新课程标准内容 学科核心素养
1.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选择性表达的结果,生物的性状主要通过蛋白质表现。 2.概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象。 1.生命观念:本章主要形成生命的信息观与结构和功能观。生命是物质、能量和信息的统一体,在遗传信息的流动过程中,DNA、RNA是信息的载体,蛋白质是信息的表达产物,而ATP为信息的流动提供能量,可见,生命是物质、能量和信息的统一体;运用结构与功能观,理解表观遗传产生的原因。 2.科学思维:摒弃简单机械的基因与性状间的线性决定论的思维模式,学会对复杂事物进行多角度、多因素的分析。基于中心法则的提出和修正过程以及表观遗传的发现,领悟批判性思维和创造性思维的方法。
第1节 基因指导蛋白质的合成
1.通过对比分析,比较RNA与DNA的主要区别,归纳RNA适于作DNA信使的条件。
2.通过分析、归纳图文资料,构建遗传信息通过转录和翻译的传递过程模型,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,达成结构与功能观。
3.运用数学方法,分析基因中碱基、RNA的碱基与氨基酸之间的对应关系。
4.基于地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码的事实,阐明生物界的统一性,认同当今生物可能有着共同的起源,形成生物进化观。
5.通过了解中心法则的提出和修正过程,认同科学是不断发展的,形成生命是物质、能量和信息的统一体的生命观念。
新知探究一 遗传信息的转录
资料:DNA是主要的遗传物质,相当于“中央指挥系统”,其核苷酸序列不仅决定了细胞内所有物质的基本结构,还通过信号分子产生的反应,使储存的遗传信息不断被修饰并逐渐形成更为精细、复杂的指令,间接控制细胞内全部有效成分的生产、转运和功能发挥。此外,位于细胞质基质中的核糖体是翻译的场所,遗传信息需要与核糖体识别并结合后才能被翻译。而基因组DNA缺乏与核糖体识别并结合的结构。因此,即使基因组DNA能移位,也无法直接与核糖体结合翻译出蛋白质。
既然基因组DNA被结合蛋白物理束缚不能随意移位,由于翻译的场所在细胞质中的核糖体,则应该有将DNA的遗传信息传递出去的邮差、信使,即“DNA的信使”。实验证明,RNA是DNA的信使,这样的RNA称为信使RNA,即mRNA。
问题(1):RNA为什么能作为DNA的信使
提示:①RNA的基本组成单位是核糖核苷酸,含有4种碱基,可以储存遗传信息。②RNA一般是单链,比DNA短,能通过核孔,从细胞核转移到细胞质。③组成RNA的碱基与模板DNA之间也严格遵循碱基互补配对原则。
活动1:阅读教材P65第4段,根据图4-4,思考下列问题。
问题(2):转录步骤可分为几步 请用箭头和文字简要总结转录过程。
提示:4步;解旋→碱基互补配对,在RNA聚合酶的作用下开始合成mRNA→新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上→释放mRNA,DNA双螺旋恢复。
问题(3):解旋需要哪种酶的作用 它催化了哪种键的断裂
提示:RNA聚合酶;氢键。
问题(4):转录的单位是什么 转录时mRNA延伸的方向是怎样的
提示:转录的单位是基因;mRNA由5′-端向3′-端延伸。
问题(5):单个的核糖核苷酸通过哪种化学键连接到核苷酸长链上 该化学键的形成需要哪种酶的催化
提示:磷酸二酯键;RNA聚合酶。
问题(6):转录的结果是什么
提示:产生mRNA、tRNA、rRNA。
活动2:如图所示为一段DNA分子,如果以β链为模板进行转录,试回答下列问题。
问题(7):写出对应的mRNA的碱基序列。
提示:AUGAUAGGGAAAC。
问题(8):转录成的RNA的碱基序列,与作为模板的DNA单链的碱基序列有何关系 与DNA的另一条链的碱基序列相比有哪些异同
提示:①转录成的RNA的碱基序列,与作为模板的DNA单链的碱基序列互补配对。
②相同点:a.碱基数目相等;b.都含A、G、C 3种碱基;c.碱基序列基本相同。
不同点:碱基U代替T。
(1)转录有关问题分析
①碱基互补配对关系:G—C、T—A、A—U。
②mRNA与DNA模板链的碱基互补,但与非模板链碱基序列基本相同,只是碱基U代替T。
③转录特点:边解旋边转录,单链转录。
(2)转录和DNA复制的比较
项目 DNA复制 转录
时间 细胞分裂前的间期 个体生长发育 的整个过程
场所 主要在细胞核 主要在细胞核
模板 DNA的两条单链 DNA的一条链
原料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸
能量 都需要
酶 解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶
产物 2个完全相同的双链DNA 与模板DNA互补的单链RNA
产物 去向 传递到2个子细胞或子代 通过核孔进入细胞质
特点 边解旋边复制, 半保留复制 边解旋边转录, 转录后DNA恢 复原状
碱基 配对 A—T,T—A, C—G,G—C A—U,T—A, C—G,G—C
转录中的误区警示
(1)转录的单位不是整个DNA,而是其中的基因,即以基因为单位进行转录,不同种类的细胞,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,消耗能量。
(3)完成正常使命的RNA易迅速降解,保证生命活动的有序进行。
(4)细胞质基因(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.如图表示真核细胞某基因的转录过程。下列有关叙述错误的是( C )
A.转录结束后①和②重新形成双螺旋结构
B.③不一定是mRNA
C.④是游离的脱氧核苷酸
D.该过程中存在T与A的碱基配对方式
解析:转录结束后①和②重新形成双螺旋结构;转录的产物有mRNA、tRNA、rRNA;④是形成RNA的原料,是游离的核糖核苷酸;该过程中DNA中的T可以与RNA中的A配对。
2.下列有关真核细胞核DNA复制和转录过程的叙述,错误的是( C )
A.两种过程都在细胞核中发生
B.两种过程都有酶参与反应
C.两种过程都以脱氧核苷酸为原料
D.两种过程都以DNA为模板
解析:复制和转录都主要在细胞核内进行;都需要酶的参与;DNA复制的原料是四种脱氧核苷酸,转录的原料是四种核糖核苷酸;两种过程的模板都是DNA,DNA复制是以DNA的两条链为模板的,而转录是以DNA的一条链为模板的。
新知探究二 遗传信息的翻译
活动1:阅读教材P66～67,结合图4-5和表4-1思考下列问题。
问题(1):什么是密码子 密码子种类有多少
提示:mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基,叫作1个密码子。64种。
问题(2):密码子与氨基酸之间具有怎样的对应关系
提示:1种密码子只对应1种特定的氨基酸(终止密码子除外);大多数的氨基酸有多种密码子(称为密码子的简并),个别氨基酸只有1种密码子如色氨酸。UGA在正常情况下是终止密码子,但在特殊情况下可以编码硒代半胱氨酸。
问题(3):你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义
提示:密码子的简并可以增强密码子的容错性,当密码子中有一个碱基改变时,由于密码子的简并,可能并不改变其对应的氨基酸;当某种氨基酸使用频率高时,几种不同的密码子都编码一种氨基酸,可以保证翻译的速度。
问题(4):几乎所有的生物体都共用一套密码子。根据这一事实,你能想到什么
提示:所有生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的等。
活动2:如图是翻译过程的示意图,请据图分析回答问题。
问题(5):最终合成的多肽链②、③、④、⑤的氨基酸序列相同吗 为什么
提示:相同;因为它们的模板是同一条mRNA。
问题(6):核糖体沿着RNA移动读取遗传密码,从何位置开始翻译,到何位置结束 核糖体沿着RNA移动方向是怎样的
提示:从起始密码子开始翻译,到终止密码子结束;核糖体沿着RNA从5′-端向3′-端移动。
问题(7):翻译过程中,1个mRNA分子上通常可以相继结合多个核糖体,同时进行多条肽链的合成。试分析这有什么意义。
提示:少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质,提高了翻译的速率。
问题(8):你能根据肽链的氨基酸顺序,如甲硫氨酸—丙氨酸—亮氨酸—甘氨酸,写出确定的碱基序列吗 为什么
提示:不能,因为密码子具有简并性。
(1)转录、翻译与DNA复制的比较
DNA复制 转录 翻译
主要是细胞核 主要是细胞核 主要是细胞质 中的核糖体
DNA的两条链 DNA的一条链 mRNA
4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 21种氨基酸
细胞分裂 前的间期 生物生长发育的过程中
2个相同的DNA RNA(mRNA、tRNA、rRNA) 有一定氨基酸排列顺序的蛋白质
边解旋边复制,半保留复制 边解旋边转录 1个mRNA分子可结合多个核糖体,提高合成蛋白质的速度
可用放射性同位素标记T 可用放射性同位素标记U 可用放射性同位素标记氨基酸
(2)遗传信息、密码子、反密码子的比较
遗传信息 密码子 反密码子
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
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
多样性 64种 61种
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,即边转录边翻译。其过程如图所示:
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。
3.如图为tRNA的结构示意图,以下叙述错误的是( C )
A.图中b处两条链中间的化学键表示氢键
B.tRNA携带氨基酸的部位在a处
C.tRNA是由三个核糖核苷酸连接成的单链分子
D.c处的反密码子可与mRNA上的密码子碱基互补配对
解析:题图中RNA在部分区段通过碱基互补配对形成双链,b处两条链中间的化学键表示氢键;tRNA是由几十个到上百个核糖核苷酸连接成的单链分子。
4.如图表示真核细胞中某基因表达过程的一部分,下列分析正确的是( A )
A.图示mRNA中起始密码子位于RNA链上的左侧
B.mRNA上决定甘氨酸的密码子都是GGU
C.图中碱基的配对方式有A—U、C—G、A—T
D.图示过程的正常进行需要ATP和RNA聚合酶
解析:根据肽链的长度判断,核糖体移动的方向是从左向右,则可知起始密码子位于RNA链的左侧;一种氨基酸可由一种或一种以上密码子决定;题图表示翻译过程,碱基的配对方式有A—U、C—G,不会有A—T;RNA聚合酶在转录过程中起作用。
新知探究三 中心法则
资料:在蛋白质的合成过程完全弄清楚之前,科学家克里克首先预见了遗传信息传递的一般规律,并于1957年提出了中心法则,随着研究的不断深入,科学家对中心法则作出了补充,总结如下:
思考并回答下列问题。
问题(1):细胞生物及DNA病毒的遗传信息流动情况是怎样的
提示:
问题(2):在以RNA为遗传物质的生物中遗传信息是如何传递的 请写出遗传信息传递过程的图解。
提示:①含有RNA复制酶的生物
②含有逆转录酶的生物(如HIV)
问题(3):病毒的遗传信息传递过程能发生在病毒自身体内吗
提示:不能。只能发生在宿主细胞内。
问题(4):线粒体和叶绿体中的DNA是否遵循中心法则 为什么
提示:遵循;在线粒体和叶绿体中也有DNA的复制及基因的表达过程。
问题(5):图中的过程都是遗传信息流动的过程,遗传信息都能准确地传递吗 为什么
提示:能;因为遗传信息传递过程中都严格遵守碱基互补配对原则。
活动:下列四个试管中分别模拟的是中心法则中的某个过程。
问题(6):四个试管分别模拟中心法则中的哪个过程
提示:a模拟DNA的复制;b模拟转录;c模拟RNA的复制;d模拟逆转录。
问题(7):四个试管模拟的过程分别需要什么酶
提示:a需要解旋酶和DNA聚合酶;b需要RNA聚合酶;c需要RNA复制酶;d需要逆转录酶。
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,发生于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,发生在个体发育过程中。
中心法则的四点提示
(1)并不是所有的生物均能发生中心法则的所有过程。如:哺乳动物成熟的红细胞中无遗传信息的传递。
(2)DNA复制、转录、翻译是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则。
(3)DNA复制主要发生在细胞分裂过程中,而转录和翻译则可以发生在任何时候。
(4)在病毒体内不会发生RNA的复制和逆转录过程,该过程在被病毒寄生的宿主细胞内进行。
5.如图为中心法则中遗传信息流向图。下列有关叙述正确的是( C )
A.图中遗传信息在同种物质间传递的过程有①②④
B.神经元细胞核中可发生①②过程,HIV可发生⑤过程
C.图中能发生A与U配对的过程有②③④⑤,能发生A与T配对的过程有①②④
D.③过程中核糖体与mRNA的结合部位会形成 1个 tRNA的结合位点
解析:①②③④⑤过程分别表示DNA的复制、转录、翻译、逆转录、RNA的复制。题图中遗传信息在同种物质间传递的过程有①和⑤;神经元细胞是高度分化的细胞,细胞核中可发生②过程,但不能发生①过程,HIV为逆转录病毒,可发生④过程;图中②③④⑤过程均有RNA参与,均可发生A与U配对,①②④过程均有DNA参与,均可发生A与T配对;③过程中核糖体与mRNA的结合部位会形成2个tRNA的结合位点。
6.某种RNA病毒在增殖过程中,其遗传物质需要经过某种转变,然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,那么物质Y抑制该病毒增殖的机制是( C )
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病毒的逆转录过程
D.抑制该病毒RNA的自我复制过程
解析:RNA病毒可经逆转录过程形成DNA,该过程需要的原料是4种脱氧核苷酸,物质Y与脱氧核苷酸结构相似,会抑制逆转录过程,从而抑制该病毒增殖。
[生活情境]
随着抗生素的广泛使用甚至滥用,目前细菌对抗生素的耐药性问题已十分严重,抗生素耐药性正在对全球健康构成威胁。因此,发展新型抗生素势在必行,基于不同机制的新型抗生素正处于研发的不同阶段。红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物能抑制细菌的生长,抗菌机制如表:
抗菌药物 抗菌机制
青霉素 抑制细菌细胞壁的合成
环丙沙星 抑制细菌DNA的复制
红霉素 能与核糖体结合,抑制肽链的延伸
利福平 抑制细菌RNA聚合酶的活性
探究:(1)结合遗传信息传递途径和表格,分析环丙沙星、红霉素、利福平分别阻止了遗传信息传递的哪些过程。
提示:红霉素能与核糖体结合,通过抑制翻译过程来干扰细菌蛋白质的合成,抑制细菌的生长。环丙沙星抑制细菌DNA的复制过程,从而抑制细菌的增殖过程。利福平通过抑制RNA聚合酶的活性,抑制细菌的转录过程。
(2)根据生活常识和题干分析,应如何正确使用抗生素
提示:抗生素只可用于治疗因细菌感染而引起的疾病,不能用于真菌和病毒感染而引起的疾病,因此不能滥用抗生素。
课堂小结
完善概念图 关键语句
1.基因的表达是指基因通过mRNA指导蛋白质的合成,包括遗传信息的转录和翻译两个阶段。 2.转录是以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则,在细胞核内合成mRNA的过程。 3.翻译是以mRNA为模板,按照密码子和氨基酸之间的对应关系,在核糖体上合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。 4.中心法则揭示了遗传信息在核酸和蛋白质之间的传递规律,体现了生命是物质、能量和信息的统一体。
随堂反馈
1.下列关于RNA的描述中正确的是( D )
A.发菜细胞中,rRNA的合成以及核糖体的形成与核仁密切相关
B.转录时,RNA聚合酶能识别RNA分子的特定位点并与之结合
C.由于密码子具有简并性,因此一种tRNA可与多种氨基酸结合
D.有的RNA分子能降低某些生化反应的活化能而加速反应进行
解析:发菜属于原核生物,细胞中无核仁结构;转录时,RNA聚合酶能识别DNA分子的特定位点并与之结合;tRNA具有专一性,一种tRNA只能转运一种氨基酸;有的RNA分子是酶,能降低某些生化反应的活化能而加速反应进行。
2.下列关于真核细胞中转录的叙述,正确的是( A )
A.tRNA、rRNA和mRNA都从DNA转录而来
B.转录时RNA聚合酶的结合位点在RNA上
C.细胞中的RNA合成过程不会在细胞核外发生
D.一个基因转录时两条DNA链可同时作为模板
解析:转录形成的RNA分为三种,即mRNA、rRNA和tRNA;转录时RNA聚合酶的结合位点在DNA上;细胞中的RNA合成过程也可以发生在线粒体或叶绿体内;一个基因转录时模板链是特定的,只能以DNA的一条链为模板。
3.某种抗生素可以阻止tRNA与mRNA结合,从而抑制细菌生长。据此判断,这种抗生素可直接影响细菌的( D )
A.多糖合成 B.RNA合成
C.DNA复制 D.蛋白质合成
解析:多糖合成不需要经过tRNA与mRNA结合;RNA的合成是转录过程,转录及DNA的复制过程不需要tRNA;蛋白质合成过程需要tRNA与mRNA的结合,即抗生素可能直接影响细菌的蛋白质合成。
4.在体外用14C标记半胱氨酸—tRNA复合物中的半胱氨酸(Cys),得到Cys—tRNACys,再用无机催化剂镍将其中的半胱氨酸还原成丙氨酸(Ala),得到Ala—tRNACys(见图,tRNA不变)。如果该Ala—tRNACys参与翻译过程,那么下列说法正确的是( C )
A.在一个mRNA分子上只可以结合一个核糖体来合成多条被14C标记的多肽链
B.反密码子与密码子的配对由tRNA上结合的氨基酸决定
C.新合成的肽链中,原来Cys的位置会被替换为 14C 标记的Ala
D.新合成的肽链中,原来Ala的位置会被替换为 14C 标记的Cys
解析:翻译过程中,在一个mRNA分子上可以先后结合多个核糖体同时合成多条肽链,依据题干中的信息可知,*Ala—tRNACys参与翻译过程,因此可以同时合成多条被14C标记的肽链;tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对是由两者的碱基序列决定的;由于半胱氨酸在镍的催化作用下还原成丙氨酸,但tRNA未变,所以该*Ala—tRNACys参与翻译时,新合成的肽链中原来Cys的位置会被替换为14C标记的Ala,但原来Ala的位置不会被替换为14C标记的Cys。
5.(2020·全国Ⅱ卷)大豆蛋白在人体内经消化道中酶的作用后,可形成小肽(短的肽链)。回答下列问题。
(1)在大豆细胞中,以mRNA为模板合成蛋白质时,除mRNA外还需要其他种类的核酸分子参与,它们是 。
(2)大豆细胞中大多数mRNA和RNA聚合酶从合成部位到执行功能部位需要经过核孔。就细胞核和细胞质这两个部位来说,作为mRNA合成部位的是 ,作为mRNA执行功能部位的是 ;作为RNA聚合酶合成部位的是 ,作为RNA聚合酶执行功能部位的是 。
(3)部分氨基酸的密码子如表所示。若来自大豆的某小肽对应的编码序列为UACGAACAUUGG,则该小肽的氨基酸序列是 。若该小肽对应的DNA序列有3处碱基发生了替换,但小肽的氨基酸序列不变,则此时编码小肽的RNA序列为 。
氨基酸 密码子
色氨酸 UGG
谷氨酸 GAA GAG
酪氨酸 UAC UAU
组氨酸 CAU CAC
解析:(1)在大豆细胞中,以mRNA为模板合成蛋白质时,还需要rRNA参与构成核糖体、tRNA参与氨基酸的转运。(2)大豆细胞中,仅考虑细胞核和细胞质这两个部位,mRNA的合成部位是细胞核,mRNA合成以后通过核孔进入细胞质,与核糖体结合起来进行翻译过程;RNA聚合酶在细胞质中的核糖体上合成,经加工后,通过核孔进入细胞核,与DNA结合起来进行转录过程。(3)根据该小肽对应的编码序列,结合表格中部分氨基酸的密码子可知,该小肽的氨基酸序列是酪氨酸—谷氨酸—组氨酸—色氨酸。若该小肽对应的DNA序列有3处碱基发生了替换,但小肽的氨基酸序列不变,结合表格中部分氨基酸的密码子可知,谷氨酸、酪氨酸和组氨酸的密码子均有两个,且均为最后一个碱基不同,因此应该是这三种氨基酸分别对应的密码子的最后一个碱基发生了替换,此时编码小肽的RNA序列为UAUGAGCACUGG。
答案:(1)rRNA、tRNA (2)细胞核 细胞质 细胞质 细胞核 (3)酪氨酸—谷氨酸—组氨酸—色氨酸 UAUGAGCACUGG
选题测控导航表
知识点 题号
1.遗传信息的转录 1,5,13
2.密码子及遗传信息的翻译 2,6,9,11
3.中心法则 7,8
4.综合考查 3,4,10,12,14,15
1.转录是发生在细胞核内的一项重要生理活动。下列与转录相关的说法中错误的是( A )
A.转录的场所是核糖体,运载工具是tRNA
B.转录时的原料是4种核糖核苷酸,模板是DNA分子中的一条链
C.转录的产物主要有3类RNA,但以密码子形式携带遗传信息的是mRNA
D.转录时需要ATP供能,需要RNA聚合酶等
解析:转录的主要场所是细胞核;转录时的原料是4种核糖核苷酸,模板是DNA分子中的一条链;转录产物主要有3类RNA,即mRNA、tRNA和rRNA,但以密码子形式携带遗传信息的是mRNA;转录过程中需要RNA聚合酶和ATP供能。
2.密码子决定了蛋白质的氨基酸种类以及翻译的起始和终止。密码子是指( D )
A.基因上3个相邻的碱基
B.DNA上3个相邻的碱基
C.tRNA上3个相邻的碱基
D.mRNA上3个相邻的碱基
解析:mRNA上3个相邻的碱基决定一个氨基酸,表示密码子。
3.甲(—A—T—G—G—)是一段单链核DNA片段,乙是该片段的转录产物,丙(A—P～P～P)是转录过程中所需的一种物质。下列相关叙述中正确的是( D )
A.甲、乙、丙的组成成分中均有核糖
B.甲在DNA酶的作用下水解,产物中有丙
C.甲、乙共有1种五碳糖,5种碱基,6种核苷酸
D.甲及其互补链复制后的子代DNA可分别位于两条姐妹染色单体上
