第五单元第28讲基因指导蛋白质的合成

第28讲基因指导蛋白质的合成课程标准解读知识网络概览【课标要求】概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成,细胞分化的本质是基因的选择性表达,生物的性状主要通过蛋白质表现。【能力要求】1.解决问题能力:通过对转录和翻译等过程的分析,提升归纳与概括、演绎与推理的科学思维能力。2.创新能力:通过模拟中心法则各过程实验,提升分析实验结果的科学探究能力。考点一遗传信息的转录和翻译【精梳攻教材】1.RNA的结构与功能:【名师点睛】RNA其他的功能除以上种类及功能外,RNA还是RNA病毒的遗传物质;部分酶的化学本质也是RNA。2.遗传信息的转录:(1)概念:以DNA的一条链为模板,按碱基互补配对原则合成RNA的过程。(2)过程(如图):(3)意义:将DNA的遗传信息传递给mRNA。【名师点睛】模板链与编码链在转录的时候,会以DNA的一条链为模板,称为模板链,而另一条链称为编码链。DNA上含有多个基因,转录时不同的基因可以以不同的链作为模板链,即就双链DNA分子中的一条链来说,既是某些基因的模板链,又是另一些基因的编码链。3.遗传信息的翻译:(1)场所或装配机器:核糖体。(2)条件:模板原料能量酶搬运工具mRNA氨基酸ATP多种酶tRNA(3)密码子与反密码子的比较:项目密码子反密码子种类64种目前发现有很多种位置mRNA上tRNA一端实质决定一个氨基酸的3个相邻的碱基与mRNA上的密码子发生碱基互补配对的3个相邻的碱基(4)过程:【名师点睛】密码子的简并多种密码子编码同一种氨基酸的现象称为密码子的简并。密码子的简并既可以增强密码容错性,也可以保证使用频率高的氨基酸的运输效率,从而保证翻译的速度。【自测强化】1.辨易错(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。 (×)分析:DNA中含有碱基T不含碱基U,而mRNA中含有碱基U不含碱基T,因此碱基组成不同。(2)一个DNA只能转录出1条、1种mRNA。 (×)分析:转录的单位是基因,一个DNA上可有许多个基因,不同基因转录出的RNA不同。(3)转录和翻译过程都存在G—C的碱基配对方式。 (√)(4)DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点分别位于DNA和RNA上。 (×)分析:DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点都位于DNA上。(5)DNA复制和转录过程中都需要经过解旋,因此都需要解旋酶。 (×)分析:DNA复制和转录过程中都需要解旋,但DNA复制过程需要解旋酶,转录过程不需要解旋酶。(6)密码子的简并有利于提高转录的效率。 (×)分析:遗传密码子的简并使得一种氨基酸可以由一种或几种tRNA转运,进而可以提高翻译的效率。2.练表达(1)(必修2P67表4-1)起始密码子AUG决定甲硫氨酸,但是成熟蛋白质的第一个氨基酸往往不是甲硫氨酸的原因:翻译生成的多肽链往往需进行加工修饰,甲硫氨酸在此过程中会被剪切掉。(2)(必修2P67“思考·讨论”)几乎所有的生物体都共用一套密码子,这体现了密码子的通用性,说明当今生物可能有着共同的起源。【精研强思维】【思维探究】聚焦RNA合成和翻译过程相关示意图:(1)(生命观念)图甲中一个基因的两条链都可以作为转录的模板吗?一个DNA分子上的所有基因的模板链都相同吗?提示:转录时只能以基因的一条链为模板。不同的基因模板链不一定相同。(2)(科学思维)图甲中c所指的3条链的氨基酸序列是否相同?为什么?提示:相同。图甲中c所指的3条链的模板相同(均为a),故其氨基酸序列均相同。