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第2节遗传信息的表达基因：具有遗传效应的DNA片段原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游与RNA聚合酶结合位点真核细胞的基因结构编码区非编码区非编码区与RNA聚合酶结合位点内含子外显子能够编码蛋白质的序列叫做外显子不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，内含子能转录为信使RNA编码区上游编码区下游内含子外显子一个基因含有多个外显子和内含子细胞核细胞质DNAmRNA蛋白质转录翻译基因的表达基因为什么RNA适于作为DNA的信使？①RNA由基本单位核糖核苷酸组成，也能储存遗传信息。②在RNA和DNA的关系中，也遵循“碱基互补配对原则”A=U，G=C。③RNA一般是单链，而且比DNA短，因此能够通过核孔，从细胞核转移到细胞质中。（一）遗传信息的转录1.场所：2.模板：3.原料：4.原则：细胞核DNA分子中的一条链4种核糖核苷酸碱基互补配对原则5.条件：6.产物：①rRNA：主要的RNA，占RNA的80%左右。②tRNA：最小，占RNA的15%左右。③mRNA：含量很少，占RNA的5%左右。分子量较大，代谢非常活跃，是蛋白质生物合成的模板。能量（ATP），酶（RNA聚合酶）RNA（mRNA，tRNA，rRNA）•作为模板的DNA链被称为非编码链，或无意义链。•与模板链互补的DNA链被称为编码链，或有意义链。RNA链的合成•转录成的RNA的碱基序列，与作为模板链的DNA单链的碱基序列有什么关系？与该DNA的另一条链（非模板链）的碱基序列有哪些异同？TCATGATTAAGTACAAAT转录发生在细胞核.这是一段展开的DNA.转录的过程AGTACAAATG只有一条链作为模板。转录的过程AGTACAAATRNA聚合酶G转录的过程下方为一个个的RNA核苷酸。AGTACAAATGUURNA聚合酶将RNA核苷酸连接起来，以碱基互补配对为原则。转录的过程AGTACAAATGUURNA聚合酶沿着DNA移动。转录的过程AGTACAAATGUUARNA聚合酶沿着DNA移动。转录的过程AGTACAAATGGUUARNA核苷酸一个一个连接起来转录的过程AGTACAAATGGUUAURNA核苷酸一个一个连接起来转录的过程AGTACAAATGGUUAUURNA核苷酸一个一个连接起来转录的过程AGTACAAATGGUUAUUARNA核苷酸一个一个连接起来转录的过程AGTACAAATGGUUAUUAURNA核苷酸一个一个连接起来转录的过程AGTACAAATGGUUAUUAUCRNA核苷酸一个一个连接起来转录的过程AGTACAAATGGUUAUUAUCRNA核苷酸一个一个连接起来转录的过程AGTACAAATUCAUGAUUAmRNA细胞质核孔转录的过程信使RNA（mRNA）通过核孔从细胞核中出来，到细胞质中。细胞核信使RNA（mRNA）通过核孔从细胞核中出来，到细胞质中。AGTACAAATUCAUGAUUAmRNA转录的过程细胞核细胞质TCATGTTTAAGTACAAATAGUACAAAUmRNA外显子和内含子•有些DNA分子中既含有编码氨基酸的外显子，又含有不编码氨基酸的内含子。•前体信使RNA的内含子在RNA自身的催化作用下被切除掉，外显子连接在一起，形成信使RNA，信使RNA通过核孔，进入细胞质。前体mRNA切除内含子的过程•1.依赖于蛋白质的序列：利用蛋白质水解释放的能量，把新生的RNA链释放出来；•2.不依赖于蛋白质的序列：由合成的RNA链的结构决定的，这段RNA富含G-C，且可以形成发夹结构。转录终止序列RNA发夹结构在发夹结构的下游，新生的RNA链末端有一连串的U，A-U之间的氢键是最不稳定的，因此RNA链被释放出来。转录的结果•经过遗传信息的转录，DNA序列上的基因信息传递到mRNA。mRNA通过核孔进入细胞质，指导蛋白质的合成，这样，遗传信息便由细胞核传递到细胞质。•转录与DNA复制有什么异同处？思考转录DNA复制DNA的复制转录模板原料酶产物DNA复制与转录的比较以DNA的两条母链为模板游离的脱氧核苷酸DNA解旋酶、DNA聚合酶2个双链DNA分子以DNA的一条链为模板游离的核糖核苷酸DNA解旋酶、RNA聚合酶1条RNA单链（二）遗传信息的翻译1.