第二节 遗传信息编码在DNA分子上
教学内容 教学要求 素养归属
1.双螺旋结构模型揭示了DNA分子的结构 (1)运用归纳与概括,分析DNA的结构组成,并建立DNA分子结构的基本模型 科学思维
(2)通过分析与讨论,明确DNA分子结构中碱基的配对关系及比例关系 科学思维
(3)基于模型与建模的思维,制作DNA分子的双螺旋结构模型 科学探究
2.碱基排列顺序编码了遗传信息 (1)通过对比分析,归纳总结DNA分子中碱基的排列顺序与遗传信息存储之间的关系 科学思维
(2)感悟DNA分子结构的精妙与发现过程的不易,形成结构与功能观 生命观念
(3)利用所学知识,能够解释DNA分子的遗传特性在生产、生活中的应用 社会责任
1.双螺旋结构模型揭示了DNA分子的结构
(1)DNA分子的化学组成
①基本组成元素:C、H、O、N、P。
②基本单位
(2)DNA分子的结构特点
①DNA分子是由两条长链组成的,这两条长链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。脱氧核糖和磷酸基团交替连接形成主链的基本骨架,排列在主链的外侧,碱基则位于主链内侧。
②DNA分子一条链上的核苷酸碱基总是跟另一条链上的核苷酸碱基互补配对,由氢键连接。其中遵循碱基互补配对原则
③在DNA分子中,A(腺嘌呤)和T(胸腺嘧啶)的数目相等,G(鸟嘌呤)和C(胞嘧啶)的数目相等,但A+T的量不一定等于G+C的量,这就是DNA中碱基含量的卡伽夫法则。
(3)制作DNA双螺旋结构模型
①材料用具
自选材料和用具。选取材料时,注意用不同形状和颜色的材料分别代表脱氧核糖、磷酸和不同的碱基。注意选取作为支架和连接的材料要有一定的强度和韧性,注意选取合适的工具。
②方法步骤
a.用所选材料制成不同形状、不同大小和不同颜色的物体,用来代表磷酸、脱氧核糖和不同的碱基。
b.将代表不同化合物的物体连接、组装在一起。
2.碱基排列顺序编码了遗传信息
(1)相对稳定性:DNA分子中磷酸基团和脱氧核糖交替连接的方式不变;两条链间碱基互补配对的方式不变。
(2)多样性:不同的DNA分子中脱氧核苷酸数目不同,排列顺序多种多样。若某DNA分子中有n个碱基对,则排列顺序有4n种。
(3)特异性:每个特定的DNA分子都具有特定的碱基排列顺序,代表了特定的遗传信息。
(4)应用:通过对DNA中核苷酸的序列分析,科学家可以判断各种生物在进化中的亲缘关系,医生可以对两个人的血缘关系做出参考性的结论,警察可以对案件中人物的身份进行鉴定等。
概念一 双螺旋结构模型揭示了DNA分子的结构
[概念情境]
20世纪30年代,人们已经认识到DNA是由脱氧核苷酸连接而成的长链;组成DNA分子的脱氧核苷酸有 4种,每1种含有1个特定的碱基。请思考并回答下列问题。
(1)每个脱氧核苷酸是由哪些小分子组成的 组成DNA的碱基有哪几种 尝试构建脱氧核苷酸的结构模型。
提示:脱氧核苷酸是由脱氧核糖、磷酸基团和含氮碱基组成的。组成DNA的碱基有腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C),共4种。
(2)脱氧核苷酸长链是如何构成具有双螺旋结构的DNA分子的 配对有什么规律
提示:两条脱氧核苷酸长链反向平行,通过碱基对连接在一起。A与T配对,G与C配对。
(3)现有M、N两个均含有200个碱基的双链DNA分子,其中M分子中共有260个氢键,N分子中含有20个腺嘌呤,那么M、N分子中各有C—G碱基对多少个 这两个DNA分子中哪个结构更稳定
提示:假设M分子只有A、T两种碱基,则200个碱基,100个碱基对,含有200个氢键,而实际上有260个氢键,即G—C碱基对共60个。N分子中A—T碱基对有20个,则G—C碱基对有80个,氢键共有20×2+80×3=280(个)。氢键越多的DNA分子越稳定,因此N分子更稳定。
DNA的结构
[典例1] (2020·浙江7月选考)某DNA片段的结构如图所示。下列叙述正确的是( D )
A.①表示胞嘧啶 B.②表示腺嘌呤
C.③表示葡萄糖 D.④表示氢键
解析:根据碱基互补配对原则可知,DNA结构中与A配对的是T,①表示胸腺嘧啶;与G配对的是C,②表示胞嘧啶;脱氧核苷酸中的单糖③表示脱氧核糖;④表示氢键。
[拓展延伸] DNA分子结构模型
(1)DNA分子双螺旋结构模型
(2)模型解读
①基本结构
a.由磷酸基团、脱氧核糖、含氮碱基组成,三者之间的数量关系为1∶1∶1。
b.磷酸基团:每个DNA分子片段中,游离的磷酸基团有2个。
②水解产物
DNA的初步水解产物是脱氧核苷酸,彻底水解产物是磷酸基团、脱氧核糖和含氮碱基。
③双链DNA分子结构中的几种关系
数量 关系 a.每个DNA分子片段中,游离磷酸基团有2个; b.脱氧核糖数=磷酸基团数=含氮碱基数; c.A—T碱基对有两个氢键,G—C碱基对有三个氢键
位置 关系 a.单链中相邻碱基间通过脱氧核糖—磷酸基团—脱氧核糖连接; b.互补链中相邻碱基间通过氢键相连
化学 键 a.氢键:连接互补链中相邻碱基间的化学键; b.磷酸二酯键:连接单链中相邻两个脱氧核苷酸的化学键
DNA分子中碱基数量的计算
[典例2] 已知某双链DNA分子中,G与C之和占全部碱基总数的34%,其中一条链的T与C分别占该链碱基总数的32%和18%,则在它的互补链中,T和C分别占该链碱基总数的( D )
A.32%和18% B.34%和18%
C.16%和34% D.34%和16%
解析:已知某DNA分子中,G与C之和占全部碱基总数的34%,则C=G=17%,A=T=50%-17%=33%。其中一条链的T与C分别占该链碱基总数的32%和18%,即T1=32%、C1=18%,根据碱基互补配对原则,双链DNA分子中,T=(T1+T2)÷2,计算可得T2=34%,同理,C2=16%。
[拓展延伸] DNA分子中碱基数量的计算规律
根据图可得出,一条链中某碱基数目等于另一条链中与其配对的碱基数目,即A1=T2、T1=A2、C1=G2、G1=C2,并可进一步推导出以下规律:
规律1:互补的两种碱基数量相等,即A=T(A1+A2=T2+T1),C=G(C1+C2=G2+G1)。
规律2:双链DNA中,嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数,即A+G=C+T。
规律3:任意两种不互补的碱基之和占总碱基的50%,如A+G=C+T=A+C=G+T=总碱基的50%。
规律4:一条链中互补碱基的和等于另一条链中这两种碱基的和,如A1+T1=A2+T2。
规律5:配对的碱基之和的比例在两条单链和双链中都相等。如一条链中=n,则另一条链中=n,双链中=n。
规律6:不配对的碱基之和的比值在两条单链中互为倒数。如一条链中=K,则另一条链中=。
规律7:不同生物的DNA分子中互补配对的碱基之和的比值不同,即(A+T)/(C+G)的值不同。该比值体现了不同生物DNA分子的特异性。
规律8:若已知A占双链的比例为c%,则A1占单链的比例无法确定,但可求出最大值为2c%,最小值为0。
制作DNA双螺旋结构模型
[典例3] 在“制作DNA双螺旋结构模型”活动中,可采用不同形状和颜色的纸片分别代表脱氧核糖、磷酸基团和不同碱基,用订书钉作为连接物。现要制作一个包含4种碱基、12个碱基对的DNA分子片段模型。下列叙述最不确切的是( A )
A.通过该活动,可以加深对DNA分子功能特点的理解和认识
B.选取作为支架的材料要有一定的强度和韧性
C.制作时用到相同形状和颜色的纸片最少的为1张
D.若该模型中有4个腺嘌呤,则需要102个订书钉
解析:通过该活动,可以加深对DNA分子结构特点的理解和认识;选取作为支架的材料要有一定的强度和韧性,要能螺旋形成双螺旋结构;制作时用到相同形状和颜色的纸片最少的为1张;若该模型中有4个腺嘌呤,则A—T碱基对有4个,C—G碱基对有8个,需要订书钉的数量=4×2(A与T之间的氢键)+8×3(C与G之间的氢键)+11×2(脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键)+24×2(脱氧核苷酸内部的化学键)=102(个)。
[拓展延伸] 制作DNA双螺旋结构模型的实验操作分析
(1)实验原理
①DNA分子由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成。
②DNA分子中脱氧核糖和磷酸基团交替连接,排列在外侧,构成基本骨架。
③DNA分子两条链上的碱基按照碱基互补配对原则两两配对,并且以氢键连接。
(2)实验步骤
①制作构成核苷
酸的各基团
②制备脱氧核苷酸模型:利用订书钉将磷酸基团、脱氧核糖、碱基连接起来。
③制备脱氧核苷酸长链:订书钉把一个个脱氧核苷酸模型连接起来,形成一条多核苷酸的长链,根据碱基互补配对原则,制作一条与这条链完全互补的脱氧核苷酸长链。
④将两条核苷酸链互补配对:将脱氧核苷酸中的磷酸基团固定在细铁丝上,然后把两条链平放在桌子上,用订书钉把配对的碱基两两连接在一起。
⑤形成DNA分子双螺旋模型:将两条链的末端分别与硬纸方块连接在一起,两手分别提起硬纸方块,轻轻旋转即可得到DNA分子双螺旋模型。
概念二 碱基排列顺序编码了遗传信息
[概念情境]
DNA指纹技术指获取某特定的单链DNA(探针),将其与DNA分子混合形成杂交带,经过处理获得长度不等杂交带图纹,这种图纹极少有两个人完全相同,故称为“DNA指纹”。在亲子鉴定、侦查罪犯等方面是目前最为可靠的鉴定技术。
请思考并回答以下问题。
(1)为什么DNA指纹能够在亲子鉴定、侦查罪犯等方面具有极高可靠性
提示:由于DNA分子的特异性,每个个体具有特定的遗传信息。
(2)DNA亲子鉴定中,DNA探针必不可少,DNA探针实际是一种已知碱基顺序的DNA片段,DNA探针寻找基因所利用的原理是什么
提示:碱基互补配对原则。
(3)用DNA做亲子鉴定时,小孩的条码会一半与其生母相吻合,另一半与其生父相吻合,其原因是什么
提示:由于每一对同源染色体必定一条来自母亲,一条来自父亲,因此小孩的条码会一半与其生母相吻合,另一半与其生父相吻合。
DNA遗传信息的特异性
[典例] 如图为四个物种的进化关系树(图中百分数表示各物种与人类的DNA相似度)。下列相关论述合理的是( D )
A.四个物种都由不同祖先进化而形成
B.和人类的亲缘关系最近的是非洲猴
C.和人类的亲缘关系最近的是大猩猩
D.和人类的亲缘关系最近的是黑猩猩
解析:四个物种的DNA相似度很高,这说明四个物种是由共同的祖先进化而来的;由题图可知,黑猩猩与人类的DNA相似度最高,说明其和人类的亲缘关系最近。
[拓展延伸] 遗传信息的特异性在于核苷酸序列的差异(即碱基对的排列顺序),而不是碱基的种类或核苷酸的种类。不同的基因(如A、a基因)的本质区别就是核苷酸序列不同。
请阅读下面的科普短文,并回答问题。
20世纪60年代,有人提出:在生命起源之初,地球上可能存在一个RNA世界。在原始生命中,RNA既承担着遗传信息载体的功能,又具有催化化学反应的作用。
现有很多证据支持“RNA世界论”的观点。例如,RNA能自我复制,满足遗传物质传递遗传信息的要求;RNA既可作为核糖体结构的重要组成部分,又能在遗传信息的表达过程中作为DNA与蛋白质之间的信息纽带;科学家在原生动物四膜虫等生物中发现了核酶(具有催化活性的RNA)后,又陆续发现在蛋白质合成过程和mRNA的加工过程中均有核酶参与。
蛋白质有更复杂的氨基酸序列,更多样的空间结构,可催化特定的底物发生化学反应,而RNA在催化反应的多样性及效率上均不如蛋白质。所以,RNA的催化功能逐渐被蛋白质代替。
RNA结构不稳定,容易受到环境影响而发生突变。RNA还能发生自身催化的水解反应,不易产生更长的多核苷酸链,携带的遗传信息量有限。所以,RNA作为遗传物质的功能逐渐被DNA代替。现今的绝大多数生物均以DNA为遗传物质,还有一个重要原因是DNA不含碱基U。研究发现碱基C容易自发脱氨基而转变为U,若DNA含碱基U,与DNA复制相关的“修复系统”就无法区分并切除突变而来的U,导致DNA携带遗传信息的准确性降低。
地球生命共同传承着几十亿年来原始RNA演绎的生命之树,生命演化之初的RNA世界已转变为当今由RNA、DNA和蛋白质共同组成的生命世界。
(1)核酶的化学本质是RNA。
(2)RNA病毒的遗传信息蕴藏在碱基(核糖核苷酸)的排列顺序中。
(3)在“RNA世界”以后的亿万年进化过程中,RNA作为酶和遗传物质的功能分别被蛋白质和DNA代替。
(4)在进化过程中,绝大多数生物以DNA作为遗传物质的原因是与RNA相比,DNA分子结构相对稳定和复制的准确性高。
(5)有人认为“生命都是一家”。结合上文,你是否认同这一说法 请说明理由。不认同;有的生物以DNA作为遗传物质,有的生物以RNA作为遗传物质(或认同;所有生物均以核酸作为遗传物质)。
解析:(1)根据题意可知核酶的化学本质是RNA。
(2)RNA病毒的遗传物质是RNA,其中的碱基(核糖核苷酸)的排列顺序代表了遗传信息。
(3)在“RNA世界”以后的亿万年进化过程中,RNA作为酶和遗传物质的功能分别被蛋白质和DNA代替,逐渐形成了由RNA、DNA和蛋白质共同组成的生命世界。
(4)DNA的双螺旋结构比RNA的单链结构相对稳定,含有更多的核苷酸,能够储存大量的遗传信息,这是DNA作为遗传物质的原因之一,且由题意知DNA复制的准确性更高,更适合作为遗传物质。
(5)只要写出对生命的看法,哪一种看法都行,但要提供正确的生物学的论据,而且必须能够支持自己的论点。如不认同,有的生物以DNA作为遗传物质,有的生物以RNA作为遗传物质;或认同,所有生物均以核酸作为遗传物质。
1.下列关于双链DNA分子的叙述,正确的是( B )
A.每个核糖上均连接着一个磷酸基团和一个碱基
B.在一条脱氧核苷酸链中,相邻的核苷酸之间通过磷酸二酯键相连
C.若一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则另一条链相应碱基比为4∶3∶2∶1
D.DNA分子中A与T碱基含量越高,其结构相对越稳定
解析:DNA分子中不含核糖,含有的是脱氧核糖,且大多数脱氧核糖上连接着2个磷酸基团和1个碱基;在一条脱氧核苷酸链中,相邻的核苷酸之间通过磷酸二酯键相连;若一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则另一条链相应碱基比为2∶1∶4∶3;A与T之间有2个氢键,C与G之间有3个氢键,因此DNA分子中C与G碱基含量越高,其结构相对越稳定。
2.DNA熔解温度(Tm)是使DNA双螺旋结构解开一半时所需要的温度,不同种类DNA的Tm值不同。如图表示DNA分子中G+C含量(占全部碱基的比例)与Tm的关系。下列有关叙述中,错误的是( B )
A.双链DNA分子中的碱基含量符合卡伽夫法则
B.Tm值相同的DNA分子中G+C的数量相同
C.Tm值的大小与DNA中氢键的多少有关
D.在“制作DNA双螺旋结构模型”活动中,应选择6种形状的材料分别表示脱氧核糖、磷酸基团和碱基
解析:双链DNA分子中的碱基含量符合卡伽夫法则,即C=G、A=T;两个DNA分子若Tm值相同,则它们所含G+C比例相同,但C+G的数量不一定相同;Tm值的大小与DNA中氢键的数量有关;在“制作DNA双螺旋结构模型”活动中,应选择6种形状的材料分别表示脱氧核糖、磷酸基团和四种碱基。
3.下列表示某同学制作的脱氧核苷酸结构模型(表示脱氧核糖,表示碱基,表示磷酸基团),其中正确的是( D )
解析:脱氧核苷酸不含碱基U,磷酸基团与脱氧核糖直接相连,不能和碱基直接相连。
4.一条双链DNA分子,G和C占全部碱基的44%,其中一条链的碱基中,26%是A,20%是C,那么其互补链中的A和C分别占该链全部碱基的百分比是( B )
A.28%和22% B.30%和24%
