高中生物第4章基因的表达第1节基因指导蛋白质的合成教学案新人教版必修第二册.docx

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高中生物第4章基因的表达第1节基因指导蛋白质的合成教学案新人教版必修第二册

第1节　基因指导蛋白质的合成

学习目标

核心素养

1.辨析三种RNA的结构和功能。

2.概述遗传信息转录、翻译的过程和特点。

（重、难点）

3.说明密码子、反密码子和遗传信息之间的关系。

（重点）

4.理解中心法则的内容和应用。

（重、难点）

1.利用对比分析，归纳和概括，辨别三种RNA的结构和组成。

2.通过图示和列表比较转录和翻译的异同。

3.从存在位置、作用等方面，探讨密码子、反密码子和遗传信息之间的关系，构建知识脉络。

4.通过分析归纳，概括中心法则的内容及其发展。

一、RNA的结构与种类

1．RNA的结构

（1）基本单位及组成

①磷酸；②核糖；③碱基：

A、U、G、C；④核糖核苷酸。

（2）空间结构：

一般是单链，且比DNA短。

2．RNA与DNA的比较

比较项目

DNA

RNA

组成单位

基本组成单位不同

脱氧核苷酸

核糖核苷酸

五碳糖不同

脱氧核糖

核糖

碱基不同

特有的是胸腺嘧啶（T）

特有的是尿嘧啶（U）

结构不同

规则的双螺旋结构

一般为单链

3.RNA的种类及其作用

（1）

（2）

（3）

二、遗传信息的转录

1．概念

2．过程

三、遗传信息的翻译

1．翻译概念的理解

2．密码子与反密码子

密码子

反密码子

种类

64种

61种

位置

mRNA

tRNA

实质

决定一个氨基酸的3个相邻的碱基（终止密码除外）

与密码子发生碱基互补配对的3个相邻的碱基

3.翻译的过程

起始：

mRNA与核糖体结合

↓

运输：

tRNA携带氨基酸置于特定位置

↓

终止：

当核糖体读取到mRNA上的终止密码时，合成终止

↓

四、中心法则

1．中心法则的提出及内容

（1）提出者：

克里克。

（2）中心法则内容

（3）图解：

2．中心法则的发展[填表]

发展内容

信息流动

举例

RNA自我复制

遗传信息从RNA流向RNA

RNA病毒

RNA逆转录合成DNA

遗传信息从RNA流向DNA

HIV病毒、致癌的RNA病毒

3.完善后的中心法则图解

____________________________________________。

判断对错（正确的打“√”，错误的打“×”）

1．遗传信息转录的产物只有mRNA。

（　　）

2．转录和翻译都是以mRNA为模板合成生物大分子的过程。

（　　）

3．一个tRNA分子中只有一个反密码子。

（　　）

4．mRNA在核糖体上移动翻译出蛋白质。

（　　）

5．细胞核中发生的转录过程有RNA聚合酶的参与。

（　　）

6．在蛋白质合成过程中密码子都决定氨基酸。

（　　）

7．细胞中有多种tRNA，一种tRNA只能转运一种氨基酸。

（　　）

8．遗传信息的流动过程说明生命是物质、能量和信息的统一体。

（　　）

9．DNA病毒中没有RNA，其遗传信息的传递不遵循中心法则。

（　　）

10．正常情况下，真核生物细胞内可发生中心法则的每个过程。

（　　）

提示：

1.×　转录合成的RNA有三种类型：

mRNA、tRNA、rRNA。

2．×　转录的模板是DNA分子的一条单链，不是mRNA。

3．√

4．×　核糖体在mRNA上移动翻译出蛋白质。

5．√

6．×　密码子共有64种，有3种终止密码子，不决定氨基酸，决定氨基酸的密码子有61种。

7．√

8．√

9．×　DNA病毒中没有RNA，但其遗传信息的传递仍遵循中心法则，包括DNA的复制、转录和翻译三个过程。

10．×　正常情况下，真核生物细胞内只发生DNA的复制、转录和翻译过程，RNA复制和逆转录的过程发生在某些病毒侵染后的细胞内。

遗传信息的转录

[问题探究]

