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第三節(jié)　遺傳信息控制生物的性狀
第1課時　DNA分子通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成
課標內(nèi)容要求 核心素養(yǎng)對接
概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。 1．生命觀念：根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能觀，理解RNA的結(jié)構(gòu)和功能。
2．科學(xué)思維：通過分析與綜合，進行轉(zhuǎn)錄、翻譯過程中的有關(guān)計算。
一、遺傳信息的轉(zhuǎn)錄
1．多數(shù)生物的基因是DNA分子上的功能片段，DNA分子上的遺傳信息(基因)通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。
2．RNA主要是在細胞核中以DNA分子的一條鏈為模板，按照堿基互補配對原則合成的，這一合成過程稱為轉(zhuǎn)錄。
3．RNA的結(jié)構(gòu)與種類
(1)基本單位及組成
①磷酸；②核糖；③堿基：A、U、G、C；④核糖核苷酸。
(2)種類：3種，即信使RNA(mRNA)、核糖體RNA(rRNA)、轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)。
4．轉(zhuǎn)錄的過程示意圖
5．結(jié)果：通過轉(zhuǎn)錄，DNA分子上的遺傳信息傳遞到mRNA上，然后mRNA通過核孔進入細胞質(zhì)。
二、遺傳信息的翻譯
1．遺傳密碼
(1)密碼子：科學(xué)家把mRNA上決定一個氨基酸的三個相鄰的核苷酸稱為一個密碼子(codon)。
(2)表示方法：通常以密碼子中的堿基表示遺傳密碼。
(3)密碼子總個數(shù)：64個。
(4)負責編碼20種氨基酸的密碼子個數(shù)：61個。
(5)起始密碼子(翻譯開始時的第一個密碼子)
①真核細胞唯一的起始密碼子：堿基序列為AUG的密碼子，編碼甲硫氨酸。
②細菌體內(nèi)：除了AUG外，堿基序列為GUG的密碼子，也作為起始密碼子，編碼甲硫氨酸。
(6)終止密碼子(翻譯結(jié)束時的最后一個密碼子)
①個數(shù)：三個，堿基序列為UAA、UAG、UGA。
②特點：不編碼任何氨基酸。
2．tRNA分子
(1)結(jié)構(gòu)示意圖
(2)功能：在合成多肽鏈時，tRNA負責將游離在細胞質(zhì)中的20種不同的氨基酸運向核糖體。
(3)特點：每種tRNA分子只能攜帶一種氨基酸。
3．mRNA攜帶的信息能正確指導(dǎo)多肽鏈的合成依賴于：mRNA上每個密碼子與相應(yīng)的tRNA分子上反密碼子(也用三個堿基表示)的結(jié)合，而這種結(jié)合要遵循堿基互補配對原則。
4．概念：在細胞中，以mRNA為模板，從一個特定的起始位點開始，按照每三個相鄰的核糖核苷酸代表一個氨基酸的原則，依次合成具有一定氨基酸順序的多肽鏈的過程稱為翻譯(translation)。
5．過程
6．特點：一個mRNA分子上可以結(jié)合多個核糖體，同時進行多條多肽鏈的合成。
7．多肽鏈的去向：多肽鏈合成后，從核糖體上脫離，經(jīng)過盤曲、折疊、修飾等加工，形成特定的空間結(jié)構(gòu)，最終成為具有一定功能的蛋白質(zhì)分子。
判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
1．遺傳信息轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物只有mRNA。 (　　)
