向左走還是向右走
——例析轉(zhuǎn)錄和翻譯方向的判斷

鄭 重 盛文龍

（浙江省余姚中學(xué) 浙江寧波 315400）

基因表達包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個階段。試題中對轉(zhuǎn)錄和翻譯過程的考查通常會以模式圖為載體進行。轉(zhuǎn)錄過程中RNA聚合酶的移動方向如何判斷？翻譯過程中核糖體的移動方向如何判斷？下面以相關(guān)試題為例進行分析，旨在為高中學(xué)生深刻理解轉(zhuǎn)錄和翻譯的方向性提供幫助。

1 轉(zhuǎn)錄方向的判斷

1.1 產(chǎn)生單一轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物時的方向判斷

【例1】圖1是真核生物細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄過程的示意圖，下列敘述正確的是 （ ）

A.圖中a是編碼鏈，b是游離的核苷酸

B.圖中RNA聚合酶的移動方向是從右向左

C.轉(zhuǎn)錄過程不是沿著整條DNA長鏈進行的

D.核苷酸通過氫鍵聚合成RNA長鏈

解析：圖中a為模板鏈，b為游離的核糖核苷酸，以a鏈為模板，游離的核糖核苷酸為原料合成RNA，且左邊合成的RNA鏈已經(jīng)與DNA分開，右邊游離的核糖核苷酸正在一個個連接到RNA鏈的3′端上，故RNA聚合酶從左向右移動合成RNA。轉(zhuǎn)錄過程不是沿著整條DNA長鏈進行的，而是以DNA一條鏈的某個片段作為模板。核苷酸之間通過磷酸二酯鍵連接。

參考答案：C。

1.2 產(chǎn)生多個轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物時的方向判斷

【例2】圖2是電鏡下原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象，下列敘述正確的是 （ ）

A.圖中有多個RNA聚合酶，并且它們的移動方向為由右向左

B.轉(zhuǎn)錄而來的RNA需脫離DNA后，才能進行蛋白質(zhì)合成

C.當RNA聚合酶識別到模板鏈上的終止密碼子時，RNA合成結(jié)束

D.圖示結(jié)構(gòu)有利于一個基因在短時間內(nèi)控制合成大量蛋白質(zhì)

解析：圖中一個DNA分子上結(jié)合了多個RNA聚合酶，同時合成多條RNA鏈，且右邊RNA鏈的長度大于左邊，故右邊的RNA聚合酶結(jié)合在DNA上的時間更早、進行轉(zhuǎn)錄的時間更長，RNA聚合酶的移動方向為從左向右。原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯可以同時進行，正在合成的RNA鏈即可用于翻譯。終止密碼子位于mRNA上，是翻譯終止的信號。

參考答案：D。

2 翻譯方向的判斷

2.1 單一核糖體的翻譯方向判斷

【例3】（2021年1月浙江省生物選考·22）：圖3是真核細胞遺傳信息表達中某過程的示意圖，某些氨基酸的部分密碼子（5′→3′）是：絲氨酸UCU；亮氨酸UUA、CUA；異亮氨酸AUC、AUU；精氨酸AGA。下列敘述正確的是 （ ）

A.圖中①為亮氨酸

B.圖中結(jié)構(gòu)②從右向左移動

C.該過程中沒有氫鍵的形成和斷裂

D.該過程可發(fā)生在線粒體基質(zhì)和細胞核基質(zhì)中

解析：翻譯過程中，核糖體沿著mRNA鏈的5′端向3′端移動，故可直接根據(jù)mRNA的方向判斷圖中核糖體從右向左移動；此外，圖中左側(cè)tRNA攜帶有氨基酸、右側(cè)tRNA不攜帶氨基酸，據(jù)此可判斷左側(cè)的tRNA即將進入核糖體、右側(cè)的tRNA即將離開，也可知核糖體從右向左移動。圖中①處氨基酸對應(yīng)的密碼子（5′→3′）為AUU，①為異亮氨酸。翻譯過程中涉及到mRNA上的密碼子與tRNA上的反密碼子間的堿基互補配對，該過程會發(fā)生氫鍵的形成和斷裂。細胞核基質(zhì)中不含核糖體，不能發(fā)生翻譯。

參考答案：B。

2.2 多聚核糖體的翻譯方向判斷

【例4】圖4為真核細胞中多聚核糖體合成蛋白質(zhì)的示意圖，下列說法正確的是 （ ）

A.該過程表明核糖體能沿①從左向右移動

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B.該過程的模板是脫氧核糖核酸，原料是氨基酸

C.該過程表明細胞可以迅速合成出大量的蛋白質(zhì)

D.合成①的場所主要在細胞核，而⑥一定附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上

解析：圖中4個核糖體結(jié)合在同一條mRNA上，形成多聚核糖體結(jié)構(gòu)，大大提高了合成蛋白質(zhì)的效率。核糖體上正在合成的多肽鏈長度由右向左依次變長，可見核糖體⑥結(jié)合在mRNA上的時間最早，參與肽鏈合成的時間最長，故圖中核糖體由右向左在mRNA上由5′端向3′端移動。翻譯的模板是mRNA，參與翻譯的核糖體可以游離在細胞質(zhì)基質(zhì)中，可以附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。

