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第四章 基因的表達
第一節 基因指導蛋白質的合成
【學習目標】
1.概述遺傳信息的轉錄和翻譯。
2.闡明中心法測的具體內容。
3.掌握堿基與氨基酸的對應關系。
【基礎梳理】
一、遺傳信息的轉錄
1.RNA
組成元素： 。
基本組成單位： 。
種類：mRNA：將遺傳信息從DNA傳遞到 中；tRNA：轉運氨基酸，識別 ；rRNA： 的組成成分。
2.轉錄
概念：在細胞核中，以 為模板合成 的過程。
條件：模板：DNA的一條鏈；原料：四種游離的 ；酶： ；能量： ；其他條件：適宜的溫度、 。
過程：①DNA雙鏈解開、 暴露出來；②游離的 與DNA模板鏈上的堿基互補配對，在 的作用下開始 的合成；③新結合的核糖核苷酸連接到正在合成的 分子上；④合成的 從DNA鏈上釋放，而后，DNA雙螺旋恢復。
二、遺傳信息的翻譯
1.密碼子
概念：mRNA上 相鄰的堿基決定1個氨基酸，每3個這樣的堿基叫做1個 。
種類： 個，分三類。
起始密碼子： 個，AUG、GUG；終止密碼子： 個，UAA、UAG、UGA；普通密碼子： 個。
注：①在正常情況下， 是終止密碼子，但在特殊情況下，UGA可以編碼 。
②在原核生物中，GUG也可以作 密碼子，此時它編碼甲硫氨酸。
反密碼子的概念：位于 上，在翻譯過程中能與 上的密碼子發生互補配對的三個相鄰的堿基。
反密碼子的與氨基酸的對應關系：一種tRNA只能轉運 氨基酸；一種氨基酸可由
RNA轉運。
2.翻譯
概念：游離在細胞質中的各種氨基酸，以 為模板合成具有一定氨基酸順序的
的過程。
方向：根據肽鏈的長度判斷翻譯進行的方向，越 的肽鏈，翻譯開始的時間越早
過程：①起始： 與核糖體結合；②運輸： 攜帶氨基酸置于特定位置；③延伸： 沿mRNA移動，讀取下一個密碼子，由對應 運輸相應的氨基酸加到延伸中的肽鏈上(一個mRNA可以結合 核糖體)；④終止：當核糖體讀取到mRNA上的 時，合成終止
三、中心法則
概念：遺傳信息可以從DNA流向DNA，即DNA的 ；也可以從DNA流向RNA，即遺傳信息的 。
【拓展延伸】
基因表達中相關數量的計算
1.轉錄、翻譯過程中DNA（或基因）堿基數：mRNA堿基數：多肽鏈氨基酸數=6:3:1
2.蛋白質中氨基酸數目=mRNA中編碼氨基酸密碼子數=1/3mRNA堿基數目=1/6DNA（或基因）堿基數目
3.蛋白質的有關計算
（1）蛋白質中的氨基酸數目=肽鍵數+肽鏈數
（1）蛋白質平均相對分子質量=氨基酸的平均相對分子質量×氨基酸數-肽鍵數×18
（1）若某基因中有n個堿基，氨基酸的平均相對分子質量為a，則合成含m條肽鏈的蛋白質的相對分子質量=n/6×a-18(n/6-m)。若將基因中有n個堿基改為n個堿基對，則公式為n/3×a-18(n/3-m)
【例題】
已知AUG、GUG為起始密碼子，UAA、UGA、UAG為終止密碼子。某原核生物的一個信使RNA堿基排列順序如下：A—U—U—C—G—A—U—G—A—C……（40個堿基，無終止密碼子）……C—U—C—U—A—G—A—U—C—U，此信使RNA控制合成的蛋白質所含氨基酸的個數為( )
A.20個 B.15個 C.16個 D.18個