2．轉(zhuǎn)錄和翻譯都是以mRNA為模板合成生物大分子的過程。 (　　)
3．一個tRNA分子中只有一個反密碼子。 (　　)
4．mRNA在核糖體上移動翻譯出蛋白質(zhì)。 (　　)
5．在蛋白質(zhì)合成過程中密碼子都決定氨基酸。 (　　)
[答案]　1．×　提示：轉(zhuǎn)錄合成的RNA有三種類型：mRNA、tRNA、rRNA。
2．×　提示：轉(zhuǎn)錄的模板是DNA分子的一條單鏈，不是mRNA。
3．√
4．×　提示：核糖體在mRNA上移動翻譯出蛋白質(zhì)。
5．×　提示：密碼子共有64種，有3種終止密碼子，不決定氨基酸，決定氨基酸的密碼子有61種。
　遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯
1．轉(zhuǎn)錄和翻譯的比較
轉(zhuǎn)錄 翻譯
時間 個體生長發(fā)育的整個過程
場所 主要在細胞核 核糖體
模板 DNA的一條鏈 mRNA
原料 4種核糖核苷酸 21種氨基酸
條件 酶(RNA聚合酶等)、ATP 酶、ATP、tRNA
產(chǎn)物 RNA(mRNA、tRNA、rRNA) 多肽鏈
特點 邊解旋邊轉(zhuǎn)錄 一個mRNA上結(jié)合多個核糖體，同時合成多條肽鏈
堿基配對 A—U，T—A，C—G，G—C A—U，U—A，C—G，G—C
遺傳信息傳遞 DNA→RNA mRNA→蛋白質(zhì)
意義 表達遺傳信息，使生物表現(xiàn)出各種性狀
2.相關(guān)圖解及分析
(1)圖解
(2)分析
合作探究：1．RNA為什么適合做DNA的信使？
提示：(1)RNA一般為單鏈，比DNA短，可以通過核孔從細胞核進入細胞質(zhì)。
(2)RNA是另一種核酸，也是由四種核苷酸組成的，也可以儲存大量的遺傳信息。
(3)RNA與DNA之間也遵循堿基互補配對原則。
2．運輸氨基酸的工具是哪種結(jié)構(gòu)？為什么說它是真正起“翻譯”作用的結(jié)構(gòu)？
提示：運輸氨基酸的工具是tRNA，它一端有反密碼子，能和mRNA上的密碼子相識別，一端能攜帶氨基酸，是真正起“翻譯”作用的結(jié)構(gòu)。
1．(多選)下圖為真核生物細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄過程的示意圖，下列說法正確的是(　　)
A．①鏈中的堿基A與②鏈中的堿基T互補配對
B．②是以4種核糖核苷酸為原料合成的
C．如果③表示酶分子，則它的名稱是RNA聚合酶
D．轉(zhuǎn)錄完成后，②需通過兩層生物膜才能與核糖體結(jié)合
BC　[本題考查的是轉(zhuǎn)錄過程，其中①鏈為模板鏈，②鏈為RNA，①鏈中的堿基A與②鏈中的堿基U互補配對；③表示RNA聚合酶；轉(zhuǎn)錄完成后，②通過核孔進入細胞質(zhì)，穿過0層生物膜。]
2．(2020·全國卷Ⅲ)細胞內(nèi)有些tRNA分子的反密碼子中含有稀有堿基次黃嘌呤(I)。含有I的反密碼子在與mRNA中的密碼子互補配對時，存在如圖所示的配對方式(Gly表示甘氨酸)。下列說法錯誤的是(　　)
A．一種反密碼子可以識別不同的密碼子
B．密碼子與反密碼子的堿基之間通過氫鍵結(jié)合
C．tRNA分子由兩條鏈組成，mRNA分子由單鏈組成
D．mRNA中的堿基改變不一定造成所編碼氨基酸的改變
C　[根據(jù)圖像可知，反密碼子CCI可與mRNA中的GGU、GGC、GGA互補配對，說明一種反密碼子可以識別不同的密碼子，A項正確；密碼子與反密碼子的堿基互補配對，密碼子與反密碼子的堿基之間通過氫鍵結(jié)合，B項正確；tRNA分子和mRNA分子都是單鏈結(jié)構(gòu)，C項錯誤；由于某些氨基酸可對應(yīng)多種密碼子，故mRNA中的堿基改變不一定造成所編碼氨基酸的改變，D項正確。]