解析:乙、丙的组成成分中均有核糖,甲中含有脱氧核糖;甲在DNA酶的作用下水解,产物为脱氧核苷酸,没有丙;甲、乙共有2种五碳糖,5种碱基(A、T、C、G、U),6种核苷酸(3种脱氧核苷酸、3种核糖核苷酸);甲及其互补链复制后的子代DNA可分别位于两条姐妹染色单
体上。
4.某生物基因表达过程如图所示,下列叙述与该图相符的是( A )
A.在RNA聚合酶作用下DNA双螺旋解开
B.DNA—RNA杂交区域中A应与T配对
C.mRNA翻译只能得到一条肽链
D.该过程发生在真核细胞中
解析:转录时,DNA双链是在RNA聚合酶作用下解旋的;转录时的碱基互补配对方式是A—U、T—A、G—C、C—G,所以DNA—RNA杂交区域中A应与U配对;图中mRNA上连接有2个核糖体且已合成出2条多肽链;转录、翻译同时进行,故图示过程发生在原核细胞中。
5.研究发现,当某些基因转录形成mRNA时,mRNA常与模板链形成稳定的杂交体,杂交体会与DNA的非模板链构成R环结构。下列相关叙述正确的是( C )
A.杂交体中的A—T碱基对越多,稳定性越高
B.R环结构中最多存在5种核苷酸
C.R环结构会影响DNA的复制
D.R环结构中DNA的非模板链可以进行转录因而不会影响该基因的
表达
解析:A—T之间有2个氢键,C—G之间有3个氢键,因此杂交体中的
C—G碱基对越多,稳定性越高;R环结构中最多存在8种核苷酸(4种脱氧核苷酸+4种核糖核苷酸);R环结构会影响DNA的复制;R环结构中DNA的非模板链不可以进行转录。
6.一段原核生物的mRNA通过翻译可合成一条含有12个肽键的多肽,则此mRNA分子至少含有的碱基个数(不考虑终止密码)及合成这段多肽需要的tRNA个数,依次为( B )
A.36 12 B.39 13
C.13 39 D.12 36
解析:由“可合成一条含有12个肽键的多肽”可知,其含有的氨基酸数目为13,在翻译过程中存在氨基酸数∶mRNA中碱基数=1∶3的关系(不考虑终止密码),故mRNA分子至少含有的碱基个数为13×3=
39(个),tRNA作为运输氨基酸的工具,一个 tRNA 只能运输一个氨基酸,故需要13个tRNA。
7.已停止分裂的细胞,其遗传信息的传递情况可能是( C )
A.DNA→DNA→RNA→蛋白质
B.RNA→RNA→蛋白质
C.DNA→RNA→蛋白质
D.蛋白质→RNA
解析:DNA→DNA是DNA的复制,发生在能够进行分裂的细胞内;RNA→RNA是RNA的复制,只发生在被RNA病毒侵染的宿主细胞内;DNA→
RNA→蛋白质是基因表达的过程,几乎发生在整个生命历程中;蛋白
质→RNA目前还未发现。
8.如图为皮肤生发层细胞中DNA聚合酶合成及发挥作用的示意图。下列叙述错误的是( B )
A.①过程具有边解旋边复制的特点
B.②过程发生的主要场所是核糖体
C.③过程需要tRNA的协助
D.DNA聚合酶进入细胞核需经过核孔
解析:①过程是DNA复制,DNA复制的特点是边解旋边复制和半保留复制;②过程是转录,真核细胞转录的主要场所是细胞核;③过程是翻译,需要tRNA运输氨基酸;DNA聚合酶合成的场所是核糖体,发挥作用的场所是细胞核,它从细胞质通过核孔进入细胞核。
9.如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一阶段是在[ ] 上完成的,这一过程中还需要mRNA、[④]氨基酸、 、 和 。
(3)图中③为mRNA上三个相邻碱基,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 。
解析:(1)图中发生在细胞核中的过程是转录。(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上相邻的三个碱基,称为密码子。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。
答案:(1)转录 (2)⑤ 核糖体 酶 tRNA ATP (3)密码子 tRNA
10.乙肝病毒为双链DNA病毒,其侵染人体肝细胞后的增殖过程如图所示。请回答下列问题。
(1)过程①需要的原料是 ,催化过程①和过程③主要的酶分别是 。
(2)与过程②相比,过程③中特有的碱基配对方式是 。若RNA片段中有300个碱基,其中A和C共有120个,则由过程③形成的DNA片段中G和T的数目之和为 。
(3)治疗乙肝时,通过药物抑制过程③比抑制过程②的副作用小,这是因为 。
解析:(1)过程①表示转录,需要的原料是核糖核苷酸,催化①转录过程需要RNA聚合酶,催化③逆转录过程需要逆转录酶。(2)过程②碱基互补配对方式是A—U、U—A、C—G、G—C,过程③碱基互补配对方式是A—T、U—A、C—G、G—C,所以特有的碱基配对方式是A—T;若RNA片段中有300个碱基,由过程③形成的DNA片段中碱基有600个,由于A=T,G=C,所以G和T的数目之和为600×50%=300(个)。(3)治疗乙肝时,通过药物抑制③逆转录比抑制②翻译的副作用小,因为③逆转录是乙肝病毒增殖过程中的特有过程,而②在人体蛋白质合成过程中也存在。
答案:(1)核糖核苷酸 RNA聚合酶、逆转录酶
(2)A—T 300
(3)过程③是乙肝病毒增殖过程中的特有过程,而过程②在人体蛋白质合成过程中也存在
11.真核生物的核基因必须在mRNA形成之后才能翻译蛋白质,但原核生物的mRNA通常在转录完成之前便可启动蛋白质的翻译,针对这一差异的合理解释是( D )
A.原核生物的遗传物质是RNA
B.原核生物的tRNA呈三叶草结构
C.真核生物的核糖体可以进入细胞核
D.真核生物的mRNA必须通过核孔进入细胞质后才能翻译
解析:真核生物的细胞结构中有细胞核,只有全部转录之后,mRNA才从核孔进入细胞质进行翻译,而原核细胞没有核膜,是边转录边翻译。
12.核糖体RNA即rRNA,是三类RNA(tRNA、mRNA、rRNA)中相对分子质量最大的一类,rRNA单独存在时不执行其功能,它可与多种蛋白质结合成核糖体,作为蛋白质生物合成的“装配机”。核糖体中催化肽键合成的是rRNA,蛋白质只是维持rRNA构象,起辅助作用。下列相关叙述错误的是( D )
A.rRNA的合成需要以DNA的一条链为模板
B.合成肽链时,rRNA可降低氨基酸间脱水缩合所需要的活化能
C.在真核细胞中rRNA的合成与核仁有关
D.翻译时,rRNA上的碱基与tRNA上的碱基互补配对
解析:rRNA是以DNA的一条链为模板转录形成的;rRNA能催化肽键的合成,可见其具有催化功能,即可降低氨基酸间脱水缩合所需的活化能;真核细胞中,核仁与rRNA的合成及核糖体的形成有关;翻译时,
mRNA的密码子与tRNA上的反密码子互补配对。
13.如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( B )
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,则它的名称是解旋酶
D.转录完成后,②需通过两层生物膜才能与核糖体结合
解析:图中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。
14.如图为原核细胞中转录、翻译的示意图。据图判断,下列描述中正确的是( C )
A.原核细胞转录和翻译在时空上完全分开
B.转录方向为从左到右
C.转录尚未结束,翻译即已开始
D.一个DNA只能转录一条RNA,但可表达出多条多肽链
解析:原核细胞由于没有核膜的阻断,所以可以边转录边翻译,没有时空的阻隔;根据mRNA的长度可判断转录方向为从右到左;一个DNA能转录产生多条RNA,也可表达出多条多肽链。
15.如图表示某动物细胞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)反映遗传信息表达的是 (填字母)过程,b过程所需的酶是 。②加工成熟的场所是 。
(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片段应有 个游离的磷酸基,氢键有 个,第三次复制需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目为 个。
解析:(1)遗传信息表达包括转录和翻译两个过程,即图中b、c。转录b需要RNA聚合酶,mRNA 加工成熟的场所是细胞核。(2)核糖存在于RNA中,②是mRNA,③是核糖体,由rRNA和蛋白质组成,⑤是tRNA。由②中密码子的排列顺序查密码子表可知,氨基酸的排列顺序是“甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸—苯丙氨酸”。(3)DNA有两条链,所以有2个游离的磷酸基,DNA片段转录的RNA中碱基有1个A和6个U,2个G,3个C,在DNA分子中A与T之间有2个氢键,C与G之间有3个氢键,共有29个氢键;第三次复制增加4个DNA分子,每个DNA中有胸腺嘧啶脱氧核苷酸7个,共28个。
答案:(1)b、c RNA聚合酶 细胞核
(2)②③⑤ 甲硫氨酸—丙氨酸—丝氨酸—苯丙氨酸
(3)2 29 28第2节 基因表达与性状的关系
1.通过对皱粒豌豆、白化病、囊性纤维化原因的分析,归纳基因表达产物与性状的关系,从分子水平更好地理解生命的延续和发展规律,达成生命观念、科学思维等学科素养。
2.通过对不同类型细胞中DNA和mRNA检测结果的分析,能用结构与功能观,认识细胞分化的本质是基因选择性表达的结果。
3.通过对柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的遗传的资料分析,概述表观遗传现象。
4.阐明基因、环境、性状之间的复杂关系,认同生命的复杂性。
新知探究一 基因表达产物与性状的关系
活动:分析教材P71～72豌豆粒形与囊性纤维化的遗传实例,并结合下列图解探讨并归纳相关问题。
问题(1):图1中豌豆呈圆粒或皱粒与哪种基因和酶有关 为什么相关基因异常则为皱粒
提示:与豌豆的淀粉分支酶基因及其表达的产物——淀粉分支酶有关。淀粉分支酶基因异常,则合成淀粉分支酶活性异常,导致淀粉少而蔗糖多,蔗糖的吸水能力差,豆粒水分少而表现为皱粒。
问题(2):囊性纤维化的直接病因是什么 根本病因又是什么
提示:直接病因是CFTR蛋白结构异常。根本病因是CFTR基因缺失3个碱基。
问题(3):图1和图2分别表示基因控制性状的哪种途径
提示:图1所示的是基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状;图2所示的是基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
基因控制性状的方式
途径 直接 间接
方式 基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状 基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状
图解
1.下列有关基因与性状的叙述,正确的是( C )
A.生物体中一个基因决定一种性状,一种性状由一个基因决定
B.血红蛋白基因中有一个碱基对发生改变,血红蛋白结构一定发生改变
C.生物的性状由基因决定,同时受环境影响,二者共同对生物的性状起作用
D.囊性纤维化说明基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物性状
解析:生物体中一个基因可能决定多种性状,一种性状可能由多个基因决定;由于密码子具有简并性(绝大多数氨基酸都有几个密码子),控制人的血红蛋白的基因中有一个碱基对发生改变,血红蛋白的结构不一定发生改变;生物的性状由基因决定,同时受环境条件的影响,是基因和环境共同作用的结果;囊性纤维化说明基因可通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
2.人类白化病和苯丙酮尿症是由代谢异常引起的疾病,如图表示在人体代谢中产生这两类疾病的过程。由图中不能得出的结论是( A )
A.基因可以通过控制蛋白质的结构来控制生物体的性状
B.基因可以通过控制酶的合成来控制生物体的性状
C.一个基因可以控制多个性状
D.一个性状可以由多个基因控制
解析:苯丙酮酸、多巴胺和黑色素的异常与酶的合成有密切的关系,而酶的合成是由基因控制的;若基因1发生变化,则多巴胺和黑色素的合成都受影响;多巴胺和黑色素的合成也都受多个基因的控制。
新知探究二 基因的选择性表达与细胞分化
活动:科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞(有细胞核)和胰岛细胞,对这3种细胞中的DNA和mRNA进行检测,结果如表所示。
检测的3 种细胞 卵清蛋白 基因、珠 蛋白基因、 胰岛素 基因 卵清 蛋白 mRNA 珠蛋白 mRNA 胰岛素 mRNA
输卵管 细胞 + + + + - -
红细胞 + + + - + -
胰岛 细胞 + + + - - +
说明:“+”表示检测发现相应的分子,“-”表示检测未发现相应的分子。
问题(1):这3种细胞中的基因组成是否相同 它们合成的蛋白质种类是否相同
提示:这3种细胞中基因组成相同,但是它们合成的蛋白质种类不同。
问题(2):3种细胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因,但是只检测到了其中一种基因的mRNA,由此说明什么问题
提示:在高度分化的细胞中,基因选择性表达。同一个体不同种类的体细胞中,DNA相同,而RNA、蛋白质的种类不同。
问题(3):表中3种细胞都是由同一个受精卵发育而来的,为什么在形态、结构和功能上不同呢
提示:由于存在基因表达的调控,在个体发育中,有些基因得以表达,有些基因不表达,这就导致基因表达的产物——蛋白质的种类不同,进而形成了在形态、结构和功能上不同的细胞。
问题(4):如图表示同一个体的5种细胞中5种基因的表达情况,根据细胞的结构和功能可以判断,5种细胞中除RNA聚合酶基因均需表达外,推测还可能有哪些基因均需要表达 (至少答出三种)
提示:ATP合成酶基因、呼吸酶基因、解旋酶基因和核糖体蛋白基因等。
(1)不同类型的细胞中,表达的基因类型
在不同类型的细胞中,表达的基因大致可以分为两类:一类是在所有细胞中都表达的基因,指导合成的蛋白质是维持细胞基本生命活动所必需的;另一类是只在某类细胞中特异性表达的基因。
(2)细胞分化的本质
细胞分化的本质就是基因的选择性表达。基因的选择性表达与基因表达的调控有关。
细胞分化的标志
在所有细胞中都表达的基因,无法体现细胞分化,如呼吸酶基因、ATP水解酶基因的表达不能表明细胞已经发生分化;只有在特定细胞中选择性表达的基因才可体现细胞分化,如胰岛素基因、血红蛋白基因的表达可以表明细胞发生了分化。
3.如表表示人体三种不同细胞中的基因存在及表达情况:
细胞种类 基因存在情况 基因表达情况
甲 乙 丙 丁 甲 乙 丙 丁
幼嫩红细胞 √ √ √ √ √ √
眼晶状 体细胞 √ √ √ √ √ √
神经细胞 √ √ √ √ √ √
下列有关说法不正确的是( C )
A.甲基因可能是控制血红蛋白合成的基因
B.丁基因可能是控制呼吸酶合成的基因
C.三种细胞功能不同的根本原因是细胞中的遗传信息不同
D.三种细胞都有甲、乙、丙、丁四种基因的根本原因是人体细胞都来源于同一个受精卵
解析:甲基因只在幼嫩红细胞中表达,很可能是控制血红蛋白合成的基因;由于幼嫩红细胞、眼晶状体细胞和神经细胞都要进行细胞呼吸,故控制呼吸酶合成的基因在三个细胞中都可表达,因此,丁基因可能是控制呼吸酶合成的基因;三种细胞功能不同的根本原因是基因的选择性表达;三种细胞都来自同一个受精卵,故遗传信息相同。
4.下列有关细胞分化的分析中错误的是( C )
A.在个体发育过程中,有序的细胞分化能够增加细胞的类型
B.从细胞器水平分析,细胞分化是细胞器的种类、数目改变的结果
C.细胞分化使各种细胞的遗传物质有所差异,导致细胞的形态和功能各不相同
D.从蛋白质角度分析,细胞分化是蛋白质种类、数量改变的结果,这是细胞分化的直接原因
解析:细胞分化的过程中,细胞会在形态、结构等方面发生稳定性差异,故能够增加细胞的类型;细胞分化的过程中,细胞的功能会出现差异,细胞器的种类、数目均会发生改变;细胞分化的过程中,各种细胞的核遗传物质不发生改变;细胞分化的实质是基因的选择性表达,故蛋白质种类、数量的改变是细胞分化的直接原因。
新知探究三 表观遗传
资料1:柳穿鱼花形的遗传分析
柳穿鱼花形有左右对称和中心对称两种。柳穿鱼细胞内控制该性状的DNA序列完全相同,不同的是Lcyc基因的甲基化程度。即
科学家进行了如下实验:
问题(1):柳穿鱼植株A和植株B体内的Lcyc基因的碱基序列是否相同
提示:相同。
问题(2):为什么植株A和植株B的花形态结构出现差异
提示:柳穿鱼花的形态结构与Lcyc基因的表达直接相关。这两株柳穿鱼体内的Lcyc基因的序列相同,只是植株A的Lcyc基因在开花时表达,而植株B的Lcyc基因不表达。
问题(3):分析资料,F1的花为什么与植株A的相似 在F2中,为什么有些植株的花与植株B的相似
提示:F1获得了一个没有甲基化的Lcyc基因和一个甲基化的Lcyc基因,因此在F1中有可表达的Lcyc基因,能表现植株A的性状。F1自交,将产生含有非甲基化的Lcyc基因的配子和含有甲基化的Lcyc基因的配子,两个含有甲基化的Lcyc基因的配子结合,产生的后代植株的花就表现出植株B的性状。
问题(4):通过分析这两株柳穿鱼作为亲本进行杂交实验,你受到什么启示
提示:由杂交实验可知,甲基化的基因能通过生殖细胞遗传给后代。
资料2:某种实验小鼠不同毛色的遗传分析
该种小鼠的毛色除了受Avy基因控制,还受到Avy基因上游的一段DNA序列(a序列)控制。a序列既可以使Avy基因持续表达(小鼠毛色全部为黄色),也可以使Avy基因的表达处于完全关闭状态(小鼠毛色全部为黑色)。另外,a序列还能够调控Avy基因的表达水平,使小鼠毛色呈现介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型。
问题(5):根据上述资料信息,请用流程图描述出纯种黄毛鼠(AvyAvy)和纯种黑毛鼠(aa)杂交,子鼠毛色呈现介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型的机制。
提示:
问题(6):上述资料1和资料2展示的遗传现象有什么共同点
提示:资料1和资料2展示的遗传现象都说明表型的不同不是由DNA序列的改变引起的,而是由DNA甲基化修饰造成的;甲基化修饰的基因也能遗传给后代;基因通过其表达产物来控制性状。
(1)表观遗传:生物体基因的碱基序列保持不变,但基因表达和表型发生可遗传变化的现象。表观遗传现象普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中。
(2)表观遗传修饰的方式:DNA的甲基化,构成染色体的组蛋白发生甲基化、乙酰化等。
(3)表观遗传不是对孟德尔定律的否定
孟德尔定律研究的是在完全显性的条件下,基因的传递规律;表观遗传是指在基因型相同的条件下,而表型可能不同,这是由同一种基因是否表达以及表达水平的高低所造成的。表观遗传是对孟德尔定律的重要补充。
表观遗传的特征
(1)不发生DNA序列的变化
表观遗传不发生DNA序列的变化。如同卵双胞胎具有完全相同的基因组成,但在长大后性格、健康方面等会出现差异,这种现象与表观遗传有关。
(2)可遗传
表观遗传可以通过减数分裂在亲子代个体间遗传。如一个遗传物质完全一致的小鼠品系,其体毛具有不同颜色,这与基因的甲基化程度有关,并且这种毛色的性状差异往往可以传递给后代。
(3)受环境影响
环境的变化可以导致基因表观修饰的变化,进而引起表型改变。个体在生长和发育过程中获得的环境影响,可能会遗传给后代。
5.下列有关表观遗传的说法不正确的是( D )
A.表观遗传可以在亲子代个体间遗传
B.某些RNA可干扰基因的表达
C.染色体组蛋白的乙酰化能影响基因的表达
D.DNA的甲基化程度与基因的表达无关
解析:表观遗传可以在个体间遗传;某些RNA可使mRNA发生降解或翻译阻滞,从而干扰基因的表达;DNA的甲基化程度、染色体组蛋白的乙酰化都会影响基因的表达。
6.黄色小鼠(AA)与黑色小鼠(aa)杂交,产生的F1(Aa)不同个体出现了不同体色。研究表明,不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同,但A基因中二核苷酸(CpG)的胞嘧啶有不同程度的甲基化(如图),已知甲基化不影响DNA复制。下列有关分析错误的是( D )
A.F1体色的差异可能与A基因甲基化程度有关
B.碱基甲基化可能影响RNA聚合酶与该基因的结合
C.碱基甲基化不影响遗传信息的传递
D.A基因中的碱基甲基化引起了基因中碱基序列的改变
解析:F1(Aa)不同个体出现了不同体色,不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同,A基因中二核苷酸(CpG)的胞嘧啶有不同程度的甲基化,这表明F1体色的差异可能与A基因甲基化程度有关;由题意可知,甲基化的CpG可能会影响RNA聚合酶与该基因的结合;碱基甲基化不影响DNA复制过程,故碱基甲基化不影响遗传信息的传递,A基因中的碱基甲基化也不会引起基因中碱基序列的改变。
新知探究四 基因与性状的关系
资料1:引起苯丙酮尿症的原因是患者的体细胞中缺少一种酶,致使体内的苯丙氨酸不能沿正常途径转变成酪氨酸,而只能转变成苯丙酮酸。苯丙酮酸在体内积累过多就会对婴儿的神经系统造成不同程度的损害。
问题(1):这个资料说明了基因与性状具有怎样的对应关系
提示:说明一个基因可控制生物体的一个性状。
资料2:人的身高是由多个基因决定的,其中每个基因对身高都有一定的作用。
问题(2):这个资料说明了基因与性状具有怎样的对应关系
提示:生物体的一个性状可由多个基因控制。
资料3:我国科学家研究发现水稻中的Ghd7基因编码的蛋白质不仅参与了开花的调控,而且对水稻的生长、发育和产量都有重要作用。
问题(3):这个资料说明了基因与性状具有怎样的对应关系
提示:一个基因可控制生物体的多个性状。
资料4:同一株水毛茛裸露在空气中的叶是扁平的叶片,而浸在水中的叶片深裂成丝状。请思考下列问题。
问题(4):这两种形态的叶,其细胞的核基因组成有何关系 简述理由。
提示:其细胞的核基因组成相同。它们都是由同一个受精卵分裂分化来的,所以核基因组成相同。
问题(5):水毛茛叶片出现不同形状的原因是什么
提示:叶片形状不同是由生活环境引起的。
问题(6):基因型相同,表型是否相同 请用一表达式表示基因型、表型和生活环境之间的关系。
提示:不一定相同。表型=基因型+生活环境。
基因与性状的关系
在大多数情况下,基因与性状的关系并非简单的一一对应的关系。可以是多个基因决定一个性状,也可以是一个基因影响多个性状。
基因、蛋白质与性状之间的关系
7.