密码子•科技探索：•1.20世纪50年代，迦莫夫提出三联体密码学说；•2.尼伦伯格和霍拉纳破解了遗传密码。UCAUGAUUAmRNA密码子密码子密码子碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的？一个碱基决定一个氨基酸只能决定4种：41＝1，不行二个碱基决定一个氨基酸只能决定16种：42＝16，不行三个碱基决定一个氨基酸只能决定64种：43＝64，足足有余密码子UCAUGAUUAmRNA密码子密码子•密码子：遗传学上把mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基，叫做一个密码子。•注：密码子（遗传密码）在mRNA上，而遗传信息在DNA上，两者不能混淆。①多个密码子可对应一种氨基酸。②一个密码子只和一种氨基酸相对应。④密码子共64个，编码氨基酸的密码子只有61个。③起始密码子可以编码氨基酸，3个终止密码子不编码任何氨基酸。注意：Ⅰ.场所：Ⅱ.模板：Ⅲ.原料：Ⅳ.条件：Ⅴ.碱基配对：Ⅵ.产物：细胞质的核糖体上mRNA20种氨基酸能量（ATP），酶，tRNA等mRNA与tRNA的碱基互补配对具有一定氨基酸顺序的蛋白质（多肽）•mRNA通过核孔进入细胞质后，很快便与核糖体结合起来，形成多聚核糖体。核糖体是细胞内利用氨基酸合成蛋白质的场所。多聚核糖体ACU天冬酰氨反密码子AUG异亮氨酸反密码子转运RNA（tRNA）：分子结构呈三叶草形，其“叶柄”端能与一个特定的氨基酸结合，“叶片”端有三个特殊的碱基称为“反密码子”，能与mRNA上的“密码子”相识别。tRNA的特点•Ⅰ.一种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。•Ⅱ.一种氨基酸可以由多种tRNA转运。•Ⅲ.反密码子的种类：61种。•Ⅳ.终止密码子没有反密码子。返幻灯片42回概念位置作用遗传信息密码子反密码子DNA中能控制生物性状的脱氧核苷酸排列顺序mRNA中决定一个氨基酸的相邻的三个碱基tRNA中能识别信使RNA上相应密码子的三个特殊的碱基控制生物性状决定蛋白质中氨基酸的顺序识别密码子遗传信息、密码子和反密码子的比较翻译的过程•①当tRNA运载着一个氨基酸进入核糖体以后，就以mRNA为模板，按照碱基配对原则，把转运来的氨基酸放在相应的位置上；•②一个氨基酸转运完毕以后，tRNA离开核糖体，又去转运下一个相应的氨基酸；•③被转运来的这些氨基酸通过肽键一个一个连接起来，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。蛋白质的生物合成示意图UCAUGAUUAmRNA细胞质翻译的过程：UCAUGAUUA核糖体mRNA与核糖体结合。UCAUGAUUAAAU亮氨酸转运RNA上的反密码子与信使RNA上的密码子相结合。UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸转运RNA上的反密码子与信使RNA上的密码子相结合。UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸两个相邻的氨基酸缩合反应，形成肽键。肽键UCAUGAUUA亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸核糖体沿着mRNA移动。又一个转运RNA（tRNA）连接到密码子上。第一个tRNA释放到细胞质中。UCAUGAUUA亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸后一氨基酸通过缩合反应与前一个氨基酸连接起来。UCAUGAUUA亮氨酸天门冬氨酸AUG异亮氨酸一条肽链形成.UCAUGAUUAmRNA和肽链被释放到细胞质中。一个mRNA分子上结合多个核糖体，同时合成多条多肽链在细胞质中，翻译是一个快速的过程。在370C时，细菌细胞内合成肽链的速度约为每秒连接15个氨基酸。通常，一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成，因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成出大量的蛋白质。