经测定，甲、乙、丙、丁4种生物的核酸中碱基所占的比例如下表：

项目

A

G

C

T

U

甲

60

40

60

40

乙

30

20

20

30

丙

41

23

44

28

丁

32

15

16

24

13

1.甲、乙含有哪种核酸？

二者有什么区别？

提示：

甲、乙中的核酸都是DNA，但甲只能为单链DNA，乙最可能是双链DNA。

2．丙中含有的核酸是哪种？

依据是什么？

提示：

RNA；丙的核酸中含有碱基U，不含碱基T。

3．丁的核酸中含有几种核苷酸？

提示：

8种。

4．RNA为什么适合做DNA的信使？

提示：

（1）RNA一般为单链，比DNA短，可以通过核孔从细胞核进入细胞质。

（2）RNA是另一种核酸，也是由4种核苷酸组成的，也可以储存大量的遗传信息。

（3）RNA与DNA之间也遵循碱基互补配对原则。

1．核糖核酸（RNA）

（1）组成元素：

C、H、O、N、P。

（2）基本单位：

核糖核苷酸。

种类

mRNA

tRNA

rRNA

结构

单链

单链，呈三叶草形

单链

特点

携带从DNA上转录来的遗传信息

一端携带特定的氨基酸，另一端的特定的三个碱基可与mRNA上的密码子互补配对，叫反密码子

核糖体的组成成分

功能

作为翻译的模板

识别密码子，转运特定的氨基酸

参与构成核糖体

图示

共同点

都是经过转录产生的，基本单位都相同，都与翻译的过程有关

2.转录

（1）转录的概念、条件和产物

概念

RNA主要是在细胞核中，以DNA的一条链为模板合成的，这一过程称为转录

场所

真核生物主要发生在细胞核，线粒体和叶绿体也可以发生

条件

①模板：

以DNA的一条单链为模板链（另一条单链为非模板链）

②原料：

四种核糖核苷酸

③能量：

ATP

④酶：

RNA聚合酶

碱基配对情况

T与A配对（形成两个氢键），G与C配对（形成三个氢键），A与U配对（形成两个氢键），C与G配对（形成三个氢键）

产物

RNA（mRNA、tRNA、rRNA）

（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。

②mRNA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。

误区警示：

（1）转录不是转录整个DNA，是转录其中的基因，不同种类的细胞，由于基因的选择性表达，mRNA的种类和数量不同，但tRNA和rRNA的种类没有差异。

（2）细胞核中转录形成的RNA通过核孔进入细胞质，穿过0层膜，需要能量。

（3）完成正常使命的mRNA易迅速降解，保证生命活动的有序进行。

（4）质基因（线粒体和叶绿体中的基因）控制蛋白质合成过程时也进行转录。

1．下列关于DNA和RNA的结构与功能的说法，错误的是（　　）

A．区分单双链DNA、单双链RNA四种核酸可以依据碱基比率和种类判定

B．双链DNA分子中碱基G、C含量越高，其结构稳定性相对越大

C．含有DNA的生物，遗传物质是DNA不是RNA

D．含有RNA的生物，遗传物质是RNA不是DNA

D　[组成DNA和RNA的碱基种类不完全相同，且双链DNA和RNA分子中碱基之间的配对遵循碱基互补配对原则，因此区分单双链DNA、单双链RNA四种核酸可以根据碱基比率和种类判定，A项正确；双链DNA分子中，C和G之间有3个氢键，A和T之间有2个氢键，因此碱基G、C含量越高，其结构稳定性相对越大，B项正确；含有DNA的生物，遗传物质是DNA不是RNA，C项正确；含有RNA的生物，遗传物质是RNA或DNA，D项错误。

]

　DNA与RNA的判定方法

（1）根据五碳糖种类来判定：

若有核糖，一定为RNA；若有脱氧核糖，一定为DNA。

（2）根据含氮碱基种类来判定：

若含T，一定为DNA；若含U，一定为RNA。

（3）根据含氮碱基含量比较来判定：

若嘌呤数≠嘧啶数，则肯定不是双链DNA。

2．下图为真核生物细胞核内转录过程的示意图，下列说法正确的是（　　）

A．①链的碱基A与②链的碱基T互补配对

B．②是以4种核糖核苷酸为原料合成的

C．如果③表示酶分子，则它的名称是DNA聚合酶

D．转录完成后，②需通过两层生物膜才能与核糖体结合

B　[本题考查的是转录过程，其中①链为模板链，②链为RNA，①链中的碱基A与②链中的碱基U互补配对；③表示RNA聚合酶；转录完成后，②通过核孔进入细胞质，穿过0层生物膜。

