高中生物第4章基因的表达1基因指导蛋白质的合成学案

第1节基因指导蛋白质的合成
核心素养能力培优
知识点一遗传信息的转录和翻译
1．遗传信息的转录
(1）RNA的结构和种类：
(2）过程:
(3）遗传信息的传递方向：DNA→RNA.
2．遗传信息的翻译
(1)密码子与反密码子的比较：
密码子反密码子位
置
mRNA tRNA
实质
决定一个氨基酸的3
个相邻的碱基（终止密
码子除外)
与密码子发生碱基互
补配对的3个相邻的
碱基
（2)场所：核糖体.（3）条件错误!
（4)产物:多肽错误!蛋白质
1．相关图解及分析：
(1）图解:
（2)分析：
2．DNA复制、转录和翻译的比较：
★思考·讨论
1．如图表示遗传信息表达的某一环节,据图回答下列问题：（生命观念、科学思维)
(1）图中a、b、c依次为何种物质或结构？图中显示a、b 间存在何种的数量关系?其意义何在？
提示：a为mRNA，b为核糖体,c为肽链。

图示表明一个mRNA 分子上可相继结合多个核糖体，其意义在于可同时进行多条肽链的合成，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质.
(2）图示翻译方向是A→B还是B→A,判断依据是什么？
提示：由c中三条链越往B侧越延长，可确认翻译方向是A→B。

（3)图中c所指的3条链其序列是否相同?为什么？
提示：图中c所指的三条链的模板相同(均为a）,故其氨基酸序列均相同。

3．转录、翻译过程中的有关计算：
(1)遗传信息、密码子、反密码子的比较:
项
遗传信息密码子反密码子目
作用控制生物的性
状
直接决定蛋白
质中的氨基酸
序列
识别密码子,转
运氨基酸
图
解
（2)密码子、反密码子、氨基酸的对应关系：
①每种氨基酸对应一种或几种密码子，可由一种或几种tRNA转运.
②一种密码子只能决定一种氨基酸,一种tRNA只能转运一种氨基酸。

(3）基因表达过程中相关数量计算:
①DNA（基因)、mRNA上碱基数目与氨基酸数目之间的关系。

图示：
规律:蛋白质中氨基酸数目＝1/3 mRNA中碱基数目＝1/6 DNA(或基因）中碱基数目.
②计算公式：蛋白质中肽链数＋肽键数＝氨基酸数＝1/3 mRNA中碱基数＝1/6基因中碱基数.
(4）计算中“最多"和“最少”的分析：
①翻译时,mRNA上的终止密码子有的不决定氨基酸，则mRNA上的碱基数目是蛋白质中氨基酸数目的3倍或多于3倍。

②基因或DNA中存在不编码氨基酸的碱基序列，因此其中的碱基数目比对应的蛋白质中氨基酸数目的6倍还要多一些。

③在回答问题时应加上“最多”或“最少”等字，如mRNA上有n个碱基，转录产生它的基因中最少有2n个碱基，该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。

★思考·讨论
2．组成蛋白质的21种氨基酸应对应61种密码子，这表明密码子具有“简并”,这一现象对生物体的生命活动有何意义？（科学思维)
提示：①增强容错性：当密码子中有一个碱基改变时，由于密码子的简并,可能并不会改变其对应的氨基酸，因而有利于蛋白质或性状的稳定。

②保证翻译速度：当某种氨基酸使用频率高时，几种不同的密码子编码同一种氨基酸，可以保证翻译的速度。

1．蛋白质是生命活动的主要承担者，关于蛋白质生物合成的叙述，正确的是(D）
A．一种tRNA可以携带多种氨基酸
B．DNA聚合酶是在细胞核中合成的
C．反密码子是位于mRNA上相邻的三个碱基
D．线粒体中的DNA能控制某些蛋白质的合成
解析：一种tRNA只能携带一种氨基酸，但一种氨基酸可能被多种tRNA携带,A项错误；DNA聚合酶是蛋白质，蛋白质是在核糖体上合成的,核糖体分布在细胞质中，B项错误；反密码
子位于tRNA上，C项错误；线粒体为半自主性细胞器，其中的DNA可控制线粒体中某些蛋白质的合成。