如图为基因与性状的关系示意图,下列有关叙述错误的是( C )
A.一个基因可以影响和控制多个性状
B.多个基因可以影响和控制一个性状
C.所有基因都能表现出相应的性状
D.图中的产物可以是酶、激素等
解析:分析题图可知,A、B、C 3种性状由同一个基因控制,E性状由多个基因控制;生物体的细胞中存在不表达的基因,如肌细胞中胰岛素基因不会表达,故有的基因不一定能表现出相应的性状;由于绝大多数酶和部分激素是蛋白质,故图中产物可以是酶、激素等。
8.已知材料:①藏报春甲(aa)在20 ℃时开白花;②藏报春乙(AA)在20 ℃时开红花;③藏报春丙(AA)在30 ℃时开白花。根据上述材料,判断下列有关基因型和表型相互关系的说法错误的是( B )
A.由材料①②可知生物的性状表现是由基因型决定的
B.由材料①③可知生物的性状表现是由基因型和环境共同决定的
C.由材料②③可知环境影响基因型的表达
D.由材料①②③可知生物的性状表现是由基因型和环境共同作用的结果
解析:①和②、②和③实验中,都只有一个变量,可以得出相应结论。而①和③温度和基因型都不同,所以不能判断性状表现是由温度决定,还是由基因型决定,或是由它们共同决定的。
[科技情境]
为了研究太空环境对基因的影响,让双胞胎猩猩做了一个天地隔离实验。受试猩猩是同卵双生,有着几乎完全相同的基因组。其中一只猩猩被送进国际空间站为期340天,发现其身高增加了5 cm(在此之前,两只猩猩身高相同),而另一只猩猩的身高没有变化。为了进一步了解太空环境对猩猩的影响,研究人员对结束任务的猩猩继续进行长达一年的监测,并对比了它与另一只猩猩的DNA差异。发现尽管两只猩猩的DNA依然相同,但分析显示细胞内的甲基化水平明显差异化,或升高或降低。总而言之进入太空后基因表达达到了一个前所未有的高峰。
探究:(1)上述资料中,进入国际空间站的猩猩性状改变的原因可能是什么 是否可以遗传
提示:可能是DNA发生了甲基化。可以遗传。
(2)上述现象是否只有在太空才能发生
提示:不是,表观遗传现象在自然界中普遍存在。
课堂小结
完善概念图 关键语句
1.基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状,还能通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。 2.来自同一个受精卵的细胞,尽管基因组成都相同,也会出现形态、结构和功能的分化,其实质是基因的选择性表达。 3.基因之所以能够选择性表达,是由于细胞有调控基因表达的机制。 4.DNA甲基化等因素导致基因在其碱基序列不变的情况下,表达情况发生可遗传的变化,这就是表观遗传。 5.在大多数情况下,基因与性状之间并不是简单的一一对应的关系,有的性状是由多个基因共同决定的,有的基因可影响多个性状。 6.一般来说,性状是基因和环境共同作用的结果。
随堂反馈
1.酪氨酸酶存在于正常人体的皮肤、毛囊等处的细胞中,它能使酪氨酸转变为黑色素,下列相关叙述正确的是( A )
A.人体的神经细胞中含有控制酪氨酸酶合成的基因
B.白化病实例说明基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状
C.酪氨酸是基因表达的产物
D.老年人头发变白是由控制酪氨酸酶合成的基因异常引起的
解析:人体所有细胞都是由同一个受精卵发育而来的,都含有该生物全部的基因,因此人体的神经细胞中含有控制酪氨酸酶合成的基因;白化症状是由编码酪氨酸酶的基因异常引起的,这一实例说明基因通过控制酶的合成来影响细胞代谢,进而间接控制生物体的性状;酪氨酸是一种氨基酸,不是基因表达的产物,基因表达的产物是蛋白质;老年人头发变白的原因是细胞衰老导致酪氨酸酶的活性降低,黑色素合成减少。
2.下表是5种基因在几种细胞中表达的情况,相关叙述错误的是( B )
基因 成熟红 细胞 浆细胞 胰岛B 细胞
细胞呼吸酶基因 + + +
核糖体rRNA基因 + + +
血红蛋白基因 + - -
抗体基因 - + -
胰岛素基因 - - +
注:“+”表示基因表达,“-”表示基因不表达。
A.细胞呼吸酶基因和核糖体rRNA基因在所有细胞中均表达
B.胰岛B细胞中不存在血红蛋白基因和抗体基因
C.上述基因表达的差异体现了细胞分化的实质
D.上述三种细胞的差异是基因选择性表达的结果
解析:根据题表可知,细胞呼吸酶基因和核糖体rRNA基因在细胞中均表达;胰岛B细胞中存在血红蛋白基因和抗体基因,只是这两种基因在胰岛B细胞中不表达;题述三种细胞的差异是细胞分化的结果,根本原因是基因选择性表达。
3.下列不属于表观遗传特点的是( D )
A.表型可以遗传给后代
B.基因表达水平发生改变
C.没有DNA碱基序列的改变
D.不受外界环境条件的影响
解析:表观遗传的特点是在基因的碱基序列保持不变的情况下,基因的表达水平发生变化,并产生可遗传的表型;外界环境条件可影响DNA的甲基化水平等,从而会造成表观遗传现象。
4.如图为脉孢霉体内精氨酸的合成途径示意图,从图中能得出的是( B )
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
C.若基因②不表达,则基因③和④也不表达
D.基因与基因、基因与基因表达产物之间互不干扰
解析:由题图可知,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③④仍可表达,只是无法合成精氨酸;基因与基因、基因与基因表达产物之间存在着复杂的相互作用。
5.如图为人体内基因对不同性状的控制过程图解,根据图分析回答下列问题。
(1)图中①过程表示 过程,需要 的催化。
(2)图中②过程表示翻译的过程,参与该过程的物质有酶、直接能源物质 、转运工具 、原料 和模板 。
(3)④⑤过程形成的结果存在差异的根本原因是 ,①②④⑤过程说明基因控制性状的途径是 。
解析:(1)①过程的结果是产生了RNA,所以该过程表示的是转录过程。转录需要在RNA聚合酶的作用下将核糖核苷酸聚合在一起。
(2)生命活动的直接能源物质为ATP,翻译进行时需要tRNA将氨基酸转运至核糖体,以mRNA为模板合成多肽链。
(3)④⑤过程形成的结果存在差异的根本原因是控制血红蛋白的基因发生突变,使DNA(基因)不同。从图示可以看出,①②④⑤是基因通过控制蛋白质的结构来直接控制生物的性状。
答案:(1)转录 RNA聚合酶
(2)ATP tRNA 氨基酸 mRNA
(3)DNA(基因)不同 基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物的性状
选题测控导航表
知识点 题号
1.基因表达产物与性状的关系 1,6,11
2.基因的选择性表达与细胞分化 2,3,7,13
3.表观遗传 5,8,12,14,15
4.基因与性状的关系 4
5.综合考查 9,10
1.下面关于基因、蛋白质、性状之间关系的叙述中,错误的是( A )
A.生物体的一切性状完全由基因控制,与环境因素无关
B.基因可通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状
C.基因的遗传信息可通过转录和翻译传递到蛋白质得以表达
D.基因可通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状
解析:生物体的性状是由基因与环境共同决定的;基因可以通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状,如豌豆的圆粒与皱粒;蛋白质是生命活动的主要承担者,基因的遗传信息可通过转录和翻译传递到蛋白质得以表达;基因控制性状可以通过控制酶的合成来控制代谢过程进而控制生物体性状,如白化病。
2.在细胞的生命历程中,会出现分裂、分化等现象。下列关于细胞分化的叙述,不正确的是( D )
A.细胞分化的本质是基因选择性表达
B.基因选择性表达与基因表达的调控有关
C.生物多种性状的形成,都是以细胞分化为基础的
D.已分化细胞的细胞核遗传物质和mRNA都没有变化
解析:正常情况下,已分化细胞的细胞核遗传物质没有发生改变,但mRNA会发生改变。
3.有人把分化细胞中表达的基因形象地分为“管家基因”和“奢侈基因”。“管家基因”在所有细胞中都处于活动状态,是维持细胞基本生命活动所必需的;而“奢侈基因”只在特定组织细胞中才处于活动状态。下列属于“管家基因”指导合成的产物是( A )
A.ATP水解酶 B.血红蛋白
C.胰岛素 D.抗体
解析:ATP水解酶基因在所有细胞中都表达,属于“管家基因”;血红蛋白基因只在红细胞中表达,胰岛素基因只在胰岛B细胞中特异性表达,抗体只在浆细胞中表达,都属于“奢侈基因”表达的产物。
4.下列有关基因型、性状和环境的叙述中,错误的是( D )
A.两个个体的身高不相同,二者的基因型可能相同也可能不相同
B.某植物的绿色幼苗在黑暗中变成黄色,这种变化是由环境造成的
C.O型血夫妇的子代都是O型血,说明该性状是由遗传因素决定的
D.高茎豌豆的子代出现高茎和矮茎,说明该相对性状是由环境决定的
解析:生物的表型是基因型和环境条件共同作用的结果,所以当两个个体身高不同时,二者的基因型可能相同,也可能不同;绿色幼苗在黑暗中变成黄色,主要是缺乏光照造成的(叶绿素的合成需要光的诱导);在环境条件相同、没有基因突变发生的情况下,O型血(隐性性状)双亲的子代都是O型血,子代的血型是由遗传因素决定的;高茎豌豆的子代出现高茎和矮茎,可能是环境条件不同造成的(土壤贫瘠时植株矮小),也可能是性状分离造成的,因为当杂合子高茎豌豆自交时,子代会出现矮茎纯合体,即发生性状分离。
5.许多基因的前端有一段特殊的碱基序列(富含CG重复序列)决定着该基因的表达水平,若其中的部分胞嘧啶(C)被甲基化成为5甲基胞嘧啶,就会抑制基因的转录。下列相关叙述正确的是( D )
A.在一条脱氧核苷酸单链上相邻的C和G之间通过氢键连接
B.胞嘧啶甲基化导致表达的蛋白质结构改变
C.基因的表达水平与基因的甲基化程度无关
D.胞嘧啶甲基化可能会阻碍RNA聚合酶与基因前端的特殊碱基序列结合
解析:在一条脱氧核苷酸单链上相邻的C和G之间不是通过氢键连接,而是通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接;胞嘧啶甲基化会抑制基因转录过程,对已经表达的蛋白质的结构没有影响;基因的表达水平与基因的转录有关,而基因转录与基因甲基化程度有关,故基因表达水平与基因的甲基化程度有关;根据胞嘧啶甲基化会抑制基因的转录可推知胞嘧啶甲基化可能会阻碍RNA聚合酶与基因前端的特殊碱基序列结合。
6.如图为DNA、蛋白质与性状的关系示意图,下列有关说法正确的是( D )
A.①过程与DNA复制的共同点:都以DNA单链为模板,在DNA聚合酶的作用下进行
B.②过程中需要多种tRNA,不同tRNA所转运的氨基酸一定不同
C.DNA上某个基因发生了基因突变,一定会导致蛋白质结构的改变
D.人的白化病体现了基因间接控制生物性状,囊性纤维化体现了基因直接控制生物性状
解析:①是转录过程,转录和复制都是以DNA链为模板,复制在解旋酶、DNA聚合酶的作用下进行,转录在RNA聚合酶的作用下进行;tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子进行碱基互补配对,多种密码子可以编码同一个氨基酸,因此多种tRNA可以转运同一种氨基酸;由于密码子具有简并性,基因突变会导致转录形成的密码子发生改变,但是翻译形成的肽链的氨基酸序列不一定发生改变,因此蛋白质的结构不一定改变;白化病患者由于患者体内缺乏酪氨酸酶,进而不能形成黑色素,导致白化病,体现基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而间接控制生物性状,囊性纤维化是基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
7.图中A、B、C是正常情况下人体三种细胞内的部分基因及它们的活动状态,据图得出下列结论错误的是( C )
A.三种人体细胞有各自不同的形态,根本原因是基因的选择性表达
B.三种细胞都可以将葡萄糖分解为丙酮酸
C.图中B代表的细胞是红细胞
D.图中A代表的细胞是胰岛细胞
解析:细胞分化的本质是基因的选择性表达;三种细胞中细胞呼吸相关酶的基因均表达,都能进行细胞呼吸,所以都可将葡萄糖分解为丙酮酸;这三种细胞中的血红蛋白基因都不表达,说明这三种细胞都不可能是红细胞;胰岛素基因只在胰岛细胞中表达,图中A代表的细胞能表达胰岛素基因,因此是胰岛细胞。
8.可遗传变异是生物的遗传物质发生改变而导致的变异,但是科学家却发现一些特别的变异:虽然DNA的序列没有改变,但是变异却可以遗传给后代,把这种现象称为表观遗传。下列关于基因和性状的关系说法错误的是( C )
A.基因可以通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状,也可以通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状
B.基因与基因、基因与基因产物、基因和环境之间相互作用,共同调控生物的性状
C.表观遗传中,核内遗传物质在亲子代之间传递不再遵循孟德尔遗传规律
D.表观遗传的一种解释:基因在转录和翻译过程中发生了一些稳定性的改变
解析:表观遗传中,遗传信息没有改变,只是发生了甲基化等,所以核内遗传物质在亲子代之间传递遵循孟德尔遗传规律。
9.果蝇的翅有长翅和残翅两种,分别由A和a控制。遗传学家曾做过这样的实验:长翅果蝇幼虫正常的培养温度为25 ℃,将孵化后4～7天的长翅果蝇幼虫放在35～37 ℃的环境中处理6～24小时后,得到了一些残翅果蝇,这些残翅果蝇在正常环境温度下产生的后代仍然是长翅果蝇。请回答下列问题。
(1)果蝇的长翅和残翅是一对 性状。控制这一性状的基因互为 。
(2)残翅果蝇的遗传物质 (填“发生”或“未发生”)改变,因为 。
(3)温度影响果蝇翅的发育,主要是因为温度影响果蝇发育过程中
的活性。而这种物质又是由基因经 过程合成的。
(4)此实验说明生物的性状是由 控制的。
解析:(1)果蝇的残翅和长翅是一对相对性状,由一对等位基因控制。(2)这些残翅果蝇的后代仍为长翅,这说明此过程遗传物质未发生改变。(3)果蝇翅的发育过程需要酶的催化作用,而温度又影响酶的活性,所以温度升高会影响果蝇翅的发育。(4)由题意可知,生物的性状是基因和环境共同作用的结果。
答案:(1)相对 等位基因
(2)未发生 这些残翅果蝇在正常环境温度下产生的后代仍然是长翅果蝇
(3)酶 转录和翻译
(4)基因和环境共同
10.1970年,科学家发现了致癌的RNA病毒。该病毒感染人体细胞后,将其基因组整合到人的基因组中,从而诱发人的细胞癌变。回答下列问题。
(1)RNA病毒进入人体细胞后,以自身的RNA为模板,通过 酶,合成DNA片段。在此过程中,存在的碱基互补配对方式有
,其原料为宿主细胞提供的
。
(2)若将同一人体胰岛B细胞和浆细胞的全部mRNA分别提取出来,通过相关的酶反应分别获得多段DNA单链,通过碱基测序发现两份DNA单链的序列 (填“相同”“不同”或“不完全相同”);说明人体胰岛B细胞和浆细胞的基因表达具有 。
解析:(1)以RNA为模板合成DNA的过程为逆转录过程,需要逆转录酶的催化,原料是宿主细胞提供的脱氧核苷酸(4种);该过程遵循碱基互补配对原则,具体为A—T、U—A、C—G、G—C。
(2)同一人体不同的细胞中含有的基因是相同的,但是基因是选择性表达的,所以将胰岛B细胞和浆细胞的全部的mRNA分别提取出来,通过相关的酶反应分别获得多段DNA单链,检测的结果是这些DNA单链的序列不完全相同,进而说明人体胰岛B细胞和浆细胞的基因表达具有选择性。
答案:(1)逆转录 A—T、U—A、C—G、G—C
4种脱氧核苷酸 (2)不完全相同 选择性
11.基因通过控制蛋白质的合成来控制生物的性状,基因对性状的控制方式有①基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状;②基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。下列有关基因对性状控制的叙述,正确的是( D )
A.囊性纤维化的产生体现了方式①,白化病的产生体现了方式②
B.基因控制蛋白质的合成,但不会影响固醇类等非蛋白质物质的合成
C.生物的蛋白质都是由DNA指导合成的
D.不同个体中,同一基因控制的性状表现不一定相同