(3)(科学思维)图甲中信息显示一条mRNA可结合多个核糖体,有什么意义?图甲中核糖体移动的方向是什么?提示:少量的mRNA分子可以迅速合成出大量的蛋白质。图甲中核糖体移动的方向为由左向右。(4)(科学探究)图乙中d过程发生的场所是哪里?e过程所需的嘌呤类核苷酸数目与f过程所需的嘧啶类核苷酸数目有何特点?图中(+)RNA的作用有哪些?提示:d过程发生在宿主细胞的核糖体上。e过程所需的嘌呤类核苷酸与f过程所需的嘧啶类核苷酸数目相等。(+)RNA可作为遗传物质,指导(-)RNA的合成,也可以作为翻译的模板。【思维建构】1.图示法分析复制、转录和翻译的过程:(1)复制与转录:(2)翻译:解读:图一反映出:一个核糖体与mRNA结合形成2个tRNA结合位点,核糖体沿着mRNA移动的方向是由左往右。图二反映出:①mRNA与核糖体存在的数量关系是一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体;②核糖体移动的方向是由左向右;③多聚核糖体形成的意义是少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质。2.遗传信息、密码子(遗传密码)、反密码子:(1)相关概念辨析:(2)明确氨基酸与密码子、反密码子的数量关系。①一种氨基酸可对应一种或几种密码子(即密码子具有简并的特点),可由一种或几种tRNA转运。②除终止密码子外,一种密码子只能决定一种氨基酸。3.基因表达中的相关数量关系:可见,蛋白质中氨基酸数目=1/3mRNA碱基数目=1/6DNA碱基数目。【精练提能力】1.(2024·湖北高考)编码某蛋白质的基因有两条链,一条是模板链(指导mRNA合成),其互补链是编码链。若编码链的一段序列为5'-ATG-3',则该序列所对应的反密码子是 ()A.5'-CAU-3' B.5'-UAC-3'C.5'-TAC-3' D.5'-AUG-3'【解析】选A。本题主要考查密码子与反密码子的概念。由题意可知,DNA中作为mRNA合成模板的链为模板链,与模板链配对的为编码链,因此mRNA上的密码子与DNA编码链的碱基序列相近,只是T用U代替。若编码链的一段序列为5'-ATG-3',则mRNA上密码子的碱基序列为5'-AUG-3',该序列所对应的反密码子是5'-CAU-3',A正确,B、C、D错误。2.(2024·河北高考)下列关于DNA复制和转录的叙述,正确的是 ()A.DNA复制时,脱氧核苷酸通过氢键连接成子链B.复制时,解旋酶使DNA双链由5'端向3'端解旋C.复制和转录时,在能量的驱动下解旋酶将DNA双链解开D.DNA复制合成的子链和转录合成的RNA延伸方向均为由5'端向3'端【解析】选D。DNA复制时,脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成子链,A错误;复制时,解旋酶结合母链后将DNA双链解开,其中一条由3'端向5'端解旋,另一条由5'端向3'端解旋,B错误;转录时不需要解旋酶,RNA聚合酶即可完成解旋,C错误;DNA复制合成的子链和转录合成的RNA延伸方向均为由5'端向3'端,D正确。3.(2024·贵州高考)如图是某基因编码区部分碱基序列,在体内其指导合成肽链的氨基酸序列为:甲硫氨酸-组氨酸-脯氨酸-赖氨酸……,下列叙述正确的是 ()注:AUG(起始密码子):甲硫氨酸CAU、CAC:组氨酸CCU:脯氨酸AAG:赖氨酸UCC:丝氨酸UAA(终止密码子)A.①链是转录的模板链,其左侧是5'端,右侧是3'端B.若在①链5~6号碱基间插入一个碱基G,合成的肽链变长C.若在①链1号碱基前插入一个碱基G,合成的肽链不变D.碱基序列不同的mRNA翻译得到的肽链不可能相同【解析】选C。本题考查基因的表达,即转录与翻译。