学年高中生物 第3章 遗传信息的复制与表达 第2节 遗传信息的表达 第1课时 基因.docx
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学年高中生物第3章遗传信息的复制与表达第2节遗传信息的表达第1课时基因
第1课时 基因控制蛋白质的合成
1.简述基因碱基序列与mRNA碱基序列的关系。
2.概述转录的过程。
(重点)
3.概述翻译的过程。
(重点)
一、遗传信息的转录
1.基本内容
(1)场所:
主要在细胞核。
(2)模板:
DNA片段的一条链。
(3)产物:
RNA。
(4)原料:
四种游离的核糖核苷酸。
2.过程
(1)解旋:
DNA双链解开。
(2)配对:
细胞中游离的核糖核苷酸与供转录用的DNA的一条链上的碱基互补配对。
(3)连接:
在RNA聚合酶的作用下,合成一条RNA链。
(4)脱离:
合成的RNA链逐渐被甩出,解旋的两条DNA单链很快又结合在一起,恢复为原来的双螺旋结构。
二、遗传信息的翻译
1.基本内容
(1)场所:
细胞质中的核糖体。
(2)模板:
mRNA。
(3)原料:
20种氨基酸。
(4)产物:
具有一定氨基酸顺序的肽链。
2.密码子
(1)位置:
mRNA上。
(2)实质:
决定1个氨基酸的三个相邻的碱基。
(3)种类:
64种。
(4)特点:
密码子具有连续性、简并性、专一性、起始和终止密码子、通用性。
3.工具
(1)装配机器:
核糖体。
(2)搬运工(翻译者):
tRNA。
4.过程
(1)mRNA与核糖体结合。
(2)tRNA与mRNA互补配对,将氨基酸置于相应的位置。
(3)脱水缩合形成—CO—NH—,氨基酸连接形成肽链。
(4)肽链合成以后,从核糖体上脱离,再经过一定的折叠盘曲及修饰,最终形成一个具有一定氨基酸顺序的、有一定功能的蛋白质分子。
判一判
(1)转录是以DNA的两条链作为模板,只发生在细胞核中,以4种核糖核苷酸为原料。
(×)
分析:
对于真核生物而言,RNA主要是在细胞核中以4种核糖核苷酸为原料、以DNA的一条链作为模板合成的,除细胞核外,叶绿体和线粒体内也能合成RNA。
原核生物中RNA是在细胞质中合成的。
(2)DNA是蛋白质合成的直接模板。
(×)
分析:
DNA把携带的遗传信息传递给mRNA后,由mRNA作为合成蛋白质的直接模板。
(3)密码子位于mRNA上,ATC一定不是密码子。
(√)
(4)mRNA在核糖体上移动翻译出蛋白质。
(×)
分析:
核糖体在mRNA上移动翻译出蛋白质。
(5)每种转运RNA能识别并转运一种或多种氨基酸。
(×)
分析:
每种转运RNA只能识别并转运一种氨基酸。
想一想
(1)转录过程中的碱基互补配对关系是怎样的?
提示:
A—U、T—A、G—C、C—G。
(前边的为DNA上的碱基,后边的为RNA上的碱基。
)
(2)如何在短时间内由一条mRNA合成多个相同的蛋白质分子?