转录翻译时间场所模板原料酶能量原则特点产物生长发育过程细胞核基因的一条链四种核糖核苷酸RNA聚合酶等ATPA-U、T-A、G-C，C-G边解旋边转录1个信使RNA生长发育过程细胞质（核糖体）mRNA20种氨基酸特定的酶等ATPmRNA与tRNA配对A-U,G-C蛋白质转录、翻译的比较多起点由遗传信息的转录和翻译过程可以看出：•1.DNA分子上脱氧核糖核苷酸的排列顺序决定了mRNA中核糖核苷酸的排列顺序；•2.mRNA中的核糖核苷酸的排列顺序又决定了氨基酸的排列顺序；•3.氨基酸的排列顺序决定了蛋白质结构和功能的特异性，从而使生物体表现出各种各样的遗传性状。•蛋白质是生命活动的主要体现者，也就是说，生命活动是由蛋白质来完成的，通过蛋白质的活动体现遗传信息的差异。二基因表达的调控•在生命活动中，基因表达是严格有序的，它受调节基因和其他调节因素的控制与影响。对基因表达过程的调节作用就称为基因表达的调控。不同的生物或同一种生物细胞分化发育的不同时期，其调控机制是不同的。•基因表达调控的意义：•使各种蛋白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境，防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过程的正常状态。（一）原核生物基因表达的调控•原核生物基因表达的调控主要发生在转录过程中。•1961年，法国学者雅各布和莫诺的乳糖操纵子学说。通常把在一个操纵基因控制下的一群相邻的结构基因以及启动子和调节基因，统称为操纵子。它是原核生物基因表达调控的一个功能单位。•现象：一般情况下，大肠杆菌只能直接利用葡萄糖作为碳元素的来源，其他糖类必须被分解成葡萄糖，才能被利用。但是，当培养基中没有葡萄糖而只有乳糖时，大肠杆菌便会合成半乳糖苷酶，使乳糖分解为葡萄糖和半乳糖，当培养基中的乳糖被分解完毕时，大肠杆菌便不能合成半乳糖苷酶。这是为什么呢？乳糖操纵子学说•调节乳糖分解代谢的根本原因是大肠杆菌的DNA上存在着乳糖操纵子。乳糖操纵子1个操纵基因（O）1个启动子（P）1个调节基因（I）3个结构基因LacZ（编码半乳糖苷酶）LacY（编码半乳糖苷透过酶）LacA（编码半乳糖苷转乙酰酶）培养基中乳糖的存在与否，直接影响3个结构基因的表达。1.培养基中没有乳糖•调节基因的产物调节蛋白会与操纵基因结合，从而阻碍RNA聚合酶与启动子的结合，使3个结构基因无法转录，也就不能合成分解乳糖的半乳糖苷酶。2.培养基中只有乳糖•乳糖可与调节基因的产物调节蛋白结合，使调节蛋白不能与操纵基因结合，从而使RNA聚合酶顺利地与启动子结合，促进3个结构基因的转录，也就促进了半乳糖苷酶的合成，使乳糖被分解为葡萄糖和半乳糖，供给大肠杆菌生长的需要。乳糖分解代谢基因表达调控模式图（二）真核生物基因表达的调控•在胚胎时期，基因表达的数量最多。但在以后的生长发育过程中，有些基因表达增强，有些基因表达减弱或被抑制。•例：在植物的营养生长阶段，主要是与根、茎和叶发育相关的基因表达；在生殖生长阶段，主要是与花、果实和种子发育相关的基因逐渐得到表达。番茄的营养生长番茄的生殖生长•基因表达的调控是生物体生存必不可少的。尤其是当周围的营养、温度、湿度及pH等条件发生变化时，生物体就要在调节因素的作用下，调整自身的基因表达，产生相应功能的蛋白质，通过改变生物体自身的代谢得以适应环境。三中心法则•中心法则是由克里克在1957年提出来的，指出了生物遗传信息的主要流动方向。•内容：遗传信息可以由DNA流向DNA，完成DNA的自我复制；也可以由DNA流行RNA，完成遗传信息的转录；然后由RNA流向蛋白质，完成遗传信息的翻译过程。遗传信息的主要流动方向对中心法则的补充：•某些病毒遗传物质只有RNA，因此RNA既可以自我复制，还可以在逆转录酶的作用下合成DNA。使遗传信息不仅可以由RNA流向RNA，还可以由RNA流向DNA。中心法则中心法则几个过程的比较过程模板原料碱基互补产物实例DNA的复制DNA→DNADNA的转录DNA→RNA翻译RNA→多肽RNA的复制RNA→RNARNA的逆转录RNA→DNADNA的两条链DNA的一条链信使RNARNARNA四