C.26%和20% D.24%和30%
解析:已知DNA分子中,G和C占全部碱基的44%,即C+G=44%,则C=G=22%、A=T=50%-22%=28%。又已知一条链的碱基中,A占26%,C占20%,即A1=26%、C1=20%,根据碱基互补配对原则,A=(A1+A2)÷2,则A2=30%,同理C2=24%。
5.如图是DNA片段的结构图,请据图回答下列问题。
(1)填出图中部分结构的名称:[2] ,[5] 。
(2)从图中可以看出DNA分子中的骨架是由 (填名称)和 (填名称)交替连接形成的。
(3)连接碱基对的结构是[7] ,DNA分子中碱基配对的方式是 。
(4)从图甲可以看出组成DNA分子的两条链的方向是 的,从图乙可以看出组成DNA分子的两条链相互缠绕成独特的 结构。
(5)若在一单链中,=n时,在整个DNA中上述比例为 。
(6)若含有400个碱基的某DNA片段中,氢键共有 550个,则该DNA片段中腺嘌呤有 个。
解析:(1)图中[2]是一条脱氧核苷酸单链片段,[5]是腺嘌呤脱氧核苷酸。
(2)DNA分子的骨架是由磷酸基团和脱氧核糖交替连接形成的。
(3)连接碱基对的结构是[7]氢键;DNA分子中碱基配对的方式是A与T配对、G与C配对。
(4)从图甲可以看出组成DNA分子的两条链的方向是反向平行的,从图乙可以看出组成DNA分子的两条链相互缠绕成独特的双螺旋结构。
(5)DNA分子的一条单链中(A+T)与(G+C)的比值等于其互补链和整个DNA分子中该比例的比值。因此若在一单链中=n,则在整个DNA中上述比例也为n。
(6)若含有400个碱基的某DNA片段中,氢键共有550个,设该DNA片段中腺嘌呤数目为n,则A=T=n,C=G=200-n,由于A—T之间有2个氢键,C—G之间有3个氢键,则2n+3(200-n)=550,解得n=50。
答案:(1)一条脱氧核苷酸单链片段 腺嘌呤脱氧核苷酸
(2)磷酸基团 脱氧核糖(顺序可调换)
(3)氢键 A与T配对、G与C配对
(4)反向平行 双螺旋
(5)n
(6)50
概念理解练
1.DNA分子的多样性和特异性主要是由于( C )
A.相对分子质量大
B.具有规则的双螺旋结构
C.碱基对的不同排列方式
D.磷酸基团和脱氧核糖的相间排列
解析:DNA分子的多样性和特异性主要是由于碱基对的不同排列方式。
2.如图是四名同学拼制的DNA分子平面结构部分模型,正确的是( C )
解析:磷酸与磷酸不能直接相连;磷酸应该与脱氧核糖相连,而不与含氮碱基直接相连;每分子的脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子碱基组成,磷酸是连接在脱氧核糖的第五位碳原子上,碱基是连接在第一位碳原子上。脱氧核苷酸之间是通过磷酸二酯键连接的,一个脱氧核苷酸的磷酸基与另一个脱氧核苷酸的脱氧核糖(第三个碳原子)之间形成磷酸二酯键;两个磷酸基团不应该与同一个脱氧核糖的同一个碳原子相连。
3.下列关于DNA分子的叙述错误的是( D )
A.若一条链上A和T的数目相等,则另一条链上A和T的数目也相等
B.若一条链上A的数目大于T,则另一条链上A的数目小于T
C.若一条链中C+G占48%,则DNA分子中T占26%
D.若一条链上的A∶T∶G∶C=2∶1∶3∶4,则另一条链上是A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4
解析:在双链DNA中,一条链上的A与另一条链上的T配对相等,一条链上的T与另一条链上的A配对相等,因此若一条链上A和T的数目相等,则另一条链上的A和T数目也相等;若一条链上A的数目大于T,则另一条链上A的数目小于T;若一条链中C+G占48%,根据碱基互补配对原则,该DNA分子中C+G占48%,则A+T占52%,则DNA分子中T占26%;由碱基互补配对原则可知,若一条链上的A∶T∶G∶C=2∶1∶3∶4,则另一条链是A∶T∶G∶C=1∶2∶4∶3。
4.分析一条双链DNA分子时,发现有30%的脱氧核苷酸含腺嘌呤,那么其中一条链上含有的鸟嘌呤的最大值是( C )
A.20% B.30%
C.40% D.70%
解析:在一个DNA分子中,有30%的脱氧核苷酸含有腺嘌呤,即A=30%。根据碱基互补配对原则,T=A=30%,则C=G=50%-30%=20%。该DNA分子中鸟嘌呤所占的比例为20%,则该DNA分子中一条链上鸟嘌呤占此链碱基总数的比例为0～40%。所以,该DNA分子中一条链上鸟嘌呤含量的最大值可占此链碱基总数的40%。
5.如图为某核苷酸长链片段的示意图,下列关于该长链的相关叙述中,错误的是( B )
A.2和3构成核苷
B.嘌呤数目等于嘧啶数目
C.4为胞嘧啶脱氧核苷酸
D.磷酸基团的数目等于脱氧核糖的数目
解析:2是脱氧核糖,3是含氮碱基(胞嘧啶),两者结合构成核苷;该链为DNA单链时,嘌呤数目不一定等于嘧啶数目,DNA双链中嘌呤数目等于嘧啶数目;题图中的4是胞嘧啶脱氧核苷酸;一个磷酸分子+1个脱氧核糖+1分子含氮碱基构成1个脱氧核苷酸,其中磷酸基团的数目等于脱氧核糖的数目。
6.下列有关DNA结构特点的叙述中,不正确的一项是( B )
A.每个DNA分子(双链)都含有4种脱氧核苷酸
B.每个DNA分子中脱氧核糖上连接一个磷酸基团和一个碱基
C.DNA分子两条链中的碱基通过氢键连接起来,形成碱基对
D.某一段双链DNA分子中若含有20个胞嘧啶,就一定会同时含有
20个鸟嘌呤
解析:每个DNA分子(双链)都含有4种脱氧核苷酸;DNA分子中绝大多数脱氧核糖上连接两个磷酸基团和一个碱基,只有末端的脱氧核糖连接一个磷酸和一个碱基;DNA分子两条链中的碱基通过氢键连接起来,形成碱基对;双链DNA分子中碱基之间的配对遵循碱基互补配对原则,且互补配对的碱基彼此相等,即A=T、C=G,因此某一段双链DNA分子中若含有20个胞嘧啶,就一定会同时含有20个鸟嘌呤。
7.下列有关生物科学研究方法的叙述中,错误的是( D )
A.沃森和克里克用模型建构的方法发现了DNA的双螺旋结构
B.孟德尔运用“假说演绎法”得出了两个遗传规律
C.赫尔希和蔡斯利用“放射性同位素标记技术”证实了DNA是遗传
物质
D.萨顿运用“类比推理法”证明了基因在染色体上
解析:沃森和克里克用模型建构的方法发现了DNA的双螺旋结构;孟德尔运用“假说演绎法”得出了基因分离定律和自由组合定律;赫尔希和蔡斯利用“放射性同位素标记技术”证实了DNA是遗传物质;萨顿运用“类比推理法”提出基因在染色体上的假说。
8.甲、乙两组同学用A、T、C、G四种碱基卡片,足够多的脱氧核糖、磷酸基团及相应的连接物搭建DNA双螺旋结构模型,四种碱基卡片的数量如表:
组别 A T C G
甲组 10个 20个 30个 40个
乙组 40个 30个 20个 10个
尽可能多地利用这些卡片,这两组同学搭建的DNA模型中不会相同的是( A )
A.氢键数 B.磷酸二酯键数
C.DNA长度 D.碱基对数
解析:甲组有10个A—T碱基对,30个C—G碱基对,乙组有30个A—T碱基对,10个C—G碱基对,由于C—G之间有3个氢键,A—T之间有2个氢键,因此这两组同学搭建的DNA模型中不会相同的是氢键数;由以上分析可知,甲组和乙组都有40个碱基对,因此所含磷酸二酯键数相同;同理,这两组同学搭建的DNA模型中DNA长度和碱基对数相同。
9.一个双链DNA分子中,G与C总和占全部碱基的1/3;其中一条单链的碱基中,G占1/4,T占2/5;那么另一条单链中的G和T分别占该单链碱基总数的比例是( B )
A.1/4和2/5 B.1/12和4/15
C.1/12和1/6 D.1/5和4/15
解析:一个双链DNA分子中,G与C总和占全部碱基的1/3,则A与T之和占全部碱基的2/3,每条单链中,G与C之和占单链全部碱基的1/3,A与T之和占单链全部碱基的2/3,其中一条单链的碱基中,G占1/4,T占2/5,则C占1/3-1/4=1/12,A占2/3-2/5=4/15,另一条单链中的G和T分别占该单链碱基总数的比例是1/12和4/15。
10.如图是DNA分子的结构模式图,请据图回答下列问题。
(1)物质①是 ,物质②是 ,物质④是
。
(2)物质⑤是 。
(3)DNA分子的两条链按 平行的方式盘旋成双螺旋结构。DNA分子中碱基对 (填“A—T”或“C—G”)的比例越高,则DNA分子的结构越稳定。
解析:(1)分析图示为DNA分子的结构模式图,其中①是胞嘧啶,②是脱氧核糖,③是磷酸,④是胞嘧啶脱氧核苷酸。(2)物质⑤是胸腺嘧啶脱氧核苷酸。(3)DNA分子的两条链按反向平行的方式盘旋成双螺旋结构。A—T碱基对有2个氢键,C—G碱基对有3个氢键,故DNA分子中C—G碱基对的比例越高,则DNA分子的结构越稳定。
答案:(1)胞嘧啶 脱氧核糖 胞嘧啶脱氧核苷酸
(2)胸腺嘧啶脱氧核苷酸
(3)反向 C—G
素养提升练
11.如图表示某同学制作的DNA双螺旋结构模型的一个片段。其中存在的错误有( C )
A.3处 B.5处
C.7处 D.8处
解析:构成DNA的糖是脱氧核糖而不是核糖,有4处错误;DNA中不存在尿嘧啶,腺嘌呤与胸腺嘧啶连接,连接两者的氢键为2个,有2处错误;胞嘧啶与鸟嘌呤之间的氢键为3个,1处错误,共7处错误。
12.在“制作DNA双螺旋结构模型”的活动中,材料有4个碱基C、6个碱基G、3个碱基A、7个碱基T、40个脱氧核糖、100个磷酸、脱氧核糖和磷酸之间的连接物22个,代表氢键的连接物及脱氧核糖和碱基之间的连接物充足,搭建的DNA分子片段中碱基对最多有( A )
A.6对 B.7对
C.8对 D.9对
解析:在双链DNA中,碱基之间的配对遵循碱基互补配对原则,即A=T、G=C,则A=T有3对,G=C有4对。设能搭建的DNA分子含有n个碱基对,则每条链需要脱氧核糖和磷酸之间的连接物的数目为2n-1,两条链共需(2n-1)×2个,已知脱氧核糖和磷酸之间的连接物有22个,则n=6,所以只能搭建出一个6个碱基对的DNA分子片段。
13.某研究小组测定了多个不同双链DNA分子的碱基组成,根据测定结果绘制了DNA分子的一条单链与其互补链、一条单链与其所在DNA分子中碱基数目比值的关系图,下列正确的是( C )
解析:DNA分子中(A+C)/(T+G)应始终等于1;一条单链中(A+C)/(T+G)与其互补链中(A+C)/(T+G)互为倒数,一条单链中(A+C)/(T+G)=0.5时,互补链中(A+C)/(T+G)=2;一条单链中(A+T)/(G+C)与其互补链中(A+T)/(G+C)及DNA分子中(A+T)/(G+C)都相等。
14.20世纪初莱文和琼斯发现DNA由六种小分子组成:脱氧核糖、磷酸基团和四种碱基(A、G、T、C),如图表示四种碱基的分子结构。下列相关叙述不正确的是( B )
A.四种碱基的元素组成不全相同
B.在DNA分子的一条链中,碱基A与T以2个氢键相连,G与C以3个氢键相连
C.四种碱基都位于DNA双螺旋结构的内侧
D.嘧啶都只有一个六环,而嘌呤都由一个六环和一个五环构成
解析:由题图可知,四种碱基的元素组成不完全相同;在DNA分子的两条链之间,碱基A与T以2个氢键相连,G与C以3个氢键相连,在DNA分子的一条链中,相邻碱基之间通过脱氧核糖-磷酸—脱氧核糖连接;碱基位于DNA双螺旋结构的内侧;由题图可知,嘧啶都只有一个六环,而嘌呤都有一个六环和一个五环。
15.分析以下材料,回答有关问题。
材料一 在沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构模型之前,人们已经证实了DNA分子是由许多脱氧核苷酸构成的长链。自然界中的DNA并不以单链形式存在,而是由两条链结合形成的。
材料二 在1949年到1951年期间,科学家卡伽夫研究不同生物的DNA时发现,DNA分子中嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数,即A的总数等于T的总数,G的总数等于C的总数,但(A+T)与(G+C)的比值是不固定的。
材料三 富兰克林等人对DNA晶体的X射线衍射图谱分析表明,DNA分子由许多“亚单位”组成,每一层的间距相等,而且整个DNA分子长链的直径是恒定的。
以上科学研究成果为1953年沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构模型奠定了基础。
请分析并回答下列问题。
(1)材料一表明DNA分子是由两条 组成的,其基本单位是 。
(2)嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数,说明 。
(3)A的总数等于T的总数,G的总数等于C的总数,说明 。
(4)A与T的总数和G与C的总数的比值不固定,说明 。
(5)富兰克林等人提出的DNA分子中的亚单位事实上是 ;亚单位的间距都相等,而且DNA分子的直径是恒定的,这些特征表明 。
(6)基于以上分析,沃森和克里克提出了碱基之间的对应关系是 ,并成功地构建了DNA分子的双螺旋结构模型。
解析:材料一到材料三表明了当时科学界对DNA的认识:DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的双链结构。嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数,即A的总数等于T的总数,G的总数等于C的总数,说明二者可能是分别对应的关系,而A与T的总数和G与C的总数的比值不固定,则说明A与T之间的对应和C与G之间的对应是互不影响的,所以沃森和克里克提出了各对应碱基之间的对应关系是A与T配对,C与G配对,从而成功构建了DNA分子的双螺旋结构模型。
答案:(1)脱氧核苷酸长链 脱氧核苷酸
(2)DNA分子中嘌呤与嘧啶之间一一对应
(3)A与T一一对应,C与G一一对应
(4)A与T之间的对应和C与G之间的对应互不影响
(5)碱基对 DNA分子的空间结构非常规则
(6)A与T配对,C与G配对第三节 DNA通过复制传递遗传信息
教学内容 教学要求 素养归属
1.DNA通过半保留方式进行复制 (1)运用归纳与概括,分析总结DNA复制的过程、条件等 科学思维
(2)基于“DNA复制过程的同位素示踪实验”,探究DNA复制的特点 科学探究
2.DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础 (1)分析总结DNA复制在亲子代遗传信息传递过程中的作用 科学思维
(2)利用所学,解释亲子代遗传信息保持稳定的原因 科学思维
1.DNA通过半保留方式进行复制
(1)探究DNA的复制过程
①实验原理
a.实验方法:同位素示踪技术和离心技术。
b.实验原理:含15N的双链DNA密度较大,离心后的条带分布于离心管的下部;含14N的双链DNA密度较小,离心后的条带分布于离心管的上部;一条链含15N与另一条含14N的双链DNA密度应该介于双链均含15N的DNA和双链均含14N的DNA之间,离心后的条带应分布于离心管的中部。
②实验过程
③实验分析
a.实验预期
预期一:若第二代DNA分子中15N-15N -DNA占1/2,14N-14N -DNA占1/2,而第三代DNA分子中15N-15N -DNA占1/4,14N- 14N-DNA 占3/4,说明DNA复制是全保留复制。
预期二:若第二代DNA分子中全部是15N-14N-DNA,而第三代DNA分子中15N-14N -DNA占1/2, 14N- 14N -DNA占1/2,说明DNA复制是半保留复制。
b.实验结论
实验结果和预期二的一致,说明DNA的复制是以半保留的方式进行的。
(2)DNA复制的特点及条件
项目 内容
概念 以亲代DNA为模板,合成子代DNA的过程
时间 有丝分裂的间期或减数第一次分裂前的间期
场所 细胞核、线粒体、叶绿体
特点 边解旋边复制
方式 半保留复制