转录是以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则合成RNA的过程,由于起始密码子是AUG,故①链是转录的模板链,转录时模板链读取的方向是3'→5',即左侧是3'端,右侧是5'端,A错误;在①链5~6号碱基间插入一个碱基G,将会导致终止密码子提前出现,故合成的肽链变短,B错误;①链是转录的模板链,若在①链1号碱基前插入一个碱基G,则①链转录出mRNA序列5'端起始密码子AUG前增加了一个碱基C,但翻译仍从起始密码子AUG开始,故合成的肽链不变,C正确;mRNA是翻译模板,但由于密码子的简并,碱基序列不同的mRNA中密码子不同,对应的氨基酸可能是相同的,因此翻译得到的肽链也可能相同,D错误。【加固训练】(2023·全国乙卷)已知某种氨基酸(简称甲)是一种特殊氨基酸,迄今只在某些古菌(古细菌)中发现含有该氨基酸的蛋白质。研究发现这种情况出现的原因是,这些古菌含有特异的能够转运甲的tRNA(表示为tRNA甲)和酶E。酶E催化甲与tRNA甲结合生成携带了甲的tRNA甲(表示为甲-tRNA甲),进而将甲带入核糖体参与肽链合成。已知tRNA甲可以识别大肠杆菌mRNA中特定的密码子,从而在其核糖体上参与肽链的合成。若要在大肠杆菌中合成含有甲的肽链,则下列物质或细胞器中必须转入大肠杆菌细胞内的是 ()①ATP②甲③RNA聚合酶④古菌的核糖体⑤酶E的基因⑥tRNA甲的基因A.②⑤⑥ B.①②⑤C.③④⑥ D.②④⑤【解析】选A。本题依托古菌蛋白质特有的某氨基酸甲,考查信息提炼能力和对基因表达的知识的理解能力。据题干“只在某些古菌(古细菌)中发现含有该氨基酸的蛋白质。研究发现这种情况出现的原因是,这些古菌含有特异的能够转运甲的tRNA(表示为tRNA甲)和酶E”,推知只有这些古菌含有该氨基酸(甲)的原因与这些古菌中特有的tRNA甲和酶E有关,所以要在大肠杆菌中合成含有甲的肽链,必须转入大肠杆菌没有的原料甲、tRNA甲和酶E(或tRNA甲的基因和酶E的基因),而大肠杆菌本身就能产生ATP、RNA聚合酶,据题干知现代细菌与古菌的核糖体无差异,没有必要加ATP、RNA聚合酶和古菌的核糖体。综上所述,A项正确。考点二中心法则【精梳攻教材】1.中心法则提出者:克里克。2.中心法则补充后的内容图解:图中序号依次表示①转录,②逆转录,③复制,④翻译。3.生命是物质、能量和信息的统一体:(1)DNA、RNA是信息的载体。(2)蛋白质是信息的表达产物。(3)ATP为信息的流动提供能量。4.各种生物遗传信息的传递途径:(1)能分裂的细胞生物及噬菌体等DNA病毒遗传信息的传递:(2)具有RNA复制功能的RNA病毒(如烟草花叶病毒)遗传信息的传递:(3)具有逆转录功能的RNA病毒(如HIV)遗传信息的传递:(4)高度分化的细胞遗传信息的传递:DNARNA蛋白质【自测强化】辨易错(1)少数生物(如一些RNA病毒)的遗传信息可以从RNA流向RNA以及从RNA流向DNA。 (√)(2)如图表示中心法则,则过程⑤有半保留复制的特点,过程⑥发生在核糖体上。(×)分析:过程⑤为RNA复制过程,不具有半保留复制的特点,过程⑥为翻译过程,发生在核糖体上。(3)转录与DNA复制都遵循碱基互补配对原则,且配对方式相同。 (×)分析:转录与DNA复制都遵循碱基互补配对原则,但配对方式不完全相同,转录过程中发生A—U碱基配对,而DNA复制过程中发生A—T碱基配对。(4)HIV中能完成逆转录过程。 (×)分析:HIV的逆转录过程发生在宿主细胞中。(5)中心法则全部过程均可发生在正常人体细胞内。 (×)分析:RNA复制和逆转录过程不会发生在正常人体细胞内。【精练提能力】1.中心法则概括了自然界生物的遗传信息的流动途径,如图为中心法则的图解。