基因的表达知识讲解

基因的表达

【学习目标】

1、概述遗传信息的转录和翻译

2、解释中心法则

3、举例说明基因、蛋白质与性状之间的关系

【要点梳理】

要点一、遗传信息的转录和翻译

1、遗传信息的转录

（1）转录的概念：指以DNA分子的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成mRNA的过程。

（2）场所：主要在细胞核中进行。

（3）转录的模板：DNA分子（基因）的一条链（模板链）

（4）所用原料：4种游离的核糖核苷酸

（5）酶：RNA聚合酶

（6）碱基互补配对原则：A―U、T―A、G―C、C―G

（7）转录产物及去向：

mRNA：通过核孔进入细胞质，与核糖体结合，编码蛋白质

rRNA：通过核孔进入细胞质，构建核糖体

tRNA：通过核孔进入细胞质，携带氨基酸

2、遗传信息的翻译

（1）概念：以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程叫做翻译。

（2）场所：细胞质中的核糖体

（3）模板：mRNA

（4）所用原料：20种氨基酸

（5）碱基互补配对原则：A―U、U―A、G―C、C―G

（6）翻译过程：

mRNA形成以后，从细胞核进入细胞质，与核糖体结合，蛋白质合成被启动。tRNA按照mRNA上密码子的排列顺序，与特定的氨基酸结合，将氨基酸运至核糖体上，并确定氨基酸在多肽链上的位置，同时，氨基酸之间通过脱水缩合形成肽键而连接成多肽，核糖体在mRNA上移动一个密码子的位置；前一个tRNA移走，再去运载相应的氨基酸；另一个tRNA运载氨基酸进入核糖体；如此反复进行，使肽链不断延长。形成的多肽再进一步加工修饰形成能体现生物体性状的蛋白质。

3、遗传信息、密码子和反密码子的区别

位置作用联系

遗传信息基因中脱氧核苷酸

的排列顺序控制生物的遗传性

状

图解：

①基因中脱氧核苷酸的序列决定mRNA核糖核苷酸的序列；

②mRNA中碱基序列与基因模板链中碱基序列互补；

③密码子与反密码子碱基互补配对

密码子mRNA上决定一个氨

基酸的三个相邻的

碱基

直接决定蛋白质中

氨基酸的排列顺序

反密码子

tRNA上与

mRNA互补配对的三

个碱基

与mRNA上3个碱基

互补，以确定氨基

酸在肽链上的位置

要点诠释：

（1）对于以RNA为遗传物质的病毒来说，遗传信息贮存在RNA上。

（2）密码子共有64种，但有3种为终止密码子；对应氨基酸的密码子有61种，所有生物共用一套遗传密码。（3）tRNA上反密码子所含的碱基有3个，但整个tRNA不止3个碱基。如下图：

【注意】

①一种密码子只对应一种氨基酸，但一种氨基酸可以由不止一种密码子决定，类似于数学中的“映射”。

②一种tRNA只能转运一种氨基酸，但一种氨基酸可以由不止一种tRNA转运。

4、复制、转录和翻译过程中的相关计算

（1）转录时，组成基因的两条链只有一条链能转录，另一条链则不能转录。因此，转录形成的RNA分子中碱基数目是基因中碱基数目的1／2。

（2）翻译过程中，信使RNA中每3个碱基决定一个氨基酸，所以经翻译合成的蛋白质分子中的氨基酸数目是信使RNA碱基数目的1／3。

总之，在转录和翻译过程中，基因中的碱基数（指双链）、信使RNA分子中的碱基数、蛋白质分子中的氨基酸数之比为6∶3∶1。参考下图：

要点二、中心法则

1、内容及适用情况

（1）适用于所有生物的中心法则

（2）适用于以DNA为遗传物质的生物（绝大多数生物）的中心法则

（3）适用于以RNA为遗传物质的生物（如RNA病毒等）的中心法则

第一种情况：（不具逆转录能力的RNA病毒，如流感病毒）

第二种情况：（具有逆转录能力的RNA病毒，如艾滋病病毒）

要点诠释：

以蛋白质为遗传物质的生物遗传信息的传递方式：

从发现疯牛病到了解疯牛病的机理，科学家发现引起疯牛病的病原体——朊病毒是一种只含蛋白质的生物。由于蛋白质不能复制，因此在研究疯牛病的早期，有科学家假想，遗传信息的传递是否会从蛋白质→RNA→DNA，也就是说中心法则是否可以逆转，