条件 ①模板:亲代DNA的两条链; ②原料:四种脱氧核苷酸; ③酶:解旋酶和DNA聚合酶等; ④能量:由ATP供能
(3)DNA复制的过程(如图)
①解旋:DNA复制时,在解旋酶的作用下,两条链的配对碱基之间的氢键断开,碱基暴露出来,形成了两条“模板链”,即母链。
②合成子链:每一条母链按照互补配对的原则,腺嘌呤与胸腺嘧啶核苷酸配对,鸟嘌呤与胞嘧啶核苷酸配对等。最后相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团间形成磷酸二酯键,产生一条子链。
③形成子代DNA:每条子链与其对应的母链盘绕成双螺旋结构,从而形成两个与亲代DNA完全相同的DNA分子。
2.DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础
(1)保证了多细胞生物体的每个体细胞都携带相同的遗传信息,而且生殖细胞在形成过程中也要进行DNA的复制。
(2)将亲代的遗传信息传给子代,从而保持了前后代遗传信息的连续性。
概念一 DNA通过半保留方式进行复制
[概念情境]
将蚕豆幼苗放在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷(即3H-T,胸腺嘧啶脱氧核苷酸的组成成分)的培养基中培养一段时间,让3H掺入DNA中,从而使染色体带有放射性,培养过程如图甲。随后,将幼苗转到普通培养基(1H-T)中培养一段时间,图乙是跟踪检测根尖细胞部分染色体某时期变化图。
请据图思考并回答以下问题。
(1)完成图甲的培养过程,核DNA至少经过几次复制 若某核DNA含有900个胸腺嘧啶脱氧核苷酸,则复制3次共需要多少个腺嘌呤脱氧核苷酸
提示:①根据题意,有丝分裂过程中DNA分子进行半保留复制,第一次有丝分裂结束后,每个双链DNA分子的两条链,其中一条链含有3H(有放射性),另一条链不含3H(无放射性);第二次有丝分裂过程中,DNA分子复制后,一半DNA分子的两条链是含有3H(有放射性)和不含3H(无放射性),另一半DNA分子的两条链都是含有3H(有放射性),所以完成图甲的培养过程,核DNA至少经过2次复制。
②在DNA分子中A=T,若某核DNA含有900个胸腺嘧啶脱氧核苷酸,则复制3次需要(23-1)×900=6 300(个)腺嘌呤脱氧核苷酸。
(2)在细胞分裂过程中,图乙的B过程一般发生在什么时期 此过程产生的两条染色体中, 3H是如何分布的
提示:在细胞分裂过程中,图乙的B过程为着丝粒分裂,发生在有丝分裂后期;此过程产生的两条染色体中,无放射性的不含3H,有放射性的一条链含有3H,另一条链不含3H。
(3)若该图甲中DNA分子经过诱变,某位点上一个正常碱基(设为P)变成了尿嘧啶。该DNA连续复制两次,得到4个子代DNA分子相应位点上的碱基对分别为U—A、A—T、G—C、C—G,请分析“P”应为何种碱基。
提示:根据DNA半保留复制的特点,DNA分子经过2次复制后,以突变链为模板复制形成的2个DNA分子相应位点上的碱基对为U—A、A—T,而另一条正常,以正常链为模板复制形成的两个DNA分子相应位点上的碱基对为G—C、C—G,因此被替换的可能是G或C。
DNA的复制特点
[典例1] 下列关于DNA复制的叙述中,正确的是( D )
A.DNA复制只以亲代的一条DNA链为模板
B.在DNA聚合酶作用下,两条链配对的碱基之间的氢键断开
C.形成子链时,相邻核苷酸的核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键
D.DNA复制形成的子代DNA分子中的碱基数量遵循卡伽夫法则
解析:DNA复制是以亲代的两条DNA链分别为模板;在解旋酶作用下,两条链配对的碱基之间的氢键断开;形成子链时,相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键;DNA复制形成的子代DNA分子中的碱基数量遵循卡伽夫法则。
[概念误区] 有关DNA复制过程的几个易错点
(1)DNA复制时并不是两条链全部解旋后再复制产生新链,而是边解旋边复制。
(2)DNA复制时,氢键断裂需要DNA解旋酶,但这并不是氢键断裂的唯一方式,如高温加热也能使氢键断裂,另外转录过程中在RNA聚合酶的作用下,氢键也会断裂。
(3)在DNA复制过程中,在解旋酶的作用下,两条链间的氢键断裂,暴露的碱基吸引配对的脱氧核苷酸与之配对,最后相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键,形成子链。
(4)在细胞分裂时,染色体上的DNA分子复制后,两条链进入两条姐妹染色单体中,会在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期分离。
DNA复制过程中的数量变化
[典例2] 用15N标记含有200个碱基对的DNA分子,其中有胞嘧啶120个。该DNA分子在含14N 的培养基中连续复制4次,其结果可能是( B )
A.含14N的DNA分子占7/8
B.共需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸1 200个
C.含15N 的脱氧核苷酸链占1/8
D.子代DNA分子中嘌呤与嘧啶之比是2∶3
解析:由于DNA分子的复制是半保留复制,最终只有2个子代DNA各含1条15N链,1条14N链,其余DNA都含14N,故全部子代DNA都含14N;含有200个碱基对400个碱基的DNA分子,其中有胞嘧啶120个,可得A=80个,故复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸(24-1)×80=1 200(个);DNA复制为半保留复制,不管复制几次,最终子代DNA都保留亲代DNA的2条母链,故16个DNA分子中,含有15N的脱氧核苷酸链占2/32=1/16;子代DNA分子中嘌呤与嘧啶之比是1∶1。
[拓展延伸] DNA复制过程中的一些比例关系
DNA复制为半保留复制,若将亲代DNA分子复制 n代,其结果分析如下:
(1)第n代DNA分子总数为2n个。
①含有亲代链的DNA分子数为2个。
②不含亲代链的DNA分子数为(2n-2)个。
③含子代链的DNA分子数为2n个。
(2)第n代脱氧核苷酸链总数为2n+1条。
①亲代脱氧核苷酸链数为2条。
②新合成的脱氧核苷酸链数为(2n+1-2)条。
(3)消耗的脱氧核苷酸数
①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,经过n次复制,共需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n-1)个。
②第n次复制所需该种脱氧核苷酸数为m·2n-1个。
探究DNA的半保留式复制
[典例3] 假设DNA复制仅具有半保留、全保留复制两种可能,下列有关叙述错误的是( C )
A.本实验中用32P替代15N可以得到相同的实验结论
B.本实验中用R型肺炎链球菌替代大肠杆菌可以得到相同的实验结论
C.仅从该实验的第二代结果分析不能得出DNA复制具有半保留复制的特点
D.科学家在设计本实验前,提出了DNA复制方式的假设
解析:DNA分子的组成元素是C、H、O、N、P,本实验中用32P替代15N可以得到相同的实验结论;R型肺炎链球菌和大肠杆菌都属于细菌,本实验中用R型肺炎链球菌替代大肠杆菌可以得到相同的实验结论;该实验假设DNA复制仅具有半保留、全保留复制两种可能,若为全保留复制,第二代应该会出现轻带和重带两种条带,而该实验仅出现中带,因此仅从该实验的第二代结果分析能得出DNA复制具有半保留复制的特点;科学家采用了假说-演绎法,即其在设计本实验前,提出了DNA复制方式的假设。
DNA复制与细胞分裂的关系
[典例4] 果蝇体细胞含有8条染色体。现有一个不带标记的果蝇体细胞,放在含32P培养基中培养,使其连续分裂两次,下列叙述正确的是( C )
A.第一次分裂中期,每条染色体每条脱氧核苷酸链都有32P标记
B.第一次分裂后期,每条染色体的每条染色单体都有32P标记
C.第二次分裂中期,每个细胞的16条染色单体都被32P标记
D.第二次分裂后期,每个细胞共有16条脱氧核苷酸链被32P标记
解析:第一次分裂中期,由于DNA的半保留复制,所以每条染色体上的DNA分子中只有一条脱氧核苷酸链有32P标记;第一次分裂后期,着丝粒已分裂,所以不含染色单体;第二次分裂中期,由于放在含32P培养基中培养,所以每个细胞的16条染色单体都被32P标记;第二次分裂后期,每个细胞有16条染色体、32条脱氧核苷酸链,其中有24条脱氧核苷酸链被32P标记。
[拓展延伸] 图形法演示DNA复制与细胞分裂相结合的相关内容(以15N标记为例)
(1)有丝分裂过程
①一个细胞经过一次有丝分裂,产生了两个子细胞,每个子细胞和亲代细胞一样都含有相同数目的染色体,并且每个细胞中的每一条染色体上的DNA分子都保留了亲代细胞DNA分子的一条链(15N),体现了DNA分子半保留复制的特点。
②连续分裂两次,形成四个子细胞,有3种情况出现:第一种情况是4个子细胞都是15NN、14NN;第二种情况是2个细胞是15NN、14NN,1个细胞是15N-14N、15NN,1个细胞是14NN、14NN;第三种情况是2个细胞是15NN、15NN,另外2个细胞是14NN、14NN。
(2)减数分裂过程
一个性原细胞经过减数分裂,产生了四个子细胞。每个子细胞的染色体数目较性原细胞减少了一半,并且每个子细胞中的每条染色体上的DNA分子都保留了性原细胞DNA分子的一条链(子细胞DNA两条链均为15N-14N),即半保留复制。
概念二 DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础
[概念情境]
资料显示,PCR技术(聚合酶链式反应技术)成为分子生物学实验的一种常规手段。该技术在试管中进行DNA的人工复制(如图所示),这种体外DNA复制的原理和生物体内基本相似,通过PCR技术,在很短时间内,将DNA扩增几百万倍甚至几十亿倍,使分子生物实验所需的遗传物质不再受限于只从生物体中获得。
请据图思考并回答以下问题。
(1)加热至94 ℃的目的是使样品中DNA的氢键断裂,这一过程在生物体细胞内是靠什么完成的
提示:解旋酶。
(2)PCR技术和生物体内的DNA复制一样,都遵循碱基互补配对原则,但也存在差异,请从DNA复制的特点角度回答。
提示:图中显示PCR是把母链DNA的双链彻底解开才进行复制,而生物体内的DNA复制特点是边解旋边复制。
(3)通过PCR技术可以在短时间内获得数量庞大的相同DNA分子,显示了DNA复制的意义是什么
提示:DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础,从而保持了前后代遗传信息的连续性。
DNA复制的意义
[典例] 如图为有关细胞增殖的概念图,下列说法正确的是( C )
A.①过程中无纺锤丝和染色体的出现,人的红细胞以此种方式增殖
B.进行②过程时,染色体和核DNA在各个时期的数量变化完全相同
C.②过程中保持了遗传性状在亲子代之间的连续性
D.③过程大约占细胞周期的5%,主要完成DNA的复制和有关蛋白质的合成
解析:分析题图可知,①是无丝分裂,该过程不出现纺锤丝和染色体,人的红细胞不以此种方式增殖;②是有丝分裂,染色体和核DNA在各个时期的数量变化规律不完全相同,如核DNA加倍发生在细胞分裂的间期,染色体加倍发生在细胞分裂期的后期;有丝分裂的意义是保证了细胞的亲代和子代之间遗传性状的稳定性和连续性;②表示有丝分裂、③表示分裂间期,细胞周期中分裂间期持续的时间远远比分裂期要长。
[拓展延伸] 细胞分裂过程中均存在DNA复制,但是有丝分裂的结果是产生与亲代相同的子细胞,相当于细胞层次的克隆,实现亲子代细胞遗传物质的稳定性;而减数分裂则是生物有性生殖的前提,通过减数分裂与受精作用,实现亲子代个体遗传物质的稳定性和连续性。
正常细胞可以自主合成组成核酸的核糖和脱氧核糖。现在有某突变细胞群不能自主合成核糖和脱氧核糖,必须从培养基中摄取。为验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸,现提供如下实验材料,请你完成实验方案。
(1)实验目的:验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸。
(2)实验材料:突变细胞群、基本培养基、核糖核苷酸、14C-核糖核苷酸(有放射性)、脱氧核苷酸、14C脱氧核苷酸(有放射性)、放射性探测显微仪等。
(3)实验原理:
DNA主要分布在细胞核中,其基本组成单位是脱氧核苷酸;RNA主要分布在细胞质中,其基本组成单位是核糖核苷酸。
(4)①实验步骤:
第一步:取基本培养基若干,随机分成两组。分别编号为甲组和乙组。
第二步:在甲组培养基中加入适量的核糖核苷酸和14C脱氧核苷酸;在乙组培养基中加入等量14C核糖核苷酸和脱氧核苷酸。
第三步:在甲、乙两组培养基中分别接种相同数量的突变细胞。在5% CO2恒温培养箱中培养一段时间,使细胞增殖。
第四步:分别取出甲、乙两组培养基中的细胞,检测细胞中出现放射性的主要部位。
②预期结果:
甲组培养基中细胞的放射性主要分布在细胞核中;
乙组培养基中细胞的放射性主要分布在细胞质中。
③实验结论:DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸。
解析:(4)①分析题意可知,该实验的自变量是放射性标记的核苷酸的种类,按照实验设计的对照原则和单一变量原则,设计实验的步骤如下:
第一步:取基本培养基若干,随机分成两组。分别编号为甲组和乙组。
第二步:在甲组培养基中加入适量的核糖核苷酸和14C-脱氧核苷酸;在乙组培养基中加入等量14C-核糖核苷酸和脱氧核苷酸。
第三步:在甲、乙两组培养基中分别接种相同数量的突变细胞(原因是保证无关变量相同且适宜)。在5% CO2恒温培养箱中培养一段时间,使细胞增殖。
第四步:分别取出甲、乙两组培养基中的细胞,检测细胞中出现放射性的主要部位。
②预期结果:甲组培养基中细胞的放射性主要分布在细胞核中;乙组培养基中细胞的放射性主要分布在细胞质中。
1.某DNA分子有500个碱基对,其中含有鸟嘌呤脱氧核苷酸300个,该DNA进行连续复制,经测定共消耗了周围环境中1 400个腺嘌呤脱氧核苷酸,则该DNA分子共复制了多少次( A )
A.3次 B.4次 C.5次 D.6次
解析:由题意知,一个DNA分子含有500个碱基对,即 1 000个脱氧核苷酸,其中鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸为300个,那么该DNA分子中腺嘌呤脱氧核苷酸=(1 000-300×2)÷2=200(个)。该DNA分子复制n次,消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸是(2n-1)×200=1 400,解得n=3。
2.下列关于DNA的相关计算,正确的是( C )
A.具有1 000个碱基对的DNA,腺嘌呤有600个,则每一条链上都具有胞嘧啶200个
B.具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,复制n次后共需2n·m个胸腺嘧啶
C.具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,第n次复制需要2n-1·m 个胸腺嘧啶
D.无论是双链DNA还是单链DNA,(A+G)所占的比例均是1/2