　轉(zhuǎn)錄、翻譯過程中的有關(guān)計算
1．遺傳信息、密碼子、反密碼子的比較
項目 遺傳信息 密碼子 反密碼子
概念 DNA分子中脫氧核苷酸的排列順序 mRNA上決定1個氨基酸的3個相鄰堿基 tRNA上與密碼子互補的3個堿基
作用 控制生物的性狀 直接決定蛋白質(zhì)中的氨基酸序列 識別密碼子，轉(zhuǎn)運氨基酸
種類 多樣性 64種 61種
圖解
2．密碼子、反密碼子、氨基酸的對應(yīng)關(guān)系
(1)每種氨基酸對應(yīng)一種或幾種密碼子，可由一種或幾種tRNA轉(zhuǎn)運。
(2)一種密碼子只能決定一種氨基酸，一種tRNA只能轉(zhuǎn)運一種氨基酸。
3．基因表達過程中相關(guān)數(shù)量計算
(1)DNA(基因)、mRNA上堿基數(shù)目與氨基酸數(shù)目之間的關(guān)系。
①圖示：
②規(guī)律：蛋白質(zhì)中氨基酸數(shù)目＝1/3 mRNA中堿基數(shù)目＝1/6 DNA(或基因)中堿基數(shù)目。
③計算公式：蛋白質(zhì)中肽鏈數(shù)＋肽鍵數(shù)＝氨基酸數(shù)＝1/3 mRNA中堿基數(shù)＝1/6基因中堿基數(shù)。
(2)計算中“最多”和“最少”的分析
①翻譯時，mRNA上的終止密碼子有的不決定氨基酸，則mRNA上的堿基數(shù)目是蛋白質(zhì)中氨基酸數(shù)目的3倍或多于3倍。
②基因或DNA中存在不編碼氨基酸的堿基序列，因此其中的堿基數(shù)目比對應(yīng)的蛋白質(zhì)中氨基酸數(shù)目的6倍還要多一些。
③在回答問題時應(yīng)加上“最多”或“最少”等字，如mRNA上有n個堿基，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生它的基因中最少有2n個堿基，該mRNA指導(dǎo)合成的蛋白質(zhì)中最多有n/3個氨基酸。
合作探究：組成蛋白質(zhì)的21種氨基酸應(yīng)對應(yīng)61種密碼子，這表明密碼子具有“簡并性”，這一現(xiàn)象對生物體的生命活動有何意義？
提示：(1)增強容錯性：當密碼子中有一個堿基改變時，由于密碼子的簡并性，可能并不會改變其對應(yīng)的氨基酸，因而有利于蛋白質(zhì)或性狀的穩(wěn)定。 (2)保證翻譯速度：當某種氨基酸使用頻率高時，幾種不同的密碼子編碼同一種氨基酸，可以保證翻譯的速度。
1．一個mRNA分子有m個堿基，其中(G＋C)有n個；由該mRNA指導(dǎo)合成的蛋白質(zhì)有兩條肽鏈。則控制該mRNA合成的DNA分子至少含有的(A＋T)數(shù)、合成蛋白質(zhì)時最多脫去的水分子數(shù)分別是(　　)
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　[由題意知，mRNA分子有m個堿基且(G＋C)的數(shù)目為n，則此mRNA分子中(A＋U)的數(shù)目為(m－n)，控制其合成的DNA分子模板鏈中(A＋T)的數(shù)目至少為(m－n)，整個雙鏈DNA分子中(A＋T)的數(shù)目至少為2(m－n)；由mRNA分子有m個堿基可知，以其為翻譯模板可合成最多含m/3個氨基酸的蛋白質(zhì)分子，題干中給出此蛋白質(zhì)分子有兩條肽鏈，脫去的水分子數(shù)最多應(yīng)為(m/3)－2。]
2．如圖所示為M基因控制物質(zhì)C的合成以及物質(zhì)C形成特定空間結(jié)構(gòu)的物質(zhì)D的流程圖解。下列相關(guān)敘述正確的是(　　)
A．圖中①④過程參與堿基配對的堿基種類較多的是①過程
B．基因轉(zhuǎn)錄得到的產(chǎn)物均可直接作為蛋白質(zhì)合成的控制模板
