1、第第4 4章章 基因的表达基因的表达遗传物质实验证据的获得和DNA双螺旋结构模型的建立，揭示了基因的化学本质，生物学的研究从此以空前的步伐前进。但是，基因又是如何起作用的呢？将苏云金杆菌抗虫蛋白基因（Bt抗虫蛋白基因）转入普通棉花，培育出的棉花植株会产生Bt抗虫蛋白。BtBt抗虫蛋白基因抗虫蛋白基因BtBt抗虫蛋白抗虫蛋白转入的是基因，得到的却是蛋白质基因可以控制蛋白质的合成，这个过程就是基因的表达为什么一种生物的基因能在另一种生物中表达呢？基因的表达过程是怎样的？各种生物的基因表达过程有什么共同点呢？第4章 基因的表达第第1 1节节 基因指导蛋白质的合成基因指导蛋白质的合成问题探讨问题探讨美
2、国科幻电影侏罗纪公园曾轰动一时。影片围绕着虚构的“侏罗纪公园”，展现了丰富而新奇的科学幻想：各种各样的恐龙飞奔跳跃、相互争斗，而这些复活的恐龙是科学家利用提取的恐龙DNA还原而来的。从原理上分析，利用已灭绝生物的DNA，真的能够使它们复活吗？基因基因如何指导蛋白质的合成？指导蛋白质DNA主要存在于 中，而蛋白质是在 中合成的细胞核细胞核细胞质细胞质基因是有遗传效应的 片段DNADNA携带的遗传信息是怎样传递到细胞质中的呢？当遗传信息到达细胞质后，细胞又是怎样解读的呢？遗传信息的转录遗传信息的转录（DNAmRNA）细胞核中的基因如何指导细胞质中的蛋白质合成？在在DNADNA和蛋白质之间和蛋白质之
3、间 充当信使充当信使DNA 蛋白质 信使 RNARNA RAN是什么物质？为什么RNA适于作DNA的信使呢？核酸DNARNA基本单位脱氧（核糖）核苷酸脱氧（核糖）核苷酸核糖核苷酸核糖核苷酸分子组成与DNA很相似RNARNA具备准确传递遗传信息的可能具备准确传递遗传信息的可能与与DNADNA不同的是，不同的是，RNARNA的特点：的特点：组成RNA的五碳糖是核糖而不是脱氧核糖核糖脱氧核糖RNA的碱基组成中没有碱基T（胸腺嘧啶），而替换成碱基U（尿嘧啶）RNA一般是 ,而且比DNA ,能通过 从细胞核转移到细胞质中单链单链短短核孔核孔RNARNA的种类的种类 mRNA（信使RNA）：作为DNA的信
4、使 tRNA（转运RNA）：转运氨基酸的工具 rRNA（核糖体RNA）：参与核糖体的形成DNA的遗传信息是怎样传给mRNA的？转录：转录：在 中，通过 以 的 条链为模板合成 的过程。细胞核细胞核RNARNA聚合酶聚合酶DNADNA一一RNARNA转录的基本过程（产物转录的基本过程（产物m mRNARNA）当细胞开始合成某种蛋白质某种蛋白质时，编码这个蛋白质的一段DNA结合，使DNA双链解开，双链的碱基得以暴露RNARNA聚合酶聚合酶编码该蛋白质的一段DNARNA聚合酶细胞中 的 与DNA 上的碱基 ，在 的作用下，依次连接，然后形成一个 分子游离游离核糖核苷酸核糖核苷酸模板链模板链互补配对互
5、补配对互补配对互补配对mRNAmRNA新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上合成的mRNA从DNA链上释放。而后，DNA双螺旋恢复思考思考 讨论讨论遗传信息的转录过程遗传信息的转录过程1.转录与DNA复制有什么共同之处？这对保证遗传信息的准确转录有什么意义？转录转录DNADNA复制复制模板酶能量原料碱基互补配对产物DNADNA的一条链的一条链DNADNA的两条链的两条链RNARNA聚合酶聚合酶解旋酶解旋酶 DNADNA聚合酶聚合酶ATPATPATPATP4 4种核糖核苷酸种核糖核苷酸4 4种脱氧核苷酸种脱氧核苷酸A G C T U CG AA G C T T CG ARNA(mRNA
6、RNA(mRNA、tRNAtRNA、rRNA)rRNA)2 2个相同的个相同的DNADNA碱基互补配对原则能够保证遗传信碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性息传递的准确性3.转录成的RNA的碱基序列，与DNA两条单链的碱基序列各有哪些异同？转录的模板链（DNA）转录的非模板链（DNA）A G C T TCGAUCGARNA转录成的RNA的碱基与DNA模板链的碱基是 的关系互补配对互补配对转录成的RNA的碱基与DNA另一条链（非模板链）的碱基序列的区别是RNA链上的碱基U U，对应在非模板链的碱基是T T遗传信息的翻译遗传信息的翻译（mRNA 蛋白质）mRNA合成以后，通过 进入细胞质中