解析:具有1 000个碱基对的DNA,腺嘌呤有600个,则DNA中含胞嘧啶400个,因此一条链上的胞嘧啶数为0～400个;具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,复制n次后DNA数由1个变为2n个,因此需要(2n-1)·m个胸腺嘧啶,其第n次复制DNA数由2n-1个变为2n个,这一过程需要2n-1·m个胸腺嘧啶;只有在双链DNA中才遵循卡伽夫法则,即A=T、G=C,在单链DNA中不存在这一关系,因此只有双链DNA中(A+G)所占的比例为1/2,单链DNA中该比值不一定为1/2。
3.如图为某DNA分子半保留复制过程的部分示意图,非复制区与复制区的相接区域会形成Y字形结构,被称为“复制叉”。在复制过程中,DNA连接酶可以将脱氧核苷酸片段连接在一起,据图分析,下列说法错误的是( C )
A.解旋酶可结合在复制叉的部位
B.DNA复制叉的延伸需要消耗能量
C.DNA聚合酶能催化前导链和滞后链由3′端向5′端延伸
D.DNA连接酶在DNA复制过程中能催化磷酸二酯键形成
解析:解旋酶在DNA复制过程中起到催化双链DNA解旋的作用,据图可知,解旋酶可结合在复制叉的部位;DNA复制叉在延伸时会断裂氢键,所以需要消耗能量;据图可知,DNA聚合酶能催化前导链和滞后链由5′端向3′端延伸;DNA连接酶在DNA复制过程中将脱氧核苷酸连接在一起,即能催化磷酸二酯键形成。
4.图甲是大肠杆菌DNA分子复制过程示意图。图乙为真核生物染色体DNA分子复制过程示意图。
下列对图甲和图乙的分析,错误的是( B )
A.图甲说明,原核细胞的DNA复制从起点开始双向进行
B.图乙说明,真核细胞的DNA复制从多个位点同时开始
C.甲、乙两图中DNA分子复制都是边解旋边双向复制的
D.图乙所示真核生物的这种复制方式提高了复制速率
解析:从图甲中看出,复制的起点在中间,向两边双向复制;从图乙中看出,复制环的大小不同,所以它们并不是同时开始复制的;甲、乙两图中DNA分子复制都是边解旋边双向复制的;图乙所示真核生物的多起点、双向复制的复制方式大大提高了复制的速率。
5.DNA修复是细胞应对DNA受损伤后的一种反应,这种反应可使DNA结构恢复原样,能重新执行它原来的功能,以保持遗传信息的稳定。细胞为了对抗各种形式的DNA损伤,发展出了数种DNA损伤的修复机制。如图是其中一种DNA修复方式的原理图,下列相关叙述错误的是( D )
A.DNA修复是一类多种酶参与的复杂酶促反应
B.酶3在修复过程中遵循碱基互补配对原则
C.若DNA发生损伤后未被修复,将可能引起变异的发生
D.酶1、酶2作用的是氢键,酶4催化形成的是磷酸二酯键
解析:由题图可知,DNA修复是一类多种酶参与的复杂酶促反应;由题图可知,酶3在修复过程中遵循碱基互补配对原则;若DNA发生损伤后未被修复,将可能引起变异的发生;酶1、酶2作用的是磷酸二酯键,酶4催化形成的也是磷酸二酯键。
概念理解练
1.下列关于DNA分子复制过程的叙述,正确的是( B )
A.发生在有丝分裂前期
B.需要DNA聚合酶
C.不需要消耗能量
D.子代DNA由两条新链组成
解析:DNA的复制发生在有丝分裂前的间期或减数第一次分裂前的间期;DNA的复制需要DNA聚合酶、解旋酶;DNA的复制需要ATP供能;DNA复制形成的子代DNA由一条母链和一条新链组成。
2.在“探究DNA的复制过程”活动中,下列技术或操作没有涉及的是( D )
A.大肠杆菌的培养
B.DNA的提取
C.密度梯度离心
D.放射性检测
解析:探究DNA的复制过程中,所用生物是大肠杆菌,需要进行大肠杆菌的培养;实验过程中,要提取大肠杆菌的DNA,并进行密度梯度离心;实验过程中,运用了密度梯度离心和同位素标记技术,没有运用放射性检测。
3.细菌在15N培养基中繁殖数代后,使细菌DNA的含氮碱基皆含有15N,然后再移入14N培养基中培养,抽取亲代及子代的DNA密度梯度离心分离,如图①～⑤为可能的结果,下列叙述正确的是( B )
A.亲代的DNA应为①
B.子一代DNA应为②
C.子二代DNA应为③
D.子三代DNA应为④
解析:细菌在15N培养基中繁殖数代后,使细菌DNA的含氮碱基皆含有15N,因此亲代DNA的两条链都是15N,位于试管中的“重带”区,应该为⑤;由于DNA的半保留复制方式,子一代DNA的两条链中一条含有15N,另一条含有14N,位于试管中的“中带”区,应为②;子二代形成的4个DNA分子,有2个DNA分子的两条链都是14N,2个DNA分子的一条链是14N,另一条链为15N,位于“轻带”和“中带”区,应为①;子三代形成的8个DNA,有6个DNA分子的两条链都是14N,2个DNA分子的一条链是14N,另一条链为15N,应为③。
4.如图为DNA分子结构示意图,对该图的描述正确的是( D )
A.②和③相间排列,构成了DNA分子的基本骨架
B.④的名称是胞嘧啶脱氧核苷酸
C.当DNA复制时,⑨的形成需要DNA聚合酶催化
D.⑤⑥⑦⑧依次是A、G、C、T
解析:①和②相间排列,构成了DNA分子的基本骨架;①②③不能构成一个脱氧核苷酸;DNA复制时,⑨(氢键)的形成不需要DNA聚合酶催化。
5.在DNA复制开始时,将大肠杆菌放在含低剂量3H标记的脱氧胸苷
(3H—dT)的培养基中,3H—dT可掺入正在复制的DNA分子中,使其带有放射性标记。几分钟后,将大肠杆菌转移到含高剂量3H—dT 的培养基中培养一段时间。收集、裂解细胞,抽取其中的DNA进行放射性自显影检测,结果如图所示。据图可以做出的推测是( C )
A.复制起始区在高放射性区域
B.DNA复制为半保留复制
C.DNA复制从起始点向两个方向延伸
D.DNA复制方向为a→c
解析:根据放射性自显影结果可知,中间低放射性区域是复制开始时在含低剂量3H标记的脱氧胸苷(3H—dT)的培养基中进行复制的结果;两侧高放射性区域是将大肠杆菌转移到含高剂量3H—dT的培养基中进行复制的结果,因此可判断DNA复制从起始点(中间)向两个方向延伸;该实验不能证明DNA复制为半保留复制。
6.DNA分子解旋的实质是( A )
A.破坏碱基对之间的氢键
B.破坏各元素间的化学键
C.破坏碱基与脱氧核糖间的氢键
D.破坏磷酸与脱氧核糖间的化学键
解析:解旋是指复制时,DNA分子利用细胞代谢提供的能量,在解旋酶的作用下,把DNA分子的两条螺旋的双链解开,从而破坏了DNA分子两条链之间的碱基对,而连接碱基对的是氢键,所以DNA复制时,解旋的实质主要是破坏碱基对之间的氢键。
7.某DNA分子含m对碱基,其中腺嘌呤有A个。下列有关此DNA在连续复制时所需的胞嘧啶脱氧核苷酸数目的叙述中,错误的是( D )
A.在第一次复制时,需要(m-A)个
B.在第二次复制时,需要2(m-A)个
C.在第n次复制时,需要2n-1(m-A)个
D.在n次复制过程中,总共需要2n(m-A)个
解析:1个DNA分子复制一次,可产生2个DNA分子,由于每个DNA分子中含有胞嘧啶脱氧核苷酸(m-A)个,所以复制一次时,需要(m-A)个;在第二次复制时,2个DNA分子会形成4个DNA分子,相当于形成2个新DNA,所以需要2(m-A)个;在第n次复制后,会形成2n个DNA分子,所以需要(2n-2n-1)(m-A)=2n-1(m-A)个;在n次复制过程中,1个DNA分子变为2n个DNA分子,总共需要(2n-1)(m-A)个。
8.(2018·浙江4月选考) 某研究小组进行“探究DNA的复制过程”的活动,结果如图所示。其中培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl。a、b、c表示离心管编号,条带表示大肠杆菌DNA离心后在离心管中的分布位置。下列叙述错误的是( B )
A.本活动运用了同位素示踪和密度梯度离心技术
B.a管的结果表明该管中的大肠杆菌是在含14 NH4Cl的培养液中培
养的
C.b管的结果表明该管中的大肠杆菌的DNA都是14N –15N-DNA
D.实验结果说明DNA分子的复制是半保留复制
解析:由题意“培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl”和“条带表示大肠杆菌DNA离心后在离心管中的分布位置”可知,本活动运用了同位素示踪和密度梯度离心技术;分析图示可知,a管中的DNA密度最大,表明该管中的大肠杆菌是在含15NH4Cl的培养液中培养的;b管中的DNA密度介于a、c管之间,表明该管中的大肠杆菌的DNA都是14NN-DNA;实验结果说明DNA分子的复制是半保留复制。
9.将蚕豆根尖置于含放射性3H标记胸腺嘧啶的培养液中,培养一个细胞周期的时间。取出根尖,移至不含放射性物质的培养液中,继续培养两个细胞周期的时间。在第一个、第二个和第三个细胞周期取样,检测中期细胞染色体上的放射性分布。下列判断不正确的是( C )
A.第一个细胞周期中的染色体均如图甲所示
B.第二个细胞周期中的染色体均如图乙所示
C.第三个细胞周期中1/4的染色体如图丙所示
D.图丙所示染色体仅出现在第三个细胞周期
解析:DNA分子的复制方式为半保留复制,将蚕豆根尖置于含放射性3H标记胸腺嘧啶的培养液中,培养一个细胞周期的时间,则第一个细胞周期的放射性检测结果是每条染色体含有两条染色单体,两条染色单体都含有放射性,如图甲所示;取出根尖,移至不含放射性物质的培养液中,则第二个细胞周期的放射性检测结果是每条染色体含有两条染色单体,其中一条染色单体含有放射性,另一条染色单体不含放射性,即符合图乙;第三个细胞周期的放射性检测结果是有一半染色体不含放射性,另一半染色体的姐妹染色单体中,有一条染色单体含有放射性,另一条染色单体不含放射性,第三个细胞周期中1/2的染色体如丙所示,1/2 的染色体如乙所示;根据选项A、B、C的解释,图丙所示染色体仅出现在第三个细胞周期。
10.请根据如图回答下列相关问题。
(1)图中所示为 过程,该过程发生在 (时期)。
(2)②过程称为 。
(3)③过程必须遵循 原则。
(4)分析DNA分子复制过程所需要的条件是 、
、能量和 酶等。
(5)若该DNA分子中含14N,原料脱氧核苷酸中含15N放射性同位素,则复制3次后,含14N的单链与含15N的单链比例为 。
解析:(1)题图中所示为DNA复制过程,该过程发生在细胞分裂的间期(有丝分裂或减数分裂前的间期)。
(2)由题图可知,②过程为解旋过程。
(3)③是以亲代链为模板合成子代链的过程,该过程必须遵循碱基互补配对原则。
(4)DNA分子复制过程所需要的条件是模板、4种游离的脱氧核苷酸、能量、DNA聚合酶、解旋酶等。
(5)若该DNA分子中含14N,原料脱氧核苷酸中含15N放射性同位素,根据DNA半保留复制特点,复制3次后形成8个DNA分子共16条链,其中只有2条链含14N,另外14条链含15N,因此含14N单链与含15N的单链比例为1∶7。
答案:(1)DNA复制 细胞分裂的间期(有丝分裂或减数分裂前的间期)
(2)解旋
(3)碱基互补配对
(4)模板 4种游离的脱氧核苷酸 DNA聚合酶、解旋
(5)1∶7
素养提升练
11.假设某大肠杆菌中只含31P的DNA相对分子质量为a,只含32P的DNA相对分子质量为b。现将只含32P标记的大肠杆菌转移到只含31P的培养基中,连续分裂4次,则子代中DNA分子的平均相对分子质量为( B )
A. B.
C. D.
解析:由于1个只含有31P的DNA分子的相对分子质量为a,则每条链的相对分子质量为;1个只含有32P的DNA分子的相对分子质量为b,则每条链的相对分子质量为。连续分裂4次得到子代DNA分子共24=16(个),这16个DNA分子共32条链,其中有2条是含有32P标记的,共30条是含有31P标记的,因此总相对分子质量为 ×30+×2=15a+b。所以每个DNA的平均相对分子质量为。
12.若将处于G1期的胡萝卜愈伤组织细胞置于含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养液中,培养至第二次分裂中期。下列叙述正确的是( A )
A.每条染色体中的两条染色单体均含3H
B.每个DNA分子的两条脱氧核苷酸链均含3H
C.每个DNA分子中均只有一条脱氧核苷酸链含3H
D.每条染色体均只有一个DNA分子的两条脱氧核苷酸链含3H
解析:若将处于G1期的胡萝卜愈伤组织细胞置于含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养液中,在间期的S期时DNA复制1次,所以第一次细胞分裂完成后得到的2个子细胞都是每一条染色体的DNA都有1条链被标记,培养至第二次分裂中期,每条染色体中的两条染色单体均含3H标记。
13.将15N标记的大肠杆菌(其DNA经密度梯度离心后如甲图),转至以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养,每20分钟繁殖一代,收集并提取DNA,进行密度梯度离心,如图为离心结果模拟图。已知大肠杆菌DNA中胞嘧啶个数为X。下列有关叙述正确的是( A )
A.出现丁图结果时,含母链的DNA占所有DNA的1/2
B.乙是转入14N培养基中复制一代的结果
C.出现丙结果至少需要40分钟
D.出现丁结果至少需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸4X
解析:丁图结果为1/2中、1/2轻,所以出现丁图结果时,含母链的DNA占所有DNA的1/2;转入14N培养基中复制一代的结果是产生2个DNA,且均为一条链为14N,另一条链为15N,对应图丙;据分析可知,出现丙结果至少需要20分钟;转入14N培养基中复制二代的结果是产生4个DNA,其中15N标记的只有2个DNA(一条链为14N,另一条链为15N),其余的
2个DNA均为14N标记,对应图丁,出现丁结果至少需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸3X。
14.物质X与胸腺嘧啶脱氧核苷酸结构类似,可与碱基A配对。当染色体上的DNA两条脱氧核苷酸链均含有X时,经染料Y染色显浅色,其余均显深色。现有果蝇某体细胞1个,置于含物质X的培养液中连续分裂2次,得到4个子细胞。若对这些细胞的染色体进行上述染色,则下列可能出现的现象是( B )
A.4个细胞的染色体均为8条浅色
B.4个细胞的染色体均为4条浅色、4条深色
C.1个细胞的染色体均为浅色,3个细胞的染色体均为深色
D.1个细胞的染色体均为深色,3个细胞的染色体均为浅色
解析:4个细胞中,8条染色体均为浅色的最多是2个;由于细胞分裂过程中,一个DNA复制形成的2个DNA分子移向两极是随机的,因此可能会出现形成的4个细胞的染色体均为4条浅色、4条深色的情况;由分析可知,第二次分裂时由一个细胞形成的子细胞两条DNA单链都含有X物质的DNA分子数是0～8个,一个细胞第二次分裂形成的2个细胞,如果一个细胞的染色体上的所有DNA的两条链都含有X,另一个细胞的染色体上的DNA都只有一条链含有X;另一个细胞进行第二次分裂,一定含有两条链都含有X的DNA分子,因此另外3个细胞的染色体不可能均为浅色;由于DNA的两条链都被标记才能表现为浅色,细胞分裂2次,细胞内染色体都被染成浅色的细胞最多是2个。
15.科学工作者关于DNA复制曾提出过三种假说:半保留复制、全保留复制和弥散复制,三种假说的复制过程如图1所示。他们对这三种假说进行了演绎推理,并根据推理过程进行了相关实验,实验结果如图2所示。
回答下列问题。
(1)科学工作者提出假说并演绎推理后,选用某种大肠杆菌作为实验材料,进行了一系列的实验研究,最终确定了DNA的复制方式,这样的研究方法称为 。他们选用大肠杆菌作为实验材料的优点:一是其易培养,繁殖速度快,安全性高;二是
,有利于分离提纯DNA。
(2)科学工作者根据DNA复制的三种假说进行演绎推理,将含15N标记DNA的大肠杆菌,接种到含14N的培养基中繁殖一代,提取DNA后进行
,若是全保留复制方式,则离心管中将出现