提示:
一条mRNA上可以相继结合多个核糖体,同时进行多条肽链的合成,这样就可以在短时间内由一条mRNA合成多个相同的蛋白质分子。
遗传信息的转录
1.三种RNA的比较
项目
mRNA
tRNA
rRNA
分布部位
常与核糖体结合
细胞质中
与蛋白质结合形成核糖体
结构
功能
翻译时作模板
翻译时作搬运氨基酸的工具
参与核糖体的组成
联系
(1)组成相同:
4种核糖核苷酸;
(2)来源相同:
都由转录产生;
(3)功能协同:
都与翻译有关
2.转录有关问题分析
(1)碱基互补配对关系:
G—C、C—G、T—A、A—U。
(2)mRNA与DNA模板链碱基互补,但与非模板链碱基序列基本相同,只是用U代替T。
(3)转录特点:
边解旋边转录,单链转录。
(4)信使RNA的形成
前体信使RNA的内含子在RNA自身催化作用下被切除掉,外显子连接在一起,形成信使RNA,通过核孔,进入细胞质。
(5)转录终止序列的类型
①依赖于蛋白质的终止序列:
主要是利用蛋白质水解释放的能量,把新生的RNA链释放出来。
②不依赖于蛋白质的终止序列:
是由合成的RNA链的结构决定的,这段RNA序列富含G—C,且可以形成发夹结构,新生的RNA链末端有一连串的U,A—U之间的氢键最不稳定,因此RNA链被释放出来。
1.下列关于真核细胞中转录的叙述,错误的是( )
A.tRNA、rRNA和mRNA都从DNA转录而来
B.同一细胞中两种RNA的合成有可能同时发生
C.细胞中的RNA合成过程不会在细胞核外发生
D.转录出的RNA链与模板链的相应区域碱基互补
解析:
选C。
真核细胞的各种RNA都是通过DNA的不同片段转录产生的,A正确;由于转录产生不同RNA时的DNA片段不同,因此同一细胞中两种RNA的合成有可能同时发生,B正确;真核细胞细胞质中叶绿体、线粒体中的DNA可以转录形成RNA,C错误;转录的过程遵循碱基互补配对原则,因此产生的RNA链与模板链的相应区域碱基互补,D正确。
2.如图是1种生物的某段DNA及其转录的过程,分析回答下列问题:
DNA片段(基因)
mRNA c……—U—A—C……
(1)图中标出的碱基符号,包括了________种核苷酸。
(2)DNA双链中,________链为转录链;该过程的原料是____________________。
(3)下列关于b→c过程的说法,不正确的是( )
A.表示DNA复制过程
B.表示DNA转录过程
C.图中共有5种碱基
D.图中T是DNA特有的碱基
解析:
(1)DNA两条链包括4种碱基,有4种脱氧核苷酸;mRNA单链(c)包括了3种碱基,有3种核糖核苷酸,故共有7种核苷酸。
(2)能够与mRNA碱基相互配对的转录链是b;转录以DNA中的一条链为模板,在RNA聚合酶的催化下,以周围4种游离的核糖核苷酸为原料合成RNA。
(3)b→c的过程是由DNA形成RNA,表示的是转录过程。
答案:
(1)7
(2)b 核糖核苷酸 (3)A
遗传信息的翻译
1.密码子的特性
(1)简并性:
①当密码子中有一个碱基改变时,可能并不会改变其对应的氨基酸,从而减少变异发生的频率。
②当某种氨基酸使用频率高时,几种不同的密码子都编码一种氨基酸可保证翻译的速率。
(2)通用性:
说明所有生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的。
2.翻译过程
(1)起始阶段:
利用ATP供能,携带甲硫氨酸的tRNA识别位于核糖体位点1上的mRNA上的起始密码子AUG,mRNA、tRNA与核糖体三者相结合,翻译开始。
(2)延伸阶段
①进位:
携带着特定氨基酸的tRNA按碱基互补配对原则识别并进入位点2。
②转肽:
两个氨基酸通过脱水缩合形成肽键而转移到占据位点2的tRNA上。
③移位:
核糖体读取下一个密码子,原占据位点1的tRNA离开,2位点占据的tRNA进入位点1,新的携带氨基酸的tRNA进入位点2,继续肽链的合成。
④重复:
以后依次重复①②③这三个步骤,直到读取到mRNA上的终止密码。
从核糖体上脱离下来的只是多肽链,再经折叠、加工才能成为具有复杂空间结构的有活性的蛋白质。
3.转录与翻译的不同点比较
项目
转录
翻译
场所
主要是细胞核
细胞质
原料
核糖核苷酸
氨基酸
碱基配对原则
DNAmRNA
A——U
T——A
C——G
G——C
mRNAtRNA
A——U
U——A
C——G
G——C
信息传递
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质
时间
生物生长发育的过程中
产物
RNA
有一定氨基酸排列顺序的蛋白质
4.联系
1.