★素养·探究1-—母题追问
（1)生命观念——结构与功能观
tRNA中含有三个碱基还是多个碱基？其中是否含有氢键？
提示：tRNA中含有几十个到上百个碱基;tRNA部分呈双链结构，双链部分的碱基通过氢键互补配对，所以其中含有氢键。

(2)生命观念——结构与功能观
线粒体中可发生DNA复制、转录和翻译过程，据此推测线粒体中存在哪些酶?
提示:存在解旋酶、DNA聚合酶和RNA聚合酶。

（3)科学思维——归纳与概括
人体细胞中的核糖体可分布在哪些场所？
提示：游离在细胞质基质中；附着在内质网上；分布在线粒体中.
【方法规律】RNA功能总结
2．如图表示蓝细菌DNA上遗传信息、密码子、反密码子间的对应关系。

下列说法中正确的是（D)
A．由图分析可知①链应为DNA的α链
B．DNA形成②的过程发生的场所是细胞核
C．酪氨酸和天冬氨酸的密码子分别是AUG、CUA
D．图中②与③配对的过程需要在核糖体上进行
解析：据碱基互补配对原则，可知①链是DNA的β链，A 错误;蓝细菌属于原核生物，没有由核膜包被的细胞核，B错误；tRNA的一端的三个相邻的碱基是反密码子,密码子在mRNA上，C错误;图中②与③配对的过程是翻译，需要在核糖体上进行,D 正确。

3．某条多肽的相对分子质量为2 778，若氨基酸的平均相对分子质量为110,则编码该多肽的基因长度至少是（C）A．75对碱基B．78对碱基
C．90对碱基D．93对碱基
解析：蛋白质中的肽键数＝脱去的水分子数＝水解消耗水分子数＝氨基酸分子个数－肽链数；蛋白质的相对分子质量＝氨基酸总质量(氨基酸分子个数×氨基酸平均相对分子质量)－失水量（18×脱去的水分子数）。

根据题意,若求基因的长度首先应计算出氨基酸的个数（设为n），则有n×110－（n－1)×18＝2 778,推出n＝30，所以密码子个数为30个，而DNA分子中三个连续的碱基对决定一个密码子，所以需要30×3＝90(个）碱基对。

★素养·探究2——母题追问
(1）科学思维——数据模型
若考虑不编码氨基酸的终止密码子，上题中的基因长度至少是多少？
提示:终止密码子对应mRNA中3个碱基,对应DNA中的6个碱基（3对碱基)，所以此时基因长度至少为90＋3＝93（个)碱基对。

(2）科学思维——归纳与概括
如果该基因片段中含有碱基A 40个，则该基因片段复制3次时至少需要游离的G多少个？
提示：该基因片段中A＝T＝40，所以G＝C＝50，复制3次需游离的G＝（23－1)×50＝350(个）.
4．如图所示为M基因控制物质C的合成以及物质C形成特定空间结构的物质D的流程图解。

下列相关叙述，正确的是（A)
A．图中①④过程参与碱基配对的碱基种类较多的是①过程B．基因转录得到的产物均可直接作为蛋白质合成的控制模板
C．组成物质C的氨基酸数与组成M基因的核苷酸数的比值大于1/6
D．图中经过⑤过程形成物质D时需依次经过高尔基体和内质网的加工与修饰
解析：分析图中信息可知,①过程表示转录，该过程参与配对
的碱基有A、T、C、G、U 5种，而④过程表示翻译，该过程参与配对的碱基有A、U、C、G 4种，A正确；从图中信息可知,控制该分泌蛋白合成的直接模板是物质B,而转录的产物是物质A，B错误;由于M基因转录形成的物质A还要剪切掉一部分片段才形成翻译的模板,所以组成物质C的氨基酸数与组成M基因的核苷酸数的比值小于1/6，C错误；核糖体合成的肽链应先经内质网初加工，再由高尔基体进一步修饰和加工，D错误。