带,而实际结果是只有一条中带,由此可以说明DNA的复制方式是 。
(3)为了进一步确定DNA的复制方式,需要让子一代的大肠杆菌在含14N的培养基中再繁殖一代,当离心管中出现 带时,可确定是半保留复制。或可以将子一代DNA分子进行解旋处理后再离心,当离心管中出现 带时,则为半保留复制方式。
解析:(1)科学工作者提出假说并演绎推理后,选用某种大肠杆菌作为实验材料,进行了一系列的实验研究,最终确定了DNA的复制方式,这样的研究方法称为假说演绎法。由于大肠杆菌是单细胞、原核生物,选用它作为实验材料的优点:一是其易培养,繁殖速度快,安全性高;二是其只有一个拟核DNA,并且不形成染色体或DNA不与蛋白质结合形成染色体,有利于分离提纯DNA。
(2)将含15N标记的大肠杆菌转移到14N的培养基中,若是全保留复制方式,繁殖一代,得到子代DNA中全为15N和全为14N,提取DNA后进行密度梯度离心,若是全保留复制方式,则离心管中将出现一轻一重两条带,而实际结果是只有一条中带,由此可以说明DNA的复制方式是半保留复制或弥散复制。
(3)为了进一步确定DNA的复制方式,需要让子一代的大肠杆菌在含14N的培养基中再繁殖一代,进行密度梯度离心,如果离心后DNA分子在离心管中出现一中一轻两条带(即1/2在中带,1/2在轻带)时,可确定是半保留复制。或可以将子一代DNA分子(一条链是15N,另一条链是14N)进行解旋处理后形成单链DNA,再离心,当离心管中出现一轻一重两条带时,则为半保留复制方式。
答案:(1)假说演绎法 其只有一个拟核DNA,并且不形成染色体 (2)密度梯度离心 一轻一重两条 半保留复制或弥散复制 (3)一中一轻两条 一轻一重两条第四节 基因控制蛋白质合成
教学内容 教学要求 素养归属
1.基因通常是DNA分子的功能片段 (1)形成结构与功能观,认同DNA在遗传信息传递与表达中的双重功能 生命观念
(2)通过归纳与概括,分析DNA的功能,并明确基因的概念 科学思维
2.DNA分子上的遗传信息通过转录传递给RNA 运用提炼与分析,概括转录的条件、特点等,比较不同RNA的功能 科学思维
3.遗传信息通过翻译指导蛋白质的合成 (1)运用提炼与分析,概括翻译的条件、特点等 科学思维
(2)通过对遗传密码的分析,感悟不同生物在该层次上的统一性 生命观念
(3)归纳与概述基因表达的定义,并针对表达过程建构遗传信息转录、翻译的模型 科学思维
4.基因控制生物性状(基因—蛋白质—性状) 通过对生物不同性状的分析,认同基因通过控制蛋白质合成控制生物性状 科学思维
5.遗传信息流从DNA→RNA→蛋白质 通过归纳与概括,整合分析“中心法则”,并认同各种生物的遗传信息的传递与表达均遵循该法则 生命观念、 科学思维
1.基因通常是DNA分子的功能片段
(1)基因的本质
基因是具有遗传效应的DNA片段(包括部分病毒的RNA片段),是遗传物质结构和功能的基本单位,是DNA(部分生物是RNA)分子上含特定遗传信息的核苷酸序列的总称。
(2)DNA分子的功能
①DNA以自身为模板,半保留地进行复制,保持遗传信息的稳定性。
②DNA根据它所存储的遗传信息决定蛋白质的结构。
2.DNA分子上的遗传信息通过转录传递给RNA
(1)RNA与DNA的区别、RNA的结构与分类
(2)转录的过程
①概念:以DNA的一条链为模板,依据碱基互补配对原则,合成RNA的过程。通过转录,遗传信息由DNA传递给RNA。
②具体过程
(3)在真核生物中,细胞核内转录而来的RNA产物经过加工才能成为成熟的mRNA,然后转移到细胞质中,用于蛋白质合成。
3.遗传信息通过翻译指导蛋白质的合成
(1)合成场所:核糖体。
(2)条件
(3)遵循原则:碱基互补配对原则。
(4)产物:多肽链(蛋白质)。
(5)翻译特点:在一个mRNA上有若干个核糖体同时进行翻译,大大提高了翻译的效率。
(6)遗传密码
①含义:在mRNA上每3个相邻的核苷酸排列成的三联体,决定一种氨基酸,也称为密码子。
②种类:共有64种。决定氨基酸的密码子有61种;终止密码子有3种,不决定氨基酸;起始密码子有2种,决定氨基酸。
③特点:除少数密码子外,生物界的遗传密码是统一的,所有的生物都使用相同的遗传密码。
(7)反密码子
①定义:在tRNA的一端有三个核苷酸序列,能与mRNA密码子的核苷酸互补配对,以此来识别密码子,称反密码子。
②种类:含有61种反密码子。
(8)基因的表达
①基因表达的概念:基因形成RNA产物以及mRNA被翻译为蛋白质的过程。
②过程:以DNA自身为模板,在细胞核中合成RNA;然后,RNA转移到细胞质中,在细胞质中控制蛋白质的合成。
4.基因控制生物性状(基因—蛋白质—性状)
(1)基因通过控制酶的合成来控制生物体内的生物化学反应,从而控制生物的性状。
(2)由基因控制合成的蛋白质还可以决定生物体特定的组织或器官的结构,进而影响其功能。
(3)细胞内有多种功能性RNA分子参与性状表现,这些功能性RNA基因的表达产物就是具有特定功能的RNA分子,如tRNA、rRNA、核酶等。
5.遗传信息流从DNA→RNA→蛋白质
(1)中心法则
①提出者:克里克。
②内容:遗传信息通过复制从DNA传递到DNA,由DNA通过转录传递到RNA,然后由RNA通过翻译合成蛋白质,决定蛋白质的特异性。
③内容图解(用简式表示):
(2)基因
①作用:遗传的一个基本功能单位,它在适当的环境条件下控制生物的性状。
②与染色体的关系:以一定的次序排列在染色体上。
③本质:一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段——在大多数生物中是一段DNA,而在RNA病毒中则是一段RNA。
概念一 基因通常是DNA分子的功能片段
[概念情境]
如图所示的分子结构式为某种核糖核苷酸,已知分子结构式的左上角基团为碱基——腺嘌呤。
请思考并回答以下问题。
(1)图中核苷酸的生物学名称是什么 参与什么物质的构成
提示:图示核苷酸为腺嘌呤核糖核苷酸,是构成核糖核酸(RNA)的原料。
(2)若将图中的一种化合物进行替换就成为另一种核酸的基本单位,如何替换
提示:将核糖换成脱氧核糖。
(3)已知菠菜的干叶病是由干叶病毒引起的,但不清楚干叶病毒的核酸种类,试设计实验进行探究,某同学进行了如下操作:
①选取两株生长状况相似的菠菜植株,编号为a、b。
②用苯酚的水溶液处理干叶病毒,设法将其蛋白质和核酸分离,并将获得的核酸均分为两份。
③在适当条件下,用DNA水解酶处理其中的一份核酸,另一份核酸不处理。
④一段时间后,用处理过的核酸稀释液喷洒植株a,用未处理的核酸稀释液喷洒植株b。
⑤再过一段时间后,观察两株菠菜的生长情况。
你能否进行结果的预测,以确定干叶病毒的核酸类型
提示:若植株a、b都出现干叶,则病毒的核酸是RNA;若仅植株b出现干叶,则病毒的核酸是DNA。
DNA与RNA的区别
[典例1] 下列关于DNA和RNA的叙述,不正确的是( C )
A.有些RNA有氢键
B.一种病毒含有DNA或RNA
C.真核细胞的遗传物质主要是DNA
D.叶绿体、线粒体和核糖体都含有RNA
解析:有些RNA存在一些双链区域,因此存在氢键,如tRNA;一种病毒只含有DNA或RNA一种核酸;真核细胞的遗传物质是DNA;叶绿体、线粒体和核糖体中都含有RNA。
[拓展延伸] DNA与RNA的两点补充
(1)DNA与RNA均可能存在氢键,未被折叠的单链不具有氢键。
(2)DNA与RNA均可作为生物的遗传物质,细胞生物的遗传物质为DNA,病毒的遗传物质为DNA或RNA。
DNA的功能
[典例2] 下列关于DNA的叙述,错误的是( D )
A.能控制蛋白质的合成,表达遗传信息
B.能自我复制,传递遗传信息
C.具有独特的双螺旋结构,分子结构相对稳定
D.基因都是DNA上具有遗传效应的片段
解析:DNA分子通过转录和翻译过程控制蛋白质的合成,表达遗传信息;DNA分子能通过自我复制传递遗传信息;DNA分子具有独特的双螺旋结构,使DNA分子具有一定的稳定性;细胞生物的遗传物质为DNA,基因通常是具有遗传效应的DNA片段,但是在某些病毒中,基因可能为具有遗传效应的RNA片段。
[概念误区] 不能单纯认为基因就是DNA上具有遗传效应的核酸片段。要注意区分细胞生物(真核生物、原核生物)与非细胞生物(病毒),在细胞生物中,基因是DNA分子上具有遗传效应的核苷酸序列,但是某些病毒中,基因是RNA分子上具有遗传效应的核苷酸序列。
概念二 DNA分子上的遗传信息通过转录传递给RNA
[概念情境]
人体中的促红细胞生成素(EPO)是由肾皮质、肾小管周围间质细胞和肝脏分泌的一种激素样物质,能够促进红细胞生成。服用促红细胞生成素可以使患肾病贫血的病人增加血流比溶度(即增加血液中红细胞百分比)。EPO兴奋剂正是根据促红细胞生成素的原理人工合成,它能使肌肉更有劲、工作时间更长。当机体缺氧时,低氧诱导因子(HIF)与促红细胞生成素(EPO)基因的低氧应答元件(非编码蛋白质序列)结合,使EPO基因表达加快,促进EPO的合成,过程如图所示,回答下列问题。
(1)HIF基因的本质是什么 在进行转录时几条链作为模板
提示:HIF基因的本质是一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段,转录时只能是其中一条链作为模板,即模板链。
(2)进行图示的过程①,通常需要什么条件
提示:需要HIF基因模板、RNA聚合酶、四种核糖核苷酸、能量等。
(3)HIF基因能否转录产生rRNA或tRNA 试说明理由。
提示:不能。HIF基因为蛋白质编码基因,其转录产生mRNA,进而用于蛋白质合成时的模板,而tRNA、rRNA则由非编码蛋白质的基因转录产生。
(4)癌细胞迅速增殖往往会造成肿瘤附近局部供氧不足,但可通过提高HIF蛋白的表达,刺激机体产生红细胞,为肿瘤提供更多氧气和养分。根据上述机制,请简述一种治疗癌症的措施。
提示:可以通过抑制HIF蛋白基因的表达来达到治疗癌症目的。
转录的过程及条件
[典例1] 如图是真核生物细胞核内转录过程的示意图。下列叙述正确的是( C )
A.图中游离的核糖核苷酸通过氢键聚合成RNA长链
B.图中的③是RNA聚合酶,它能与RNA分子的启动部位结合
C.转录过程不是沿着整条DNA长链进行的
D.图中④合成后直接与核糖体结合并控制蛋白质合成
解析:题图中游离的核糖核苷酸通过磷酸二酯键聚合成RNA长链;图中的③是RNA聚合酶,它能与DNA分子的启动部位结合;基因在真核生物中大多是一段DNA,所以转录过程不是沿着整条DNA长链进行的;在真核生物的细胞核内,图中④合成后需要经过加工形成成熟的mRNA,进入细胞质后才能与核糖体结合并控制蛋白质合成。
[概念误区] 有关转录分析的四个易错点
(1)转录和翻译过程中的碱基配对没有A—T,而是A—U。
(2)转录产生的是RNA(tRNA、rRNA或mRNA),并不一定是mRNA,因此转录产物不一定能作为翻译的模板。
(3)真核生物转录产生的mRNA需要在细胞核中进行加工,因此成熟的mRNA翻译产生肽链的长度与基因之间并不存在等同的对应关系。
(4)密码子位于mRNA上,RNA聚合酶结合位点位于DNA的启动部位。转录时,在RNA聚合酶的作用下,仅是解开包括一个或几个基因的DNA片段的双螺旋。
真核生物与原核生物转录过程比较
[典例2] 如图为原核细胞内的生理过程示意图。下列叙述与该图不相符的是( C )
A.图中转录合成的RNA分子不需要经过加工
B.DNA与RNA的杂交区有A与U的碱基互补配对
C.转录的原料是A、U、C、G四种游离的碱基
D.翻译的原料是游离的氨基酸
解析:原核生物能边转录边翻译,说明转录合成的RNA分子不需要经过加工;RNA中的碱基有A、G、C、U,DNA与RNA的杂交区有A与U的碱基互补配对;转录的原料是含A、U、C、G四种碱基的游离的核糖核苷酸;翻译的原料是游离的氨基酸,直接产物是多肽。
[知识储备] 原核生物由于不存在核膜,其拟核区与细胞质中的核糖体接触,因此可以边转录边翻译,真核生物不具备上述特征。
概念三 遗传信息通过翻译指导蛋白质的合成
[概念情境]
铁蛋白是细胞内储存多余Fe3+的蛋白,铁蛋白合成的调节与游离的Fe3+、铁调节蛋白、铁应答元件等有关。铁应答元件是位于铁蛋白mRNA起始密码子上游的特异性序列,能与铁调节蛋白发生特异性结合,阻遏铁蛋白的合成。当Fe3+浓度高时,铁调节蛋白由于结合Fe3+而丧失与铁应答元件的结合能力,核糖体能与铁蛋白mRNA一端结合,沿mRNA移动,遇到起始密码子后开始翻译。
请思考并回答以下问题。
(1)图中甘氨酸的密码子是什么 请书写出铁蛋白基因中决定“”的模板链碱基序列。
提示:据图可知,携带甘氨酸的tRNA是最左边已经离开核糖体的那个,上面的反密码子(CCA)是甘氨酸的反密码子,根据碱基互补配对原则,甘氨酸的密码子是GGU。铁蛋白基因中决定“”的mRNA链碱基序列为…GGUGACUGG…,根据碱基互补配对原则,其模板链碱基序列为…CCACTGACC…。
(2)低浓度Fe3+与高浓度Fe3+如何调节铁蛋白的合成
提示:Fe3+浓度低时,铁调节蛋白与铁应答元件结合,核糖体不能与铁蛋白mRNA一端结合,不能沿mRNA移动,从而抑制了翻译过程;Fe3+浓度高时,铁调节蛋白由于结合Fe3+而丧失与铁应答元件的结合能力,铁蛋白mRNA 能够翻译。
(3)当铁蛋白基因表达时,少数铁蛋白mRNA分子就可以迅速合成大量铁蛋白的原理是什么
提示:由于一个mRNA分子上可相继结合多个核糖体,同时翻译多条肽链,所以当铁蛋白基因表达时,少数铁蛋白mRNA分子就可以迅速合成大量铁蛋白。
密码子与反密码子比较
[典例1] 真核生物中,基因、遗传信息、密码子和反密码子分别是指( B )
①信使RNA上核苷酸的排列顺序 ②基因中脱氧核苷酸的排列顺序 ③DNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基 ④转运RNA上能与mRNA密码子的核苷酸互补配对的3个核苷酸序列 ⑤信使RNA上每3个相邻的核苷酸排列成的三联体决定一种氨基酸 ⑥一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段
A.⑤①④③ B.⑥②⑤④
C.⑥⑤①② D.②⑥③④
解析:基因是一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段,即⑥;遗传信息是指DNA中脱氧核苷酸的排列顺序,因此遗传信息位于DNA分子中,即②;密码子是指mRNA上每3个相邻的核苷酸排列成的三联体决定一种氨基酸,即⑤;反密码子是转运RNA上能与mRNA上的密码子互补配对的3个碱基序列,即④。
[拓展延伸] 遗传信息、密码子和反密码子的比较(以细胞生物为例)
(1)三者的区别
比较 项目 遗传信息 密码子 反密码子
概念 DNA上碱基对或脱氧核苷酸的排列顺序 mRNA上决定一种氨基酸或提供转录终止信号的3个相邻的核苷酸排列成的三联体 tRNA上可以与mRNA上的密码子互补配对的3个核苷酸序列
种类 4n种(n为碱基对的数目) 64种,其中决定氨基酸的密码子有61种 61种
作用 间接决定蛋白质中氨基酸的排列顺序 直接控制蛋白质中氨基酸的排列顺序 识别并搬运由mRNA决定的特定氨基酸
图示
相关 特性 具有多样性和特异性 一种密码子只能决定一种氨基酸,而一种氨基酸可能对应一种或几种密码子 一种tRNA只能识别和转运一种氨基酸,而一种氨基酸可以由一种或几种tRNA转运
(2)联系
①转录时,以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则,产生一条单链RNA,遗传信息即从DNA传递到RNA上。
②相关计算:转录产生的RNA分子中碱基数目是DNA分子中碱基数目的一半,且模板链中A+T(或C+G)与mRNA 分子中U+A(或G+C)相等。
