第三节 基因控制蛋白质的合成
[自 主 预 习·探 新 知]
一、从基因到蛋白质
1．基因的概念及相关问题
(1)概念：基因是DNA分子上具有遗传效应的片段。
(2)遗传信息：基因内的脱氧核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。
(3)基因的主要载体：染色体。
(4)基因的基本功能包括遗传信息的传递(即DNA复制)和表达(即通过基因控制蛋白质合成来实现的)。
2．转录
(1)概念：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。
(2)场所：主要是细胞核。
(3)原料：四种游离的核糖核苷酸。
(4)过程
(5)产物：RNA。
三种RNA的比较
另外：有的RNA还具有催化作用。
(6)结果：通过转录，DNA分子上的遗传信息传递到mRNA上。
(7)遗传密码子
①概念：mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基。
②种类：64种，其中，有61个负责20种氨基酸的编码。
2个起始密码为AUG、GUG；3个终止密码为UAA、UAG、UGA,3个终止密码不能决定氨基酸的种类。
3．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。
(2)场所：在细胞中的核糖体上进行。
(3)过程
起始阶段：mRNA上的起始密码子位于核糖体的第一位置上，tRNA的一端携带氨基酸，另一端是与密码子相对应的反密码子，tRNA上的反密码子与起始密码子相互识别并配对。
延伸阶段：携带着特定氨基酸的tRNA按照碱基互补配对原则，识别并进入第二位置。在酶的作用下，将氨基酸依次连接，形成多肽链。
终止阶段：当tRNA上的反密码子识别终止密码子后，肽链合成终止并被释放。
(4)条件：mRNA、tRNA、核糖体、多种氨基酸和多种酶的共同参与，还需要消耗能量。
(5)结果：通过翻译，遗传信息以mRNA传递到蛋白质。(6)mRNA与核糖体的数量关系
一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，并同时进行多条肽链合成。
二、基因对性状的控制
1．生物性状的概念
包括生物体所表现出来的形态特征和生理生化特性。
2．基因的主要功能
通过转录和翻译过程，把遗传信息转变为由特定的氨基酸按一定的顺序构成的多肽和蛋白质，从而决定生物体的性状。
3．中心法则的提出及其发展
(1)中心法则的内容
①提出者：克里克。
②基本内容
(2)发展
4.基因控制生物体性状的途径
(1)基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
(2)基因通过控制酶的合成来控制细胞中的代谢过程，进而控制生物体的性状。
5．人类基因组计划
(1)基因组的含义
在遗传学上，一个生物体的基因组是指包含在该生物的DNA(部分病毒是RNA)中的全部遗传信息。
(2)人类基因组的分布
人类基因组的DNA序列主要分布在细胞核中22条常染色体和X、Y两条性染色体上。
(3)人类基因组计划的主要内容
包括遗传图谱、物理图谱、序列图谱和基因图谱的绘制，其中的主要任务是DNA测序。
(4)参与国家：美、日、德、法、英、中。
(5)意义
①进一步了解基因表达的调控机制、细胞的生长、分化、个体发育机制对生物进化也有重要意义。
②推动了高新技术的发展。
[基础自测]
1．判断对错
(1)基因位于染色体上，是染色体DNA分子上的任一片段。 ( )
(2)DNA解旋后每一条链都可以当作转录的模板。 ( )
(3)氨基酸、密码子、反密码子三者之间是一一对应的关系。 ( )
(4)线粒体和叶绿体中遗传信息的传递遵循中心法则。 ( )
(5)基因与性状的关系是一对一的线性关系。 ( )
提示：(1)× 基因是有遗传效应的DNA片段。
(2)× DNA解旋后的一条链作为转录的模板。
(3)× 终止密码不对应氨基酸和终止密码。
(4)√
(5)× 基因与性状的关系不是一对一的关系。
2．如图为两个核糖体沿同一个mRNA分子移动翻译形成多肽链的过程。对此过程的叙述不正确的是( )