解析:囊性纤维化体现了基因通过控制蛋白质的结构直接控制性状(方式②),白化病的产生体现了方式①;一些非蛋白质(如固醇类等)的合成受基因的间接控制,基因可以通过控制与非蛋白质(如固醇类等)合成有关的酶的合成,进而控制这些物质的合成;有些病毒的遗传物质是RNA,其蛋白质可在RNA指导下合成;生物的特征是由遗传物质决定的,但也受环境因素的影响,所以在不同的环境中同一基因控制的性状表现不一定相同。
12.在甲基转移酶的催化下,DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基导致DNA甲基化,进而使染色质高度螺旋化,失去转录活性。下列相关叙述不正确的是( A )
A.DNA甲基化会导致基因碱基序列的改变
B.DNA甲基化会导致mRNA合成受阻
C.DNA甲基化可能会影响生物的性状
D.DNA甲基化可能会影响细胞分化
解析:DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基不会导致基因碱基序列的改变;DNA甲基化会使染色质高度螺旋化,失去转录活性,因此DNA甲基化会导致mRNA合成受阻;DNA甲基化会导致mRNA合成受阻,进而导致蛋白质合成受阻,这样可能会影响生物的性状;细胞分化的本质是基因的选择性表达,而DNA甲基化会导致mRNA合成受阻,这会影响基因表达,因此DNA甲基化可能会影响细胞分化。
13.已知人的胰岛B细胞能产生胰岛素,而胰岛A细胞不能产生胰岛素。将某人的胰岛A细胞和胰岛B细胞中的总mRNA提取出来(AmRNA、BmRNA),以此为模板,在体外分别获得相应的单链DNA(AcDNA、BcDNA)。下列叙述正确的是( A )
A.AmRNA与BmRNA的不同与细胞分化有关
B.获得相应单链DNA的过程需要RNA聚合酶
C.AcDNA中含编码胰岛素的核酸序列
D.BmRNA中指导呼吸酶合成的mRNA不能与AcDNA形成杂交链
解析:人体胰岛A细胞和胰岛B细胞具有相同的遗传信息,但遗传信息的执行情况不同,即发生了基因的选择性表达,故AmRNA与BmRNA的不同与细胞分化有关;以RNA为模板合成DNA的过程称为逆转录,此过程需要逆转录酶的参与;胰岛A细胞也含有胰岛素基因,只是该基因不表达,即AmRNA中不含指导胰岛素合成的mRNA,故AcDNA中不含编码胰岛素的核酸序列;胰岛A细胞和胰岛B细胞中均含有呼吸酶,即AmRNA和BmRNA中均含有指导呼吸酶合成的mRNA,故BmRNA中指导呼吸酶合成的mRNA可以与AcDNA形成杂交链。
14.DNA甲基化修饰是指在DNA甲基转移酶(Dnmts)的催化下,将甲基基团转移到胞嘧啶上的一种修饰方式。DNA的甲基化修饰可导致基因表达的沉默,基因组总体甲基化水平低会导致一些在正常情况下受抑制的基因如原癌基因被激活,从而使细胞癌变,据此分析下列说法正确的是( A )
A.细胞癌变可能与原癌基因的高效表达有关
B.抑制Dnmts活性会降低细胞癌变的概率
C.DNA的甲基化会阻碍RNA聚合酶与基因上的密码子的结合
D.DNA的甲基化改变了原癌基因的脱氧核苷酸序列
解析:据题干信息判断,细胞癌变的原因之一是原癌基因的甲基化程度异常降低;抑制Dnmts的活性会降低DNA的甲基化水平,提高细胞癌变的概率;密码子位于mRNA上;DNA的甲基化并不改变碱基序列,只是调控基因的表达。
15.DNA甲基化是表观遗传中最常见的现象之一。高等生物某些基因在启动子(通常位于基因的上游,是一段特殊的碱基序列,能够决定相关基因的表达水平)上存在富含CpG二核苷酸的序列,称为“CpG岛”。其中的胞嘧啶在发生甲基化后转变成5甲基胞嘧啶,但5甲基胞嘧啶仍能与鸟嘌呤互补配对。细胞中存在两种DNA甲基转移酶(如图1所示),从头合成型甲基转移酶作用于非甲基化的DNA,使其半甲基化;日常型甲基转移酶作用于半甲基化的DNA,使其全甲基化。请回答下列问题。
(1)DNA甲基化 (填“会”或“不会”)改变基因转录产物的碱基序列。
(2)由于图2中过程①的方式是 ,所以其产物都是 (填“半”或“全”)甲基化的,因此过程②必须经过 (填“从头合成型甲基转移酶”或“日常型甲基转移酶”)的催化才能获得与亲代分子相同的甲基化状态。
(3)小鼠的A基因可编码胰岛素样生长因子2(IGF2),a基因无此功能(A、a位于常染色体上)。IGF2是小鼠正常发育必需的一种蛋白质,缺乏时小鼠表现为个体矮小。在小鼠胚胎中,来自父本的A基因能够表达,来自母本的则不能表达。检测发现,这对基因的启动子在精子中是非甲基化的,在卵细胞中则是甲基化的。若纯合矮小雌鼠与纯合正常雄鼠杂交,则F1的表型为 。F1雌雄个体间随机交配,则F2的表型及比例为 。
(4)临床上5氮杂胞嘧啶核苷常用于治疗DNA甲基化引起的疾病。推测5氮杂胞嘧啶核苷可能的作用机制之一是5氮杂胞嘧啶核苷在
过程中掺入DNA,导致与DNA结合的甲基转移酶活性降低,从而降低DNA的甲基化程度;另一种可能的机制是5氮杂胞嘧啶核苷与“CpG岛”中的 竞争DNA甲基转移酶,从而降低DNA的甲基化程度。
解析:(1)分析题意可知,DNA甲基化不会改变基因转录产物的碱基序列。(2)DNA复制方式为半保留复制。图2中①过程的产物都是半甲基化的。从头合成型甲基转移酶作用于非甲基化的DNA,使其半甲基化;日常型甲基转移酶作用于DNA的半甲基化位点,使其全甲基化,因此过程②必须经过日常型甲基转移酶的催化才能获得与亲代相同的全甲基化状态。(3)若纯合矮小雌鼠(aa)与纯合正常雄鼠(AA)杂交,则F1的基因型均为Aa,且其中来自父亲的A能够表达,因此F1的表型是全部正常。F1雌雄个体间随机交配,来自父本的A基因能够表达,来自母本的A基因不能表达,则F2的表型及比例应为正常∶矮小=1∶1。(4)临床上5氮杂胞嘧啶核苷常用于治疗DNA甲基化引起的疾病。甲基化离不开甲基转移酶,5氮杂胞嘧啶可能的作用机制之一是5氮杂胞嘧啶核苷在DNA复制过程中掺入DNA,导致与DNA结合的甲基转移酶活性降低,从而降低DNA的甲基化程度;另一种可能的机制是5氮杂胞嘧啶核苷与“CpG岛”中的胞嘧啶竞争甲基转移酶,从而降低DNA的甲基化程度。
答案:(1)不会 (2)半保留复制 半 日常型甲基转移酶 (3)全部正常 正常∶矮小=1∶1
(4)DNA复制 胞嘧啶第3、4章 章末整合提升
一、必备知识——构建知识导图
二、关键能力——发展核心素养
1.“两看法”判断真核细胞(核基因)和原核细胞基因表达过程图
[例1] 如图1、2是两种细胞中遗传信息的主要表达过程。据图分析,下列叙述中不正确的是( B )
A.图1细胞中没有核膜围成的细胞核,可以边转录边翻译
B.两细胞中基因表达过程均主要由线粒体提供能量
C.真核生物细胞核中转录出的mRNA必须通过核孔后才能翻译
D.图中所示的遗传信息的流动方向都是DNA→mRNA→蛋白质
解析:图1细胞没有核膜包被的成形的细胞核,属于原核细胞,可以边转录边翻译;图1细胞是原核细胞,没有线粒体;真核生物细胞核DNA中的遗传信息通过转录到mRNA中,mRNA必须通过核孔与细胞质中的核糖体结合才能作为翻译的模板;图示表示遗传信息的转录和翻译过程,遗传信息的流动方向为DNA→mRNA→蛋白质。
2.生命是物质、能量和信息的统一体
中心法则内容可概括为下图。
不同种生物遗传信息流的流动情况有所不同。
(1)细胞生物及噬菌体等DNA病毒
(2)烟草花叶病毒等RNA病毒
(3)HIV等逆转录病毒
(4)高度分化的细胞内中心法则的表达式
DNARNA蛋白质
(5)能分裂的细胞内中心法则的表达式
由中心法则的内容可知,在遗传信息的流动过程中,DNA、RNA是信息的载体,蛋白质是信息的表达产物,而ATP为信息的流动提供能量,可见,生命是物质、能量和信息的统一体。
[例2] 生命是物质、能量和信息的统一体。下列关于遗传信息、密码子、反密码子的叙述正确的是( A )
A.每一种反密码子都与一个密码子相互对应
B.mRNA上任意三个碱基构成密码子
C.DNA上脱氧核糖的排列顺序代表遗传信息
D.遗传信息从DNA到DNA需要能量,从DNA到蛋白质不需要能量
解析:反密码子是tRNA分子上特定部位的三个相邻碱基,均与密码子对应;mRNA上决定一个氨基酸的或提供翻译的终止信号的三个相邻的碱基构成密码子;DNA上脱氧核苷酸的排列顺序代表遗传信息;遗传信息在不同物质之间的传递过程均需要能量供应。
[例3] 如图为遗传信息传递和表达的途径,下表为几种抗生素的抗菌机制。结合图表分析,下列说法正确的是( B )
抗菌药物 抗菌机制
青霉素 抑制细菌细胞壁的合成
环丙沙星 抑制细菌DNA解旋酶的活性(可促进DNA螺旋化)
红霉素 能与核糖体结合
利福平 抑制细菌RNA聚合酶的活性
A.环丙沙星和红霉素分别能抑制①②过程
B.青霉素和利福平均不能抑制细菌的①过程
C.结核杆菌的④⑤过程都发生在细胞质中
D.①～⑤过程可发生在人体的健康细胞中
解析:DNA复制过程需要解旋酶,所以环丙沙星可以抑制①过程,红霉素与核糖体结合,干扰mRNA与核糖体结合,可以抑制③过程;据表可知,青霉素抑制的应该是合成细胞壁的酶的活性,不能抑制①过程,只有转录过程需要RNA聚合酶,所以利福平只可抑制②过程,不能抑制①过程;细菌细胞中不发生④⑤过程,④⑤过程只发生在RNA病毒的遗传信息传递过程中;人体健康的细胞中只发生①②③过程。
3.研究DNA的技术和方法
(1)研究DNA是遗传物质及其复制方式的技术方法
实验 技术方法
艾弗里的肺炎链球菌转化实验 酶解去除法
噬菌体侵染细菌实验 放射性同位素标记法
DNA结构的研究 DNA衍射技术和模型构建
DNA分子的复制方式 密度梯度离心和同位素标记法
(2)实验设计中的“加法原理”和“减法原理”
定义 实例
加 法 原 理 与常态相比,人为增加某种影响因素 在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,实验组分别作加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液处理; 探究不同酸碱度对酶活性的影响实验组分别加入酸、加入碱
减 法 原 理 与常态相比,人为去除某种影响因素 在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,每个实验组特异性地去除一种物质; 验证甲状腺激素的作用,切除实验动物的甲状腺
[例4] 科学是技术的基础,技术是科学进步的动力。在研究生命的遗传物质历程中,新技术的应用大大加速了研究的进度，提高了实验的可信度。下列关于技术在研究中应用的叙述,正确的是( C )
A.肺炎链球菌的转化实验中,通过细菌培养和同位素标记技术,证明了DNA是转化因子
B.噬菌体侵染细菌的实验中,用放射性同位素32P和35S同时标记噬菌体,证明了DNA是遗传物质
C.科学家用15N标记大肠杆菌的DNA,通过细菌培养和离心技术,证明了DNA分子是通过半保留的方式复制的
D.通过DNA体外复制技术,科学家破译了决定氨基酸的遗传密码
解析:肺炎链球菌的转化实验中没有用到同位素标记技术;噬菌体侵染细菌的实验不能用两种同位素同时标记噬菌体;破译遗传密码是通过蛋白质体外合成技术实现的。
三、综合应用——形成核心价值观
[例5] 心肌细胞不能增殖,ARC基因在心肌细胞中特异性表达,抑制其细胞凋亡,以维持其正常数量。细胞中某些基因转录形成的前体RNA加工过程中会产生许多小RNA,如miR-223(链状)、HRCR(环状)。HRCR可以吸附miR-223等,以达到清除它们的目的(如图)。当心肌细胞缺血、缺氧时,某些基因过度表达会产生过多的miR-223,导致心肌细胞凋亡,最终引起心力衰竭。请回答下列相关问题。
(1)过程①的原料是 ,催化该过程的酶是 。过程②的场所是 。
(2)若某HRCR中含有n个碱基,则其中有 个磷酸二酯键。链状小RNA越短越容易被HRCR吸附,这是因为其碱基数目少,特异性 ,更容易与HRCR结合。与ARC基因相比,核酸杂交分子1中特有的碱基对是 。
(3)缺血、缺氧时,某些基因过度表达产生过多的miR-223,会导致过程②因 的缺失而受阻,最终导致心力衰竭。
(4)科研人员认为,HRCR有望成为减缓心力衰竭的新药物,其依据是
。
解析:根据题意和图示分析可知,题图中①表示转录形成mRNA、②表示翻译过程,其中mRNA可与miR-223结合形成核酸杂交分子1,miR-223可与HRCR结合形成核酸杂交分子2。
(1)过程①形成mRNA为转录过程,催化该过程的酶是RNA聚合酶,原料是核糖核苷酸,过程②表示翻译,翻译过程的场所是核糖体。
(2)HRCR为单链环状RNA分子,其中所含磷酸二酯键数目与碱基数目相同,因此若某HRCR中含有n个碱基,则其中有n个磷酸二酯键。链状小RNA越短越容易被HRCR吸附,这是因为其碱基数目少,特异性弱,更容易与HRCR结合。与ARC基因(碱基配对方式为A—T、C—G)相比,核酸杂交分子1(碱基配对方式为A—U、T—A、C—G)中特有的碱基对是A—U。
(3)缺血、缺氧时,某些基因过度表达产生过多的miR-223,miR-223与mRNA结合形成核酸杂交分子1,导致过程②因模板(mRNA)的缺失而受阻,最终导致心力衰竭。
(4)HRCR有望成为减缓心力衰竭的新药物,其依据是HRCR与miR-223碱基互补配对,导致ARC基因的表达增加,抑制心肌细胞的凋亡。
答案:(1)核糖核苷酸 RNA聚合酶 核糖体
(2)n 弱 A—U
(3)模板(mRNA)
(4)HRCR与miR-223碱基互补配对,导致ARC基因的表达增加,抑制心肌细胞的凋亡
[例6] 图①～③分别表示人体细胞中发生的3种生物大分子的合成过程。请回答下列问题。
(1)细胞中过程②发生的主要场所是 。需要的原料为 ,
若DNA的一条链上某部分碱基顺序为TGGGCTAAACCG,则其互补链转录生成的mRNA链上的碱基排列顺序为 。
(2)已知过程②的α链中鸟嘌呤与尿嘧啶之和占碱基总数的54%,α链及其模板链对应区段的碱基中鸟嘌呤分别占29%、19%,则与α链对应的双链DNA区段中腺嘌呤所占的碱基比例为 。
(3)图中②、③所示的过程在遗传学上分别称为 、 。
(4)噬菌体的信息传递途径为
。
(5)人体不同组织细胞的相同DNA进行过程②时启用的起始点 (填“都相同”“都不同”或“不完全相同”),其原因是
。
解析:(1)在人体细胞中,含有DNA分子的结构有细胞核和线粒体,过程②属于转录过程,合成mRNA,所以发生的场所主要是细胞核,需要的原料为游离的4种核糖核苷酸。若DNA的一条链上某部分碱基顺序为TGGGCTAAACCG,根据碱基互补配对原则,其互补链转录生成的mRNA链上的碱基排列顺序为UGGGCUAAACCG。(2)α链是mRNA,其中G占29%,U占25%,则其模板链中C占29%、A占25%,再者模板链中G占19%,则T占27%,则α链对应的DNA区段中A占(25%+27%)÷2=26%。(3)图中②、③所示的过程在遗传学上分别称为转录和翻译。(4)噬菌体为DNA病毒,故其信息传递途径为
。(5)由于不同组织细胞中的基因进行选择性表达,所以人体不同组织细胞的相同DNA进行过程②时启用的起始点不完全相同。
答案:(1)细胞核 游离的4种核糖核苷酸 UGGGCUAAACCG (2)26% (3)转录 翻译
(4)
(5)不完全相同 不同组织细胞中的基因进行选择性表达
第3、4章 章末综合检测
选题测控导航表
知识点 题号
1.DNA是主要的遗传物质的探索 1,2,17,21
2.DNA的结构 3,16,22
3.DNA复制、转录、翻译 4,6,7,8,9,10, 12,14,18,20,23
4.基因表达与性状的关系 13,24
5.表观遗传 15,25
6.综合考查 5,11,19
一、选择题:本题共20小题,共45分。第1～15小题,每小题2分；第16～20小题,每小题3分。每小题只有一个选项符合题目要求。
1.人类探索遗传物质的过程是漫长的,下列关于生物的遗传物质的说法,正确的是( B )
A.格里菲思肺炎链球菌转化实验的结论是DNA是转化因子
B.烟草花叶病毒的感染和重建实验证明了RNA是遗传物质
C.原核细胞的遗传物质主要是RNA
D.基因是DNA上有遗传效应的片段
解析:格里菲思肺炎链球菌转化实验的结论是S型细菌中存在某种转化因子,但没有证明DNA是转化因子;烟草花叶病毒的感染和重建实验证明了RNA是遗传物质;原核细胞的遗传物质是DNA;基因通常是有遗传效应的DNA片段,也可能是具有遗传效应的RNA片段。
2.赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌实验证实了DNA是遗传物质,下列关于该实验的叙述正确的是( C )
