到大肠杆菌的提取液中，结果能合成出兔子的血红蛋白，这说明了……（ ）

A. 所有的生物共用一套遗传密码

B. 蛋白质的合成过程很简单

C. 兔子血红蛋白的合成基因进入大肠杆菌

D. 兔子的DNA可以指导大肠杆菌的蛋白质合成

4. DNA复制、转录和翻译过程所需要的原料分别是……（ ）

A. 脱氧核苷酸、核糖核苷酸、氨基酸

B. 核糖核苷酸、脱氧核苷酸、氨基酸

C. 脱氧核苷酸、氨基酸、核糖核苷酸

D. 核糖核苷酸、氨基酸、核糖核苷酸

5. DNA分子中一条链的（A+G）/（C+T）＝0.4，则以这条链的互补链为模板，转录成的RNA中（A+G）/（C+U）的值为…………………（ ）

A. 2.5 B. 1 C. 0.4 D. 0.6

6. 有一种脑啡肽是从高等动物脑中分离出的多肽，它由酪氨酸（UAC）、甘氨酸（GGA）、甘氨酸（GGA）、苯丙氨酸（UUC）、甲硫氨酸（AUG）共五个氨基酸组成。动物的基因在控制合成这种多肽的过程中所需的核苷酸至少有多少种……（ ）