A．此过程主要是在细胞质中进行的
B．核糖体移动的方向为从左向右
C．图中没有表示出来tRNA
D．最终合成的两条多肽链中氨基酸的数量不同
D [蛋白质的合成是在细胞质中进行的，A正确；左边的链短，右边的链长，说明翻译是从左向右进行的，B正确；图中没有标出tRNA，C正确；两条多肽链都是由同一个模板合成的，最终合成的两条多肽链中氨基酸数量相同，D错误。]
3．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( )
【导学号：01632145】
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病毒的反转录过程
D．抑制该病毒RNA的自我复制过程
C [RNA病毒的遗传物质需要经逆转录形成DNA，然后整合到真核宿主的基因组中，Y物质与脱氧核苷酸结构相似，应抑制该病毒的逆转录过程。]
[合 作 探 究·攻 重 难]
背景材料
如图所示是基因控制蛋白质的过程。
[思考交流]
1．该图中A、B分别表示什么过程？
提示：转录和翻译。
2．这两个过程发生的场所分别是什么？
提示：转录主要在细胞核中进行，翻译在细胞质的核糖体上进行。
3．合成具有一定功能的分泌蛋白质分子除了需核糖体外，还需哪些细胞器参与加工？
提示：线粒体、内质网、高尔基体。
4．A过程也遵循碱基互补配对原则吗？
提示：遵循。
1．脱氧核苷酸、基因、DNA和染色体的关系图解
2．遗传信息、密码子和反密码子的关系
3.DNA复制、转录和翻译的区别与联系
特别提醒：关于转录、翻译过程的易错分析
(1)转录的产物：不只是mRNA，还有tRNA、rRNA，但只有mRNA携带遗传信息，3种RNA都参与翻译过程，只是作用不同。
(2)翻译的过程：mRNA并不移动，核糖体沿着mRNA移动，读取下一个密码子。
(3)转录和翻译的过程：碱基配对不是A－T，而是A－U。
(4)翻译时，除终止密码子外，一种密码子对应一种反密码子，一种tRNA只能转运一种氨基酸，但一种氨基酸对应一种或多种密码子(或反密码子)。
[典例通关]
如图表示生物体内三个重要的生理活动。据所学知识结合图形可得出的正确结论是( )
A．甲、乙、丙三图正在进行的生理过程分别是转录、翻译和复制
B．在正常情况下，碱基的排列顺序相同的单链是a和d，b和c
C．起始密码子和终止密码子都位于f链上
D．丙图所示的生理过程是从分子1链的B端开始的
[技巧点拨] 明确甲、乙、丙三图所表示的生理活动的名称及其过程和特点，对应选项做答即可。
C [甲图表示DNA分子复制过程，乙图表示转录过程，丙图表示翻译过程，A错误。根据碱基互补配对原则可知，甲图中碱基的排列顺序相同的单链是a和c、b和d，B错误。起始密码子和终止密码子位于mRNA上，乙图中f链表示mRNA，C正确。由于多肽链n比m长，所以翻译是从分子1链的A端开始的，D错误。]
(1)甲、乙、丙三图代表的生理过程所需原料分别是什么？
提示：四种游离的脱氧核苷酸、四种游离的核糖核苷酸和20种氨基酸。
(2)图丙中的m、n分别表示什么？
提示：核糖体和多肽(蛋白质)。
[活学活用]
1．下图为基因控制蛋白质合成的路线图，相关分析正确的是( )
A.真核细胞中a过程只发生在细胞核中，需要RNA聚合酶的催化
B．若①中共有360个碱基，并考虑结构②中终止密码子的情况下，则通过图示过程合成的肽链最多有60个氨基酸
C．④的形成方式是脱水缩合，脱去的水中的氧只来自羧基
D．⑤上携带的氨基酸是赖氨酸
C [据图可知：a过程表示转录，真核细胞中转录主要发生在细胞核中，另外还可能发生在线粒体、叶绿体中，选项A错误；若①中共有360个碱基，则结构②中的碱基个数最多有180个，密码子最多有60个，若考虑终止密码子，则能够编码氨基酸的密码子最多有59个，因此合成的肽链最多有59个氨基酸，选项B错误；结构④表示肽链，是利用氨基酸为原料通过脱水缩合形成的，脱水缩合过程是一个氨基酸提供氨基中的—H，另一个氨基酸提供羧基中的—OH，从而产生一分子水，选项C正确；结构⑤是tRNA，其上的反密码子是AAG，其对应的密码子是UUC，携带的氨基酸应该是苯丙氨酸，选项D错误。]