如图是蛋白质合成时tRNA分子上的反密码子与mRNA上的密码子配对情形,以下有关叙述错误的是( )
A.tRNA上结合氨基酸分子的部位为甲端
B.图中戊处上下链中间的化学键表示氢键
C.与此tRNA反密码子配对之密码子为UCG
D.蛋白质的合成是在细胞内的核糖体上进行的,核糖体沿着mRNA由丙到丁移动
解析:
选C。
tRNA上的甲端是结合氨基酸分子的部位,A正确;图中戊处为局部双链结构,该处上下链中间的化学键表示氢键,B正确;tRNA的碱基顺序是从非氨基酸臂那一端开始的,而密码子的第三位碱基与反密码子的第一位碱基配对,因此与此tRNA反密码子配对的密码子为GCU,C错误;蛋白质的合成场所是核糖体,其沿着mRNA由丙到丁移动,D正确。
2.下列关于如图所示生理过程的描述中,最合理的是( )
A.该生理过程可能发生于硝化细菌细胞内
B.表示噬菌体的转录和翻译过程
C.图中现象也可能出现在人体细胞核基因的表达过程中
D.图中两核糖体合成的肽链不同
解析:
选A。
由图示可以看出,转录和翻译同时进行。
人体细胞核基因转录出mRNA后,mRNA通过核孔进入细胞质,与核糖体结合后指导肽链的合成,该过程与图示不符。
噬菌体是非细胞结构的生物,不能独立进行代谢过程。
图中两核糖体以同一mRNA为模板,合成的肽链相同。
翻译过程中多聚核糖体模式图解读
1.信息解读
(1)图甲表示真核细胞中的翻译过程,图中①是mRNA,⑥是核糖体,②③④⑤表示正在合成的4条肽链,翻译的方向是自右向左。
(2)图乙表示原核细胞中的转录和翻译过程,图中①是DNA模板链,②③④⑤表示正在合成的4个mRNA,在核糖体上同时进行翻译过程。
2.解题技法
(1)分析此类问题要正确分清mRNA和肽链的关系。
DNA模板链在RNA聚合酶的作用下产生的是mRNA,而在同一个mRNA上结合的多个核糖体,同时合成的是若干条肽链。
(2)解答此类问题还要明确真核细胞的转录和翻译不同时进行,而原核细胞能边转录边翻译。
转录和翻译过程中的数量关系
1.遗传信息、密码子、反密码子的关系
项目
遗传信息
密码子
反密码子
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
种类
多样性
64种
61种
图解
2.密码子、反密码子、氨基酸数量的对应关系
由上图得出如下结论:
(1)由①⑥知:
除终止密码外,一种密码子对应一种反密码子。
(2)由④⑤知:
一种氨基酸对应一种或多种密码子(或反密码子)。
(3)由②③知:
一种密码子或一种反密码子只对应一种氨基酸。
3.基因表达过程中相关数量的计算
(1)关系图解
(2)表格比较
项目
数目(个)
DNA中的碱基数(脱氧核苷酸数)
6n
RNA中的碱基数(核糖核苷酸数)
3n
蛋白质中的氨基酸数
n
参与转运氨基酸的tRNA数
n
蛋白质中的肽链数
m
蛋白质中的肽键数(脱水数)
n-m
1.关于密码子和反密码子的叙述,正确的是( )
A.密码子位于mRNA上,反密码子位于tRNA上
B.密码子位于tRNA上,反密码子位于mRNA上
C.密码子位于rRNA上,反密码子位于tRNA上
D.密码子位于rRNA上,反密码子位于mRNA上
解析:
选A。
mRNA上三个相邻的碱基决定一个氨基酸,这样相邻的三个碱基称为密码子;每个tRNA上有三个碱基与密码子配对,这样的三个碱基称为反密码子,即密码子位于mRNA上,反密码子位于tRNA上,A项正确。
2.一个mRNA分子有m个碱基,其中G+C有n个,由该mRNA合成的蛋白质有两条肽链,则相应DNA分子的A+T数、合成蛋白质时最多脱去的水分子数分别是( )
A.m、(m/3)-1
B.m、(m/3)-2
C.2(m-n)、(m/3)-1
D.2(m-n)、(m/3)-2
解析:
选D。
DNA模板链的碱基与mRNA的碱基互补,mRNA中G+C=n,则A+U=m-n,所以相应DNA中A+T=2(m-n);RNA中有m个碱基,对应的氨基酸数最多为m/3,形成的蛋白质有两条肽链,所以合成蛋白质时最多脱去的水分子数是(m/3)-2。