③翻译过程中,tRNA上的反密码子识别mRNA中的密码子,一端的序列结合1个特定的氨基酸,从而使mRNA的密码子直接控制蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。
翻译的过程
[典例2] 如图是蛋白质合成示意图,下列叙述错误的是( D )
A.图中含有四种核苷酸,四种碱基
B.电子显微镜下核糖体呈微小颗粒,由大、小两个亚基组成
C.图中的核糖体应该沿着mRNA向右移动
D.多个核糖体同时完成一条多肽链的合成,大大提高了翻译效率
解析:题图中只含RNA一种核酸,因此含有四种核糖核苷酸和四种碱基(A、C、G、U);电子显微镜下核糖体呈微小颗粒,由大、小两个亚基组成;根据图中tRNA的移动方向可知,核糖体应该沿着mRNA向右移动;多个核糖体同时完成多条相同多肽链的合成,大大提高了翻译效率。
[拓展延伸] 翻译过程的三种模型图解读
(1)图甲翻译模型分析
a.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为tRNA、核糖体、mRNA、多肽链。
b.一个核糖体与mRNA的结合部位形成2个tRNA结合位点。
c.翻译起点:起始密码子决定的是甲硫氨酸。
d.翻译终点:识别到终止密码子(不决定氨基酸),翻译停止。
e.翻译进程:核糖体沿着mRNA移动,mRNA不移动。
(2)图乙表示真核细胞的翻译过程,其中①是mRNA,⑥是核糖体,②③④⑤表示正在合成的4条多肽链,具体内容分析如下:
a.数量关系:一个mRNA可同时结合多个核糖体,形成多聚核糖体。
b.意义:少量的mRNA分子可以迅速合成出大量的蛋白质。
c.方向:从右向左,判断依据是多肽链的长短,长的翻译在前。
d.结果:合成的仅是多肽链,要形成蛋白质往往还需要运送至内质网、高尔基体等结构中进一步加工。
e.形成的多条肽链氨基酸序列相同的原因:有相同的模板mRNA。
(3)图丙表示原核细胞的转录和翻译过程,图中①是DNA模板链,②③④⑤表示正在合成的4条mRNA, 并结合核糖体同时进行翻译过程。
概念四 基因控制生物性状(基因—蛋白质—性状)
[概念情境]
油菜的中间代谢产物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)运输到种子后有两条转变途径,如图所示。科研人员根据这一机制培育出的高油油菜,产油率由原来的35%提高到58%。
请思考并回答以下问题。
(1)基因A与基因B的区别是什么 酶a与酶b的区别是什么
提示:基因A与基因B的区别在于碱基对的排列顺序不同;酶a与酶b为蛋白质,蛋白质的区别是氨基酸的种类、数目、排列顺序以及酶a和酶b的空间结构不同。
(2)基因B的模板链转录时,需要什么条件 物质C与基因B相比,特有的碱基对是什么
提示:转录的条件是①模板DNA;②原料:四种核糖核苷酸;③RNA聚合酶催化;④需要能量。
物质 C是双链RNA,含有的碱基是A、U、C、G,基因 B是DNA,含有的碱基是A、T、C、G,因此物质 C特有的碱基对是A—U 或 U—A。
(3)基因控制生物性状的方式主要有几种 图中信息显示基因控制生物性状是哪种途径
提示:基因控制生物性状的方式主要有两种:①基因通过控制酶的合成来控制生物体内的生物化学反应,从而控制生物的性状;②基因通过控制合成的蛋白质还可以决定生物体特定的组织或器官的结构,进而影响其功能。图示中基因A、基因B分别通过控制酶a、酶b的合成来控制生物的性状,因此图中信息显示,基因控制生物性状的途径是基因通过控制酶的合成来控制生物体内的生物化学反应,从而控制生物的性状。
(4)据图示信息,分析科研人员使油菜产油率由原来的35%提高到58%所依据的原理。
提示:诱导非模板链转录出单链 RNA,使其与自然转录的 mRNA 形成物质 C(双链 RNA),从而抑制酶 b 的合成,导致 PEP 转化为蛋白质的过程受阻,使得 PEP 能更多地转化为油脂。
基因对生物性状的控制
[典例] 科学家从基因控制蛋白质合成的角度阐释豌豆种子圆粒性状的产生机制如图所示。 据图分析不正确的是( B )
A.a过程形成的三种主要产物最终均可以出现在核糖体中
B.完成b过程的条件包括mRNA、核糖核苷酸、核糖体、能量
C.皱粒豌豆细胞内淀粉含量低,蔗糖含量高,味道更甜美
D.图示说明基因可通过控制酶的合成间接控制生物体的性状
解析:题图中a表示转录过程,该过程的三种主要产物是mRNA、rRNA、tRNA,最终都可以出现在核糖体中;图中b表示翻译过程,完成b过程的条件包括mRNA、tRNA、氨基酸、核糖体、能量等;皱粒豌豆细胞内淀粉分支酶不能合成,导致豌豆种子中淀粉的合成受阻,淀粉含量低,所以蔗糖含量高,味道更甜美;图示说明基因能够通过控制酶的合成来控制生物体内的生物化学反应,从而间接控制生物的性状。
[知识储备] 基因与生物性状不存在直接的联系,需要借助RNA实现对性状的控制与指导。某些基因表达的是功能性RNA,如tRNA、rRNA等,产生之后直接参与蛋白质的合成或调控基因表达等;某些基因转录产生的是mRNA,则通过翻译产生蛋白质直接控制生物性状,或通过酶催化细胞内的生物化学反应,间接控制生物性状。
概念五 遗传信息流从DNA→RNA→蛋白质
[概念情境]
在遗传学上,把遗传信息的传递称为信息流,信息流方向可以用图中的中心法则表示,图中的①②③④表示信息流动的生理过程。
请思考并回答以下问题。
(1)图示中能表示“基因对性状的控制”的信息流动过程是哪些
提示:基因通过控制蛋白质的合成来控制性状,而基因控制蛋白质的合成包括②转录和④翻译两个过程。
(2)科学家在研究劳氏肉瘤病毒时,发现信息流可以按③过程流动,完成该过程需要何种酶
提示:逆转录酶。
(3)若一个具有遗传效应的DNA片段,其携带的遗传信息传递给mRNA,该mRNA含有1 000个碱基,其中鸟嘌呤和胞嘧啶占全部碱基数的60%,则该遗传效应片段连续复制两次,共需要游离的腺嘌呤多少个
提示:若一个具有遗传效应的DNA片段,其携带的遗传信息传递给mRNA,该mRNA含有1 000个碱基,其中鸟嘌呤和胞嘧啶占全部碱基数的60%,则该遗传效应片段中鸟嘌呤和胞嘧啶也占60%,即C+G=2 000×60%=1 200(个),则C=G=600个,A=T=400个。根据DNA半保留复制特点,该DNA片段连续复制两次,共需要游离的腺嘌呤数目为(22-1)×400=1 200(个)。
中心法则
[典例1] (2020·浙江1月选考)遗传信息传递方向可用中心法则表示。下列叙述正确的是( A )
A.劳氏肉瘤病毒的RNA可通过逆转录合成单链DNA
B.烟草花叶病毒的RNA可通过复制将遗传密码传递给子代
C.果蝇体细胞中核DNA分子通过转录将遗传信息传递给子代
D.洋葱根尖细胞中DNA聚合酶主要在G2期通过转录和翻译合成
解析:劳氏肉瘤病毒是一种逆转录类RNA病毒,其遗传物质RNA能够逆转录合成单链DNA;烟草花叶病毒的RNA可通过复制将遗传信息传递给子代;果蝇的DNA通过转录将遗传信息表达,通过复制将遗传信息传递;DNA聚合酶需要在S期之前的G1期合成。
[拓展延伸] 不同生物遗传信息传递的比较
生物种类 遗传信息的传递过程
DNA 病毒
RNA 病毒
逆转录 病毒
细胞 生物
转录、翻译与DNA复制的比较
[典例2] 如图是遗传信息的传递和表达过程的示意图,根据图示分析以下选项正确的是( A )
A.甲表示DNA复制过程,以完整的两条母链为模板,多起点同步复制
B.甲过程中,在DNA聚合酶的作用下,两条链的配对碱基之间的氢键断开,形成两条母链
C.乙过程中,在RNA聚合酶作用下,以DNA分子上特定片段的任意一条链为模板进行转录
D.丙过程中,在一个mRNA分子上可有若干个核糖体同时开始进行工作
解析:据图分析,甲表示DNA复制,以两条母链为模板,多起点同步复制,缩短了复制所需要的时间;在解旋酶作用下,两条链配对的碱基之间的氢键断开;乙过程表示转录,在RNA聚合酶作用下,以DNA分子上特定一条链(模板链)的特定片段为模板进行转录;丙是翻译过程,在一个mRNA分子上可有若干个核糖体同时进行工作,但不是同时开始。
[拓展延伸] DNA复制、转录和翻译的异同
项目 DNA复制 转录 翻译
作用 传递遗 传信息 表达遗传信息
时间 细胞分裂 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 细胞质中 的核糖体
模板 DNA的 两条单链 DNA分子片 段(基因)的 一条单链 mRNA
原料 4种脱氧 核苷酸 4种核糖 核苷酸 20种氨基酸
能量 都需要
酶 DNA聚 合酶等 RNA聚合酶 多种蛋白酶
产物 2个双 链DNA 一个单链 RNA 多肽链 (或蛋白质)
产物 去向 传递到2个子细胞中或子代 通过核孔进入细胞质 组成细胞结构蛋白或功能蛋白
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 翻译结束后,mRNA 被降解成单体
碱基 配对 A—T,T—A, C—G,G—C A—U,T—A, C—G,G—C A—U,U—A, C—G,G—C
新冠肺炎疫情发生后,科研人员通过对多个患者体内分离出的新型冠状病毒的基因组序列研究,分析新型冠状病毒的进化来源、致病病理。初步研究表明,新型冠状病毒是蛋白包裹的单链正链RNA病毒,通过S蛋白与人的血管紧张素转换酶2(ACE2)互作的分子机制,来感染人的呼吸道上皮细胞,具体过程如图。
请据图分析并回答问题。
(1)新型冠状病毒在结构组成上与噬菌体的主要区别是核酸是RNA。
(2)图中,RDRP的作用是参与过程③④,推测它最可能是RNA聚合酶;若病毒+RNA分子用32P标记,其中含有碱基A 400个,碱基U 600个,宿主细胞含31P,则产生四个含31P的子代病毒,至少需消耗宿主细胞2 800个游离的尿嘧啶核糖核苷酸。
(3)抑制逆转录酶的药物不能(填“能”或“不能”)治疗该病,由此提出一种类似的治疗思路:抑制RDRP的功能。
(4)图中+RNA有三方面的功能,分别是翻译的模板、 复制的模板、 病毒的重要组成成分。
解析:(1)新型冠状病毒在结构组成上与噬菌体的主要区别是其核酸是RNA。
(2)图中,RDRP的作用是参与过程③④,推测它最可能是RNA聚合酶;若病毒+RNA分子用32P标记,已知其中含有碱基A 400个,碱基U 600个,以病毒+RNA为模板合成一条子代+RNA的过程,需要先合成一条-RNA,然后再以-RNA为模板合成+RNA,4个含有31P的子代病毒需要合成4个+RNA,每个含有600个游离的尿嘧啶核糖核苷酸,共需要2 400个游离的尿嘧啶核糖核苷酸,还需一个-RNA,其中含有400个游离的尿嘧啶核糖核苷酸,共需要2 800个游离的尿嘧啶核糖核苷酸。
(3)新型冠状病毒不是逆转录病毒,抑制逆转录酶的药物不能治疗该病,可以通过抑制RDRP的功能来控制该病。
(4)由图可知,+RNA的作用是翻译的模板、复制的模板、病毒的重要组成成分。
1.下列关于人胃蛋白酶基因在细胞中表达的叙述,正确的是( B )
A.转录时基因的两条链可同时作为模板
B.转录时会形成DNA-RNA杂合双链区
C.RNA聚合酶结合起始密码子启动翻译过程
D.翻译产生的新生多肽链具有胃蛋白酶的生物学活性
解析:转录是以DNA(基因)的一条链为模板的;转录是以DNA的一条链为模板合成RNA分子的过程,会形成DNA-RNA杂合双链区;RNA聚合酶结合启动子启动转录过程;翻译产生的新生多肽链还需要经过加工才能成为具有生物学活性的胃蛋白酶。
2.如图表示红色面包霉的精氨酸合成过程。据图分析,下列叙述正确的是( A )
A.基因甲被破坏,培养此菌时加入鸟氨酸,面包霉能存活
B.基因乙被破坏,培养此菌时加入鸟氨酸,面包霉能存活
C.基因丙被破坏,培养此菌时加入精氨酸,面包霉不能存活
D.此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
解析:基因甲被破坏后不能合成鸟氨酸,但向培养基中加入鸟氨酸后面包霉能合成精氨酸,因此仍能存活;基因乙被破坏,面包霉不能合成酶乙,不能将鸟氨酸转化为瓜氨酸,最终导致面包霉不能合成精氨酸,因此不能存活;基因丙被破坏,面包霉不能合成酶丙,不能将瓜氨酸转化为精氨酸,但培养此菌时加入精氨酸,面包霉能存活;此例说明基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状。
3.如图为长度共8千碱基对(kb)的某基因结构示意图,人为划分为a～g共7个区间(未按比例画出),转录后加工产生成熟mRNA的过程中,d区间所对应的区域被切除。下列分析错误的是( B )
A.该基因形成的成熟mRNA含有1个游离的磷酸基团
B.RNA聚合酶与图中起始密码子对应位点结合,启动转录过程
C.转录后加工产生成熟mRNA的过程中涉及磷酸二酯键的断裂和生成
D.能编码蛋白质的mRNA长度为900个碱基,可编码299个氨基酸
解析:成熟的mRNA链有1个游离的磷酸基团;转录起点对应的位点是RNA聚合酶结合的位点;转录后加工产生成熟mRNA的过程中,d区间所对应的区域被切除,此过程涉及磷酸二酯键断裂,断裂后的片段需要重新连接,涉及磷酸二酯键的生成;转录形成的mRNA的长度为7.5-1.2=6.3(kb),但形成成熟的mRNA时,d区间所对应的区域会被加工切除,因此成熟的mRNA的长度为6.3-(5.2-2.0)=3.1(kb),但能编码蛋白质的mRNA的长度为c+e=2.0-1.7+(5.8-5.2)=0.9(kb),即900个碱基,由于一个密码子由相邻3个碱基构成,且终止密码子不编码氨基酸,因此可编码900÷3-1=299(个)氨基酸。
4.如图为中心法则示意图,下列相关叙述错误的是( C )
A.①～⑤过程均涉及碱基互补配对原则
B.劳氏肉瘤病毒能进行④过程
C.线粒体中能进行②③过程,不能进行①过程
D.中心法则也适用于原核生物和病毒
解析:中心法则的各过程均涉及碱基互补配对原则;劳氏肉瘤病毒是RNA病毒,能以RNA为模板合成单链DNA;线粒体中含有少量的DNA,能进行②③过程,也能进行①过程;中心法则适用于生物界的所有生物。
5.诺贝尔化学奖曾授予在G蛋白偶联受体领域作出杰出贡献的科学家,G蛋白偶联受体调控着细胞对激素、神经递质的大部分应答。请回答下列问题。
(1)图1过程①需要 作为原料,催化该过程的酶是 。
(2)DNA分子经过诱变,某位点上一个正常碱基(设为P)变成了尿嘧啶。该DNA连续复制两次,得到4个子代DNA分子,相应位点上的碱基对分别为U—A、A—T、G—C、C—G,推测“P”可能是 或 。
(3)图2为原核细胞中转录、翻译的示意图。据图判断,转录的方向为 (填“从左往右”或“从右往左”),下列描述中正确的是 (多选)。
A.图中表示4条多肽链正在合成
B.转录尚未结束,翻译就已开始
C.多个核糖体共同完成一条多肽链的合成
D.一个基因在短时间内可表达出多条多肽链
解析:(1)功能蛋白A的合成在基因调控下进行,分转录和翻译两个过程,过程①代表转录,需要提供核糖核苷酸作为原料,在RNA聚合酶的催化作用下,合成mRNA。
(2)DNA上一个正常碱基(设为P)变成了尿嘧啶后,连续复制两次,得到的4个DNA相应位点上的碱基对分别为U—A、A—T、G—C、C—G,可以推测G—C、C—G是未突变复制的结果,故“P”可能是胞嘧啶或鸟嘌呤。
(3)据图判断,转录的方向为从右往左。图中四条mRNA链,一个mRNA上结合多个核糖体,每个核糖体合成一条肽链,在短时间内可表达出多条多肽链,从图中可以看出,转录尚未结束,翻译就已开始,即边转录边翻译。
答案:(1)核糖核苷酸 RNA聚合酶
(2)胞嘧啶 鸟嘌呤
(3)从右往左 BD
概念理解练
1.在海拉细胞的细胞核内发生着遗传信息的表达过程,下列能正确反映该过程的图解是( C )