2．如图①②③表示真核细胞中遗传信息的传递方向，下列有关说法正确的是( )
【导学号：01632146】
A．③是翻译过程，方向是从b到a
B．每种氨基酸均可由不止一种tRNA来转运
C．①②③也能在线粒体、叶绿体及原核细胞中进行
D．一条mRNA可与多个核糖体结合，多个核糖体共同合成一条多肽链，加快了翻译的效率
C [由图可知，③是翻译过程，随着翻译的进行，肽链由短到长，所以方向是从a到b，A错误；大多数氨基酸有多个密码子，可由不止一种tRNA来转运，但甲硫氨酸、色氨酸只有一种密码子，只由一种tRNA来转运，B错误；图中①为DNA的复制，②为转录，③为翻译，也能在线粒体、叶绿体及原核细胞中进行，C正确；一条mRNA可与多个核糖体结合，能够同时合成多条多肽链，加快了翻译的效率，D错误。]
1．下图表示在人体细胞核中进行的某一生命过程，据图分析，下列说法不正确的是( )
A．该过程共涉及5种核苷酸
B．在不同组织细胞中该过程的产物有差异
C．该过程需要RNA聚合酶
D．该过程涉及碱基互补配对和ATP的消耗
A [由图可知，是人体细胞核中发生的转录过程，DNA单链中涉及4种脱氧核苷酸，转录产生的RNA中含4种核糖核苷酸，故该过程涉及8种核苷酸，不同组织细胞表达的基因具有选择性，故转录产生的mRNA有差异。]
2．关于基因控制蛋白质合成的过程，下列叙述正确的是( )
A．一个含n个碱基的DNA分子，转录出的mRNA分子的碱基数是n/2个
B．细菌的一个基因转录时两条DNA链可同时作为模板，提高转录效率
C．DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点分别在DNA和RNA上
D．在细胞周期中，mRNA的种类和含量均不断发生变化
D [DNA分子包括基因片段和非基因片段，1个DNA分子中的诸多基因并非全部转录，故基因转录出的mRNA分子的碱基数小于n/2个，A错误；基因转录时，一条链是模板链，另一条链是非模板链，B错误；DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点均在DNA上，C错误；在细胞周期中，由于基因选择性表达，mRNA的种类和含量均不断发生变化，D正确。]
题后反思：蛋白质合成中碱基计算规律
(1)规律一：DNA一条链中的＝转录生成的mRNA中的
。
(2)规律二：若DNA一条链(模板链)中的＝a，则由该模板链转录形成的mRNA中的
＝
。
(3)规律三：在转录和翻译过程中，基因中的碱基数(指双链)、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。
背景材料
材料1 人类白化病和苯丙酮尿症的发病原理
材料2 囊性纤维病的病因图解
↓
↓
↓
材料3 豌豆的红花基因不只与一种性状有关，这个基因还控制叶腋的红色斑点，以及种皮的褐色或灰色。这种现象叫作基因的多效现象。
材料4 玉米叶绿素的形成至少涉及50多个不同位置的基因；玉米糊粉层的颜色涉及7对等位基因；果蝇眼睛的颜色，至少受40个不同位置基因的影响。
[思考交流]
1．材料1说明基因控制性状的方式是什么？
提示：基因通过控制酶的合成来控制新陈代谢，进而控制生物体的性状。
2．材料2说明基因控制性状的方式是什么？
提示：基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物的性状。
3．材料3和材料4说明了什么？
提示：材料3说明了一个基因可能与多种性状有关；材料4说明了多个基因可控制一种性状。
1．中心法则及其与生物种类的关系
(1)中心法则内容及其发展图解
(2)不同细胞中的遗传信息流动情况
2.基因、蛋白质与性状的关系
(1)基因对性状控制的两种途径
(2)基因与性状的对应关系
①基因与性状的关系
②基因控制性状还受到环境的影响，生物体的性状是基因型和环境条件共同作用的结果。
③基因与基因、基因与基因产物、基因与环境之间存在着复杂的相互作用，共同调控着生物体的性状。
方法规律：“三看法”判断中心法则各过程
[典例通关]
如图所示，下列有关叙述不正确的是( )