知识点二中心法则
1．提出者：克里克。

2．中心法则的提出及其发展：
（1)图示：
（2)根据图示，完成下表：
1．不同生物中心法则的体现：
2．中心法则与基因表达的关系：3．中心法则五个过程的比较：
过程模板原料酶碱基
配
对方
式
产
物
实例
DNA 的DNA
的每
脱氧
核
解旋
酶、
A-T、
T-A、
DN
A
以
DNA
（续表)
RNA
的复制RNA
核糖
核
苷酸
RNA
复制
酶
A—U、
U—A、
G—C、
C—G
RN
A
以
RNA
作遗
传物
质的
生物
RNA 的
逆转录RNA
脱氧
核
苷酸
逆转
录酶
A—T、
U—A、
G-C、
C—G
DN
A
某些
RNA
病毒
等
★思考·讨论
3．人体高度分化的肌肉细胞中,是否会存在核DNA的复制过程？试解释原因.（生命观念)
提示：不存在DNA复制。

因为DNA复制发生在细胞分裂过程中的间期,肌肉细胞已经高度分化，不发生细胞分裂，也就不能进行DNA复制。

5．某种RNA病毒在增殖过程中,其遗传物质需要经过某种转变后整合到真核宿主的基因组中.物质Y与脱氧核苷酸结构相
似，可抑制该病毒的增殖，但不抑制宿主细胞的增殖，那么Y 抑制该病毒增殖的机制是（C)
A．抑制该病毒RNA的转录过程
B．抑制该病毒蛋白质的翻译过程
C．抑制该RNA病毒的逆转录过程
D．抑制该病毒RNA的自我复制过程
解析:本题主要考查中心法则。

RNA病毒逆转录生成DNA，需要的原料是4种脱氧核苷酸，物质Y与脱氧核苷酸结构相似,会混入逆转录生成的DNA中，致使逆转录生成的DNA不能整合到真核宿主的基因组中，影响病毒RNA及蛋白质的合成，从而抑制该病毒增殖，故只有C项正确。

★素养·探究--情境迁移
科学研究表明,小分子RNA可以干扰细胞中某些基因的表达过程，从而导致基因“沉默"。

2006年度诺贝尔生理学或医学奖授予了两名美国科学家,以表彰他们发现了这种RNA干扰现象.
(1）使基因“沉默"的小分子RNA片段的基本组成单位是什么？(生命观念)
提示：4种核糖核苷酸。

（2）小分子RNA干扰细胞中某些基因的表达过程，而不是
影响所有基因,试推测其可能的作用机理。

（科学思维）提示：通过碱基互补配对与特定的mRNA结合，从而影响了该mRNA的翻译过程。

【方法规律】中心法则各生理过程快速确定的三大依据
6．关于复制、转录和逆转录的叙述,下列说法错误的是（C)
A．逆转录和DNA复制的产物都是DNA
B．转录需要RNA聚合酶，逆转录需要逆转录酶
C．转录和逆转录所需要的反应物都是核糖核苷酸
D．细胞核中的DNA复制和转录都以DNA为模板
解析：本题考查遗传信息传递的特点与区别.逆转录是以RNA 为模板合成DNA的过程,需要的酶为逆转录酶，原料是脱氧核苷酸。

DNA复制是以DNA为模板合成DNA的过程，需要的酶为解旋酶和DNA聚合酶,原料是脱氧核苷酸。

转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程,需要的酶为RNA聚合酶，原料为核糖核苷酸。

综上所述,C项错误.
课题调研：过程图解类题目——基因的表达[典范例题］下图是细胞内蛋白质合成的示意图,请回答：
(1)C、D代表由细胞内有关结构合成的物质,其中下列物质中属于D类物质的是()
A．呼吸酶 B．线粒体膜的组成蛋白
C．胰岛素D．血红蛋白
(2）在A结构上发生的是________过程,其中以mRNA为模板，
以________为运输工具，将合成物质C、D的原料运送到结构A 上通过________(方式)连接起来。

(3）E物质为________，其合成模板为____________。

[模板构建·思路导引］
审题读图提取图中信息,该图表示蛋白质的合成、加工和分泌过程，涉及细胞内蛋白质的合成、分泌蛋白的合成和分泌
错误!蛋白质的合成需经转录和翻译过程，转录主要在细胞核中完成，以DNA的一条链为模板合成mRNA，后者进入细胞质，在核糖体上指导氨基酸通过脱水缩合完成翻译规范作答结合题目相应问题,联系具体生理过程，准确表述转录和翻译的条件、过程及结果
［规范答案·警示失误]
(1)C
（2)翻译转运RNA脱水缩合
错答:第一空答成蛋白质合成
错因：①将“翻译”与“蛋白质合成"混淆，翻译只是蛋白质合成的一个环节；②没有注意后面相关内容的提示。