下列相关说法正确的是 ()A.1957年梅塞尔森和斯塔尔提出的中心法则内容只包括图中的①②③B.图中③④过程均有碱基互补配对,且配对方式完全相同C.图中①⑤过程的酶是DNA聚合酶,②过程是RNA聚合酶D.在人体胚胎干细胞和心肌细胞中均存在图中①②③过程【解析】选B。1957年克里克提出的中心法则内容只包括图中的①②③,④⑤两个过程是后来对中心法则的补充,A错误;③翻译过程中发生的是tRNA和mRNA之间的碱基互补配对,④RNA自我复制过程中是RNA和RNA之间的碱基互补配对,两个过程的配对方式完全相同,B正确;图中⑤过程的酶是逆转录酶,C错误;心肌细胞属于高度分化的细胞,不会进行①DNA复制过程,D错误。借题发挥|知识归纳中心法则的五大过程的相关知识点(1)需要解旋的过程及相关酶:DNA复制(两条链都作为模板),需解旋酶;转录(DNA中的一条链作为模板),需RNA聚合酶解旋。(2)高等动植物只有DNA复制、转录、翻译三条途径,但具体到不同细胞情况不完全相同,如根尖分生区细胞等分裂旺盛的组织细胞中三条途径都有;叶肉细胞等高度分化的细胞无DNA复制途径,只有转录和翻译两条途径;哺乳动物成熟的红细胞无遗传信息的传递。(3)RNA复制和逆转录只发生在被RNA病毒感染的细胞中,是对中心法则的补充和完善。(4)上述五个过程都需进行碱基互补配对,进行碱基互补配对的场所有细胞核、叶绿体、线粒体、核糖体。2.(不定项)(2025·德州模拟)乙肝病毒(HBV)的基因组是一个有部分单链区的环状双链DNA,HBV侵入人体后其基因组DNA复制过程如图所示,过程①得到的共价闭合环状DNA(cccDNA)能在细胞核内存在数月至数年。下列说法错误的是()A.HBV的环状DNA中每个脱氧核糖均连接着两个磷酸B.过程③为逆转录过程,与过程①④所需的原料不同C.乙肝患者治愈之后再次复发可能与体内残留的cccDNA有关D.用32P标记的HBV侵染未标记的肝细胞,子代HBV均不含32P【解析】选A、B。HBV的DNA为有部分单链区的环状双链DNA分子,每个磷酸应该与一个或两个脱氧核糖相连,A错误;过程③是由RNA合成DNA的过程,为逆转录,需要的原料是脱氧核苷酸;过程①④是DNA复制过程,需要的原料也是脱氧核苷酸,所以过程③与过程①④所需的原料相同,B错误;因为cccDNA能在细胞核内存在数月至数年,所以乙肝患者治愈之后再次复发可能与体内残留的cccDNA有关,C正确;由于HBV的基因组是一个有部分单链区的环状双链DNA,用32P标记的HBV侵染未标记的肝细胞,在合成子代HBV时,原料来自肝细胞,所以子代HBV均不含32P,D正确。【加固训练】1.“中心法则”反映了遗传信息的传递方向,其中某过程的示意图如下。下列叙述正确的是 ()A.催化该过程的酶为RNA聚合酶B.a链上任意3个碱基组成一个密码子C.b链的脱氧核苷酸之间通过磷酸二酯键相连D.该过程中遗传信息从DNA向RNA传递【解析】选C。分析题图,该过程以RNA为模板合成单链DNA,为逆转录过程,催化该过程的酶为逆转录酶,A错误。a链不是mRNA,其上没有密码子,B错误。b链的脱氧核苷酸之间通过磷酸二酯键相连,C正确。该过程中遗传信息从RNA向DNA传递,D错误。2.(2024·淮安模拟)科学家将含人的α—抗胰蛋白酶基因的DNA片段,注射到羊的受精卵中,由该受精卵发育的羊能分泌含α—抗胰蛋白酶的奶。这一过程不涉及()A.mRNA以自身为模板自我复制B.DNA以其一条链为模板合成mRNAC.DNA按照碱基互补配对原则自我复制D.按照mRNA上密码子的排列顺序合成蛋白质【解析】选A。