A. B.
C.DNA→RNA D.DNA→RNA→蛋白质
解析:遗传信息的表达包括转录和翻译两个过程,其中转录主要发生在细胞核中,翻译发生在核糖体上。因此,在海拉细胞的细胞核内发生遗传信息表达的转录过程,即DNA→RNA。
2.某同学总结了真核细胞中遗传信息、密码子、反密码子的相关知识,正确的是( B )
A.DNA上脱氧核糖和磷酸交替排列构成了遗传信息
B.遗传信息位于DNA上,密码子位于mRNA上,碱基组成不完全相同
C.tRNA上只有三个核苷酸,tRNA上的三个核苷酸决定了氨基酸的排列顺序
D.mRNA上三个相邻的核苷酸构成密码子,都可以对应氨基酸
解析:DNA上脱氧核糖和磷酸交替排列构成了DNA分子的基本骨架,
DNA分子上的脱氧核苷酸的排列顺序是遗传信息;遗传信息位于DNA上,密码子位于mRNA上,DNA中含有碱基T,RNA中含有碱基U,DNA、RNA都有碱基A、C、G;tRNA上有很多个核苷酸,mRNA上的三个相邻核苷酸排列成的三联体(密码子)决定氨基酸的排列顺序;mRNA上决定一种氨基酸的三个相邻的核苷酸构成密码子,但是有三种终止密码子不对应氨基酸。
3.如图为真核细胞内的转录过程示意图,①②表示两条多聚核苷酸链。下列叙述正确的是( D )
A.①的结构单元是4种碱基
B.②表示多聚脱氧核苷酸链
C.RNA聚合酶催化①②之间磷酸二酯键的形成
D.细胞核和线粒体均可发生该过程
解析:DNA分子的结构单元是4种脱氧核糖核苷酸;②表示多聚核糖核苷酸链;RNA聚合酶可催化核糖核苷酸间形成磷酸二酯键;细胞核和线粒体中均含有DNA,都能发生转录。
4.关于如图中①②两种分子的叙述,正确的是( C )
A.①②均为核酸,两者结构中的嘌呤碱基数都等于嘧啶碱基数
B.遗传信息在①上,密码子位于②上
C.①转录可形成②,②有61种
D.乳酸菌和噬菌体均含①和②
解析:①为双链结构,根据碱基互补配对原则,该分子中嘌呤碱基数等于嘧啶碱基数,②为单链(存在局部双链结构),其中的嘌呤碱基数不一定等于嘧啶碱基数;遗传基因在①DNA上,②为tRNA,tRNA是DNA转录形成的,tRNA有61种;噬菌体为DNA病毒,其中只含有DNA一种核酸,不含tRNA。
5.如图是真核细胞遗传信息表达中某过程的示意图。某些氨基酸的部分密码子(5′→3′):丝氨酸UCU;亮氨酸UUA、CUA;异亮氨酸AUC、AUU;精氨酸AGA。下列叙述正确的是( B )
A.图中①为亮氨酸
B.图中结构②从右向左移动
C.该过程中没有氢键的形成和断裂
D.该过程可发生在线粒体基质和细胞核基质中
解析:已知密码子的方向为5′→3′,由图示可知,携带①的tRNA上的反密码子为UAA,与其互补配对的mRNA上的密码子为AUU,因此氨基酸①为异亮氨酸;由图示可知,结构②核糖体移动并读取密码子的方向为从右向左;互补配对的碱基之间通过氢键连接,图示过程中,tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子互补配对时有氢键的形成,tRNA离开核糖体时有氢键的断裂;细胞核基质中不会发生图示的翻译过程。
6.下列关于病毒增殖的叙述,正确的是( C )
A.T2噬菌体在RNA聚合酶的催化下进行遗传物质的复制
B.劳氏肉瘤病毒RNA在逆转录酶催化下合成自身的遗传物质
C.新型冠状病毒RNA的复制过程中有磷酸二酯键的形成
D.烟草花叶病毒RNA可通过半保留复制将遗传信息传递给子代
解析:T2噬菌体是DNA病毒,在DNA聚合酶的催化下进行遗传物质的复制;劳氏肉瘤病毒是一种逆转录病毒,在逆转录酶催化下合成单链DNA;新型冠状病毒RNA的复制过程中有磷酸二酯键的形成;烟草花叶病毒RNA可通过复制将遗传信息传递给子代。
7.如图为真核生物细胞核内转录过程示意图,下列叙述错误的是( D )
A.①为编码链
B.DNA在甲处刚刚由解旋状态恢复双螺旋结构
C.合成的RNA分子比DNA分子短
D.RNA将在细胞质加工为mRNA
解析:据图分析,②和③形成杂合的DNARNA双链,其中②为模板链,③为信使RNA,则①为非模板链(编码链);甲处转录完成后,DNA可由解旋状态恢复双螺旋结构;由于基因的选择性表达,合成的RNA分子比DNA分子短;RNA将在细胞核中加工为mRNA。
8.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:遗传信息的表达过程包括DNA转录成mRNA,mRNA进行翻译合成蛋白质;以DNA的一条单链为模板可以转录出mRNA、tRNA、rRNA等,mRNA可以编码多肽,而tRNA的功能是转运氨基酸,rRNA是核糖体的组成物质;基因是一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段,而DNA分子上还含有不具遗传效应的片段,因此DNA分子的碱基总数大于所有基因的碱基数之和;染色体DNA分子上含有多个基因,由于基因的选择性表达,一条单链可以转录出不同的RNA分子。
9.完整的核糖体由大、小两个亚基组成。如图为真核细胞核糖体大、小亚基的合成、装配及运输过程示意图,相关叙述正确的是( D )
A.图示过程可发生在有丝分裂中期
B.细胞的遗传信息主要储存于rDNA中
C.核仁是合成rRNA和核糖体蛋白的场所
D.核糖体亚基在细胞核中装配完成后由核孔运出
解析:有丝分裂过程中核膜、核仁已经在前期解体,该过程不可能发生在有丝分裂中期;rDNA上的信息主要与核糖体合成有关,不是细胞的遗传信息的主要储存载体;从图中看出核仁是合成rRNA的场所,而核糖体蛋白的合成场所在细胞质的核糖体;从图中看出,细胞核装配好核糖体亚基后从核孔中运出。
10.瘦素是动物脂肪细胞分泌的一种蛋白质类激素,机体脂肪储存量越大,瘦素分泌越多。下丘脑的某些细胞接收到瘦素信号后,机体能通过复杂的神经内分泌网络调节摄食行为,从而调控体重。请回答下列有关问题。
(1)A基因可编码瘦素蛋白。转录时,推测首先与A基因启动部位结合的酶是 。A基因刚转录出来的RNA全长有4 500个碱基,而翻译成的瘦素蛋白是由107个氨基酸组成的,说明
。翻译时,一个核糖体从起始密码子到达终止密码子约需4秒,实际上合成100个瘦素蛋白分子所需的时间约为1分钟,其原因是 。若A基因(模板链上)编码第105位精氨酸的GCT突变成ACT,翻译就此终止,由此推断,mRNA上的 为终止密码子。
(2)现有一只因A基因发生突变而患肥胖症的小鼠,A基因突变前的部分序列(含起始密码信息)如图所示。
(注:起始密码子为AUG,终止密码子为UAA、UAG或UGA)
如图所示的基因片段在转录时,以 链为模板合成mRNA;若“↑”是指碱基对缺失,该基因控制合成的肽链最多含 个氨基酸。
解析:(1)RNA聚合酶参与催化转录过程,可推测启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位;A基因刚转录出来的RNA全长有4 500个碱基,而翻译成的瘦素蛋白仅由107个氨基酸组成,说明刚转录出来的RNA需要加工成熟才能作为翻译的模板。翻译时,一个核糖体从起始密码子到达终止密码子约需4秒,实际上合成100个瘦素蛋白分子所需的时间约为1分钟,其原因是一条mRNA可以相继结合多个核糖体,同时进行多条肽链的合成,这样可以提高蛋白质的合成效率。转录发生在细胞核内,以DNA一条链为模板,按照碱基互补配对原则,合成RNA,转录时与DNA模板链上ACT互补配对的是mRNA上的UGA,因此UGA为终止密码子。
(2)由题意知,起始密码子是AUG,模板链对应的碱基序列是TAC,“TAC”在乙链上,因此转录是以乙链为模板进行的;若“↑”是指碱基对缺失,则转录形成的mRNA链上的碱基序列是GCG GCG AUG GGA AUC UCA AUG UGA CAC UG,其中 AUG 是起始密码子,UGA是终止密码子,因此该基因控制合成的肽链最多含5个氨基酸。
答案:(1)RNA聚合酶 转录出来的RNA需要加工才能翻译 一条mRNA上有多个核糖体同时进行翻译 UGA
(2)乙 5
素养提升练
11.下列与蛋白质、核酸相关的叙述,错误的是( A )
A.一个核糖体上可以同时合成多条多肽链
B.蛋白质分子可以影响核酸分子的分解与合成
C.一个mRNA分子可以结合多个核糖体
D.一个DNA分子可以转录产生多个RNA分子
解析:一个核糖体上一次只能合成一条多肽链;核酸合成与分解过程中需要酶的催化,这些酶是蛋白质;一个mRNA分子可以结合多个核糖体,合成多条多肽链;一个DNA分子上含有多个基因,不同基因可以转录产生多个RNA分子。
12.如图为原核细胞内的生理过程示意图。下列叙述与该图相符的是( D )
A.过程①在细胞核中进行,过程②在细胞质中进行
B.b链为编码链,RNA聚合酶沿着DNA长链向左移动
C.过程②是翻译,图中两个核糖体最终合成的多肽是不一样的
D.DNARNA杂交区域中含有氢键和磷酸二酯键
解析:过程①为转录,过程②是翻译。原核细胞没有细胞核,过程①不在细胞核中进行;b链为编码链,RNA聚合酶沿着DNA长链向右移动;一条mRNA上可结合多个核糖体,同时合成多条相同的多肽链。
13.如图表示某生物细胞内蛋白质的合成过程,下列叙述正确的是( C )
A.物质甲为RNA聚合酶,只能使包括1个基因的DNA片段双螺旋解开
B.在光学显微镜下,核糖体呈现微小的悬滴状,由大、小两个亚基组成
C.一种tRNA只能转运一种氨基酸,在转运过程中有磷酸生成
D.核糖体沿着mRNA从左向右移动,并认读mRNA上的遗传密码
解析:物质甲催化转录过程,是RNA聚合酶,具有解开整个DNA双螺旋的作用;在光学显微镜下看不到核糖体;一种tRNA只能转运一种氨基酸,在转运过程中消耗能量,ATP发生水解,有磷酸生成;根据tRNA的移动方向可知,核糖体沿着mRNA从右向左移动。
14.甲、乙两图分别表示某真核生物体内基因A1转录、翻译的过程,其表达产物酶E1是细胞内某正常生理过程所需的酶。基因A2的序列与A1相同,但因为启动部位的倒装,导致A2转录的模板是甲图中的①,转录产物不能进一步翻译。下列叙述正确的是( A )
A.基因A2和A1转录产物的碱基序列互补
B.基因型A1A2的个体E1的含量高于正常人
C.A2A2个体的该基因能表达出有功能的蛋白
D.图乙中核糖体相对mRNA从右往左移动
解析:分析题意,只有基因A1才能正常转录和翻译,合成酶E1,而基因A2只能发生转录,不能完成翻译,不能合成相应的蛋白质。由于基因A1的转录模板与基因A2的转录模板刚好是互补配对的两段核苷酸序列,所以它们转录产物也是正好互补配对的核苷酸序列;基因型为A1A2的个体与基因型为A1A1的正常人比较,其翻译的产物E1不可能更多;A2A2个体由于细胞内没有正常基因A1,所以该基因不能表达出有功能的蛋白;根据肽链延伸方向可确定图乙中核糖体相对mRNA是从左往右
移动。
15.如图表示遗传信息表达的过程,①～④为分子。据图回答下列问题。
(1)在细胞核内,由分子①形成分子②的过程叫作 ,催化该过程的酶是 (填“RNA聚合酶”或“DNA聚合酶”),②表示的分子是 ,它的一段碱基序列为—AUGGCU—,则其对应的DNA模板链的碱基序列是 。
(2)在核糖体上由分子②形成分子④的过程叫作 ,在此过程中需要③ (填“tRNA”或“mRNA”)的参与,图中亮氨酸的密码子是 。
(3)由图可知,基因对性状的控制主要是通过基因控制 合成来实现的。
解析:(1)在细胞核内,以①DNA分子的一条链为模板合成②RNA的过程叫作转录;催化该过程的酶是RNA聚合酶;②是mRNA,它的一段碱基序列为—AUGGCU—,根据碱基互补配对原则,其对应的DNA模板链的碱基序列是—TACCGA—。
(2)在核糖体上,以②RNA为模板合成④肽链的过程叫作翻译,在此过程中需要③tRNA转运氨基酸。密码子是mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基,因此图中亮氨酸的密码子是CUU。
(3)由题图可知,基因对性状的控制主要是通过基因控制蛋白质的合成来实现的。
答案:(1)转录 RNA聚合酶 mRNA —TACCGA— (2)翻译 tRNA CUU (3)蛋白质
概念理解练
1.某种突变的DNA聚合酶比正常的DNA聚合酶能显著减少DNA复制时出现的差错。则该种酶具有( C )
A.解旋酶的活性
B.阻止致病基因的表达
C.降低基因突变的频率
D.提高DNA复制的速度
解析:突变的酶是DNA聚合酶,能催化DNA合成;基因复制出现差错导致的变异类型是基因突变,而突变酶比正常DNA聚合酶精确度更高,能减少DNA复制时出现的错误,故能降低基因突变的频率;突变酶能减少DNA复制时出现的错误,大大提高了DNA复制的精确度,而不是
速度。
2.如图所示为真核细胞中核基因遗传信息的传递和表达过程。下列相关叙述正确的是( D )
A.上述过程可发生在根尖细胞的叶绿体中
B.②中的2种分子在组成上相同的化学基团只有磷酸基团,不同的基团只是五碳糖
C.①②过程所需要的酶相同
D.③过程中核糖体的移动方向是由左向右
解析:①是DNA复制过程,②是转录过程,③是翻译过程。植物根尖细胞中没有叶绿体;②中的2种分子分别是DNA和RNA,在组成上相同的化学基团有磷酸基团和3种碱基(A、C、G),不同的基团是五碳糖和1种碱基;①②过程所需要的酶不相同,前者需要解旋酶和DNA聚合酶,后者需要RNA聚合酶;③是翻译过程,根据肽链的长度可知,核糖体的移动方向是由左向右。
3.下列关于图的叙述正确的是( C )
A.人体内所有细胞均可发生①②
B.所有的病毒均可发生③和④
C.一般活细胞均可发生②和⑤
D.如图全过程最早由克里克提出来
解析:人体中并不是所有细胞都能进行分裂,如高度分化的细胞不再分裂,不能进行①DNA的复制过程,另外人体成熟的红细胞也不能进行②转录过程;DNA病毒既不能进行③逆转录过程,也不能进行④RNA的复制过程;一般活细胞均可发生②和⑤;克里克提出的中心法则包括DNA的复制、转录和翻译,不包括逆转录和RNA的复制。
4.据表判断,异亮氨酸的密码子是( D )
DNA A
A
信使RNA A
转运RNA U
氨基酸 异亮氨酸
A.ATA B.AAU
C.UAU D.AUA
解析:mRNA的密码子和tRNA上的反密码子互补配对,据表中tRNA上的第一个碱基U可推知异亮氨酸的密码子的第一个碱基为A。该密码子的第三个碱基为A,则模板链是DNA上面的一条链,可知密码子的第二个碱基为U,因此异亮氨酸的密码子是AUA。
5.下列关于遗传信息表达的叙述,正确的是( D )
A.转录时,DNA 聚合酶与 DNA 分子中的某一启动部位结合
B.蛋白质和脱氧核糖核苷酸都属于基因表达产物
C.翻译过程中转运氨基酸的分子不含氢键
D.不是所有的氨基酸都有两个以上的遗传密码
解析:转录时,RNA聚合酶与DNA分子中的某一启动部位结合;蛋白质属于基因表达产物;tRNA上存在部分双链结构,含有氢键;有些氨基酸只有一个密码子,如甲硫氨酸的密码子只有AUG。
6.遗传信息的传递过程如图所示,其中①～④表示四种不同的物质。下列叙述中错误的是( D )
A.①复制时,DNA聚合酶催化磷酸二酯键的形成
B.①形成②时,RNA聚合酶可使DNA双螺旋解开
C.②和③之间既有氢键的破坏也有氢键的形成
D.③上的碱基序列决定了④中的氨基酸序列
解析:①为DNA分子,复制时,DNA聚合酶催化磷酸二酯键的形成;①DNA分子转录形成②信使RNA时,RNA聚合酶可使DNA双螺旋解开;②表示信使RNA,③表示转运RNA,进行碱基互补配对时有氢键的形成,转运RNA离开核糖体时有氢键的破坏;②信使RNA是翻译的模板,其碱基序列决定了④多肽链中的氨基酸序列。
7.基因的表达包括转录和翻译两个过程。下列有关基因表达的叙述,正确的是( C )
A.基因的转录是从DNA模板链的起始密码子开始的
B.基因表达的转录和翻译过程均发生在细胞核中
C.一个DNA分子上的不同基因,其转录的模板链可能是DNA的不同链