(3）mRNA DNA两条链中的一条
错答：第二空答为DNA
错因：将复制、转录过程中的模板混淆，DNA双链中的一条链作为转录的模板，而DNA两条链均可作为DNA复制的模板。

［解题技巧］过程图可描述生命活动和发展变化的动态过程，常用箭头、字母和数字等表示生物体内某代谢过程或调节过程，这些图有些是对教材讲解的某些过程进行总结，有些是将新材料、新信息以过程图的形式给出,其中蕴藏着丰富的信息。

这类题目的一般解题思路为:
（1)“审题读图”——结合题中关键信息，联系图解，初步判断图示对应的基本知识，并进行快速的知识迁移。

(2）“明确过程”——识别图中各结构或物质的作用，理顺各部分的关系，按照由局部到整体的思维方式，明确图示所代表的具体过程。

(3）“规范作答”-—根据具体问题具体分析，充分利用图形并联系具体生理过程，运用规范的语言准确作答.
课堂对点素养达标
一、选择题
1．下列有关DNA和RNA的叙述中，正确的是（D)
A．DNA和RNA是同一物质在不同时期的两种形态
B．DNA和RNA的基本组成单位是一样的
C．AGCTGA既可能是DNA的碱基序列，也可能是RNA的碱基序列
D．mRNA上的碱基序列，取决于DNA的碱基序列，同时又决定蛋白质中氨基酸的序列
解析:本题考查DNA和RNA的区别及其功能。

2．下列对转运RNA的描述,正确的是（C）
A．每种转运RNA能识别并转运多种氨基酸
B．每种氨基酸只有一种转运RNA能转运它
C．转运RNA能识别信使RNA上的密码子
D．转运RNA转运氨基酸到细胞核内
解析:转运RNA上的三个碱基（反密码子)只能专一地与信使RNA上特定的3个碱基配对,且只能识别由这个密码子所决定的氨基酸.能决定氨基酸的密码子有62种，而氨基酸只有21种。

因此，一种转运RNA只能运输一种氨基酸，而一种氨基酸可以由多种转运RNA转运。

翻译的场所在核糖体。

3．已知AUG、GUG为起始密码子，UAA、UGA、UAG为终止密码子。

某信使RNA的碱基排列顺序如下:A—U—U—C—G—A—U—G—A—C…(40个碱基，且无终止密码子）…C—U—C-U-A—G—A—U-C—U。

此信使RNA控制合成的蛋白质含氨基酸的个数为(C）
A．20个B．17个
C．16个D．15个
解析：起始密码子从第六个碱基开始,终止密码子从倒数第七个碱基开始,中间共有碱基5＋40＋3＝48（个）,决定的氨基酸个数为16个。

4．关于转录和翻译的叙述，错误的是（C）
A．转录时以核糖核苷酸为原料
B．转录时RNA聚合酶能识别DNA中特定碱基序列
C．mRNA在核糖体上移动翻译出蛋白质
D．不同密码子编码同种氨基酸可增强密码的容错性解析：转录是以DNA的一条链为模板、以核糖核苷酸为原料合成RNA的过程，A项正确;转录过程需要RNA聚合酶的催化，RNA聚合酶能首先识别并结合到启动子上，驱动基因转录出mRNA,B项正确；以mRNA为模板翻译合成蛋白质时移动的是核糖体，C项错误;一个氨基酸可以有几种不同的密码子,这样有时由于差错导致的密码子改变却不会改变氨基酸，从而保持生物性状的相对稳定,D项正确.
5．下图表示细胞内某些重要物质的合成过程.对该过程叙述错误的是（多选）(ABD）
A．真核细胞内，一个mRNA分子上结合多个核糖体同时合成多条肽链
B．原核细胞内，转录促使mRNA在核糖体上移动以便合成
肽链
C．原核细胞内，转录还未结束便启动遗传信息的翻译
D．真核细胞内，转录的同时核糖体进入细胞核启动遗传信息的翻译
解析：据图可知，转录和翻译过程同时进行，由此判断该过程发生在原核细胞内，C项正确。