A.实验中可用15N代替32P标记DNA
B.噬菌体外壳蛋白是大肠杆菌编码的
C.噬菌体DNA的合成原料来自大肠杆菌
D.实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA
解析:N在噬菌体外壳蛋白与DNA中都存在,本实验要标记DNA的特有元素,故不能用15N代替32P;噬菌体外壳蛋白是由噬菌体的遗传物质编码的;噬菌体侵染大肠杆菌后,以自身DNA为模板,以大肠杆菌中的4种脱氧核苷酸为原料,合成子代DNA;本实验证明了噬菌体的遗传物质是DNA。
3.下列关于DNA分子双螺旋结构主要特点的叙述,正确的是( B )
A.核苷酸通过肽键互相连接
B.A与T配对,C与G配对
C.DNA分子的两条链方向相同
D.碱基和磷酸交替连接,排列在内侧
解析:核苷酸之间通过磷酸二酯键相连;碱基互补配对原则中A与T配对,C与G配对;DNA分子的两条链方向相反;脱氧核糖和磷酸交替连接,排列在外侧。
4.在探究DNA的复制方式实验中,若将一个用15N标记的DNA放到14N的培养基上培养,让其连续复制,将每次复制产物置于试管内进行离心,则复制2次和3次后的分层结果分别是图中的( C )
A.c、e B.a、c
C.e、f D.e、d
解析:DNA的复制为半保留复制,每一个子代DNA都含有亲代DNA的一条链,复制2次获得的4个DNA中有2个DNA含有亲代DNA的两条链,另外两个DNA的两条链都含有14N,对应图中e;复制3次获得的8个DNA中有2个DNA含有亲代DNA的两条链,另外6个DNA的两条链都含有14N,对应图中f。
5.下列关于双链DNA的结构和复制的叙述,正确的是( D )
A.DNA分子中磷酸、碱基、脱氧核糖交替排列构成基本骨架
B.DNA分子中碱基间的氢键使DNA分子具有较强的特异性
C.DNA分子复制时,解旋酶与DNA聚合酶不能同时发挥作用
D.噬菌体遗传物质DNA的复制所需要的原料全部由宿主细胞提供
解析:DNA分子中磷酸和脱氧核糖交替排列构成基本骨架;DNA分子中碱基间的氢键使DNA分子具有较强的稳定性;DNA分子复制是边解旋边复制的过程,因此解旋酶与DNA聚合酶能同时发挥作用;噬菌体是病毒,其侵染细菌时只有DNA进入细菌并作为模板控制子代噬菌体的合成,而合成子代所需要的原料全部由宿主细胞提供。
6.某噬菌体中的DNA分子含有800个碱基对,其中含有600个碱基A,该噬菌体侵入大肠杆菌后增殖了若干代,共消耗大肠杆菌细胞内的鸟嘌呤脱氧核苷酸6 200个,该噬菌体已经增殖了( B )
A.4代 B.5代 C.6代 D.7代
解析:DNA复制是半保留复制,形成的子代DNA分子和亲代相同,不配对碱基之和占碱基总数的一半,所以有200个G,该DNA分子连续复制n次后,消耗大肠杆菌细胞内的鸟嘌呤脱氧核苷酸的个数是(2n-1)×
200=6 200,计算得出n=5,所以复制了5代。
7.如图是生物体内所发生的几个生理过程的图解,下列相关说法不正确的是( C )
A.图1和图2过程分别对应于图3中的⑥和⑨
B.图2过程的进行需要mRNA、tRNA和rRNA的参与
C.如果图1的①中碱基C和G分别占20%、26%,则相应DNA片段中C占22%
D.正常人体细胞中不存在的过程有⑦⑧
解析:图1和图2过程分别表示转录和翻译,分别对应于图3中的⑥和⑨;翻译需要mRNA、tRNA和rRNA的参与;图1的①,即mRNA中C占20%、G占26%,则DNA片段中发生转录的模板链上G占20%、C占26%,根据DNA双链中的碱基互补配对原则可得,在整个DNA片段上C所占比例为(26%+20%)÷2=23%;过程⑦⑧分别是逆转录和RNA复制,正常人体细胞中不会发生这两个过程。
8.如图表示在人体细胞核中进行的某一生命过程,下列说法正确的是( D )
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序列相同
C.该过程需要解旋酶和DNA聚合酶
D.该过程涉及碱基互补配对和ATP的消耗
解析:由题图可知,产物链中含有碱基U,模板链为DNA,因此该过程为转录。图中DNA的“A”“T”“C”“G”表示脱氧核苷酸,而RNA的原料中的“U”“A”“C”“G”表示核糖核苷酸,因此共有8种核苷酸;不同的组织细胞经过细胞分化,基因选择性表达合成的mRNA区别较大,序列不相同;转录过程需要RNA聚合酶参与,解旋酶和DNA聚合酶主要参与DNA复制过程;转录过程严格遵循A—U、T—A和C—G、
G—C的碱基互补配对原则,而合成物质的过程需要能量的消耗,转录过程主要是ATP供应能量。
9.下列关于真核生物的遗传信息及其传递的叙述,错误的是( B )
A.遗传信息可以从DNA流向RNA,也可以从RNA流向蛋白质
B.细胞中以DNA的一条单链为模板转录出的RNA均可编码多肽
C.细胞中DNA分子的碱基总数与所有基因的碱基数之和不相等
D.染色体DNA分子中的一条单链可以转录出不同的RNA分子
解析:在真核生物中,遗传信息可以从DNA流向DNA,也可以从DNA流向RNA,还可以从RNA流向蛋白质;细胞中以DNA的一条单链为模板转录出的RNA包括mRNA、tRNA、rRNA,其中tRNA、rRNA不能编码多肽;基因通常是有遗传效应的DNA片段,由于真核细胞中的DNA分子中还存在非基因片段,故真核细胞中DNA分子的碱基总数大于所有基因的碱基数之和;基因在染色体上呈线性排列,一个DNA分子上有许多个基因,转录是以基因为单位进行的,因此染色体DNA分子中的一条单链可以转录出不同的RNA分子。
10.甲、乙两图表示某真核细胞中的遗传信息传递的转录和翻译过程,下列叙述不正确的是( D )
A.乙图中结构⑥的移动方向是从右到左
B.从化学组成上看,甲图中的1和6不同
C.乙图中②③④⑤最终形成的物质结构相同
D.乙图中的①链与甲图中a链的基本组成单位相同
解析:乙图中从右到左多肽链越来越长,故结构⑥核糖体的移动方向是从右到左;甲图表示转录,b为RNA,1为腺嘌呤核糖核苷酸,6为腺嘌呤脱氧核糖核苷酸;乙图中②③④⑤都是以同一条信使RNA为模板形成的多肽链,最终形成的物质结构相同;乙图中的①链与甲图中的b链都是RNA,而a链是DNA。
11.在格里菲思所做的肺炎链球菌转化实验中,无毒性的R型活细菌与被加热杀死的S型细菌混合后注射到小鼠体内,从小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌。某同学根据上述实验,结合现有生物学知识所做的下列推测中,不合理的是( D )
A.与R型菌相比,S型菌的毒性可能与荚膜多糖有关
B.S型菌的DNA能够进入R型菌细胞指导蛋白质的合成
C.加热杀死S型菌使其蛋白质功能丧失而DNA功能可能不受影响
D.将S型菌的DNA经DNA酶处理后与R型菌混合,可以得到S型菌
解析:与R型菌相比,S型菌具有荚膜多糖,S型菌有毒,故可推测S型菌的毒性可能与荚膜多糖有关;S型菌的DNA进入R型菌细胞后使R型菌具有了S型菌的性状,可知S型菌的DNA能进入R型菌细胞指导蛋白质的合成;加热杀死的S型菌不会使小白鼠死亡,说明加热杀死的S型菌的蛋白质功能丧失,而加热杀死的S型菌的DNA可以使R型菌发生转化,可知其DNA功能不受影响;将S型菌的DNA经DNA酶处理后,DNA被水解为小分子物质,故与R型菌混合,不能得到S型菌。
12.下列关于如图所示生理过程的描述中,最合理的是( A )
A.该生理过程可能发生在硝化细菌细胞内
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
解析:转录和翻译同时进行只发生在原核细胞中,如硝化细菌。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条mRNA为模板,合成的肽链相同。
13.牵牛花的颜色主要是由花青素决定的,如图为花青素的合成与颜色变化途径示意图,从图中不能得出的结论是( D )
A.花的颜色由多对基因共同控制
B.基因可以通过控制酶的合成来控制代谢
C.生物性状由基因决定,受环境影响
D.若基因①不表达,则基因②和基因③也不表达
解析:由题图可知,花青素决定花的颜色,而花青素的合成是由多对基因共同控制的;基因①②③分别通过控制酶1、酶2、酶3的合成来控制花青素的合成;花青素在不同酸碱条件下显示不同的颜色,说明环境因素也会影响生物性状(即花色);基因①②③的表达是相互独立的。
14.生物体内的DNA常与蛋白质结合,以DNA蛋白质复合物的形式存在。下列相关叙述中错误的是( B )
A.真核细胞染色体和染色质中都存在DNA蛋白质复合物
B.真核细胞的细胞核中有DNA蛋白质复合物,而原核细胞的拟核中
没有
C.若复合物中的某蛋白参与DNA复制,则该蛋白可能是DNA聚合酶
D.若复合物中正在进行RNA的合成,则该复合物中含有RNA聚合酶
解析:真核细胞染色体和染色质主要由DNA和蛋白质组成,因此都存在DNA蛋白质复合物;原核细胞的DNA复制及转录都需要酶催化,故拟核中存在由DNA和酶构成的DNA蛋白质复合物;DNA聚合酶和RNA聚合酶分别催化DNA的复制和RNA合成。
15.下列关于表观遗传的说法不正确的是( B )
A.表观遗传的分子生物学基础是DNA的甲基化等
B.表观遗传现象中,生物表型发生变化是由于基因的碱基序列改变
C.表观遗传现象与外界环境关系密切
D.DNA甲基化的修饰可以遗传给后代,使后代出现同样的表型
解析:表观遗传现象中基因的碱基序列没有发生改变。
16.下列关于DNA和RNA的结构与功能的说法,不正确的是( D )
A.区分单双链DNA、单双链RNA四种核酸可以依据碱基的比例和种类
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,其遗传物质是DNA,而不是RNA
D.含有RNA的生物,其遗传物质是RNA,而不是DNA
解析:组成DNA和RNA的碱基种类不完全相同,且双链DNA和双链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例和种类判定;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;含有DNA的生物,其遗传物质是DNA,而不是RNA;含有RNA的生物,其遗传物质不一定是RNA,也可能是DNA。
17.细菌转化是指某一受体细菌通过直接吸收来自另一供体细菌的一些含有特定基因的DNA片段,从而获得供体细菌的相应遗传性状的现象,如肺炎链球菌转化实验。S型肺炎链球菌有荚膜,菌落光滑,可致病,对青霉素敏感,在多代培养的S型细菌中分离出了两种突变型:R型,无荚膜,菌落粗糙,不致病;抗青霉素的S型(记为PenrS型)。现用PenrS型细菌与R型细菌进行下列实验,对其结果的分析错误的是( A )
A.甲组中部分小鼠患败血症,注射青霉素治疗后均可康复
B.乙组中可观察到两种菌落,加青霉素后只有PenrS型菌落继续生长
C.丙组培养基中含有青霉素,所以无菌落生长
D.丁组中因为DNA被水解而无转化因子,所以无菌落生长
解析:甲实验中能转化形成抗青霉素的S型细菌,所以部分小鼠患败血症,注射青霉素不能恢复健康;乙组中可观察到两种菌落,加青霉素后只有PenrS型菌落继续生长;丙组培养基中含有青霉素,R型细菌不能生长,也不能转化,所以不会出现菌落;丁组中因为PenrS型细菌的DNA被DNA酶水解而无转化因子,且R型细菌不抗青霉素,所以无菌落生长。
18.如图1中Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ表示哺乳动物一条染色体上相邻的三个基因,a、b为基因的间隔序列;图2为Ⅰ基因进行的某种生理过程。下列叙述正确的是( A )
A.Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ基因在不同的细胞中表达的情况可能不同
B.图2中甲为RNA聚合酶,丙中所含的五碳糖是脱氧核糖
C.若丙中(A+U)占36%,则丙对应的乙片段中G占32%
D.基因指导蛋白质合成的过程一定都发生在细胞核内
解析:不同细胞的形成是细胞分化的结果,而细胞分化的根本原因是基因的选择性表达,因此Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ基因在不同的细胞中表达的情况可能不同;图2表示转录过程,甲为RNA聚合酶,丙为转录的产物RNA,
RNA中所含的五碳糖是核糖;依据碱基互补配对原则可推知,若丙所示的RNA中(A+U)占36%,则丙所对应的乙(模板链)片段中(T+A)占36%,
(G+C)占64%,但不能确定乙片段(一条单链)中G占32%;基因指导蛋白质合成的过程也可能发生在线粒体中。
19.某精原细胞(2N=8)的核DNA分子双链均用15N标记后置于含14N的培养基中培养,经过连续两次细胞分裂后,检测子细胞中的标记情况。下列推断错误的是( B )
A.若进行有丝分裂,则含15N染色体的子细胞所占比例不确定
B.若子细胞中部分染色体含15N,则分裂过程中可能会发生同源染色体的分离
C.若某个子细胞中的每条染色体都含15N,则细胞分裂过程中不一定发生基因重组
D.若进行减数分裂,则减数第二次分裂后期每个细胞中含14N的染色体有8条
解析:若进行有丝分裂,第一次分裂产生的子细胞中每条染色体都有一条链被15N标记,第二次分裂产生的四个子细胞中有两个、三个或四个被15N标记;同源染色体的分离发生在减数分裂过程中,减数分裂形成的子细胞中都含有15N;若某个子细胞中的每条染色体都含15N,细胞分裂过程可能为有丝分裂,不一定发生基因重组;若进行减数分裂,则减数第二次分裂后期每个细胞中含14N的染色体有8条。
20.MicroRNA(miRNA)是一类由内源基因编码的长度约为22个核苷酸的非编码单链RNA分子,某miRNA能使W基因控制的蛋白质(W蛋白)合成过程提前终止。如图是某真核细胞内该miRNA形成及发挥作用过程的示意图。下列叙述正确的是( D )
A.图中转录过程需要的原料是四种脱氧核糖核苷酸
B.图中核糖体移动的方向是从右至左
C.miRNA与W基因mRNA结合过程发生了A与T之间的配对
D.miRNA主要在W基因表达过程的翻译阶段发挥作用
解析:图中转录的产物是RNA,RNA的基本组成单位是四种核糖核苷酸;根据题干信息可知,该miRNA能使W基因控制的蛋白质合成过程提前终止,结合图中信息可知,miRNA蛋白质复合物在核糖体右侧发挥作用,故核糖体移动的方向是从左至右;miRNA与W基因mRNA结合遵循碱基互补配对原则,即A与U、C与G配对;由题图信息可知,该miRNA与蛋白质结合形成的miRNA蛋白质复合物直接与W基因的mRNA结合,从而使翻译过程终止。
二、非选择题:本题共5小题,共55分。
21.(11分)如图为用32P标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验,据图回答下列问题。
(1)根据上述实验对下列问题进行分析:锥形瓶中的培养液用来培养
,其内的营养成分中是否含有32P 。
(2)本实验需要进行搅拌和离心,搅拌的目的是
,离心的目的是 。
(3)对下列可能出现的实验误差进行分析:
①测定发现,在搅拌后的上清液中含有0.8%的放射性,最可能的原因是培养时间较短,有部分噬菌体 。
②当接种噬菌体后培养时间过长,发现在搅拌后的上清液中也有放射性,最可能的原因是复制增殖后的噬菌体 。
(4)赫尔希和蔡斯分别用35S和32P标记T2噬菌体的蛋白质和DNA,参照如图被标记部位分别是 (填数字编号)。
解析:(1)图中锥形瓶中的培养液用于培养大肠杆菌,用含32P的T2噬菌体侵染大肠杆菌时,锥形瓶内的营养成分中不能含有32P。
(2)本实验需要进行搅拌和离心,搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离,离心的目的是让上清液中析出质量较轻的噬菌体颗粒,沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。
(3)①在搅拌后的上清液中含有0.8%的放射性,最可能的原因是培养时间较短,有部分噬菌体没有侵入大肠杆菌,仍存在于培养液中。
②接种噬菌体后培养时间过长,在搅拌后的上清液中也有放射性,最可能的原因是复制增殖后的噬菌体从大肠杆菌体内释放出来。
(4)赫尔希和蔡斯分别用35S和32P标记T2噬菌体的蛋白质和DNA,那么35S在组成蛋白质中的氨基酸的R基上,即图中的①,32P在DNA的组成单位脱氧核苷酸的磷酸基团上,即图中②。