]

遗传信息的翻译

[问题探究]

1．结合教材P67表4－1，回答下列问题：

（1）密码子有多少种？

决定氨基酸的密码子有多少种？

（2）判断对错（正确的打“√”，错误的打“×”）

①一种氨基酸对应一种密码子。

（　　）

②密码子的简并性对遗传的稳定性和提高翻译速率有一定的意义。

（　　）

③密码子中一个碱基发生改变，对应的氨基酸一定改变。

（　　）

提示：

（1）64　61

（2）①×　②√　③×

2．运输氨基酸的工具是哪种结构？

为什么说它是真正起“翻译”作用的结构？

提示：

运输氨基酸的工具是tRNA，它一端有反密码子，能和mRNA上的密码子相识别，一端能携带氨基酸，是真正起“翻译”作用的结构。

1．DNA转录和翻译的比较

转录

翻译

时间

个体生长发育的整个过程

场所

主要在细胞核

核糖体

模板

DNA的一条链

mRNA

原料

4种核糖核苷酸

21种氨基酸

条件

酶（RNA聚合酶等）、ATP

酶、ATP、tRNA

产物

RNA（mRNA、tRNA、rRNA）

多肽链

特点

边解旋边转录

一个mRNA上结合多个核糖体，同时合成多条肽链

碱基配对

A—U，T—A，C—G，G—C

A—U，U—A，C—G，G—C

遗传信息传递

DNA→RNA

mRNA→蛋白质

意义

表达遗传信息，使生物表现出各种性状

2.遗传信息、密码子、反密码子的比较

项目

遗传信息

密码子

反密码子

概念

DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序

mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基

tRNA上与密码子互补的3个碱基

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

3.原核生物与真核生物基因转录和翻译的辨别

（1）真核细胞的转录主要发生在细胞核中，翻译发生在细胞质中，在空间和时间上被分隔开进行，即先转录后翻译。

（2）原核细胞的转录和翻译没有分隔，可以同时进行，边转录边翻译。

过程如图所示：

图中①是DNA模板链，②③④⑤表示正在合成的4条mRNA，每条mRNA上有多个核糖体同时进行翻译过程，翻译的方向是从下到上。

1．如图为细胞中合成蛋白质的过程，下列说法正确的是（　　）

A．该过程最终合成的b、c、d、e在结构中各不相同

B．f在a上的移动方向是从左→右

C．a的合成与核仁有关，且图中4个核糖体在a上的结合位点相同

D．该过程表明生物体内少量的mRNA可以迅速合成出大量的蛋白质

D　[该过程最终合成的b、c、d、e在结构上是相同的，A项错误；f在a上的移动方向是从右→左，B项错误；a为mRNA，rRNA的合成与核仁有关，C项错误。

]

2．下图为蛋白质的合成过程示意图，请据图回答下列有关问题：

（1）图中发生在细胞核中的过程是________。

（2）图中基因表达的最后阶段是在[　]________上完成的，这一过程中还需要mRNA、[④]氨基酸、________、________和________。

（3）图中③称为________，在蛋白质合成过程中将多肽链中氨基酸种类与mRNA上的遗传信息联系起来的物质是________。

（4）图示mRNA上可以同时有多个核糖体合成肽链，这个mRNA同时合成的肽链的结构________（填“相同”或“不相同”），原因是____________。

[解析]　

（1）图中细胞核中的DNA分子正在进行转录。

（2）基因表达的最后阶段是在核糖体上完成的，这一过程称为翻译，翻译需要mRNA、氨基酸、ATP、tRNA和酶。

（3）③为mRNA上3个相邻的碱基，属于密码子。

由于tRNA一端存在反密码子，另一端携带相应的氨基酸，所以tRNA是将多肽链中氨基酸种类与mRNA上的遗传信息联系起来的物质。

（4）同一个mRNA上连接的多个核糖体合成的肽链结构是相同的，因为翻译的模板相同。

[答案]　