答案：C
解析：遺傳密碼的閱讀不能從一條RNA的最前端開始，而是要從起始密碼子的位置開始閱讀。由題干已知AUG、GUG為起始密碼子，認真閱讀不難發現，該信使RNA堿基序列中第5個堿基之后出現AUG，從這個位置開始，到后面的UAG終止密碼子為止，能決定氨基酸的堿基數量為48個，而每三個堿基決定一個氨基酸，所以最終可以決定16個氨基酸。
【課堂練習】
1.如圖是真核生物信使RNA合成過程圖，下列說法正確的是( )
A.R所示的片段①處于解旋狀態，形成這種狀態需要氫鍵斷裂
B.圖中②是以4種脫氧核苷酸為原料合成的
C.若圖中③表示酶分子，則它是DNA聚合酶
D.圖中的②合成后，通過胞吐進入細胞質中，在核糖體上合成蛋白質
2.下列關于DNA復制、轉錄和翻譯的敘述，正確的是( )
A.DNA復制、轉錄都需要解旋酶斷開氫鍵
B.轉錄和翻譯同時進行只能發生在擬核中
C.DNA復制、轉錄和翻譯可發生在噬菌體中
D.分裂期的細胞不能進行轉錄，但可能進行翻譯
3.對于基因如何指導蛋白質合成，克里克認為要實現堿基序列向氨基酸序列的轉換，一定存在一種既能識別堿基序列，又能運載特定氨基酸的分子。該種分子后來被發現是( )
A.DNA B.mRNA C.tRNA D.rRNA
4.下列關于密碼子、tRNA和氨基酸的關系，說法正確的是( )
A.mRNA上每3個相鄰的核苷酸都決定一種氨基酸
B.每種氨基酸都對應多種密碼子
C.tRNA分子上只有反密碼子中有三個堿基
D.每種tRNA只能識別并轉運一種氨基酸
5.下列關于遺傳信息傳遞的敘述，正確的是( )
A.一個DNA能轉錄出多個不同類型的RNA
B.逆轉錄過程需要逆轉錄酶和RNA聚合酶
C.DNA復制時新合成的兩條子鏈形成新的DNA
D.密碼子與反密碼子的種類都是64種
6.基因指導蛋白質的合成主要包括轉錄和翻譯兩個過程。下列關于真核生物基因表達的敘述，正確的是( )
A.DNA轉錄形成RNA的過程只能發生在細胞核中
B.RNA形成時存在的堿基配對方式有T—A、A—U、C—G
C.為了提高蛋白質合成速率，核DNA可以邊轉錄邊翻譯
D.基因上游的起始密碼子有啟動轉錄的作用
7.下列關于中心法則相關概念的理解，正確的是( )
A.轉錄和翻譯過程中的堿基互補配對方式不完全相同
B.噬菌體殼體蛋白的合成原料來自細菌，由細菌基因編碼
C.ATP的水解產物可作為轉錄和逆轉錄過程所需的原料之一
D.中心法則揭示了生物界共用同一套遺傳密碼
8.如圖表示的是人體內遺傳信息的流動方向，下列敘述正確的是( )
A.人體細胞中均可以發生①②③過程
B.①②過程所需的模板和酶都不相同
C.基因對性狀的控制途徑必須經過②③過程
D.蛋白質中氨基酸的數量等于③過程模板上堿基數量的1/3
【答案以及解析】
1.答案：A
解析：該圖表示轉錄過程，在DNA鏈中，R段為解旋段，所以①正處于解旋狀態，形成這種狀態需要解旋酶斷開氫鍵，A正確；圖中②（mRNA）是以4 種核糖核苷酸為原料合成的，B錯誤；由于轉錄合成的是RNA，故酶③的名稱是RNA聚合酶，C錯誤；圖中的②合成后，通過核孔進入細胞質，與細胞質中的核糖體結合并控制蛋白質的合成，D錯誤。
2.答案：D