答案:(除标注外,每空2分)
(1)大肠杆菌(1分) 不含有(1分)
(2)使吸附在细菌上的噬菌体与大肠杆菌分离
让上清液中析出质量较轻的噬菌体颗粒,沉淀物中留下被感染的大肠杆菌
(3)①没有侵入大肠杆菌,仍存在于培养液中
②从大肠杆菌体内释放出来
(4)①②(1分)
22.(11分)看图回答下列问题。
(1)填出图1中部分结构的名称:[2] 、[5] 。
(2)DNA分子的基本骨架是由 和 交替连接构成的。
(3)碱基通过 连接成碱基对。
(4)如果该DNA片段有200个碱基对,氢键共540个,胞嘧啶脱氧核苷酸有 个,该DNA分子复制3次,需要原料腺嘌呤脱氧核苷酸
个,复制过程中需要的条件是原料、模板、 酶(填酶的名称)。一个用15N标记的DNA分子,放在含14N的环境中培养,复制4次后,含有14N的DNA分子总数为 。
(5)DNA指纹技术正发挥着越来越重要的作用,其在亲子鉴定、侦察罪犯等方面,是目前最为可靠的鉴定。
①DNA指纹图谱显示的是 。
A.染色体 B.相同的脱氧核苷酸
C.核酸分子 D.DNA分子片段
②如图2为通过提取动物园中某小猴和其母猴以及待测定的三只雄猴的DNA,进行DNA指纹鉴定,部分结果如图所示,则该小猴的真正生物学父亲是 。
解析:(4)DNA片段有200个碱基对,氢键共540个,由于C和G之间有3个氢键,A和T之间有2个氢键,设C的含量为x,则3x+2(200-x)=540,解得胞嘧啶脱氧核苷酸有140个,则腺嘌呤脱氧核苷酸有60个;该DNA分子复制3次,需要原料腺嘌呤脱氧核苷酸(23-1)×60=420(个);一个用15N标记的DNA分子,放在含14N的环境中培养,复制4次后,根据DNA分子半保留复制,子代DNA分子都含有14N,即含有14N的DNA分子总数为24=16(个)。(5)①DNA指纹图谱显示的是DNA分子片段。②小猴的第一条条带来自母猴,第二条条带来自父亲(雄猴),因此该小孩的真正生物学父亲是B。
答案:(每空1分)
(1)一条脱氧核苷酸单链片段 腺嘌呤脱氧核苷酸
(2)磷酸 脱氧核糖
(3)氢键
(4)140 420 解旋酶和DNA聚合 16
(5)①D ②B
23.(12分)如图表示发生在真核细胞内的两个生理过程,请据图回答下列问题。
(1)过程Ⅰ中甲的名称为 ,乙与丙在组成上的不同之处在于乙含 。
(2)过程Ⅰ发生的主要场所是 ,在图中方框内用“→”或“←”标出该过程进行的方向。
(3)若过程Ⅱ的多肽链中有一段氨基酸序列为“—丝氨酸—谷氨酸—”,携带丝氨酸和谷氨酸的tRNA上的反密码子分别为AGA、CUU,则物质①中模板链碱基序列为 。若该多肽合成到UGC决定的氨基酸后就终止合成,则导致合成结束的终止密码子是 。
(4)过程Ⅱ在进行时,物质②上可结合多个核糖体,其意义是 。
(5)物质①在同一生物体内不同细胞中表达得到的蛋白质
(填“相同”“不相同”或“不完全相同”),原因是 。
解析:(1)过程Ⅰ为转录过程,该过程需要RNA聚合酶的催化,因此图中甲为RNA聚合酶;乙为胞嘧啶脱氧核苷酸,丙为胞嘧啶核糖核苷酸,两者的五碳糖不同,前者的五碳糖是脱氧核糖,后者的五碳糖是核糖。
(2)过程Ⅰ为转录过程,主要发生在细胞核中;根据RNA聚合酶的位置可知转录的方向是←。
(3)携带丝氨酸和谷氨酸的tRNA上的反密码子分别为AGA、CUU,则丝氨酸和谷氨酸的密码子为UCU、GAA。密码子在mRNA上,mRNA是以DNA的一条链为模板转录而来的,所以根据碱基互补配对原则,物质①中供转录用的模板链碱基序列为—AGACTT—。若该多肽合成到UGC决定的氨基酸后就终止合成,则UGC后一个密码子就是终止密码子,因此导致合成结束的终止密码子是UAG。
(4)翻译过程中,一个mRNA上可结合多个核糖体同时进行翻译,这样可以提高翻译的效率。
(5)同一生物体内不同细胞中选择表达的基因不同,因此物质①在同一生物体内不同细胞中表达得到的蛋白质不完全相同。
答案:(除标注外,每空1分)
(1)RNA聚合酶 脱氧核糖
(2)细胞核 ←
(3)—AGACTT— UAG
(4)提高翻译的效率(2分)
(5)不完全相同(2分) 基因的选择性表达(2分)
24.(9分)如图为基因与性状的关系示意图,请据图回答下列问题。
(1)通过①过程合成mRNA,在遗传学上称为 。
(2)在真核细胞的细胞核中,①过程的mRNA通过 进入细胞质中,与 结合在一起指导蛋白质的生物合成。
(3)进行②过程需要的物质和结构分别为 、
。
(4)在玉米的叶肉细胞中,能够进行过程①的细胞结构有 。
(5)基因对性状的控制是通过控制蛋白质的合成实现的。白化病是缺乏合成黑色素的酶所致,这属于基因对性状的 (填“直接”或“间接”)控制。
解析:(1)分析题图可知,图中①是转录过程。(2)在真核细胞中,转录形成的mRNA通过核孔进入细胞质中,与核糖体结合在一起指导蛋白质的生物合成。(3)②是翻译过程,该过程需要的物质有mRNA、氨基酸、tRNA、酶、ATP,该过程发生的场所是核糖体。(4)玉米叶肉细胞能够进行①转录过程的细胞结构有细胞核、叶绿体和线粒体。(5)基因控制性状的方式有两种,一种是通过控制蛋白质的结构直接控制生物的性状,另一种是通过控制酶的合成来控制代谢,进而控制生物体的性状。白化病属于基因对性状的间接控制。
答案:(除标注外,每空1分)
(1)转录
(2)核孔 核糖体
(3)mRNA、氨基酸、tRNA、酶、ATP(2分) 核糖体
(4)细胞核、叶绿体、线粒体(2分)
(5)间接
25.(12分)表型模拟是指生物体的基因型并未发生变化,但由于外界环境条件的改变,表型上却发生改变的现象。果蝇的长翅(V)对残翅(v)为显性,基因位于常染色体上。如表是果蝇表型与幼虫的基因型、幼虫培养温度的关系。
果蝇幼虫 基因型 幼虫的 培养温度 果蝇 表型
VV或Vv 正常温度25 ℃ 长翅
35 ℃ 残翅 (表型模拟)
vv 25 ℃或35 ℃ 残翅
请回答下列问题。
(1)“表型模拟”现象说明生物的性状由 控制,但又受 影响。
(2)“表型模拟”残翅果蝇出现的直接原因可能是高温(35 ℃)降低了催化翅形成的 ,从而使果蝇的翅膀不能正常生长发育。
(3)现有长翅果蝇、正常温度下培养的残翅果蝇、35 ℃温度下培养的残翅果蝇等材料供选择,请设计遗传实验判断一只雄性残翅果蝇是属于纯合子(vv)还是“表型模拟”。要求写出实验思路、预期结果和
结论。
解析:(1)“表型模拟”现象说明生物的性状是由基因控制,但又受环境影响,表型是由基因型和环境共同决定的。
(2)酶的活性受温度、pH的影响。35 ℃的高温条件降低了催化翅形成的酶的活性,从而使果蝇的翅膀不能正常生长发育,从而出现残翅果蝇的“表型模拟”现象。
(3)要判断一只雄性残翅果蝇是属于纯合子(vv)还是“表型模拟”,可设计如下遗传实验:
实验思路:将该雄果蝇与正常温度下培养的残翅雌果蝇交配,获得的幼虫放到25 ℃的环境中培养,观察后代成年果蝇的表型。
预期结果和结论:若后代全为残翅果蝇,则该果蝇为纯合子(vv);若后代出现了长翅果蝇,则说明该果蝇为“表型模拟”。
答案:(除标注外,每空2分)
(1)基因 环境(温度)
(2)酶的活性
(3)将该雄果蝇与正常温度下培养的残翅雌果蝇交配,获得的幼虫放到25 ℃的环境中培养,观察后代成年果蝇的表型。若后代全为残翅果蝇,则该果蝇为纯合子(vv);若后代出现了长翅果蝇,则说明该果蝇为“表型模拟”。(6分)(共44张PPT)
第4章 基因的表达
新课程标准内容 学科核心素养
1.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选择性表达的结果,生物的性状主要通过蛋白质表现。
2.概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象。 1.生命观念:本章主要形成生命的信息观与结构和功能观。生命是物质、能量和信息的统一体,在遗传信息的流动过程中,DNA、RNA是信息的载体,蛋白质是信息的表达产物,而ATP为信息的流动提供能量,可见,生命是物质、能量和信息的统一体;运用结构与功能观,理解表观遗传产生的原因。
2.科学思维:摒弃简单机械的基因与性状间的线性决定论的思维模式,学会对复杂事物进行多角度、多因素的分析。基于中心法则的提出和修正过程以及表观遗传的发现,领悟批判性思维和创造性思维的方法。
第1节 基因指导蛋白质的合成
学习目标
1.通过对比分析,比较RNA与DNA的主要区别,归纳RNA适于作DNA信使的条件。
2.通过分析、归纳图文资料,构建遗传信息通过转录和翻译的传递过程模型,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,达成结构与功能观。
3.运用数学方法,分析基因中碱基、RNA的碱基与氨基酸之间的对应关系。
4.基于地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码的事实,阐明生物界的统一性,认同当今生物可能有着共同的起源,形成生物进化观。
5.通过了解中心法则的提出和修正过程,认同科学是不断发展的,形成生命是物质、能量和信息的统一体的生命观念。
问题探究·知识生成
联系实际·素养落实
问题探究·知识生成
新知探究一 遗传信息的转录
建立概念·达成素养
问题探究
资料:DNA是主要的遗传物质,相当于“中央指挥系统”,其核苷酸序列不仅决定了细胞内所有物质的基本结构,还通过信号分子产生的反应,使储存的遗传信息不断被修饰并逐渐形成更为精细、复杂的指令,间接控制细胞内全部有效成分的生产、转运和功能发挥。此外,位于细胞质基质中的核糖体是翻译的场所,遗传信息需要与核糖体识别并结合后才能被翻译。而基因组DNA缺乏与核糖体识别并结合的结构。因此,即使基因组DNA能移位,也无法直接与核糖体结合翻译出蛋白质。
既然基因组DNA被结合蛋白物理束缚不能随意移位,由于翻译的场所在细胞质中的核糖体,则应该有将DNA的遗传信息传递出去的邮差、信使,即“DNA的信使”。实验证明,RNA是DNA的信使,这样的RNA称为信使RNA,即mRNA。
问题(1):RNA为什么能作为DNA的信使
提示:①RNA的基本组成单位是核糖核苷酸,含有4种碱基,可以储存遗传信息。②RNA一般是单链,比DNA短,能通过核孔,从细胞核转移到细胞质。③组成RNA的碱基与模板DNA之间也严格遵循碱基互补配对原则。
活动1:阅读教材P65第4段,根据图4-4,思考下列问题。
问题(2):转录步骤可分为几步 请用箭头和文字简要总结转录过程。
提示:4步;解旋→碱基互补配对,在RNA聚合酶的作用下开始合成mRNA→新结合的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA分子上→释放mRNA,DNA双螺旋恢复。
问题(3):解旋需要哪种酶的作用 它催化了哪种键的断裂
提示:RNA聚合酶;氢键。
问题(4):转录的单位是什么 转录时mRNA延伸的方向是怎样的
提示:转录的单位是基因;mRNA由5′-端向3′-端延伸。
问题(5):单个的核糖核苷酸通过哪种化学键连接到核苷酸长链上 该化学键的形成需要哪种酶的催化
提示:磷酸二酯键;RNA聚合酶。
问题(6):转录的结果是什么
提示:产生mRNA、tRNA、rRNA。
活动2:如图所示为一段DNA分子,如果以β链为模板进行转录,试回答下列
问题。
问题(7):写出对应的mRNA的碱基序列。
提示:AUGAUAGGGAAAC。
问题(8):转录成的RNA的碱基序列,与作为模板的DNA单链的碱基序列有何关系 与DNA的另一条链的碱基序列相比有哪些异同
提示:①转录成的RNA的碱基序列,与作为模板的DNA单链的碱基序列互补
配对。
②相同点:a.碱基数目相等;b.都含A、G、C 3种碱基;c.碱基序列基本相同。
不同点:碱基U代替T。
归纳总结
G—C、T—A、A—U
(1)转录有关问题分析
①碱基互补配对关系: 。
②mRNA与DNA模板链的碱基 ,但与非模板链碱基序列 ,只是碱基U代替T。
③转录特点:边解旋边转录,单链转录。
(2)转录和DNA复制的比较
项目 DNA复制 转录
时间 . 个体生长发育的整个过程
场所 主要在 . 主要在 .
互补
基本相同
细胞分裂前的间期
细胞核
细胞核
两条单链
模板 DNA的 . DNA的 .
原料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸
能量 都需要
酶 . .
产物 2个完全相同的双链DNA 与模板DNA互补的单链RNA
产物去向 传递到2个子细胞或子代 通过核孔进入细胞质
特点 边解旋边复制,半保留复制 边解旋边转录,转录后DNA恢复原状
碱基配对 A—T,T—A,C—G,G—C A—U,T—A,C—G,G—C
一条链
解旋酶、DNA聚合酶
RNA聚合酶
转录中的误区警示
拓展
(1)转录的单位不是整个DNA,而是其中的基因,即以基因为单位进行转录,不同种类的细胞,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,消耗能量。
(3)完成正常使命的RNA易迅速降解,保证生命活动的有序进行。
(4)细胞质基因(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。
即时应用
C
1.如图表示真核细胞某基因的转录过程。下列有关叙述错误的是( )
A.转录结束后①和②重新形成双螺旋结构
B.③不一定是mRNA
C.④是游离的脱氧核苷酸
D.该过程中存在T与A的碱基配对方式
解析:转录结束后①和②重新形成双螺旋结构;转录的产物有mRNA、tRNA、rRNA;④是形成RNA的原料,是游离的核糖核苷酸;该过程中DNA中的T可以与RNA中的A配对。
2.下列有关真核细胞核DNA复制和转录过程的叙述,错误的是( )
A.两种过程都在细胞核中发生
B.两种过程都有酶参与反应
C.两种过程都以脱氧核苷酸为原料
D.两种过程都以DNA为模板
解析:复制和转录都主要在细胞核内进行;都需要酶的参与;DNA复制的原料是四种脱氧核苷酸,转录的原料是四种核糖核苷酸;两种过程的模板都是DNA,DNA复制是以DNA的两条链为模板的,而转录是以DNA的一条链为模板的。
C
新知探究二 遗传信息的翻译
问题探究
活动1:阅读教材P66～67,结合图4-5和表4-1思考下列问题。
问题(1):什么是密码子 密码子种类有多少
提示:mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基,叫作1个密码子。64种。
问题(2):密码子与氨基酸之间具有怎样的对应关系
提示:1种密码子只对应1种特定的氨基酸(终止密码子除外);大多数的氨基酸有多种密码子(称为密码子的简并),个别氨基酸只有1种密码子如色氨酸。UGA在正常情况下是终止密码子,但在特殊情况下可以编码硒代半胱氨酸。
问题(3):你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义
提示:密码子的简并可以增强密码子的容错性,当密码子中有一个碱基改变时,由于密码子的简并,可能并不改变其对应的氨基酸;当某种氨基酸使用频率高时,几种不同的密码子都编码一种氨基酸,可以保证翻译的速度。
问题(4):几乎所有的生物体都共用一套密码子。根据这一事实,你能想到
什么
提示:所有生物可能有共同的起源或生命在本质上是统一的等。
活动2:如图是翻译过程的示意图,请据图分析回答问题。
问题(5):最终合成的多肽链②、③、④、⑤的氨基酸序列相同吗 为什么
提示:相同;因为它们的模板是同一条mRNA。
问题(6):核糖体沿着RNA移动读取遗传密码,从何位置开始翻译,到何位置结束 核糖体沿着RNA移动方向是怎样的
提示:从起始密码子开始翻译,到终止密码子结束;核糖体沿着RNA从5′-端向3′-端移动。
问题(7):翻译过程中,1个mRNA分子上通常可以相继结合多个核糖体,同时进行多条肽链的合成。试分析这有什么意义。
提示:少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质,提高了翻译的速率。
问题(8):你能根据肽链的氨基酸顺序,如甲硫氨酸—丙氨酸—亮氨酸—甘氨酸,写出确定的碱基序列吗 为什么
提示:不能,因为密码子具有简并性。
归纳总结
(1)转录、翻译与DNA复制的比较
细胞核
DNA复制 转录 翻译
主要是 . 主要是 . 主要是细胞质
中的 .
DNA的 条链 DNA的 条链 .