C．組成物質(zhì)C的氨基酸數(shù)與組成M基因的核苷酸數(shù)的比值大于1/6
D．圖中經(jīng)過⑤過程形成物質(zhì)D時需依次經(jīng)過高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的加工和修飾
A　[分析圖中信息可知，①過程表示轉(zhuǎn)錄，該過程參與配對的堿基有A、T、C、G、U 5種，而④過程表示翻譯，該過程參與配對的堿基有A、U、C、G 4種，A正確；從圖中信息可知，控制該分泌蛋白合成的直接模板是物質(zhì)B，而轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物是物質(zhì)A，B錯誤；由于M基因轉(zhuǎn)錄形成的物質(zhì)A還要剪切掉一部分片段才形成翻譯的模板，所以組成物質(zhì)C的氨基酸數(shù)與組成M基因的核苷酸數(shù)的比值小于1/6，C錯誤；核糖體合成的肽鏈應(yīng)先經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)初加工，再由高爾基體進一步修飾和加工，D錯誤。]
　原核生物與真核生物基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的辨別
(1)真核細胞的轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在細胞核中，翻譯發(fā)生在細胞質(zhì)中，在空間和時間上被分隔開進行，即先轉(zhuǎn)錄后翻譯。
(2)原核細胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯沒有分隔，可以同時進行，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。過程如右圖所示：
圖中①是DNA模板鏈，②③④⑤表示正在合成的4條mRNA，每條mRNA上有多個核糖體同時進行翻譯過程，翻譯的方向是從下到上。
(3)轉(zhuǎn)錄不是轉(zhuǎn)錄整個DNA，是轉(zhuǎn)錄其中的基因，不同種類的細胞，由于基因的選擇性表達，mRNA的種類和數(shù)量不同，但tRNA和rRNA的種類沒有差異。
[課堂小結(jié)]
知 識 網(wǎng) 絡(luò) 構(gòu) 建 核 心 語 句 背 誦
1．RNA有三種：信使RNA(mRNA)、轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)和核糖體RNA(rRNA)。
2.轉(zhuǎn)錄的主要場所是細胞核，條件是模板(DNA的一條鏈)、原料(4種核糖核苷酸)、酶(RNA聚合酶)和能量。
3.翻譯的場所是核糖體，條件是模板(mRNA)、“搬運工”(tRNA)、原料(21種氨基酸)、酶和能量。
4.密碼子共有64種，其中決定氨基酸的密碼子有61 種，3種終止密碼子不決定氨基酸。
5.一種氨基酸對應(yīng)一種或多種密碼子，一種密碼子最多只決定一種氨基酸。
1．下圖表示發(fā)生在細胞中的與遺傳信息的傳遞、表達相關(guān)的生理過程，下列說法正確的是(　　)
A．①表示轉(zhuǎn)錄　　　　　　 B．②表示復(fù)制
C．①主要發(fā)生在細胞核中 D．②發(fā)生在細胞質(zhì)中
C　[①過程為DNA復(fù)制，分別以DNA的兩條鏈為模板合成子鏈，并由一條模板鏈和新合成的子鏈構(gòu)成新的DNA，A項錯誤；②過程是以DNA的一條鏈為模板合成子鏈的過程，此過程為轉(zhuǎn)錄，B項錯誤；過程①②在真核細胞中主要發(fā)生在細胞核中，同時在線粒體和葉綠體中也能發(fā)生，C項正確、D項錯誤。]