但大量的实验研究表明，朊病毒的遗传信息的传递和表达是从蛋白质→蛋白质。朊病毒的发现对现有中心法则提出了挑战，中心法则还需不断补充和完善。

2、各过程分析如下表

3、转录、翻译与复制的比较

要点三、基因、蛋白质与生物性状特征之间的关系

1．基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状。

豌豆有圆粒与皱粒实例分析如下：

白化病机理如下图所示：

2．基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状

囊性纤维病是北美白种人中常见的一种遗传病，主要表现为患者汗液中氯离子的浓度升高，支气管被异常的黏液堵塞，常于幼年时死于肺部感染。研究表明，其病因是一个跨膜蛋白（CFTR蛋白）的基因缺失了3个碱基引起的：

镰刀型细胞贫血症也是一种遗传病。正常人的红细胞成中央微凹的圆饼状，而镰刀型细胞贫血症患者的红细胞是弯曲的镰刀状。这样的红细胞容易破裂，使人患溶血性贫血，严重时会导致死亡。原来发现患者血红蛋白分子的多肽链上与正常的血红蛋白分子只有一个氨基酸不同。这是由于编码血红蛋白的基因中一个碱基发生变化而引起的。

【典型例题】

类型一：遗传信息的转录和翻译

例1、图中a、b、c表示生物体内三种生理过程。下列叙述正确的是（）

A．a过程需要的原料为四种核糖核苷酸

B．在不同功能细胞中进行b过程的基因存在差异

C．转运1号氨基酸的RNA含有起始密码子序列

D．分生区细胞能进行b和c过程，不能进行a过程

【答案】B

【解析】a、b、c分别表示DNA分子复制、转录和翻译过程。a过程需要的原料为4种脱氧核苷酸；不同细胞中基因表达的种类有差异；密码子位于mRNA分子上，转运氨基酸的RNA上有与密码子配对的反密码子；分生区细胞可分裂，也能合成蛋白质，故细胞中同时存在a、b、c三个过程。

【点评】本题主要对DNA复制、转录和翻译三个过程进行比较和辨析。

【举一反三】：

【变式一】

下列对转运RNA的描述，正确的是( )

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

【答案】C

【解析】转运RNA只能转运一种特异性的氨基酸，但是每种氨基酸可能有一种或多种转运RNA能转运它，转运RNA的功能是识别密码子并转运氨基酸到核糖体的特定位置上。

【变式二】

一个转运RNA的一端碱基为GUA，此转运RNA所转运的氨基酸是（）

A．GUA(缬氨酸) B．CAU(组氨酸) C．UAC（酪氨酸） D．AUG(甲硫氨酸)

【答案】B

【解析】转运RNA的密码子为GUA，那么信使RNA上的密码子为CAU，决定的氨基酸为组氨酸。

【变式三】

已知某tRNA一端的三碱顺序是GAU，它所转运的是亮氨酸，那么决定此氨基酸的密码子是由下列哪个碱基序列转录而来（）A．GAT B．GAU C．CUA D．CTA

【答案】A

【解析】tRNA头部的特定三碱基是GAU，那么根据碱基互补配对原则，决定此氨基酸的mRNA上的密码子是CUA。mRNA是由DNA转录而来的，所以mRNA上CUA是由DNA的GAT转录而来的。

类型三：中心法则的提出及其发展

例2、阅读下列材料，回答下列问题。

材料一 1970年，三位生物学家：Temin、Mizutani和Baltimore发现了与原来的中心法则不同的情况，即某些致癌病毒中有一种逆转录酶，有了这种酶，RNA就可以作为模板来合成DNA（cDNA）。致癌RNA病毒就是首先通过这种酶形成DNA，而形成的DNA 再以转录的方式产生病毒RNA。这些DNA在寄主细胞中被整合到染色体的DNA中，结果细胞不仅合成了自身的蛋白质，同时还合成了病毒某些特异的蛋白质，这就造成了细胞的恶性转化。

材料二用链霉素或新霉素可使核糖体与单链的DNA结合，这一单链DNA就可代替mRNA翻译成多肽。