4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 21种氨基酸
细胞分裂前的间期 生物生长发育的过程中
细胞核
核糖体
两
一
mRNA
2个相同的DNA RNA(mRNA、tRNA、rRNA) 有一定氨基酸排列顺序的蛋白质
边解旋边复制,半保留复制 边解旋边转录 1个mRNA分子可结合多个核糖体,提高合成蛋白质的速度
可用放射性同位素标记T 可用放射性同位素标记U 可用放射性同位素标记氨
基酸
(2)遗传信息、密码子、反密码子的比较
脱氧核苷酸
遗传信息 密码子 反密码子
DNA分子中 .的排列顺序 上决定1个氨基酸的3个相邻碱基 上与密码子互补的3个碱基
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
多样性 64种 61种
mRNA
tRNA
原核生物与真核生物基因转录和翻译的辨别
拓展
(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,即边转录边翻译。其过程如图所示:
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。
即时应用
C
3.如图为tRNA的结构示意图,以下叙述错误的是( )
A.图中b处两条链中间的化学键表示氢键
B.tRNA携带氨基酸的部位在a处
C.tRNA是由三个核糖核苷酸连接成的单链分子
D.c处的反密码子可与mRNA上的密码子碱基互补配对
解析:题图中RNA在部分区段通过碱基互补配对形成双链,b处两条链中间的化学键表示氢键;tRNA是由几十个到上百个核糖核苷酸连接成的单链分子。
4.如图表示真核细胞中某基因表达过程的一部分,下列分析正确的是( )
A.图示mRNA中起始密码子位于RNA链上的左侧
B.mRNA上决定甘氨酸的密码子都是GGU
C.图中碱基的配对方式有A—U、C—G、A—T
D.图示过程的正常进行需要ATP和RNA聚合酶
A
解析:根据肽链的长度判断,核糖体移动的方向是从左向右,则可知起始密码子位于RNA链的左侧;一种氨基酸可由一种或一种以上密码子决定;题图表示翻译过程,碱基的配对方式有A—U、C—G,不会有A—T;RNA聚合酶在转录过程中起作用。
新知探究三 中心法则
问题探究
资料:在蛋白质的合成过程完全弄清楚之前,科学家克里克首先预见了遗传信息传递的一般规律,并于1957年提出了中心法则,随着研究的不断深入,科学家对中心法则作出了补充,总结如下:
思考并回答下列问题。
问题(1):细胞生物及DNA病毒的遗传信息流动情况是怎样的
提示:
问题(2):在以RNA为遗传物质的生物中遗传信息是如何传递的 请写出遗传信息传递过程的图解。
提示:①含有RNA复制酶的生物
②含有逆转录酶的生物(如HIV)
问题(3):病毒的遗传信息传递过程能发生在病毒自身体内吗
提示:不能。只能发生在宿主细胞内。
问题(4):线粒体和叶绿体中的DNA是否遵循中心法则 为什么
提示:遵循;在线粒体和叶绿体中也有DNA的复制及基因的表达过程。
问题(5):图中的过程都是遗传信息流动的过程,遗传信息都能准确地传递
吗 为什么
提示:能;因为遗传信息传递过程中都严格遵守碱基互补配对原则。
活动:下列四个试管中分别模拟的是中心法则中的某个过程。
问题(6):四个试管分别模拟中心法则中的哪个过程
提示:a模拟DNA的复制;b模拟转录;c模拟RNA的复制;d模拟逆转录。
问题(7):四个试管模拟的过程分别需要什么酶
提示:a需要解旋酶和DNA聚合酶;b需要RNA聚合酶;c需要RNA复制酶;d需要逆转录酶。
归纳总结
中心法则体现了DNA的两大基本功能
(1)传递遗传信息:通过 完成,发生于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 完成,发生在个体发育过程中。
DNA复制
转录和翻译
中心法则的四点提示
拓展
(1)并不是所有的生物均能发生中心法则的所有过程。如:哺乳动物成熟的红细胞中无遗传信息的传递。
(2)DNA复制、转录、翻译是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则。
(3)DNA复制主要发生在细胞分裂过程中,而转录和翻译则可以发生在任何时候。
(4)在病毒体内不会发生RNA的复制和逆转录过程,该过程在被病毒寄生的宿主细胞内进行。
即时应用
C
5.如图为中心法则中遗传信息流向图。下列有关叙述正确的是( )
A.图中遗传信息在同种物质间传递的过程有①②④
B.神经元细胞核中可发生①②过程,HIV可发生⑤过程
C.图中能发生A与U配对的过程有②③④⑤,能发生A与T配对的过程有①②④
D.③过程中核糖体与mRNA的结合部位会形成 1个 tRNA的结合位点
解析:①②③④⑤过程分别表示DNA的复制、转录、翻译、逆转录、RNA的复制。题图中遗传信息在同种物质间传递的过程有①和⑤;神经元细胞是高度分化的细胞,细胞核中可发生②过程,但不能发生①过程,HIV为逆转录病毒,可发生④过程;图中②③④⑤过程均有RNA参与,均可发生A与U配对,①②④过程均有DNA参与,均可发生A与T配对;③过程中核糖体与mRNA的结合部位会形成2个tRNA的结合位点。
6.某种RNA病毒在增殖过程中,其遗传物质需要经过某种转变,然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,那么物质Y抑制该病毒增殖的机制是( )
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病毒的逆转录过程
D.抑制该病毒RNA的自我复制过程
C
解析:RNA病毒可经逆转录过程形成DNA,该过程需要的原料是4种脱氧核苷酸,物质Y与脱氧核苷酸结构相似,会抑制逆转录过程,从而抑制该病毒增殖。
联系实际·素养落实
[生活情境]
随着抗生素的广泛使用甚至滥用,目前细菌对抗生素的耐药性问题已十分严重,抗生素耐药性正在对全球健康构成威胁。因此,发展新型抗生素势在必行,基于不同机制的新型抗生素正处于研发的不同阶段。红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物能抑制细菌的生长,抗菌机制如表:
知识迁移·培养能力
抗菌药物 抗菌机制
青霉素 抑制细菌细胞壁的合成
环丙沙星 抑制细菌DNA的复制
红霉素 能与核糖体结合,抑制肽链的延伸
利福平 抑制细菌RNA聚合酶的活性
探究:(1)结合遗传信息传递途径和表格,分析环丙沙星、红霉素、利福平分别阻止了遗传信息传递的哪些过程。
提示:红霉素能与核糖体结合,通过抑制翻译过程来干扰细菌蛋白质的合成,抑制细菌的生长。环丙沙星抑制细菌DNA的复制过程,从而抑制细菌的增殖过程。利福平通过抑制RNA聚合酶的活性,抑制细菌的转录过程。
(2)根据生活常识和题干分析,应如何正确使用抗生素
提示:抗生素只可用于治疗因细菌感染而引起的疾病,不能用于真菌和病毒感染而引起的疾病,因此不能滥用抗生素。
课堂小结
完善概念图 关键语句
1.基因的表达是指基因通过mRNA指导蛋白质的合成,包括遗传信息的转录和翻译两个阶段。
2.转录是以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则,在细胞核内合成mRNA的过程。
3.翻译是以mRNA为模板,按照密码子和氨基酸之间的对应关系,在核糖体上合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。
4.中心法则揭示了遗传信息在核酸和蛋白质之间的传递规律,体现了生命是物质、能量和信息的统一体。
随堂反馈
1.下列关于RNA的描述中正确的是( )
A.发菜细胞中,rRNA的合成以及核糖体的形成与核仁密切相关
B.转录时,RNA聚合酶能识别RNA分子的特定位点并与之结合
C.由于密码子具有简并性,因此一种tRNA可与多种氨基酸结合
D.有的RNA分子能降低某些生化反应的活化能而加速反应进行
D
解析:发菜属于原核生物,细胞中无核仁结构;转录时,RNA聚合酶能识别DNA分子的特定位点并与之结合;tRNA具有专一性,一种tRNA只能转运一种氨基酸;有的RNA分子是酶,能降低某些生化反应的活化能而加速反应进行。
2.下列关于真核细胞中转录的叙述,正确的是( )
A.tRNA、rRNA和mRNA都从DNA转录而来
B.转录时RNA聚合酶的结合位点在RNA上
C.细胞中的RNA合成过程不会在细胞核外发生
D.一个基因转录时两条DNA链可同时作为模板
解析:转录形成的RNA分为三种,即mRNA、rRNA和tRNA;转录时RNA聚合酶的结合位点在DNA上;细胞中的RNA合成过程也可以发生在线粒体或叶绿体内;一个基因转录时模板链是特定的,只能以DNA的一条链为模板。
A
3.某种抗生素可以阻止tRNA与mRNA结合,从而抑制细菌生长。据此判断,这种抗生素可直接影响细菌的( )
A.多糖合成 B.RNA合成
C.DNA复制 D.蛋白质合成
解析:多糖合成不需要经过tRNA与mRNA结合;RNA的合成是转录过程,转录及DNA的复制过程不需要tRNA;蛋白质合成过程需要tRNA与mRNA的结合,即抗生素可能直接影响细菌的蛋白质合成。
D
C
解析:翻译过程中,在一个mRNA分子上可以先后结合多个核糖体同时合成多条肽链,依据题干中的信息可知,*Ala—tRNACys参与翻译过程,因此可以同时合成多条被14C标记的肽链;tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对是由两者的碱基序列决定的;由于半胱氨酸在镍的催化作用下还原成丙氨酸,但tRNA未变,所以该*Ala—tRNACys参与翻译时,新合成的肽链中原来Cys的位置会被替换为14C标记的Ala,但原来Ala的位置不会被替换为14C标记的Cys。
5.(2020·全国Ⅱ卷)大豆蛋白在人体内经消化道中酶的作用后,可形成小肽(短的肽链)。回答下列问题。
(1)在大豆细胞中,以mRNA为模板合成蛋白质时,除mRNA外还需要其他种类的核酸分子参与,它们是 。
解析:(1)在大豆细胞中,以mRNA为模板合成蛋白质时,还需要rRNA参与构成核糖体、tRNA参与氨基酸的转运。
答案:(1)rRNA、tRNA
5.(2020·全国Ⅱ卷)大豆蛋白在人体内经消化道中酶的作用后,可形成小肽(短的肽链)。回答下列问题。
(2)大豆细胞中大多数mRNA和RNA聚合酶从合成部位到执行功能部位需要经过核孔。就细胞核和细胞质这两个部位来说,作为mRNA合成部位的是
,作为mRNA执行功能部位的是 ;作为RNA聚合酶合成部位的是 ,作为RNA聚合酶执行功能部位的是 。
解析:(2)大豆细胞中,仅考虑细胞核和细胞质这两个部位,mRNA的合成部位是细胞核,mRNA合成以后通过核孔进入细胞质,与核糖体结合起来进行翻译过程;RNA聚合酶在细胞质中的核糖体上合成,经加工后,通过核孔进入细胞核,与DNA结合起来进行转录过程。
答案:(2)细胞核 细胞质 细胞质 细胞核
5.(2020·全国Ⅱ卷)大豆蛋白在人体内经消化道中酶的作用后,可形成小肽(短的肽链)。回答下列问题。
(3)部分氨基酸的密码子如表所示。若来自大豆的某小肽对应的编码序列为UACGAACAUUGG,则该小肽的氨基酸序列是 。若该小肽对应的DNA序列有3处碱基发生了替换,但小肽的氨基酸序列不变,则此时编码小肽的RNA序列为 。
氨基酸 密码子
色氨酸 UGG
谷氨酸 GAA GAG
酪氨酸 UAC UAU
组氨酸 CAU CAC
解析:(3)根据该小肽对应的编码序列,结合表格中部分氨基酸的密码子可知,该小肽的氨基酸序列是酪氨酸—谷氨酸—组氨酸—色氨酸。若该小肽对应的DNA序列有3处碱基发生了替换,但小肽的氨基酸序列不变,结合表格中部分氨基酸的密码子可知,谷氨酸、酪氨酸和组氨酸的密码子均有两个,且均为最后一个碱基不同,因此应该是这三种氨基酸分别对应的密码子的最后一个碱基发生了替换,此时编码小肽的RNA序列为UAUGAGCACUGG。
答案:(3)酪氨酸—谷氨酸—组氨酸—色氨酸 UAUGAGCACUGG(共45张PPT)
第2节 基因表达与性状的关系
学习目标
1.通过对皱粒豌豆、白化病、囊性纤维化原因的分析,归纳基因表达产物与性状的关系,从分子水平更好地理解生命的延续和发展规律,达成生命观念、科学思维等学科素养。
2.通过对不同类型细胞中DNA和mRNA检测结果的分析,能用结构与功能观,认识细胞分化的本质是基因选择性表达的结果。
3.通过对柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的遗传的资料分析,概述表观遗传现象。
4.阐明基因、环境、性状之间的复杂关系,认同生命的复杂性。
问题探究·知识生成
联系实际·素养落实
问题探究·知识生成
新知探究一 基因表达产物与性状的关系
建立概念·达成素养
问题探究
活动:分析教材P71～72豌豆粒形与囊性纤维化的遗传实例,并结合下列图解探讨并归纳相关问题。
问题(1):图1中豌豆呈圆粒或皱粒与哪种基因和酶有关 为什么相关基因异常则为皱粒
提示:与豌豆的淀粉分支酶基因及其表达的产物——淀粉分支酶有关。淀粉分支酶基因异常,则合成淀粉分支酶活性异常,导致淀粉少而蔗糖多,蔗糖的吸水能力差,豆粒水分少而表现为皱粒。
问题(2):囊性纤维化的直接病因是什么 根本病因又是什么
提示:直接病因是CFTR蛋白结构异常。根本病因是CFTR基因缺失3个碱基。
问题(3):图1和图2分别表示基因控制性状的哪种途径
提示:图1所示的是基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状;图2所示的是基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
归纳总结
基因控制性状的方式
蛋白质的结构
途径 直接 间接
方式 基因通过控制 .直接控制生物体的性状 基因通过控制 来控制代谢过程,进而控制生物体的性状
图解
酶的合成
即时应用
C
1.下列有关基因与性状的叙述,正确的是( )
A.生物体中一个基因决定一种性状,一种性状由一个基因决定
B.血红蛋白基因中有一个碱基对发生改变,血红蛋白结构一定发生改变
C.生物的性状由基因决定,同时受环境影响,二者共同对生物的性状起作用
D.囊性纤维化说明基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物性状
解析:生物体中一个基因可能决定多种性状,一种性状可能由多个基因决定;由于密码子具有简并性(绝大多数氨基酸都有几个密码子),控制人的血红蛋白的基因中有一个碱基对发生改变,血红蛋白的结构不一定发生改变;生物的性状由基因决定,同时受环境条件的影响,是基因和环境共同作用的结果;囊性纤维化说明基因可通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
2.人类白化病和苯丙酮尿症是由代谢异常引起的疾病,如图表示在人体代谢中产生这两类疾病的过程。由图中不能得出的结论是( )
A.基因可以通过控制蛋白质的结构来控制生物体的性状
B.基因可以通过控制酶的合成来控制生物体的性状
C.一个基因可以控制多个性状
D.一个性状可以由多个基因控制
解析:苯丙酮酸、多巴胺和黑色素的异常与酶的合成有密切的关系,而酶的合成是由基因控制的;若基因1发生变化,则多巴胺和黑色素的合成都受影响;多巴胺和黑色素的合成也都受多个基因的控制。
A
新知探究二 基因的选择性表达与细胞分化
问题探究
活动:科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞(有细胞核)和胰岛细胞,对这3种细胞中的DNA和mRNA进行检测,结果如表所示。
检测的3
种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清
蛋白
mRNA 珠蛋白
mRNA 胰岛素
mRNA
输卵管细胞 + + + + - -
红细胞 + + + - + -
胰岛细胞 + + + - - +
说明:“+”表示检测发现相应的分子,“-”表示检测未发现相应的分子。
问题(1):这3种细胞中的基因组成是否相同 它们合成的蛋白质种类是否相同
提示:这3种细胞中基因组成相同,但是它们合成的蛋白质种类不同。
问题(2):3种细胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因,但是只检测到了其中一种基因的mRNA,由此说明什么问题
提示:在高度分化的细胞中,基因选择性表达。同一个体不同种类的体细胞中,DNA相同,而RNA、蛋白质的种类不同。
问题(3):表中3种细胞都是由同一个受精卵发育而来的,为什么在形态、结构和功能上不同呢
提示:由于存在基因表达的调控,在个体发育中,有些基因得以表达,有些基因不表
达,这就导致基因表达的产物——蛋白质的种类不同,进而形成了在形态、结构和功能上不同的细胞。
问题(4):如图表示同一个体的5种细胞中5种基因的表达情况,根据细胞的结构和功能可以判断,5种细胞中除RNA聚合酶基因均需表达外,推测还可能有哪些基因均需要表达 (至少答出三种)
提示:ATP合成酶基因、呼吸酶基因、解旋酶基因和核糖体蛋白基因等。
归纳总结
(1)不同类型的细胞中,表达的基因类型
在不同类型的细胞中,表达的基因大致可以分为两类:一类是在 中都表达的基因,指导合成的蛋白质是维持细胞基本生命活动所必需的;另一类是只在某类细胞中 表达的基因。
(2)细胞分化的本质
细胞分化的本质就是 。基因的选择性表达与基因表达的调控有关。
所有细胞
特异性
基因的选择性表达
细胞分化的标志
拓展
在所有细胞中都表达的基因,无法体现细胞分化,如呼吸酶基因、ATP水解酶基因的表达不能表明细胞已经发生分化;只有在特定细胞中选择性表达的基因才可体现细胞分化,如胰岛素基因、血红蛋白基因的表达可以表明细胞发生了分化。
即时应用
C
3.如表表示人体三种不同细胞中的基因存在及表达情况:
细胞种类 基因存在情况 基因表达情况
甲 乙 丙 丁 甲 乙 丙 丁
幼嫩红细胞 √ √ √ √ √ √
眼晶状体细胞 √ √ √ √ √ √
神经细胞 √ √ √ √ √ √
下列有关说法不正确的是( )
A.甲基因可能是控制血红蛋白合成的基因
B.丁基因可能是控制呼吸酶合成的基因
C.三种细胞功能不同的根本原因是细胞中的遗传信息不同
D.三种细胞都有甲、乙、丙、丁四种基因的根本原因是人体细胞都来源于同一个受精卵
解析:甲基因只在幼嫩红细胞中表达,很可能是控制血红蛋白合成的基因;由于幼嫩红细胞、眼晶状体细胞和神经细胞都要进行细胞呼吸,故控制呼吸酶合成的基因在三个细胞中都可表达,因此,丁基因可能是控制呼吸酶合成的基因;三种细胞功能不同的根本原因是基因的选择性表达;三种细胞都来自同一个受精卵,故遗传信息相同。
4.下列有关细胞分化的分析中错误的是( )
A.在个体发育过程中,有序的细胞分化能够增加细胞的类型
B.从细胞器水平分析,细胞分化是细胞器的种类、数目改变的结果
C.细胞分化使各种细胞的遗传物质有所差异,导致细胞的形态和功能各不相同
D.从蛋白质角度分析,细胞分化是蛋白质种类、数量改变的结果,这是细胞分化的直接原因
C
解析:细胞分化的过程中,细胞会在形态、结构等方面发生稳定性差异,故能够增加细胞的类型;细胞分化的过程中,细胞的功能会出现差异,细胞器的种类、数目均会发生改变;细胞分化的过程中,各种细胞的核遗传物质不发生改变;细胞分化的实质是基因的选择性表达,故蛋白质种类、数量的改变是细胞分化的直接原因。
新知探究三 表观遗传
问题探究
资料1:柳穿鱼花形的遗传分析
柳穿鱼花形有左右对称和中心对称两种。柳穿鱼细胞内控制该性状的DNA序列完全相同,不同的是Lcyc基因的甲基化程度。即
科学家进行了如下实验:
问题(1):柳穿鱼植株A和植株B体内的Lcyc基因的碱基序列是否相同
提示:相同。
问题(2):为什么植株A和植株B的花形态结构出现差异
提示:柳穿鱼花的形态结构与Lcyc基因的表达直接相关。这两株柳穿鱼体内的Lcyc基因的序列相同,只是植株A的Lcyc基因在开花时表达,而植株B的Lcyc基因不表达。
问题(3):分析资料,F1的花为什么与植株A的相似 在F2中,为什么有些植株的花与植株B的相似
提示:F1获得了一个没有甲基化的Lcyc基因和一个甲基化的Lcyc基因,因此在F1中有可表达的Lcyc基因,能表现植株A的性状。F1自交,将产生含有非甲基化的Lcyc基因的配子和含有甲基化的Lcyc基因的配子,两个含有甲基化的Lcyc基因的配子结合,产生的后代植株的花就表现出植株B的性状。
问题(4):通过分析这两株柳穿鱼作为亲本进行杂交实验,你受到什么启示
提示:由杂交实验可知,甲基化的基因能通过生殖细胞遗传给后代。
资料2:某种实验小鼠不同毛色的遗传分析
该种小鼠的毛色除了受Avy基因控制,还受到Avy基因上游的一段DNA序列(a序列)控制。a序列既可以使Avy基因持续表达(小鼠毛色全部为黄色),也可以使Avy基因的表达处于完全关闭状态(小鼠毛色全部为黑色)。另外,a序列还能够调控Avy基因的表达水平,使小鼠毛色呈现介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型。
问题(5):根据上述资料信息,请用流程图描述出纯种黄毛鼠(AvyAvy)和纯种黑毛鼠(aa)杂交,子鼠毛色呈现介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型的机制。
提示:
问题(6):上述资料1和资料2展示的遗传现象有什么共同点
提示:资料1和资料2展示的遗传现象都说明表型的不同不是由DNA序列的改变引起
的,而是由DNA甲基化修饰造成的;甲基化修饰的基因也能遗传给后代;基因通过其表达产物来控制性状。
归纳总结