解析：轉錄不需要解旋酶斷開氫鍵，A錯誤；轉錄和翻譯同時進行也可以發生在線粒體、葉綠體中，B錯誤；DNA復制、轉錄和翻譯可發生在噬菌體寄生的宿主細胞中，但不能發生在噬菌體中，C錯誤；分裂期的細胞中染色質螺旋纏繞，縮短變粗，成為染色體，DNA雙鏈不解開，不能進行轉錄，翻譯時以RNA為模板，若細胞分裂間期轉錄形成的mRNA還有存留，可能進行翻譯，D正確。
3.答案：C
解析：根據題意，實現堿基序列向氨基酸序列的轉換指的是翻譯過程，翻譯過程中不需要DNA，A錯誤；mRNA是翻譯過程中的模板，B錯誤；翻譯過程中既能識別堿基序列又能運載特定氨基酸的是tRNA，C正確；rRNA是組成核糖體的成分，D錯誤。
4.答案：D
解析：mRNA上決定一個氨基酸的3個相鄰的核苷酸稱為一個密碼子，其中終止密碼子不編碼氨基酸，A錯誤；并非所有的氨基酸都對應多種密碼子，如色氨酸只有一種密碼子（UGG）對應，B錯誤；tRNA分子中存在多個堿基，不是只有反密碼子中的三個堿基，C錯誤；tRNA具有專一性，每種tRNA只能識別并轉運一種氨基酸，D正確。
5.答案：A
解析：一個DNA分子上有很多個基因，不同的基因轉錄出來的RNA一般不同，A正確；逆轉錄過程是以RNA為模板合成DNA的過程，該過程需要逆轉錄酶，不需要RNA聚合酶，B錯誤；DNA分子的復制為半保留復制，新合成的子鏈與其中一條母鏈形成新的子代DNA，C錯誤；密碼子共有64種，其中有3種密碼子是終止密碼子，不能編碼氨基酸，即反密碼子有61種，D錯誤。
6.答案：B
解析：葉綠體和線粒體中的DNA也可以發生轉錄過程，A錯誤；RNA形成時存在的堿基配對方式有T—A、A—U、C—G，B正確；真核生物的核DNA存在于細胞核內，翻譯過程發生在細胞質內，不能進行邊轉錄邊翻譯過程，C錯誤；密碼子位于RNA上，起始密碼子是多肽鏈合成的起始信號，沒有啟動轉錄的作用，D錯誤。
7.答案：A
解析：本題考查中心法則的相關知識。轉錄過程中，堿基互補配對方式有A—U、C—G、T—A、G—C，翻譯過程中，堿基互補配對方式有A—U、U—A、C—G、G—C，A正確；合成噬菌體的蛋白質外殼需要以細菌中的氨基酸為原料，由噬菌體自身遺傳物質指導，B錯誤；ATP水解掉兩個磷酸基團后的產物是腺嘌呤核糖核苷酸，是轉錄所需要的原料之一，但不是逆轉錄過程所需的原料，逆轉錄是由RNA指導合成DNA的過程，需要脫氧核糖核苷酸作為原料，C錯誤；中心法側揭示了遺傳信息的流動方向或傳遞規律，并沒有揭示生物界共用同一套遺傳密碼，D錯誤。
8.答案：B
解析：本題考查遺傳信息的傳遞與表達。①表示DNA復制，②表示轉錄，③表示翻譯，只有能夠分裂的細胞才能發生①DNA復制，A錯誤；DNA復制的模板是DNA的兩條鏈，需要解旋酶和DNA聚合酶，轉錄的模板是DNA的一條鏈，需要RNA聚合酶，B正確；基因可以通過控制蛋白質結構直接控制生物的性狀，也可通過控制酶的合成控制細胞代謝，間接控制生物的性狀，絕大多數酶的本質是蛋白質，少數是RNA，本質為RNA的酶控制性狀不需要經過翻譯過程，C錯誤，翻譯的模板mRNA上三個相鄰堿基決定一個氨基酸，但終止密碼子不決定氨基酸，所以RNA上堿基數大于氨基酸數量的3倍，D錯誤。
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