真核细胞核内转录完成后,初始转录的mRNA经加工修饰后通过核孔进入细胞质，与核糖体结合完成翻译过程，转录和翻译不能同时进行，A、D两项错误。

转录是核糖体沿mRNA移动合成肽链的过程，B项错误。

二、非选择题
6．下图是基因控制蛋白质合成过程示意图，请回答：
(1）转录的模板是［④]DNA中的A链，该链的相应段碱基顺序是TACCGAAGAAAG。

(2）翻译的场所是[②］核糖体，翻译的模板是[③］mRNA，运载氨基酸的工具是[①］tRNA，翻译后的产物是多肽，翻译过程中需要tRNA来运载.
(3）遗传物质DNA主要分布在细胞核中,也有一部分分布在细胞质中.
（4)图中核糖体在mRNA上相对运动的方向是由左向右。

解析：（1)根据图形可知④表示DNA，③表示mRNA，②表示核糖体，①表示tRNA；根据mRNA上碱基序列可知以DNA的A 链为模板转录产生mRNA,A链上的碱基序列为TACCGAAGAAAG。

(2）mRNA指导合成多肽，翻译时需要tRNA来运载.(3)DNA主要分布在细胞核中，也有一部分分布在细胞质中。

(4）由图中有关箭头所指方向知：核糖体移动方向由左向右。

7．回答有关真核细胞中遗传信息及其表达的问题。

(1）将同位素标记的尿核苷（尿嘧啶和核糖的结合物）加入细胞培养液中，不久在细胞核中发现被标记的有mRNA、tRNA、rRNA。

(2）将从A细胞中提取的核酸，通过基因工程的方法,转移到另一种细胞B中，当转入DNA时，其遗传信息在B细胞中得到表达并能复制传给下一代，当转入RNA时，在B细胞中虽能合
成相应的蛋白质，但性状不会遗传。

(3)已知某基因序列碱基排列如图所示。

由它控制合成的多肽中含有“-脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—赖氨酸—”的氨基酸序列.(脯氨酸的密码子是CCU、CCC、CCA、CCG；谷氨酸的是GAA、GAG；赖氨酸的是AAA、AAG;甘氨酸的是GGU、GGC、GGA、GGG)
a．翻译上述多肽的mRNA是由该基因的②链转录的(以图中的①或②表示）。

此mRNA的碱基排列顺序是：-CCUGAAGAGAAG—。

b．若该基因由于一个碱基被置换而发生突变，所合成的多肽的氨基酸排列顺序成为“—脯氨酸—谷氨酸—甘氨酸-赖氨酸—”.写出转录并翻译出此段多肽的DNA单链的碱基排列顺序：-GGACTTCCCTTC—。

解析：（1）尿核苷是合成RNA的原料，真核生物的转录是在细胞核中进行的,转录的产物是RNA，包括信使RNA、核糖体RNA 和转运RNA.
(2）在真核生物中,遗传物质是DNA，能复制表达并传给下一代的一定是DNA.mRNA可直接指导蛋白质的合成,但不能复制,
因此它不能控制生物的性状。

（3)a.假定①链作模板链,它转录出的mRNA的碱基序列为—CCGGACUUCUCUUCA—，若CCG合成的是脯氨酸,但GAC不是谷氨酸的密码子，因此可断定①链不是模板链。

②链转录出的mRNA的碱基序列为-GGCCUGAAGAGAAGU-，CCU是脯氨酸的密码子，GAA是谷氨酸的密码子,GAG也是谷氨酸的密码子，AAG 是赖氨酸的密码子。

因此它指导合成的多肽链符合“—脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—赖氨酸-”的氨基酸序列。

b．已确定②链作模板链,基因突变后已知氨基酸序列中的第三个氨基酸由谷氨酸变成甘氨酸，根据模板链推知此谷氨酸的密码子为GAG，通过与甘氨酸的密码子比较可知，与GAG只差一个碱基的甘氨酸的密码子为GGG，因此可确定多肽链中此甘氨酸的密码子为GGG，据此可确定DNA序列②链中CTC突变成了CCC，即T被C替换。

据此可写出突变后②链的碱基序列。