參考答案：C。

3 綜合判斷

【例5】圖5是藍藻中某個基因的表達過程，圖中字母A-E表示相關(guān)物質(zhì)或結(jié)構(gòu)，①-④分別代表相應(yīng)箭頭，下列說法正確的是 （ ）

A.圖中結(jié)構(gòu)D是核糖體，在圖中參與完成翻譯的過程，產(chǎn)物是B

B.圖中轉(zhuǎn)錄進行的方向是③，翻譯時核糖體移動的方向是①

D.圖中E為一個轉(zhuǎn)錄單位，可以包含一個或幾個基因

解析：圖5表示藍藻中某個基因的表達過程，故E只包含一個基因，圖中4條mRNA均由E基因轉(zhuǎn)錄而來，其堿基序列相同。由mRNA長度從左向右逐漸加長，可知RNA聚合酶在DNA上的移動方向是①。當轉(zhuǎn)錄正在進行時，mRNA上結(jié)合了若干個核糖體進行翻譯，由圖中多肽鏈的長度從上到下逐漸加長可知核糖體沿著④方向移動合成多肽鏈。此外，轉(zhuǎn)錄時RNA鏈由5′端逐漸向3′端延伸，故圖中mRNA的上端是5′端，下端是3′端，而核糖體沿著mRNA的5′端向3′端移動，據(jù)此也可判斷核糖體的移動方向是④。

參考答案：A。

【例6】圖6表示某原核生物DNA片段上的1個啟動部位和3個基因的排列順序及基因的表達過程，其中①②代表能與啟動部位（P）結(jié)合的酶，正發(fā)生左→右移動。下列敘述錯誤的是 （ ）

A.圖中①②均為RNA聚合酶，能催化DNA雙螺旋解開

B.圖中①②與啟動部位結(jié)合，均可啟動3個基因的轉(zhuǎn)錄

C.圖中有3個核糖體同時在翻譯，其移動方向是左→右

D.圖中3條多肽合成結(jié)束后，它們的氨基酸序列相同

解析：圖中的啟動部位、基因1、基因2和基因3共同構(gòu)成了一個轉(zhuǎn)錄單元。RNA聚合酶①②識別并結(jié)合到啟動部位P上后，沿著DNA從左向右移動，依次對基因1、基因2和基因3進行轉(zhuǎn)錄，故圖中的mRNA包含了全部3個基因的遺傳信息，在mRNA上有3個起始密碼子。隨著RNA聚合酶在DNA上移動，RNA逐漸由5′端向3′端延伸，故圖中mRNA的左邊為5′端，右邊為3′端。3個核糖體結(jié)合到mRNA不同的起始密碼子上，沿著mRNA的5′端到3′端方向向右移動合成多肽，3條多肽依次是基因1、基因2和基因3的表達產(chǎn)物，其氨基酸序列各不相同。由于左側(cè)核糖體結(jié)合到mRNA上的時刻最早，故左邊的多肽長度最長。學(xué)生解答例6時出現(xiàn)常見錯誤在于忽視了核糖體在mRNA上的移動方向是5′端到3′端，而簡單根據(jù)核糖體上多肽鏈長度判斷核糖體由右向左移動。

參考答案：D。

4 歸納總結(jié)

4.1 注意區(qū)分真核細胞與原核細胞

原核細胞無核膜，擬核區(qū)的DNA可與周圍的核糖體直接接觸，在轉(zhuǎn)錄未完成之前翻譯便開始進行。真核細胞通過核膜將核DNA與細胞質(zhì)隔開，轉(zhuǎn)錄與翻譯不能同時進行，核基因轉(zhuǎn)錄形成的mRNA在細胞核中加工成熟后，進入細胞質(zhì)作為翻譯的模板。

原核細胞一個轉(zhuǎn)錄單元（從啟動子開始至終止子結(jié)束的DNA序列）中往往集中了一個或幾個功能相關(guān)的基因。這些基因可同時被轉(zhuǎn)錄，從而形成多順反子mRNA（一個mRNA分子編碼多種多肽鏈）；真核細胞核基因一個轉(zhuǎn)錄單元中只有一個基因，轉(zhuǎn)錄后形成單順反子mRNA（一個mRNA分子編碼一種多肽鏈）。

4.2 注意判斷核酸的方向

相關(guān)聯(lián)的兩條核酸鏈，如DNA的兩條鏈、轉(zhuǎn)錄過程中的模板鏈與RNA鏈、翻譯過程中的mRNA鏈與tRNA鏈等，必定是反向的；在轉(zhuǎn)錄過程中，RNA聚合酶沿著模板鏈的3′端向5′端移動，逐步打開DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，游離的核糖核苷酸逐個加到RNA鏈的3′末端，使得RNA由5′端向3′端逐漸延長；在翻譯過程中，核糖體結(jié)合到mRNA的5′端，向3′端移動，合成多肽鏈。