7、。核孔核孔翻译：翻译：游离在细胞质中的各种 ，就以 为模板合成具有一定 的蛋白质。氨基酸氨基酸mRNAmRNA氨基酸顺序氨基酸顺序核酸的 蕴含着遗传信息翻译的实质翻译的实质将mRNA中的 翻译为蛋白质的 。DNA和RNA都只含有 种碱基，而在绝大多数生物体内，组成蛋白质的氨基酸有 种碱基序列碱基序列碱基序列碱基序列氨基酸序列氨基酸序列碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的4 42121这4种碱基是怎么决定蛋白质的21种氨基酸的呢？如果1个碱基决定1个氨基酸，那么4种碱基只能决定 ，种氨基酸。这种组合不够氨基酸的数量。如果2个碱基编码1个氨基酸，4种碱基能决定 种氨基酸。这种组合不够氨基酸的数量。如
8、果3个碱基决定一个氨基酸，4种碱基能决定 ，种氨基酸，这种方式能够满足组成蛋白质的21种氨基酸的需要4 41616（4 42 2）6464（4 43 3）4 44 44 4推测：推测：科学家通过一步步的推测与实验，最终破解了遗传密码遗传密码mRNAmRNAmRNA上 个相邻的碱基决定1个氨基酸每3个这样的碱基叫作1个 。将 个密码子编制成了密码子表3 3决定决定决定1个氨基酸1个氨基酸1个氨基酸叫作叫作叫作密码子密码子1个密码子1个密码子1个密码子6464GUGGUG缬氨酸缬氨酸科学家通过一步步的推测与实验，最终破解了遗传密码遗传密码mRNAmRNAmRNA上 个相邻的碱基决定1个氨基酸每3个
9、这样的碱基叫作1个 。将 个密码子编制成了密码子表3 3决定决定决定叫作叫作叫作密码子密码子1个密码子1个密码子1个密码子6464缬氨酸缬氨酸组氨酸组氨酸精氨酸精氨酸共3个密码子，在正常情况下，UGA是终止密码子，但在特殊情况下，可以编码硒代半胱氨酸在原核原核生物中，GUG也可以作起始密码子，此时它编码甲硫氨酸思考思考 讨论讨论1.从密码子表可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子，这一现象称作密码子的简并。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？苯丙氨酸：亮氨酸：增加密码的容错性，当密码子中有一个碱基改变时，由增加密码的容错性，当密码子中有一个碱基改变时，由于密
10、码子的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸于密码子的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸从密码子的使用频率来考虑，当某种氨基酸使用频率高从密码子的使用频率来考虑，当某种氨基酸使用频率高时，几种不同的密码子都编码同一种氨基酸可以保证翻时，几种不同的密码子都编码同一种氨基酸可以保证翻译速度译速度UUU UUCUUA UUG CUUCUC CUA CUG2.几乎所有的生物体都共用上述密码子。根据这一事实，你能想到什么？地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码，说明当今生地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码，说明当今生物可能有着共同的起源，或生命在本质上是统一的物可能有着共同的起源，或生命在本质上是统
11、一的翻译的过程翻译的过程 mRNA进入细胞质后，就与 结合起来核糖体核糖体游离在细胞质中的氨基酸，是怎样被运送到合成蛋白质的“生产线”上的呢？氨基酸的氨基酸的“搬运工搬运工”tRNAtRNA.种类很多 氨基酸的氨基酸的“搬运工搬运工”tRNAtRNA.每种tRNA只能识别并转运 氨基酸.tRNA比mRNA小得多，分子结构也很特别tRNA链经过折叠，部分位置形成氢键氢键，看上去像三叶草的叶形一端是携带氨基酸的部位另一端有3个相邻的碱基每个tRNA的这3个碱基可以与mRNA上的密码子互补配对，叫作 。一种一种氨基酸mRNAtRNA反密码子反密码子3 5 A G CA G C核糖体与mRNA的结合部
12、位含 个碱基，含 个密码子，会形成 个tRNA的结合位点携带甲硫氨酸的tRNA，通过与碱基AUG互补配对，进入位点1622甲硫氨酸（起始）位点1 位点2甲硫氨酸携带 的tRNA以同样的方式进入位点2位点1 位点2甲硫氨酸组氨酸组氨酸组氨酸甲硫氨酸与这个氨基酸形成 ,从而转移到位点2的tRNA肽键肽键MH肽键核糖体沿mRNA移动，读取下一个密码子一个密码子，原本位点1的tRNA离开核糖体，原位点2的tRNA进入位点1，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成位点1 位点2随着核糖体的移动，tRNA以上述方式将携带的氨基酸输送过来，以合成肽链。直到核糖体遇到mRNA的 ，合成才告终止