（1）转录

（2）[⑤]核糖体　酶　tRNA　ATP

（3）密码子　tRNA

（4）相同　翻译的模板都是同一个mRNA

中心法则及其发展

[问题探究]

下图为一组模拟实验，假设实验能正常进行且5支试管中都有产物生成，请分析此图解中A～E试管所模拟的过程分别是什么。

提示：

A—DNA复制；B—转录；C—RNA复制；D—逆转录；E—翻译。

1．中心法则的内容及应用

（1）细胞生物及噬菌体等DNA病毒的中心法则

（2）烟草花叶病毒等大部分RNA病毒的中心法则

（3）HIV等逆转录病毒的中心法则

（4）高度分化的细胞内中心法则的表达式

DNA

RNA

蛋白质

（5）能分裂的细胞内中心法则的表达式

特别提醒：

（1）逆转录需要逆转录酶。

（2）逆转录和RNA复制只有在某些病毒复制时才能进行。

（3）哺乳动物成熟的红细胞中无遗传信息的传递。

2．中心法则体现了DNA的两大基本功能

（1）传递遗传信息：

通过DNA复制完成的，发生在亲代产生子代的生殖过程或细胞增殖过程中。

（2）表达遗传信息：

通过转录和翻译完成的，发生在个体发育过程中。

1．人或动物PrP基因编码一种蛋白（PrPc），该蛋白无致病性。

PrPc的空间结构改变后成为PrPsc（朊粒），就具有了致病性。

PrPsc可以诱导更多的PrPc转变为PrPsc，实现朊粒的增殖，可以引起疯牛病。

据此判断，下列叙述正确的是（　　）

A．朊粒侵入机体后可整合到宿主细胞的基因组中

B．朊粒的增殖方式与肺炎链球菌的增殖方式相同

C．蛋白质空间结构的改变可以使其功能发生变化

D．PrPc转变为PrPsc的过程属于遗传信息的翻译过程

C　[据题中信息可知，朊粒是PrP基因所编码的蛋白质空间结构变化后形成的，因此还属于蛋白质，不可能整合到宿主细胞的基因组中，A项错误。

细菌增殖方式为二分裂，与朊粒不相同，B项错误。

由题中信息可知，PrP基因编码的蛋白质与朊粒的功能因空间结构的不同而不同，C项正确。

PrPc转变为PrPsc只是蛋白质的空间结构发生了改变，D项错误。

]

2．下图表示生物界的中心法则，下列有关叙述正确的是（　　）

A．健康的人体内可以发生图中所有过程

B．烟草花叶病毒侵入宿主细胞后发生①→②→③→④的过程

C．⑤过程需要逆转录酶的参与

D．该图揭示了遗传信息传递的一般规律

D　[分析题图可知，健康的人体内可以发生图中①DNA复制、②转录和③翻译过程，A项错误。

烟草花叶病毒是RNA病毒，侵入宿主细胞后发生⑤RNA复制和⑥翻译过程，B项错误。

④过程需要逆转录酶的参与，C项错误。

]

[课堂小结]

知识网络构建

核心语句归纳

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）、“搬运工”（tRNA）、原料（21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，一种密码子最多只决定一种氨基酸。

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。

7.在遗传信息的流动过程中，DNA、RNA是信息载体，蛋白质是信息的表达产物，而ATP为信息的流动提供能量。

生命是物质和能量的统一体。

1．如图为核苷酸的模式图，下列相关说法正确的是（　　）

A．DNA与RNA在核苷酸上只有②不同

B．如果要构成ATP，在①位置上加上两个磷酸基团即可

C．③在人的遗传物质中只有4种

D．DNA分子中每个②均只与一个①相连

C　[分析题图可知，①是磷酸基团，②是五碳糖，③是含氮碱基。

DNA与RNA在核苷酸上的不同点主要有两点，一是在DNA中②为脱氧核糖，在RNA中②为核糖；二是在DNA中③有A、T、C、G4种，在RNA中③有A、U、C、G4种，A项错误。