A．甲是DNA，乙为RNA，此过程要以甲为模板，酶为RNA聚合酶
B．甲是DNA，乙为DNA，此过程要以甲为模板，酶为DNA聚合酶等
C．甲是RNA，乙为DNA，此过程为转录，原料为脱氧核苷酸
D．甲是RNA，乙为蛋白质，此过程为翻译，原料为氨基酸
[技巧点拨] 根据甲提供模板，乙为产物，由甲→乙准确判断出其所表示过程，然后对应选项做答。
C [根据图示，若甲是DNA，乙为RNA，则此过程表示转录，需要以甲为模板，酶为RNA聚合酶，A正确；若甲是DNA，乙为DNA，此过程表示DNA复制，需要以甲为模板，酶为DNA聚合酶，B正确；若甲是RNA，乙为DNA，此过程为逆转录，原料为脱氧核苷酸，C错误；若甲是RNA，乙为蛋白质，此过程为翻译，原料为氨基酸，D正确。]
(1)A选项所示过程的名称和所需原料分别是什么？
提示：转录和四种游离的核糖核苷酸。
(2)C选项中，若乙为RNA，则图示所表示的过程和原料分别是什么？
提示：RNA复制和四种游离的核糖核苷酸。
[活学活用]
1．下图为有关遗传信息传递和表达的模拟实验，下列相关叙述合理的是( )
【导学号：01632147】
A．若X是mRNA，Y是多肽，则试管内必须加入氨基酸
B．若X是DNA，Y含有U，则试管内必须加入逆转录酶
C．若X是tRNA，Y是多肽，则试管内必须加入脱氧核苷酸
D．若X是HIV的RNA，Y是DNA，则试管内必须加入DNA酶
A [若X是mRNA，Y是多肽，则试管内发生的是翻译过程，因此，试管内必须加入氨基酸；若X是DNA，Y含有U，即Y为RNA，则试管内发生的是转录过程，不需要加入逆转录酶，需要加入RNA聚合酶等；若X是tRNA，Y是多肽，则试管内发生的是翻译过程，不需要加入脱氧核苷酸；若X是HIV的RNA，Y是DNA，则试管内发生的是逆转录过程，需要加入逆转录酶，而不是DNA酶。]
2．结合下图分析，下列叙述错误的是( )
A．生物的遗传信息储存在DNA或RNA的核苷酸序列中
B．核苷酸序列不同的基因可表达出相同的蛋白质
C．遗传信息传递到蛋白质是表现型实现的基础
D．编码蛋白质的基因含遗传信息相同的两条单链
D [A项，对于以DNA为遗传物质的细胞生物及部分DNA病毒来说，遗传信息储存在DNA的脱氧核苷酸序列中；对于RNA病毒来说，遗传信息储存在RNA的核糖核苷酸序列中。B项，由于密码子的简并性(即某些不同的密码子可决定相同的氨基酸)等原因，核苷酸序列不同的基因，也可能表达出相同的蛋白质。C项，蛋白质是生物性状的主要体现者，基因对性状的控制是通过控制蛋白质的合成实现的。D项，具有转录功能的链叫模板链或反义链，另一条无转录功能的链叫编码链或有义链。两条链之间的碱基互补配对，核苷酸排列顺序不同，含有不同的遗传信息。]
误区警示：在中心法则中，DNA的复制、转录和翻译存在于细胞生物中，RNA的复制、逆转录只在某些以RNA为遗传物质的病毒增殖过程中出现。逆转录过程需要逆转录酶。
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．下列与人体mRNA的核苷酸序列互补的是( )
A．DNA分子的一条链的核苷酸序列
B．DNA分子两条链的核苷酸序列
C．所有tRNA分子的核苷酸序列
D．某tRNA分子的核苷酸序列
A [转录是以DNA分子的一条链为模板进行的，所以mRNA的核苷酸序列对应DNA分子的一条链的核苷酸序列；mRNA上的终止密码子无tRNA与之对应，只有tRNA上的反密码子与mRNA密码子碱基互补配对。]
2．下列关于基因、性状、环境的表述，最准确的是( )
A．性状表现相同，则基因型一定相同
B．基因与性状之间是一一对应关系
C．基因型相同，则性状表现一定相同
D．性状由基因决定，同时受环境影响
D [生物性状表现相同，基因型不一定相同，如AA、Aa都控制显性性状；一个基因可决定一个性状，一个性状也可由多个基因决定；基因型相同，性状表现不一定相同，因为生物体的性状还受环境影响。]
3．下列关于真核细胞蛋白质合成的叙述正确的是( )
【导学号：01632148】
A．遗传信息的传递方向：DNA→mRNA→蛋白质的氨基酸序列
B．转录和翻译过程碱基互补配对的方式相同
C．一种密码子可以与多种反密码子发生碱基互补配对