计算中“最多”和“最少”的分析
(1)翻译时,mRNA上的终止密码子不决定氨基酸,因此准确地说,mRNA上的碱基数目比蛋白质中氨基酸数目的3倍还要多一些。
(2)基因或DNA上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)在回答有关问题时,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至少有2n个碱基,该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。
核心知识小结
[要点回眸]
[规范答题]
1.RNA有三种:
信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)。
2.转录的主要场所是细胞核,条件是模板(DNA的一条链)、原料(4种核糖核苷酸)、酶(RNA聚合酶)和能量。
3.翻译的场所是核糖体,条件是模板(mRNA)、原料(20种氨基酸)、酶和能量。
4.密码子共有64种,其中决定氨基酸的密码子有61种,3种终止密码子不决定氨基酸。
5.一种氨基酸对应一种或多种密码子,一种密码子只对应一种氨基酸。
6.每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸,一种氨基酸可由一种或多种tRNA识别和转运。
[随堂检测]
1.下列关于RNA的叙述,错误的是( )
A.RNA主要在细胞核中合成,通过核孔转移到细胞质中
B.mRNA是转运氨基酸的工具
C.RNA一般是单链,而且比DNA短,分子中不含碱基T
D.RNA可作为核糖体的组成成分
解析:
选B。
在合成蛋白质时,需要tRNA作为运载氨基酸的工具,每种tRNA只能运载特定种类的氨基酸。
2.下列关于图中①②两种分子的说法,正确的是( )
A.①为DNA,在正常情况下复制后形成两个相同的DNA
B.②为tRNA,一种tRNA可携带不同的氨基酸
C.遗传信息位于①上,密码子位于②上
D.①和②共有的碱基是A、C、G、T
解析:
选A。
分析题图,①为DNA分子,DNA复制后形成两个相同的子代DNA分子,故A正确;②为tRNA,一种tRNA只能转运一种氨基酸,故B错误;遗传信息为DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序,密码子存在于mRNA中,tRNA中含有反密码子,故C错误;DNA中含有A、G、C、T四种碱基,tRNA中含有A、G、C、U四种碱基,故D错误。
3.下列过程遵循“碱基互补配对原则”的有( )
①DNA复制②mRNA与核糖体结合
③DNA转录④tRNA翻译
A.①②③B.②③④
C.①③④D.①②④
答案:
C
4.在某反应体系中,用固定序列的核苷酸聚合物(mRNA)进行多肽的合成,实验的情况及结果如下表:
请根据表中的两个实验结果,判断下列说法不正确的是( )
实验序号
重复的mRNA序列
生成的多肽中含有的氨基酸种类
实验一
(UUC)n,即UUCUUC…
丝氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸
实验二
(UUAC)n,即UUACUUAC…
亮氨酸、苏氨酸、酪氨酸
A.上述反应体系中应加入细胞提取液,但必须除去其中的DNA和mRNA
B.实验一和实验二的密码子可能有:
UUC、UCU、CUU和UUA、UAC、ACU、CUU
C.通过实验二的结果推测:
mRNA中不同的密码子有可能决定同一种氨基酸
D.通过实验一和实验二的结果,能够推测出UUC为亮氨酸的密码子
解析:
选D。
正常细胞内的DNA能转录合成mRNA,所以除去细胞提取液中的DNA和mRNA,避免干扰实验,故A正确;密码子是指mRNA上能决定氨基酸的相邻的3个碱基,则实验一的密码子可能有三种,即UUC、UCU、CUU,实验二的密码子可能有4种,即UUA、UAC、ACU、CUU,故B正确;实验二的密码子可能有4种,而生成的多肽中含有的氨基酸种类只有3种,所以mRNA中不同的密码子有可能决定同一种氨基酸,故C正确;实验二的密码子中没有UUC,但生成的多肽中含有亮氨酸,所以不能推测出UUC为亮氨酸的密码子,故D错误。