2．(多選)對于下列圖解，正確的說法有(　　)
A．表示DNA轉(zhuǎn)錄過程　　B．共有5種堿基
C．共有8種核苷酸 D．A均代表同一種核苷酸
ABC　[由題干信息可知，圖為DNA轉(zhuǎn)錄過程。因為DNA與RNA的基本單位不同，故相同堿基代表不同核苷酸，所以圖示核苷酸種類為8，堿基種類數(shù)為5。]
3．下列關(guān)于密碼子的敘述，正確的是(　　)
A．密碼子是mRNA中三個相鄰的堿基
B．密碼子都能決定相應(yīng)的氨基酸
C．起始密碼子能夠啟動翻譯過程
D．一個氨基酸只有一個密碼子
C　[密碼子是mRNA上決定一個氨基酸的三個相鄰堿基，A錯誤；在正常情況下，終止密碼子只能起到終止翻譯的作用，不能決定相應(yīng)的氨基酸，B錯誤；起始密碼子既能啟動翻譯過程又能決定相應(yīng)的氨基酸，C正確；一個氨基酸可能有多個密碼子，D錯誤。]
4．細胞中基因的表達過程如圖所示，下列敘述正確的是(　　)
A．圖示過程可以發(fā)生在所有真核細胞中
B．細胞質(zhì)基質(zhì)中②攜帶③的種類由④決定
C．②和④均是①中某些片段表達的產(chǎn)物
D．圖中核糖體沿著④向左認讀遺傳密碼
C　[圖示是真核細胞中基因表達的過程，但不是發(fā)生在所有的真核細胞中，如哺乳動物成熟的紅細胞沒有細胞核和核糖體，A錯誤；細胞質(zhì)基質(zhì)中②tRNA攜帶③氨基酸的種類由反密碼子決定，B錯誤；②tRNA和④mRNA均是①細胞核DNA中某些片段表達的產(chǎn)物，C正確；④mRNA的起始密碼子AUG在左側(cè)，因此核糖體沿著mRNA向右認讀遺傳密碼，D錯誤。]
5．如圖表示某DNA片段遺傳信息的傳遞過程，①～⑤表示物質(zhì)或結(jié)構(gòu)。a、b、c表示生理過程。請據(jù)圖回答下列問題。 (可能用到的密碼子：AUG—甲硫氨酸、GCU—丙氨酸、AAG—賴氨酸、UUC—苯丙氨酸、UCU—絲氨酸、UAC—酪氨酸)
(1)完成遺傳信息表達的是________(填字母)過程，a過程所需的酶有_________________。
(2)圖中含有核糖的是________(填數(shù)字)；由②指導(dǎo)合成的多肽鏈中氨基酸序列是______________________________。
(3)該DNA片段第三次復(fù)制需游離的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的數(shù)目為________個。
(4)若在AUG后插入三個核苷酸，合成的多肽鏈中除在甲硫氨酸后多一個氨基酸外，其余氨基酸序列沒有變化。由此證明_____________________________。
[解析]　分析圖示過程可知：a為DNA的復(fù)制、b為轉(zhuǎn)錄、c為翻譯。 (1)完成遺傳信息表達的是轉(zhuǎn)錄和翻譯，即圖中的b和c，DNA的復(fù)制需要在解旋酶的作用下解開雙鏈，然后在DNA聚合酶的作用下合成DNA子鏈。 (2)RNA中含有核糖，所以圖中含有核糖的結(jié)構(gòu)包括mRNA、tRNA、rRNA。根據(jù)②mRNA上的密碼子可知指導(dǎo)合成的多肽鏈中氨基酸的序列：甲硫氨酸—丙氨酸—絲氨酸—苯丙氨酸。 (3)由圖可知DNA片段含7個T，故第三次復(fù)制需要23－1×7＝28(個)胸腺嘧啶脫氧核苷酸。 (4)三個核苷酸對應(yīng)一個氨基酸，由此證明一個密碼子由三個相鄰的堿基(核糖核苷酸)組成。
[答案]　(1)b、c　解旋酶和DNA聚合酶　(2)②③⑤　甲硫氨酸—丙氨酸—絲氨酸—苯丙氨酸　(3)28　(4)一個密碼子由三個相鄰的堿基(核糖核苷酸)組成

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