A. 30 B. 15 C. 8 D. 4

7. 下列哪一种物质与翻译无直接关系 …………（ ）

A. DNA B. mRNA C. tRNA D. 核糖体

8. 编码20种氨基酸的RNA核苷酸三联体有……（ ）

A. 20种 B. 61种 C. 64种 D. 4种

9. 对一个基因的正确描述是……………………（ ）

（1）基因是DNA分子特定的片段 （2）它的分子结构由四种氨基酸构成 （3）它是控制性状的结构单位和功能单位 （4）基因存在于内质网上

A. （1）和（2） B. （1）和（3） C. （3）和（4） D. （1）和（4）

10. 一条多肽链中有氨基酸1000个，则作为合成该多肽链模板的mRNA分子和用来转录成mRNA的DNA分子分别至少需要碱基………………………（ ）

A. 3000个和3000个 B. 1000个和2000个

C. 2000个和4000个 D. 3000个和6000个

11. 密码子和tRNA的关系是……………………（ ）

A. 一对一 B. 一对一或一对多

C. 多对一或一对一 D. 一对一或一对零

12. 甲、乙是同一生物的两种细胞，如果细胞甲比细胞乙RNA的含量多，可能的原因是………………（ ）

A. 甲合成的蛋白质比乙多 B. 乙合成的蛋白质比甲多

C. 甲含的染色体比乙多 D. 甲含的DNA比乙多

13. 下表中决定丝氨酸的密码子是………………（ ）

DNA		G C	G
信使RNA		G
转运RNA	U
氨基酸	丝氨酸

A. TCG B. UCG C. AGC D. UGC

14. 细胞内与遗传有关的物质，从复杂到简单的结构层次是………… （ ）

A. DNA→染色体→脱氧核苷酸→基因

B. 染色体→脱氧核苷酸→DNA→基因

C. DNA→染色体→基因→脱氧核苷酸

D. 染色体→DNA→基因→脱氧核苷酸

15. 一条多肽链由150个氨基酸组成，链中的肽键数和控制合成这条肽链的DNA上的碱基数分别为…（ ）

A. 150、450 B. 149、600 C. 149、900 D. 151、900

16. 美国科学家将荧光素基因转入烟草植物细胞，获得高水平的表达。长成的植物会发出光亮，堪称自然界的奇迹。这一研究成果表明……（ ）

①动物和植物的DNA结构基本相同 ②动物和植物共用一套遗传密码 ③烟草植物体内合成了荧光素 ④萤火虫与烟草植物合成蛋白质的方式相同

A. ①②③④ B. ①③ C. ②③ D. ①④

17. 已知一段信使RNA上有12个A和G，该信使RNA上共有30个碱基。那么转录成信使RNA的一段DNA分子中应有C和T……（ ）

A. 12个 B. 18个 C. 24个 D. 30个

二、非选择题

18. 下图为人体内蛋白质合成的一个过程。据图分析并完成问题：

（1）图中合成多肽链的原料是 。

（2）图中所示属于基因控制蛋白质合成过程中的 步骤，该步骤发生在细胞的 部分。

（3）图中I是 。按从左到右次序写出Ⅱ 内mRNA区段所对应的DNA碱基的排列顺序 。

（4）该过程不可能发生在 。

A. 神经细胞 B. 肝细胞 C. 成熟的红细胞 D. 脂肪细胞

19. 下图表示DNA传递遗传信息的某过程，请据图完成下列问题：

（1）试分析该过程表示 ，主要发生于 。

（2）该过程的模板链是几号链 。

（3）参与该过程所需原料为 、 、 、 ，必须在具有

等条件下才能正常进行。

（4）③到细胞质中与 结合，进行 过程。

（5）如果③中A占23％，U占25％，那么在相应的DNA片段中，A占 ，G占 。

（6）图示生理过程的基本单位是 。

A. 染色体 B. DNA分子 C. 基因 D. 脱氧核苷酸

20. 我国科学家采用“昆虫抗性基因”克隆技术成功地从昆虫细胞内复制出解毒酶基因，并通过生物技术合成了酯酶，只要将其加入三氯杀虫酯（一种毒性较强的常用有机农药）中l小时，便能使毒性降低58％，几小时以后便能将毒性完全解除。请完成下列问题：

（1）经分析，已知酯酶的化学成分不是核酸，则酯酶属于 。

（2）应用昆虫解毒酶基因合成酯酶，要经过 和 两个过程。

（3）你认为这项科研成果在生产、生活中有何实际应用？ （只需答出一项）

21. 下图是真核生物信使RNA合成过程图，请据图完成下列问题：

（1）R所示的节段①处于什么状态？ ；形成这种状态需要的条件是 。

（2）图中②是以 为原料，按照 原则合成的。合成后的去向是 。

（3）图中③表示酶分子，它的作用是 。

（4）图中④称为 链。

22. 细胞分裂间期是进行DNA复制和蛋白质合成等物质积累过程的时期。

（1）在DNA的复制过程中，DNA在 的作用下，双螺旋链解开成为两条单链，并以每一条单链为模板，采用 复制方式合成子代DNA分子。

（2）某基因中的一段序列为……TATGAGCTCGAG—TAT……。据下表提供的遗传密码推测其编码的氨基酸序列： 。

密码子 CAC UAU AUA CUC GUG UCC GAG

氨基酸 组氨酸 酪氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 缬氨酸 丝氨酸 谷氨酸

（3）真核生物的细胞分裂从间期进入前期，除了核膜、核仁消失外，在显微镜下还可观察到 和 的出现。

【试题答案】

一、选择题

1. B；2. D；3. A；4. A；5. C；6. D；7. A；8. B；9. B；10. D；11. D；12. A；13. C；14. D；15. C；16. A；17. D

二、非选择题

18. （1）氨基酸 （2）翻译 细胞质（核糖体） （3）tRNA 核糖体 TGATTCGAA （4）C

19. （1）转录 细胞核 （2）② （3）腺嘌呤核糖核苷酸 鸟嘌呤核糖核苷酸 胞嘧啶核糖核苷酸 尿嘧啶核糖核苷酸 模板、解旋酶、RNA聚合酶、能量 （4）核糖体 翻译 （5）24％ 26％ （6）C

20. （1）蛋白质 （2）转录 翻译 （3）可制成瓜果、蔬菜洗涤剂，降解食物表面可能带有的农药。（或制成解毒药物，用于抢救农药中毒病人等）

21. （1）解旋状态 解旋酶和能量 （2）核糖核苷酸 碱基互补配对 进入细胞质 （3）催化RNA的合成 （4）模板（信息或有义）

22. （1）解旋酶 半保留 （2）异亮氨酸、亮氨酸、谷氨酸、亮氨酸、异亮氨酸 （3）染色体 纺锤体