5.假设有一段mRNA上有60个碱基,其中A有15个,G有25个,那么转录该mRNA的DNA分子区段中,C和T的个数之和及该mRNA翻译成的多肽中最多的肽键数分别为( )
A.15,20B.60,18
C.40,19D.60,19
解析:
选D。
mRNA上有60个碱基,则转录成该mRNA的DNA中应有120个碱基。
DNA是双螺旋结构,按照碱基互补配对原则A=T、G=C,则在双链DNA分子中嘌呤数、嘧啶数均等于DNA总碱基数的一半,即A+G=C+T=1/2×120。
所以C+T=60;mRNA有60个碱基,不考虑终止密码子,据关系式mRNA的碱基数∶氨基酸数=3∶1,可知合成的多肽中有20个氨基酸,肽键数为19。
6.如图表示某DNA片段遗传信息的传递过程,①~⑤表示物质或结构,a、b、c表示生理过程。
请据图回答下列问题:
(可能用到的密码子:
AUG—甲硫氨酸、GCU—丙氨酸、AAG—赖氨酸、UUC—苯丙氨酸、UCU—丝氨酸、UAC—酪氨酸)
(1)完成遗传信息表达的是________(填字母)过程,a过程所需的酶有____________________。
(2)图中含有核糖的是________(填数字);由②指导合成的多肽链中氨基酸序列是________________________________________________________________________
____________________。
(3)若在AUG后插入三个核苷酸,合成的多肽链中除在甲硫氨酸后多一个氨基酸外,其余氨基酸序列没有变化。
由此证明________________________________________________________________________。
解析:
分析图示过程可知:
a为DNA的复制、b为转录、c为翻译。
(1)完成遗传信息表达的是转录和翻译,即图中b和c,DNA的复制需要在解旋酶的作用下解开双链,然后在DNA聚合酶的作用下合成DNA子链。
(2)RNA中含有核糖,图中含有核糖的结构包括mRNA、tRNA、rRNA。
根据②mRNA上的碱基顺序组成的密码子,指导合成的多肽链中氨基酸序列是甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸—苯丙氨酸。
(3)三个核苷酸对应一个氨基酸,由此证明一个密码子由三个相邻的碱基(核糖核苷酸)组成。
答案:
(1)b、c 解旋酶和DNA聚合酶
(2)②③⑤ 甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸—苯丙氨酸
(3)一个密码子由三个相邻的碱基(核糖核苷酸)组成
[课时作业]
一、选择题
1.下列关于RNA功能的叙述中,正确的是( )
①具有催化作用 ②作为某些病毒的遗传物质
③作为某些细菌的遗传物质 ④作为翻译的直接模板
⑤具有转运氨基酸的作用 ⑥作为核糖体的成分
A.①②④⑤B.①③④⑤⑥
C.①②④⑤⑥D.②④⑤⑥
解析:
选C。
极少数酶属于RNA;有些病毒(如HIV)的遗传物质为RNA;mRNA为翻译的模板;tRNA能转运氨基酸;rRNA作为核糖体的成分,参与蛋白质的合成。
所有细菌的遗传物质皆为DNA。
2.如图是真核细胞染色体上基因的表达过程示意图。
下列有关叙述不正确的是( )
A.基因的转录需要DNA的一条链为模板
B.前体RNA剪切过程需要RNA水解酶参与
C.转录时除需要解旋酶外,还需DNA聚合酶参与
D.翻译过程需要成熟mRNA、tRNA、氨基酸、ATP、核糖体等
解析:
选C。
转录时需要RNA聚合酶参与,DNA分子复制过程才需要DNA聚合酶,C项错误。
3.tRNA和mRNA碱基互补配对现象可出现在真核细胞的( )
A.细胞核中B.核糖体上