如果要构成ATP，要在①位置上加上两个磷酸基团，②应为核糖，③应为腺嘌呤，B项错误。

人的遗传物质是DNA，在DNA中③只有4种（A、G、C、T），C项正确。

DNA分子的一条脱氧核苷酸链中多数②与两个①相连，D项错误。

]

2．对于下列图解，正确的说法有（　　）

①表示DNA复制过程　②表示DNA转录过程　③共有5种碱基　④共有8种核苷酸　⑤共有5种核苷酸　⑥A均代表同一种核苷酸

A．①②③　B．④⑤⑥

C．②③④D．①③⑤

C　[由题干信息可知，图示为DNA转录过程。

因为DNA与RNA的基本单位不同，故相同碱基代表不同核苷酸，所以图示核苷酸种类为8，碱基种类数为5。

综上所述，C正确。

]

3．下列关于如图所示生理过程的叙述，最合理的是（　　）

A．该生理过程可能发生于硝化细菌细胞内

B．可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

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。

]

4．右图为多聚核糖体合成肽链的过程。

下列有关该过程的说法，正确的是（　　）

A．图示为多个核糖体合成一条多肽链的过程

B．mRNA沿着三个核糖体从右向左移动

C．三条肽链在氨基酸的排列顺序上各不相同

D．由图示可推测少量mRNA可以合成大量的蛋白质

D　[图示为三个核糖体合成三条多肽链的过程，A项错误；翻译过程中是核糖体沿着mRNA进行移动的，根据肽链的长短，可判断出核糖体沿mRNA的移动方向是从右向左，B项错误；合成的三条肽链是以同一条mRNA为模板的，因此氨基酸的排列顺序相同，C项错误；一条mRNA可以和多个核糖体结合，可在短时间内合成大量的蛋白质，D项正确。

]

5．克里克提出的中心法则是指（　　）

A．遗传信息的转录、翻译过程

B．遗传信息的转录、翻译及表达过程

C．DNA复制及转录、翻译过程中的碱基互补配对原则

D．遗传信息通过DNA复制、转录及翻译的传递过程

D　[克里克提出的中心法则主要包括遗传信息从DNA传递到DNA的自我复制过程，以及从DNA流向RNA进而流向蛋白质的转录和翻译过程。

]

6．下列关于大肠杆菌细胞内遗传信息传递规律的叙述，错误的是（　　）

A．在逆转录酶的催化下，从RNA→DNA

B．从DNA→DNA，保证了遗传信息的稳定性

C．从DNA→蛋白质，实现了基因对性状的控制

D．从DNA→tRNA，保证了细胞内氨基酸的转运

A　[在逆转录酶的催化下，从RNA→DNA只发生在某些病毒侵染宿主细胞的过程中，大肠杆菌属于原核生物，无此过程，A项错误；从DNA→DNA，即DNA的复制，通过复制，DNA将遗传信息从亲代传给子代，保证了遗传信息的稳定性、连续性，B项正确；从DNA→蛋白质，即基因的表达，基因控制生物体的性状是通过控制蛋白质的合成来实现的，C项正确；从DNA→tRNA，即转录形成tRNA，tRNA具有转运氨基酸的功能，D项正确。

]

7．下图表示某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过程所需要的酶有________________________。

（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）该DNA片段第三次复制需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目为________个。

（4）若在AUG后插入3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，即图中的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，所以图中含有核糖的结构包括mRNA、tRNA、rRNA。

根据②mRNA上的密码子可知指导合成的多肽链中氨基酸的序列：

甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸—苯丙氨酸。

（3）由图可知DNA片段含7个T，故第三次复制需要23－1×7＝28（个）胸腺嘧啶脱氧核苷酸。

（4）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）28　（4）一个密码子由三个相邻的碱基（核糖核苷酸）组成

教材课后练习与应用

教材P69

一、概念检测

1．

（1）×　

（2）×

2．D

二、拓展应用

提示：

红霉素通过抑制翻译过程，环丙沙是通过抑制细菌DNA复制过程，利福平则通过抑制细菌的转录过程，最终干扰细菌蛋白质的合成，抑制细菌的生长。

因此，这些抗菌药物都可以用于治疗疾病。