RNA的自我复制只发生在少数被某些病毒侵染的细胞中,A错误;该受精卵发育成的羊能合成α-抗胰蛋白酶,而α-抗胰蛋白酶的合成包括转录和翻译两个过程,其中转录是以DNA的一条链为模板合成RNA,B正确;该受精卵分裂过程中,DNA按碱基互补配对原则自我复制,C正确;该受精卵发育成的羊能合成α-抗胰蛋白酶,而α-抗胰蛋白酶的合成包括转录和翻译两个过程,其中翻译是按照mRNA上密码子的排序合成蛋白质,D正确。【从教材走向高考】【体验高考链接教材】1.(2023·江苏高考)→(必修2P69选择题T2)翻译过程如图所示,其中反密码子第1位碱基常为次黄嘌呤(I),与密码子第3位碱基A、U、C皆可配对。下列相关叙述正确的是 ()A.tRNA分子内部不发生碱基互补配对B.反密码子为5'-CAU-3'的tRNA可转运多种氨基酸C.mRNA的每个密码子都能结合相应的tRNAD.碱基I与密码子中碱基配对的特点,有利于保持物种遗传的稳定性【解析】选D。tRNA链折叠部分会发生碱基互补配对,A错误;反密码子为5'-CAU-3'的tRNA只能与密码子3'-GUA-5'配对,只能转运一种氨基酸,B错误;mRNA中有终止密码子,核糖体读取到终止密码子时翻译结束,终止密码子没有相应的tRNA可结合,C错误;密码子第3位的碱基A、U、C可与反密码子第1位的碱基I配对,增加了反密码子与密码子识别的灵活性,提高了容错率,有利于保持物种遗传的稳定性,D正确。2.(2024·安徽高考)→(必修2P78选择题T3)真核生物细胞中主要有3类RNA聚合酶,它们在细胞内定位和转录产物见下表。此外,在线粒体和叶绿体中也发现了分子量小的RNA聚合酶。下列叙述错误的是 ()种类细胞内定位转录产物RNA聚合酶Ⅰ核仁5.8SrRNA、18SrRNA、28SrRNARNA聚合酶Ⅱ核质mRNARNA聚合酶Ⅲ核质tRNA、5SrRNA注:各类RNA均为核糖体的组成成分A.线粒体和叶绿体中都有DNA,两者的基因转录时使用各自的RNA聚合酶B.基因的DNA发生甲基化修饰,抑制RNA聚合酶的结合,可影响基因表达C.RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ的转录产物都有rRNA,两种酶识别的启动子序列相同D.编码RNA聚合酶Ⅰ的基因在核内转录、细胞质中翻译,产物最终定位在核仁【解题指南】(1)获取信息:①真核生物细胞中主要有3类RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,在细胞中的定位分别是核仁、核质、核质,转录产物不同。②在线粒体和叶绿体中也发现了分子量小的RNA聚合酶。(2)扫清障碍:RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ的转录产物虽然都有rRNA,但rRNA的种类不同,而且酶具有专一性,所以两种酶识别的启动子序列不同。【解析】选C。本题考查基因的表达。线粒体和叶绿体中都含有DNA和核糖体,其基因转录时会使用各自的RNA聚合酶,A正确;若基因的DNA发生甲基化修饰,则RNA聚合酶就不能与该基因的启动子识别并结合,从而导致无法转录,进而影响基因的表达,B正确;RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ的转录产物都有rRNA,但rRNA的种类不同,且酶具有专一性,所以两种酶识别的启动子序列不同,C错误;RNA聚合酶Ⅰ的本质是蛋白质,其基因表达时先在细胞核内转录形成mRNA,mRNA再通过核孔进入细胞质中进行翻译,产物最终定位在核仁,D正确。【深研教材预测高考】3.(必修2P69图4-8改编)图甲表示细胞内进行的重要生理活动,A~C表示相关过程,a、b、①~⑧表示相关物质和结构;图乙表示中心法则图解,①~⑤表示相关过程。回答下列问题:(1)图甲过程A表示DNA的_________过程,与图乙中过程③所用的原料_________(填“相同”或“不同”),两