C.核膜上D.核孔处
解析:
选B。
转运RNA(tRNA)和信使RNA(mRNA)之间的碱基互补配对,发生在核糖体上蛋白质的合成(即翻译)过程中。
4.DNA分子复制、转录、翻译所需的原料依次是( )
A.脱氧核苷酸、脱氧核苷酸、氨基酸
B.脱氧核苷酸、核糖核苷酸、蛋白质
C.核糖核苷酸、脱氧核苷酸、氨基酸
D.脱氧核苷酸、核糖核苷酸、氨基酸
解析:
选D。
组成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸,而DNA复制是合成DNA分子的过程,需要的原料是脱氧核苷酸。
转录是以DNA分子的一条链为模板合成RNA,而RNA的基本单位是核糖核苷酸,翻译是合成蛋白质,其原料是氨基酸。
5.如图所示是某种分泌蛋白的合成过程示意图,下列相关叙述正确的是( )
A.此过程有水生成,主要发生在细胞核中
B.①上面所有的碱基都可以和③上相应的碱基配对
C.①上通常可以相继结合多个②
D.④形成后即进入高尔基体加工,然后分泌出细胞
解析:
选C。
图示为翻译过程,发生在细胞质中,mRNA上的终止密码没有反密码子对应。
多肽链第一加工场所是内质网,然后进入高尔基体内再加工。
一个mRNA上可以同时结合多个核糖体,能明显提高翻译速率。
6.下列关于密码子和tRNA与氨基酸的关系的叙述,正确的是( )
A.一个密码子只能决定一种氨基酸
B.一种氨基酸只由一种密码子决定
C.一种氨基酸只能由一种tRNA转运
D.每种氨基酸都由多种tRNA转运
解析:
选A。
一个密码子只能决定一种氨基酸,一种氨基酸由一种或多种密码子决定;一种氨基酸可以由一种或多种tRNA转运。
7.DNA分子模板链上的碱基序列携带的遗传信息最终翻译的氨基酸如表,则如图所示tRNA所携带的氨基酸是( )
GCA
CGT
ACG
TGC
精氨酸
丙氨酸
半胱氨酸
苏氨酸
A.精氨酸 B.丙氨酸
C.半胱氨酸D.苏氨酸
解析:
选B。
转运RNA上的反密码子为CGU,则与之配对的信使RNA上的碱基是GCA,而DNA上与之配对的碱基为CGT,与表格中的信息相对照,所以该tRNA携带的氨基酸是丙氨酸,故选B项。
8.已知AUG、GUG为起始密码子,UAA、UGA、UAG为终止密码子。
某原核生物的一个信使RNA碱基排列顺序如下:
A—U—U—C—G—A—U—G—A—C……(40个碱基)……C—U—C—U—A—G—A—U—C—U,则此信使RNA控制合成的蛋白质含氨基酸的个数为( )
A.20个B.15个
C.16个D.18个
解析:
选C。
先找到起始密码子,再找到终止密码子,两者中间一共45个碱基对应15个密码子,决定15个氨基酸。
起始密码子决定氨基酸,终止密码子不决定氨基酸,故为16个。
9.在大豆细胞的生理活动中,当某些碱基作为原料被大量利用时,下列说法正确的是( )
选项
大量利用的碱基
细胞生理活动
A
U
DNA分子正在复制
B
U和T
正处于分裂间期
C
T
正在大量合成转运RNA
D
T
正在大量合成蛋白质
解析:
选B。
细胞有丝分裂的一个细胞周期包括细胞分裂间期和分裂期。
在间期完成有关蛋白质的合成、DNA的复制和RNA的合成。
由于T(胸腺嘧啶)是组成DNA的特有成分,U(尿嘧啶)是组成RNA的特有成分,因此可以判断:
细胞中大量利用“U”表明正在转录形成RNA并合成蛋白质,大量利用“T”表明正在合成DNA,处于分裂间期。
10.从单尾金鱼卵细胞中提取RNA注入双尾金鱼受精卵中,发育成的双尾金鱼中有一些出现了单尾性状,这些RNA最可能是( )
A.遗传物质B.tRNA
C.mRNAD.rRNA
解析:
选C。
金鱼的遗传物质是DNA,A错误;tRNA和rRNA不参与性状的控制,B、D错误;mRNA携带着遗传信息,可以直接控制生物性状,C正确。
11.某mRNA分子中,U占20%,A占10%,那么它的模板DNA片段中胞嘧啶占( )
A.25%B.30%
C.35%D.70%
解析:
选C。
mRNA分子是以DNA分子上基因的一条链为模板转录而来的,