D．转录时DNA聚合酶能识别DNA中特定碱基序列
A [通过转录，遗传信息由DNA传递到mRNA，通过翻译，遗传信息传递到蛋白质；转录过程中存在TA配对，翻译过程中则没有，因此转录和翻译过程碱基互补配对方式不完全相同；一种密码子只能与一种反密码子互补配对；转录时能识别DNA中特定碱基序列的酶是RNA聚合酶，而DNA聚合酶在DNA复制过程中起作用。]
4．一段信使RNA具有2 000个碱基，那么转录它的基因双链中胸腺嘧啶和鸟嘌呤的总数是( )
A．1 000个 B．2 000个
C．3 000个 D．4 000个
B [一段信使RNA分子上有2 000个碱基，则转录该mRNA的DNA分子中碱基数目应是4 000个，而在双链DNA分子中非互补的碱基之和占总碱基数的50%，所以DNA分子中G和T之和共有2 000个。]
5．如图在造血干细胞和唾液腺细胞中能发生的过程是( )
A．前者有①②③，后者有②③
B．两者都有①
C．两者都有①②③
D．两者都有①③
A [造血干细胞具有分裂能力，能进行细胞分裂，而在细胞分裂间期会发生DNA的复制，即过程①；细胞进行各项生命活动所需要的酶是通过基因表达过程产生的，因此两者都会发生②转录和③翻译过程。唾液腺细胞是已经分化的细胞，不发生细胞分裂，有基因的表达，因此只能发生②③过程。]
6．下面为脉孢霉体内精氨酸的合成途径示意图：
从图中可得出( )
【导学号：01632149】
A．一种物质的合成只受一个基因的控制
B．基因可通过控制酶的合成来控制代谢过程
C．若基因②不表达，则基因③和④也不表达
D．若基因③不存在，但瓜氨酸仍可合成精氨酸琥珀酸
B [基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制生物的性状。由示意图可知，精氨酸的合成需要酶①②③④的参与，而它们分别受基因①②③④的控制。基因具有一定的独立性，基因②不表达时，基因③、④仍可表达，只是无法合成精氨酸。若基因③不存在，酶③不能合成，则瓜氨酸→精氨酸琥珀酸的途径不能进行。]
7．如图为某种真菌线粒体中蛋白质的生物合成示意图，请据图回答下列问题。
(1)完成过程①需要 ____________________等物质从细胞质进入细胞核。
(2)从图中分析，核糖体的分布场所有____________________________。
(3)已知溴化乙啶、氯霉素分别抑制图中过程③、④，将该真菌分别接种到含溴化乙啶、氯霉素的培养基上培养，发现线粒体中RNA聚合酶均保持很高活性。由此可推测该RNA聚合酶由________中的基因指导合成。
(4)用α鹅膏蕈碱处理细胞后发现，细胞质基质中RNA含量显著减少，那么推测α鹅膏蕈碱抑制的过程是________(填序号)，线粒体功能________(填“会”或“不会”)受到影响。
[解析] (1)主要涉及转录的条件，转录需要模板、能量、酶、原料等。(2)主要涉及核糖体分布的场所，主要分布在细胞质基质、线粒体、叶绿体、核膜等处，而题意分析可知分布在细胞质基质和线粒体。(3)主要涉及基因分布在细胞核与线粒体中，而题意中指出溴化乙啶、氯霉素主要影响线粒体中的转录与翻译，而线粒体中RNA聚合酶活性仍很高，说明与线粒体中的DNA无关，而分析得出该RNA聚合酶由细胞核中的基因指导合成。(4)分析题干给出的信息，结合图形，即可得出答案。
[答案] (1)ATP、核糖核苷酸、酶
(2)细胞质基质和线粒体
(3)核DNA(细胞核) (4)① 会
[核心语句归纳]
1．转录是以DNA的一条链为模板，以4种核糖核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，合成mRNA的过程。
2．翻译是以mRNA为模板，以20种氨基酸为原料，合成多肽链的过程。
3．密码子位于mRNA上，共有64种，其中决定氨基酸的密码子有61种，3种是终止密码子。
4．一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。
5．基因与性状的关系为：(1)一个基因决定一个性状；(2)多个基因影响一个性状；(3)一个基因影响多个性状。