(1)表观遗传:生物体基因的 ,但基因表达和表型发生可遗传变化的现象。表观遗传现象普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中。
(2)表观遗传修饰的方式:DNA的 ,构成染色体的组蛋白发生甲基化、
等。
(3)表观遗传不是对孟德尔定律的否定
孟德尔定律研究的是在完全显性的条件下,基因的传递规律;表观遗传是指在基因型相同的条件下,而表型可能不同,这是由同一种基因是否表达以及表达水平的高低所造成的。表观遗传是对孟德尔定律的重要补充。
碱基序列保持不变
甲基化
乙酰化
表观遗传的特征
拓展
(1)不发生DNA序列的变化
表观遗传不发生DNA序列的变化。如同卵双胞胎具有完全相同的基因组成,但在长大后性格、健康方面等会出现差异,这种现象与表观遗传有关。
(2)可遗传
表观遗传可以通过减数分裂在亲子代个体间遗传。如一个遗传物质完全一致的小鼠品系,其体毛具有不同颜色,这与基因的甲基化程度有关,并且这种毛色的性状差异往往可以传递给后代。
(3)受环境影响
环境的变化可以导致基因表观修饰的变化,进而引起表型改变。个体在生长和发育过程中获得的环境影响,可能会遗传给后代。
即时应用
D
5.下列有关表观遗传的说法不正确的是( )
A.表观遗传可以在亲子代个体间遗传
B.某些RNA可干扰基因的表达
C.染色体组蛋白的乙酰化能影响基因的表达
D.DNA的甲基化程度与基因的表达无关
解析:表观遗传可以在个体间遗传;某些RNA可使mRNA发生降解或翻译阻滞,从而干扰基因的表达;DNA的甲基化程度、染色体组蛋白的乙酰化都会影响基因的表达。
6.黄色小鼠(AA)与黑色小鼠(aa)杂交,产生的F1(Aa)不同个体出现了不同体色。研究表明,不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同,但A基因中二核苷酸(CpG)的胞嘧啶有不同程度的甲基化(如图),已知甲基化不影响DNA复制。下列有关分析错误的是( )
A.F1体色的差异可能与A基因甲基化程度有关
B.碱基甲基化可能影响RNA聚合酶与该基因的结合
C.碱基甲基化不影响遗传信息的传递
D.A基因中的碱基甲基化引起了基因中碱基序列的改变
D
解析:F1(Aa)不同个体出现了不同体色,不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同,A基因中二核苷酸(CpG)的胞嘧啶有不同程度的甲基化,这表明F1体色的差异可能与A基因甲基化程度有关;由题意可知,甲基化的CpG可能会影响RNA聚合酶与该基因的结合;碱基甲基化不影响DNA复制过程,故碱基甲基化不影响遗传信息的传递,A基因中的碱基甲基化也不会引起基因中碱基序列的改变。
新知探究四 基因与性状的关系
问题探究
资料1:引起苯丙酮尿症的原因是患者的体细胞中缺少一种酶,致使体内的苯丙氨酸不能沿正常途径转变成酪氨酸,而只能转变成苯丙酮酸。苯丙酮酸在体内积累过多就会对婴儿的神经系统造成不同程度的损害。
问题(1):这个资料说明了基因与性状具有怎样的对应关系
提示:说明一个基因可控制生物体的一个性状。
资料2:人的身高是由多个基因决定的,其中每个基因对身高都有一定的作用。
问题(2):这个资料说明了基因与性状具有怎样的对应关系
提示:生物体的一个性状可由多个基因控制。
资料3:我国科学家研究发现水稻中的Ghd7基因编码的蛋白质不仅参与了开花的调控,而且对水稻的生长、发育和产量都有重要作用。
问题(3):这个资料说明了基因与性状具有怎样的对应关系
提示:一个基因可控制生物体的多个性状。
资料4:同一株水毛茛裸露在空气中的叶是扁平的叶片,而浸在水中的叶片深裂成丝状。请思考下列问题。
问题(4):这两种形态的叶,其细胞的核基因组成有何关系 简述理由。
提示:其细胞的核基因组成相同。它们都是由同一个受精卵分裂分化来的,所以核基因组成相同。
问题(5):水毛茛叶片出现不同形状的原因是什么
提示:叶片形状不同是由生活环境引起的。
问题(6):基因型相同,表型是否相同 请用一表达式表示基因型、表型和生活环境之间的关系。
提示:不一定相同。表型=基因型+生活环境。
归纳总结
基因与性状的关系
在大多数情况下,基因与性状的关系并非简单的 的关系。可以是
基因决定一个性状,也可以是 基因影响多个性状。
一一对应
多个
一个
基因、蛋白质与性状之间的关系
拓展
即时应用
C
7.如图为基因与性状的关系示意图,下列有关叙述错误的是( )
A.一个基因可以影响和控制多个性状
B.多个基因可以影响和控制一个性状
C.所有基因都能表现出相应的性状
D.图中的产物可以是酶、激素等
解析:分析题图可知,A、B、C 3种性状由同一个基因控制,E性状由多个基因控制;生物体的细胞中存在不表达的基因,如肌细胞中胰岛素基因不会表达,故有的基因不一定能表现出相应的性状;由于绝大多数酶和部分激素是蛋白质,故图中产物可以是酶、激素等。
8.已知材料:①藏报春甲(aa)在20 ℃时开白花;②藏报春乙(AA)在20 ℃时开红花;③藏报春丙(AA)在30 ℃时开白花。根据上述材料,判断下列有关基因型和表型相互关系的说法错误的是( )
A.由材料①②可知生物的性状表现是由基因型决定的
B.由材料①③可知生物的性状表现是由基因型和环境共同决定的
C.由材料②③可知环境影响基因型的表达
D.由材料①②③可知生物的性状表现是由基因型和环境共同作用的结果
B
解析:①和②、②和③实验中,都只有一个变量,可以得出相应结论。而①和③温度和基因型都不同,所以不能判断性状表现是由温度决定,还是由基因型决定,或是由它们共同决定的。
联系实际·素养落实
[科技情境]
为了研究太空环境对基因的影响,让双胞胎猩猩做了一个天地隔离实验。受试猩猩是同卵双生,有着几乎完全相同的基因组。其中一只猩猩被送进国际空间站为期340天,发现其身高增加了5 cm(在此之前,两只猩猩身高相同),而另一只猩猩的身高没有变化。为了进一步了解太空环境对猩猩的影响,研究人员对结束任务的猩猩继续进行长达一年的监测,并对比了它与另一只猩猩的DNA差异。发现尽管两只猩猩的DNA依然相同,但分析显示细胞内的甲基化水平明显差异化,或升高或降低。总而言之进入太空后基因表达达到了一个前所未有的高峰。
知识迁移·培养能力
探究:(1)上述资料中,进入国际空间站的猩猩性状改变的原因可能是什么 是否可以遗传
提示:可能是DNA发生了甲基化。可以遗传。
(2)上述现象是否只有在太空才能发生
提示:不是,表观遗传现象在自然界中普遍存在。
课堂小结
完善概念图 关键语句
1.基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状,还能通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
2.来自同一个受精卵的细胞,尽管基因组成都相同,也会出现形态、结构和功能的分化,其实质是基因的选择性表达。
3.基因之所以能够选择性表达,是由于细胞有调控基因表达的机制。
4.DNA甲基化等因素导致基因在其碱基序列不变的情况下,表达情况发生可遗传的变化,这就是表观遗传。
5.在大多数情况下,基因与性状之间并不是简单的一一对应的关系,有的性状是由多个基因共同决定的,有的基因可影响多个性状。
6.一般来说,性状是基因和环境共同作用的结果。
随堂反馈
1.酪氨酸酶存在于正常人体的皮肤、毛囊等处的细胞中,它能使酪氨酸转变为黑色素,下列相关叙述正确的是( )
A.人体的神经细胞中含有控制酪氨酸酶合成的基因
B.白化病实例说明基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状
C.酪氨酸是基因表达的产物
D.老年人头发变白是由控制酪氨酸酶合成的基因异常引起的
A
解析:人体所有细胞都是由同一个受精卵发育而来的,都含有该生物全部的基因,因此人体的神经细胞中含有控制酪氨酸酶合成的基因;白化症状是由编码酪氨酸酶的基因异常引起的,这一实例说明基因通过控制酶的合成来影响细胞代谢,进而间接控制生物体的性状;酪氨酸是一种氨基酸,不是基因表达的产物,基因表达的产物是蛋白质;老年人头发变白的原因是细胞衰老导致酪氨酸酶的活性降低,黑色素合成减少。
2.下表是5种基因在几种细胞中表达的情况,相关叙述错误的是( )
B
基因 成熟红细胞 浆细胞 胰岛B细胞
细胞呼吸酶基因 + + +
核糖体rRNA基因 + + +
血红蛋白基因 + - -
抗体基因 - + -
胰岛素基因 - - +
注:“+”表示基因表达,“-”表示基因不表达。
A.细胞呼吸酶基因和核糖体rRNA基因在所有细胞中均表达
B.胰岛B细胞中不存在血红蛋白基因和抗体基因
C.上述基因表达的差异体现了细胞分化的实质
D.上述三种细胞的差异是基因选择性表达的结果
解析:根据题表可知,细胞呼吸酶基因和核糖体rRNA基因在细胞中均表达;胰岛B细胞中存在血红蛋白基因和抗体基因,只是这两种基因在胰岛B细胞中不表达;题述三种细胞的差异是细胞分化的结果,根本原因是基因选择性表达。
3.下列不属于表观遗传特点的是( )
A.表型可以遗传给后代
B.基因表达水平发生改变
C.没有DNA碱基序列的改变
D.不受外界环境条件的影响
解析:表观遗传的特点是在基因的碱基序列保持不变的情况下,基因的表达水平发生变化,并产生可遗传的表型;外界环境条件可影响DNA的甲基化水平等,从而会造成表观遗传现象。
D
4.如图为脉孢霉体内精氨酸的合成途径示意图,从图中能得出的是( )
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
C.若基因②不表达,则基因③和④也不表达
D.基因与基因、基因与基因表达产物之间互不干扰
B
解析:由题图可知,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③④仍可表达,只是无法合成精氨酸;基因与基因、基因与基因表达产物之间存在着复杂的相互作用。
5.如图为人体内基因对不同性状的控制过程图解,根据图分析回答下列问题。
(1)图中①过程表示 过程,需要 的催化。
解析:(1)①过程的结果是产生了RNA,所以该过程表示的是转录过程。转录需要在RNA聚合酶的作用下将核糖核苷酸聚合在一起。
答案:(1)转录 RNA聚合酶
解析:(2)生命活动的直接能源物质为ATP,翻译进行时需要tRNA将氨基酸转运至核糖体,以mRNA为模板合成多肽链。
答案:(2)ATP tRNA 氨基酸 mRNA
5.如图为人体内基因对不同性状的控制过程图解,根据图分析回答下列问题。
(2)图中②过程表示翻译的过程,参与该过程的物质有酶、直接能源物质
、转运工具 、原料 和模板 。
5.如图为人体内基因对不同性状的控制过程图解,根据图分析回答下列问题。
(3)④⑤过程形成的结果存在差异的根本原因是 ,①②④⑤过程说明基因控制性状的途径是 。
解析:(3)④⑤过程形成的结果存在差异的根本原因是控制血红蛋白的基因发生突变,使DNA(基因)不同。从图示可以看出,①②④⑤是基因通过控制蛋白质的结构来直接控制生物的性状。
答案:(3)DNA(基因)不同 基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物的
性状(共31张PPT)
第3、4章 章末整合提升
一、必备知识——构建知识导图
二、关键能力——发展核心素养
1.“两看法”判断真核细胞(核基因)和原核细胞基因表达过程图
B
[例1] 如图1、2是两种细胞中遗传信息的主要表达过程。据图分析,下列叙述中不正确的是( )
A.图1细胞中没有核膜围成的细胞核,可以边转录边翻译
B.两细胞中基因表达过程均主要由线粒体提供能量
C.真核生物细胞核中转录出的mRNA必须通过核孔后才能翻译
D.图中所示的遗传信息的流动方向都是DNA→mRNA→蛋白质
解析:图1细胞没有核膜包被的成形的细胞核,属于原核细胞,可以边转录边翻译;图1细胞是原核细胞,没有线粒体;真核生物细胞核DNA中的遗传信息通过转录到mRNA中,mRNA必须通过核孔与细胞质中的核糖体结合才能作为翻译的模板;图示表示遗传信息的转录和翻译过程,遗传信息的流动方向为DNA→mRNA→蛋白质。
2.生命是物质、能量和信息的统一体
中心法则内容可概括为下图。
不同种生物遗传信息流的流动情况有所不同。
(1)细胞生物及噬菌体等DNA病毒
(2)烟草花叶病毒等RNA病毒
(3)HIV等逆转录病毒
(4)高度分化的细胞内中心法则的表达式
(5)能分裂的细胞内中心法则的表达式
由中心法则的内容可知,在遗传信息的流动过程中,DNA、RNA是信息的载体,蛋白质是信息的表达产物,而ATP为信息的流动提供能量,可见,生命是物质、能量和信息的统一体。
解析:反密码子是tRNA分子上特定部位的三个相邻碱基,均与密码子对应;mRNA上决定一个氨基酸的或提供翻译的终止信号的三个相邻的碱基构成密码子;DNA上脱氧核苷酸的排列顺序代表遗传信息;遗传信息在不同物质之间的传递过程均需要能量供应。
[例2] 生命是物质、能量和信息的统一体。下列关于遗传信息、密码子、反密码子的叙述正确的是( )
A.每一种反密码子都与一个密码子相互对应
B.mRNA上任意三个碱基构成密码子
C.DNA上脱氧核糖的排列顺序代表遗传信息
D.遗传信息从DNA到DNA需要能量,从DNA到蛋白质不需要能量
A
B
[例3] 如图为遗传信息传递和表达的途径,下表为几种抗生素的抗菌机制。结合图表分析,下列说法正确的是( )
抗菌药物 抗菌机制
青霉素 抑制细菌细胞壁的合成
环丙沙星 抑制细菌DNA解旋酶的活性(可促进DNA螺旋化)
红霉素 能与核糖体结合
利福平 抑制细菌RNA聚合酶的活性
A.环丙沙星和红霉素分别能抑制①②过程
B.青霉素和利福平均不能抑制细菌的①过程
C.结核杆菌的④⑤过程都发生在细胞质中
D.①～⑤过程可发生在人体的健康细胞中
解析:DNA复制过程需要解旋酶,所以环丙沙星可以抑制①过程,红霉素与核糖体结合,干扰mRNA与核糖体结合,可以抑制③过程;据表可知,青霉素抑制的应该是合成细胞壁的酶的活性,不能抑制①过程,只有转录过程需要RNA聚合酶,所以利福平只可抑制②过程,不能抑制①过程;细菌细胞中不发生④⑤过程,④⑤过程只发生在RNA病毒的遗传信息传递过程中;人体健康的细胞中只发生①②③过程。
3.研究DNA的技术和方法
(1)研究DNA是遗传物质及其复制方式的技术方法
实验 技术方法
艾弗里的肺炎链球菌转化实验 酶解去除法
噬菌体侵染细菌实验 放射性同位素标记法
DNA结构的研究 DNA衍射技术和模型构建
DNA分子的复制方式 密度梯度离心和同位素标记法
(2)实验设计中的“加法原理”和“减法原理”
定义 实例
加法
原理 与常态相比,人为增加某种影响因素 在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,实验组分别作加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液处理;
探究不同酸碱度对酶活性的影响实验组分别加入酸、加入碱
减法
原理 与常态相比,人为去除某种影响因素 在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,每个实验组特异性地去除一种物质;
验证甲状腺激素的作用,切除实验动物的甲状腺
[例4] 科学是技术的基础,技术是科学进步的动力。在研究生命的遗传物质历程中,新技术的应用大大加速了研究的进度，提高了实验的可信度。下列关于技术在研究中应用的叙述,正确的是( )
A.肺炎链球菌的转化实验中,通过细菌培养和同位素标记技术,证明了DNA是转化因子
B.噬菌体侵染细菌的实验中,用放射性同位素32P和35S同时标记噬菌体,证明了DNA是遗传物质
C.科学家用15N标记大肠杆菌的DNA,通过细菌培养和离心技术,证明了DNA分子是通过半保留的方式复制的
D.通过DNA体外复制技术,科学家破译了决定氨基酸的遗传密码
C
解析:肺炎链球菌的转化实验中没有用到同位素标记技术;噬菌体侵染细菌的实验不能用两种同位素同时标记噬菌体;破译遗传密码是通过蛋白质体外合成技术实现的。
三、综合应用——形成核心价值观
[例5] 心肌细胞不能增殖,ARC基因在心肌细胞中特异性表达,抑制其细胞凋亡,以维持其正常数量。细胞中某些基因转录形成的前体RNA加工过程中会产生许多小RNA,如miR-223(链状)、HRCR(环状)。HRCR可以吸附miR-223等,以达到清除它们的目的(如图)。当心肌细胞缺血、缺氧时,某些基因过度表达会产生过多的miR-223,导致心肌细胞凋亡,最终引起心力衰竭。请回答下列相关问题。
(1)过程①的原料是 ,催化该过程的酶是 。过程②的场所是 。
解析:根据题意和图示分析可知,题图中①表示转录形成mRNA、②表示翻译过程,其中mRNA可与miR-223结合形成核酸杂交分子1,miR-223可与HRCR结合形成核酸杂交分子2。
(1)过程①形成mRNA为转录过程,催化该过程的酶是RNA聚合酶,原料是核糖核苷酸,过程②表示翻译,翻译过程的场所是核糖体。
答案:(1)核糖核苷酸 RNA聚合酶 核糖体
[例5] 心肌细胞不能增殖,ARC基因在心肌细胞中特异性表达,抑制其细胞凋亡,以维持其正常数量。细胞中某些基因转录形成的前体RNA加工过程中会产生许多小RNA,如miR-223(链状)、HRCR(环状)。HRCR可以吸附miR-223等,以达到清除它们的目的(如图)。当心肌细胞缺血、缺氧时,某些基因过度表达会产生过多的miR-223,导致心肌细胞凋亡,最终引起心力衰竭。请回答下列相关问题。
(2)若某HRCR中含有n个碱基,则其中有 个磷酸二酯键。链状小RNA越短越容易被HRCR吸附,这是因为其碱基数目少,特异性 ,更容易与HRCR结合。与ARC基因相比,核酸杂交分子1中特有的碱基对是 。
解析:(2)HRCR为单链环状RNA分子,其中所含磷酸二酯键数目与碱基数目相同,因此若某HRCR中含有n个碱基,则其中有n个磷酸二酯键。链状小RNA越短越容易被HRCR吸附,这是因为其碱基数目少,特异性弱,更容易与HRCR结合。与ARC基因(碱基配对方式为A—T、C—G)相比,核酸杂交分子1(碱基配对方式为A—U、T—A、C—G)中特有的碱基对是A—U。
答案:(2)n 弱 A—U
[例5] 心肌细胞不能增殖,ARC基因在心肌细胞中特异性表达,抑制其细胞凋亡,以维持其正常数量。细胞中某些基因转录形成的前体RNA加工过程中会产生许多小RNA,如miR-223(链状)、HRCR(环状)。HRCR可以吸附miR-223等,以达到清除它们的目的(如图)。当心肌细胞缺血、缺氧时,某些基因过度表达会产生过多的miR-223,导致心肌细胞凋亡,最终引起心力衰竭。请回答下列相关问题。
(3)缺血、缺氧时,某些基因过度表达产生过多的miR-223,会导致过程②因
的缺失而受阻,最终导致心力衰竭。
解析:(3)缺血、缺氧时,某些基因过度表达产生过多的miR-223,miR-223与mRNA结合形成核酸杂交分子1,导致过程②因模板(mRNA)的缺失而受阻,最终导致心力衰竭。
答案:(3)模板(mRNA)
[例5] 心肌细胞不能增殖,ARC基因在心肌细胞中特异性表达,抑制其细胞凋亡,以维持其正常数量。细胞中某些基因转录形成的前体RNA加工过程中会产生许多小RNA,如miR-223(链状)、HRCR(环状)。HRCR可以吸附miR-223等,以达到清除它们的目的(如图)。当心肌细胞缺血、缺氧时,某些基因过度表达会产生过多的miR-223,导致心肌细胞凋亡,最终引起心力衰竭。请回答下列相关问题。
(4)科研人员认为,HRCR有望成为减缓心力衰竭的新药物,其依据是 。
解析:(4)HRCR有望成为减缓心力衰竭的新药物,其依据是HRCR与miR-223碱基互补配对,导致ARC基因的表达增加,抑制心肌细胞的凋亡。
答案:(4)HRCR与miR-223碱基互补配对,导致ARC基因的表达增加,抑制心肌细胞的凋亡
[例6] 图①～③分别表示人体细胞中发生的3种生物大分子的合成过程。请回答下列问题。
(1)细胞中过程②发生的主要场所是 。需要的原料为 ,
若DNA的一条链上某部分碱基顺序为TGGGCTAAACCG,则其互补链转录生成的mRNA链上的碱基排列顺序为 。
解析:(1)在人体细胞中,含有DNA分子的结构有细胞核和线粒体,过程②属于转录过程,合成mRNA,所以发生的场所主要是细胞核,需要的原料为游离的4种核糖核苷酸。若DNA的一条链上某部分碱基顺序为TGGGCTAAACCG,根据碱基互补配对原则,其互补链转录生成的mRNA链上的碱基排列顺序为UGGGCUAAACCG。
答案:(1)细胞核 游离的4种核糖核苷酸 UGGGCUAAACCG
[例6] 图①～③分别表示人体细胞中发生的3种生物大分子的合成过程。请回答下列问题。
(2)已知过程②的α链中鸟嘌呤与尿嘧啶之和占碱基总数的54%,α链及其模板链对应区段的碱基中鸟嘌呤分别占29%、19%,则与α链对应的双链DNA区段中腺嘌呤所占的碱基比例为 。
解析:(2)α链是mRNA,其中G占29%,U占25%,则其模板链中C占29%、A占25%,再者模板链中G占19%,则T占27%,则α链对应的DNA区段中A占(25%+27%)÷2=26%。
答案:(2)26%
[例6] 图①～③分别表示人体细胞中发生的3种生物大分子的合成过程。请回答下列问题。
(3)图中②、③所示的过程在遗传学上分别称为 、 。
解析:(3)图中②、③所示的过程在遗传学上分别称为转录和翻译。
答案:(3)转录 翻译
[例6] 图①～③分别表示人体细胞中发生的3种生物大分子的合成过程。请回答下列问题。
(4)噬菌体的信息传递途径为 。
[例6] 图①～③分别表示人体细胞中发生的3种生物大分子的合成过程。请回答下列问题。
(5)人体不同组织细胞的相同DNA进行过程②时启用的起始点 (填“都相同”“都不同”或“不完全相同”),其原因是 。
解析:(5)由于不同组织细胞中的基因进行选择性表达,所以人体不同组织细胞的相同DNA进行过程②时启用的起始点不完全相同。
答案:(5)不完全相同 不同组织细胞中的基因进行选择性表达