13、终止密码子终止密码子肽链合成后，就从核糖体与mRNA的复合物上脱离，通常经过一系列步骤，盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子，然后开始承担细胞生命活动的各项职责在细胞质中，翻译是一个快速高效的过程。通常，一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成，因此，的mRNA分子就可以迅速合成 的蛋白质少量少量大量大量一个mRNA分子上结合多个核糖体，同时合成多条肽链中心法则中心法则从信息传递信息传递的角度来看，基因指导蛋白质合成的过程 DNA RNA 蛋白质遗传信息遗传信息在蛋白质的合成过程完全弄清楚之前，科学家克里克首先预见预见了遗传信息传递的一般规律，并于1957年提出
14、了 中心法则中心法则中心法则的内容：中心法则的内容：遗传信息可以从DNA流向DNA,即 。DNADNA复制复制DNADNA复制遗传信息可以从DNA流向RNA,进而流向蛋白质，即遗传信息的 和 。转录转录DNADNA复制RNA转录翻译翻译蛋白质蛋白质翻译随着研究的不断深入，科学家对中心法则作出了补充少数生物（如一些RNARNA病毒病毒）的遗传信息可以从RNA流向RNA以及从RNA流向DNADNADNA复制RNA转录蛋白质蛋白质翻译RNA复制逆转录在遗传信息的流动过程中，是信息的载体，是信息的表达产物，为信息的流动提供能量生命是 、和 的统一体DNA RNADNA RNA虚线表示少数生物的遗传信息
15、的流向蛋白质蛋白质ATPATP物质物质能量能量信息信息练习与应用练习与应用一、概念检测1.基因的表达包括遗传信息的转录和翻译两个过程。判断下列相关表述是否正确。（1）DNA转录形成的mRNA，与母链碱基的组成、排列顺序都是相同的。（）（2）一个密码子只能对应一种氨基酸，一种氨基酸必然有多个密码子。（）2.密码子决定了蛋白质的氨基酸种类以及翻译的起始和终止。密码子是指A.基因上3个相邻的碱基B.DNA上3个相邻的碱基C.tRNA上3个相邻的碱基D.mRNA上3个相邻的碱基二、拓展应用红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物能够抑制细菌的生长，它们的抗菌机制如下表所示，请结合本节内容说明这些抗菌药物可用
16、于治疗疾病的道理。通过阻止遗传信息的传递和表达，来干扰细菌蛋白质的合成，进而抑制细菌生长的。具体而言，红霉素影响翻译过程，环丙沙星影响复制过程，利福平影响转录过程。抗菌药物抗菌药物抗菌机制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聚合酶的活性生物科学史话生物科学史话克里克以T4T4噬菌体噬菌体为实验材料，研究其中某个基因的碱基增加或减少对其所编码蛋白质的影响在相关碱基序列中增加或删除1个或2个碱基，无法产生具有正常功能的蛋白质增加1个碱基增加2个碱基12 312 312 312 312 312 312 312 333312 312 312 31
17、2 3删除1个碱基删除2个碱基当增加或删除3个碱基时，却合成具有正常功能的蛋白质12 312 312 312 312 312 312 312 312 312 312 312 312 312 312 312 3实验表明：遗传密码从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读，密码子之间没有分隔符克里克是第一个用实验证明遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸的科学家克里克虽然阐明了遗传密码的总体特征，但是无法说明由3个碱基排列成的1个密码子对应的究竟是哪一个氨基酸美国生物学家尼伦伯格尼伦伯格和德国生物学家马太马太破译了第一个遗传密码技术：蛋白质的体外合成技术TyrSerPheCys酪氨酸 丝氨酸 苯丙氨酸 半胱氨酸除去DNA和mRNA的细胞提取液（除去转录和翻译的模板除去转录和翻译的模板）人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸（mRNA：UUUUUUUUUUUUUUUUUU）TyrSerPheCys翻译过程模板：原料：U U U U U U U U UU U U U U U U U U苯丙氨酸多聚苯丙氨酸的肽链第一个密码子被破译了！第一个密码子被破译了！遗传密码的破译是生物学发展史上一个伟大的里程碑最终破译了全部 个密码子，并编制出密码子表几乎所有的生物共用一套密码子，这暗示着 。6464生物可能具有共同的起源生物可能具有共同的起源