D.噬菌体中的核酸有DNA和RNA,遗传信息的表达是在宿主细胞中完成的
解析:密码子位于mRNA上,不在DNA上;翻译过程发生在细胞质的核糖体上;不同基因,其转录的模板链可能不同;噬菌体为DNA病毒,不含RNA。
8.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,从而间接控制生物性状
C.生物性状由基因决定,也受环境影响
D.若基因③不表达,则基因①和基因②也不表达
解析:根据题图信息可知,花的颜色由多对基因共同控制;题图中,基因可以通过控制酶的合成来控制代谢,进而控制生物体的性状;花青素在不同酸碱条件下显示不同颜色,说明生物性状由基因决定,也受环境影响;基因具有独立性,基因③是否表达不影响基因①和基因②的表达。
9.野生甘蓝发生了一次变异,导致其某mRNA上一个编码氨基酸的密码子转变成终止密码子,再经过培育得到了花椰菜这个甘蓝亚种。不考虑其他变异,下列相关叙述正确的是( B )
A.花椰菜相应基因合成的mRNA比野生甘蓝的短
B.花椰菜细胞内相关基因的翻译过程,所需tRNA和氨基酸的种类数目不一定相同
C.野生甘蓝和花椰菜的染色体数目不同
D.甘蓝细胞内,转录可发生在细胞核及内质网等少量细胞器中
解析:由题可知,“导致其某mRNA上一个编码氨基酸的密码子转变成终止密码子”,因此合成的mRNA长度并没有改变;一种氨基酸可以由一种或几种tRNA来转运,因此该基因翻译时所需tRNA与氨基酸种类数不一定相等;野生甘蓝发生了一次变异,导致其某mRNA上一个编码氨基酸的密码子转变成终止密码子,说明变异影响了基因的结构,但染色体数目没有改变;甘蓝细胞内,转录可发生在细胞核(不是细胞器)、叶绿体和线粒体中,不能发生在内质网中。
10.如图是遗传信息在生物大分子间传递的示意图。图中字母表示物质,编号表示过程。
(1)结构X的主要组成成分是 。
(2)图中过程①表示 ,该过程所需的原料是 。
(3)图中物质B表示 ,过程⑤发生的场所是 。
(4)在活体内,只有某些类型的病毒可以发生,而其他生物都不会发生的过程是 。
A.①② B.②③ C.③④ D.④⑤
(5)如果过程①中出现差错,导致A分子上某基因的一个碱基对被替换,但产生的C没有发生改变,其原因可能是 。
A.不同的密码子可能决定同一种氨基酸
B.多种氨基酸可以由一种密码子编码
C.过程①②⑤所需要的酶没有发生变化
D.A序列的改变不可能影响C的序列
解析:(1)根据题图分析可知,结构X是染色体,其主要组成成分为DNA和蛋白质。
(2)图中过程①表示DNA复制,该过程需要的原料是四种游离的脱氧核糖核苷酸。
(3)图中物质B表示mRNA,mRNA与核糖体结合进行翻译,过程⑤为翻译过程,发生在核糖体上。
(4)据图可知过程①DNA复制、②转录、③RNA复制、④逆转录、⑤翻译,只在某些病毒体内发生而其他生物不会发生的过程为③④。
(5)密码子具有简并性,一种氨基酸可以由几种不同的密码子决定,密码子的简并性有利于生物遗传性状的稳定,同时也是生物适应环境的表现。
答案:(1)DNA和蛋白质 (2)DNA复制 脱氧核糖核苷酸 (3)mRNA(信使RNA) 核糖体(细胞质) (4)C (5)A
素养提升练
11.如图为α原肌球蛋白基因在不同组织细胞中的表达过程示意图。据图分析下列说法正确的是( D )
A.①②③④过程均有氢键的断裂和形成
B.①②③过程需RNA聚合酶的催化
C.①②③④过程在细胞中进行的场所相同
D.同一基因可以控制合成不同的蛋白质
解析:①转录、④翻译两个过程均有碱基配对,均有氢键的断裂和形成,②剪切过程和③选择性剪接过程没有氢键的破坏和形成;①过程需要RNA聚合酶催化,②③不需要;①在细胞核中进行,④翻译在细胞质中进行;同一基因可以控制合成不同的蛋白质。
12.RNA聚合酶运行过快会导致与DNA聚合酶相“撞车”而使DNA折断,引发细胞癌变。研究发现,一种特殊酶类RECQL5可与RNA聚合酶结合减缓其运行速度,扮演“刹车”的角色,从而抑制癌症发生。下列叙述正确的是( B )
A.RECQL5与RNA聚合酶结合会导致翻译过程减缓
B.若浆细胞不能合成RECQL5,其细胞核内也不会发生“撞车”现象
C.DNA聚合酶与RNA聚合酶均可通过碱基互补配对而与DNA结合
D.DNA聚合酶与RNA聚合酶均可催化氢键的断裂和磷酸二酯键的形成
解析:RNA聚合酶参与的是转录过程,因此RECQL5与RNA聚合酶结合会导转录过程减缓;由于浆细胞已经高度分化,不再分裂,即其细胞核中不会进行DNA分子的复制,因此浆细胞不能合成RECQL5,其细胞核内也不会发生“撞车”现象;DNA聚合酶与RNA聚合酶的化学本质都是蛋白质,其中不含含氮碱基,因此都不能与DNA发生碱基互补配对;
DNA聚合酶不能催化氢键的断裂,RNA聚合酶可催化氢键断裂,这两种酶都可催化磷酸二酯键的形成。
13.如图为某细菌mRNA与对应的翻译产物示意图,下列相关叙述错误的是( C )
A.一分子mRNA有一个游离磷酸基团,其他磷酸基团均与两个核糖
相连
B.在该mRNA合成的过程中,核糖体就可以与之结合并开始翻译过程
C.多个核糖体在mRNA上的移动合成一条肽链提高翻译效率
D.一个mRNA有多个起始密码,所以一个mRNA可翻译成多种蛋白质
解析:一分子mRNA中磷酸和核糖交替连接,则起始端有一个游离磷酸基团,其他磷酸基团均与两个核糖相连;细菌属于原核细胞,没有核膜包被的细胞核,则mRNA合成的过程中,核糖体就可以与之结合并开始翻译过程,即边转录边翻译;多个核糖体在mRNA上移动合成多条相同的肽链,这样可以提高翻译效率;据图分析,一个mRNA有多个起始密码子,所以一个mRNA可翻译成多种蛋白质。
14.心肌细胞不能增殖。基因ARC在心肌细胞中特异性表达,抑制其凋亡,以维持正常数量。细胞中某些基因转录形成的前体RNA经过加工会产生许多非编码RNA(如miR223、HRCR)。下列叙述正确的是( B )
A.过程②最终合成的T1、T2、T3三条多肽链的氨基酸序列不同
B.若心肌缺血、缺氧引起基因miR223过度表达,则会抑制过程②
C.基因ARC模板链上形成的DNARNA杂交区与过程②碱基配对方式
相同
D.HRCR吸附miR223,使ARC基因的表达减少,促进心肌细胞的凋亡
解析:过程②为翻译过程,模板为同一条mRNA,故最终合成的T1、T2、T3三条多肽链的氨基酸序列相同;由题图可知,若心肌缺血、缺氧引起基因miR223过度表达,形成的miR223会与基因ARC转录的mRNA结合形成核酸杂交分子1,进而抑制过程②;在DNARNA杂交区,碱基配对方式是“A—U、T—A、C—G、G—C”,②过程为翻译,碱基配对方式为“A—U、U—A、G—C、C—G”;HRCR与miR223碱基互补配对,清除miR223,使ARC基因的表达增加,抑制心肌细胞的凋亡。
15.色氨酸是大肠杆菌合成蛋白质所必需的一种氨基酸。研究人员发现,在培养基中无论是否添加色氨酸,都不影响大肠杆菌的生长。
(1)研究发现,大肠杆菌有5个与色氨酸合成有关的基因。在需要合成色氨酸时,这些基因通过 (过程)合成相关酶。大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效,原因之一是没有核膜的界限,
。
(2)进一步发现,在培养基中增加色氨酸后,大肠杆菌相关酶的合成量大大下降。经过测序,研究者发现了大肠杆菌色氨酸合成相关基因的结构(图1)。
由图1可知,在培养基中有 的条件下,trpR指导合成的抑制蛋白能够结合在操纵序列,从而阻止 与启动子的结合,从而抑制色氨酸相关酶的合成。
(3)随着研究的深入,研究者发现,色氨酸合成相关基因转录后形成的mRNA的5′端有一段“无关序列”编码出的多肽不是色氨酸合成酶,但将这段多肽对应基因序列敲除后,发现色氨酸合成酶的合成出现了变化(图2)。
由此可知,图1中的抑制蛋白的抑制作用是 (填“完全的”或“不完全的”),推测“无关序列”的作用是 。“无关序列”在控制大肠杆菌代谢的过程中起到了一种“RNA开关”的功能,令其能够响应外界代谢物的含量变化,避免了 。请提出有关这种“RNA 开关”调控机制的一种研究或应用前景:
。
解析:(1)酶的本质是蛋白质,控制该酶的基因通过转录和翻译最终合成。大肠杆菌为原核生物,无核膜包被的细胞核,转录和翻译可同时发生,故大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效。
(2)存在色氨酸的情况下,激活了抑制蛋白,抑制蛋白能够结合在操纵序列,阻止RNA聚合酶与启动子的识别,抑制色氨酸合成相关酶基因的转录。
(3)敲除“无关序列”前色氨酸合成相关酶的合成量小于敲除“无关序列”后的合成量,说明抑制蛋白没有完全抑制色氨酸合成相关酶基因的表达。敲除“无关序列”前,色氨酸合成相关酶的合成量对色氨酸浓度的感受更为敏感,因此说明“无关序列”响应色氨酸的浓度变化,进一步抑制色氨酸合成酶相关基因的转录。“无关序列”在控制大肠杆菌代谢的过程中起到了一种“RNA开关”的功能,令其能够响应外界代谢物的含量变化,避免了物质和能量的浪费。将这种“RNA开关”类似的调控序列导入癌细胞中,令其在营养充分时也不能正常表达基因,从而抑制癌细胞的生长,达到治疗癌症的作用。
答案:(1)转录和翻译(表达) 转录和翻译可同时发生
(2)色氨酸 RNA 聚合酶
(3)不完全的 响应色氨酸的浓度变化,进一步抑制色氨酸合成酶相关基因的转录 物质和能量的浪费 将这种“RNA开关”类似的调控序列导入癌细胞中,令其在营养充分时也不能正常表达基因,从而抑制其生长第五节 生物体存在表观遗传现象
教学内容 教学要求 素养归属
1.基因序列不变,表型可能改变 通过资料阅读,运用归纳与概括,总结表观遗传的概念及特点,并与传统遗传学进行比较 科学思维
2.改变了的表型有些可以遗传 (1)运用提炼与分析,概括表观遗传发生的机理 科学思维
(2)认同表观遗传对生物进化的意义,形成严谨的进化观,并能对与表观遗传相关的社会现象进行解释和分析 生命观念、 社会责任
1.基因序列不变,表型可能改变
(1)表观遗传现象的概念
指亲代传递给后代的DNA序列没有改变,亲代在生活中由于生活环境或生活习惯的改变而引起的身体状况变化,也会通过某种途径遗传给下一代。
(2)表观遗传与传统遗传学的比较
项目 表观遗传 遗传学
基因 序列 不改变DNA序列,基于非基因序列改变所致基因表达水平变化 基于基因序列改变所致基因表达水平的变化
遗传性 可以遗传 可以遗传
2.改变了的表型有些可以遗传
(1)组蛋白的乙酰化
乙酰基把氨基上的正电荷屏蔽起来,组蛋白的正电荷减少,与带负电的DNA分子片段(某基因) 缠绕的力量减弱,随之松开,里面的信息就可以被读取,即进行转录。
(2)DNA的甲基化
基因启动子中的胞嘧啶加上甲基基团(—CH3),会使染色质高度螺旋化,凝缩成团,这个基因就无法被识别,失去转录活性,因而不能完成转录。
(3)表观遗传机制的意义
打破DNA变化缓慢的限制,使后代能迅速获得亲代应对环境因素做出的反应而发生的变化,这对生物种群的生存和繁衍也许是有利的。
概念一 基因序列不变,表型可能改变
[概念情境]
阅读下面科普短文并回答问题。
基因与环境的“共舞”
生物体的细胞中有一本生命之书——基因组。人的生命源于一个受精卵,初始的全能或多能细胞中的DNA,在转录因子的协同作用下被激活或抑制,让细胞走向不同的“命运”,最终在细胞中表达“一套特定组合”的基因。
生命处于不断变化的环境中,亿万年的进化让生命之书中蕴藏了应对环境变化的强大潜力。细胞中基因的表达始于染色质的解螺旋,各种转录因子结合到DNA上,启动表达。研究发现,这些过程中都存在着调控,这种调控不改变DNA序列,但会对基因进行修饰,从而引起基因表达的变化及表型改变,并且有的改变是可遗传的,即表观遗传。例如DNA上结合一个甲基基团(甲基化),能引起染色质结构、DNA构象的改变,从而改变基因表达。表观遗传提供了基因何时、何处、合成何种RNA及蛋白的指令,从而更精确地控制着基因表达。
表观遗传是个体适应外界环境的机制,在环境变化时,生物可以通过重编程消除原有的表观遗传标记,产生适应新环境的表观遗传标记,这样既适应了环境变化,也避免了DNA反复突变造成的染色体不稳定与遗传信息紊乱。
表观遗传与人的发育和疾病密不可分。胚胎发育早期,建立与子宫内环境相适应的表观遗传修饰是胚胎发育过程的核心任务。母体的饮食、供氧、感染、吸烟等与后代的高血压、Ⅱ型糖尿病等疾病密切相关。表观遗传改变增加了患有特定疾病的风险,但人体可在相当程度上忍受这些改变而不发病,经历十几年或几十年的持续压力,表观修饰的弹性被耗尽,细胞或组织再也无法正常行使功能,从而产生疾病。
生命本质上是物质、能量和信息的统一体,基因与环境的“共舞”,才会奏响生命与环境相适应、协同进化的美妙“乐章”。
(1)基因选择性表达和表观遗传共同作用,使全能或多能细胞走向不同“命运”的过程是什么
提示:细胞分化。
(2)DNA分子中发生碱基对的替换、插入或缺失,引起的基因碱基序列的改变叫基因突变。表观遗传是否属于基因突变 依据是什么
提示:不属于。碱基序列没有改变。
(3)表观遗传在生物适应外界环境变化中的作用是什么
提示:适应环境变化,也避免DNA反复突变造成的染色体不稳定与遗传信息紊乱。
(4)人们用“病来如山倒”形容疾病的发生比较突然。请结合文中内容,用30字内的一句话,反驳这种观点。
提示:疾病是环境因素持续作用下,表观修饰弹性被耗尽的结果。
表观遗传概念理解
[典例] 表观遗传学是指细胞内基因序列没有改变,但 DNA 发生甲基化、组蛋白修饰等,使基因的表达发生可遗传变化的现象。对此现象的叙述错误的是( D )
A.若基因的启动部位被修饰,则可能遏制了RNA 聚合酶的识别
B.男性吸烟者的精子活力下降,精子中DNA的甲基化水平明显升高
C.正常的细胞分化可以体现出细胞层次上的表观遗传
D.同卵双胞胎之间的差异皆是由表观遗传引起的
解析:基因的启动部位是RNA聚合酶识别和结合的位点,因此若基因的启动部位被修饰,则可能遏制了RNA聚合酶的识别;男性吸烟者的精子活力下降,精子中DNA的甲基化水平明显升高;细胞分化可使细胞的形态、结构和生理功能发生稳定性差异,可见正常的细胞分化可以体现出细胞层次上的表观遗传;同卵双胞胎之间的差异主要是环境因素引起的。
[概念误区] 表观遗传学是指基于非基因序列改变所致基因表达水平的变化,即环境变化引起的性状改变,影响基因表达,但不改变DNA序列。
概念二 改变了的表型有些可以遗传
[概念情境]
表观遗传是指DNA序列不改变,而基因的表达发生可遗传的改变,DNA甲基化是表观遗传中最常见的现象之一。某些基因在启动子上存在富含双核苷酸“CG”的区域,称为“CG岛”。其中的胞嘧啶在发生甲基化后转变成5-甲基胞嘧啶,但仍能与鸟嘌呤互补配对。细胞中存在两种DNA甲基化酶(如图1所示),从头甲基化酶只作用于非甲基化的DNA,使其半甲基化;维持甲基化酶只作用于DNA的半甲基化位点,使其全甲基化(图2)。
请思考并回答以下问题。
(1)DNA甲基化是否会改变基因转录产物的碱基序列 试说明原因。
提示:不会。DNA甲基化是表观遗传中最常见的现象之一,而表观遗传是DNA序列不改变,而基因的表达发生可遗传的改变,所以DNA甲基化不会改变基因转录产物的碱基序列。
(2)试从图2中过程①②变化,分析细胞是如何维持亲子代基因甲基化稳定的。
提示:图2中过程①的模板链都含甲基,而复制后都只含一个甲基,说明过程①的方式是半保留复制,所以其产物都是半甲基化的,因此过程②必须经过维持甲基化酶的催化才能获得与亲代分子相同的甲基化状态。
(3)启动子中“CG岛”的甲基化对基因的表达有何影响
提示:由于RNA聚合酶与启动子结合,催化基因进行转录,而启动子中“CG岛”的甲基化会影响相关蛋白质(RNA聚合酶)与启动子的结合,不能合成mRNA,从而抑制基因的表达。
表观遗传机制分析
[典例] DNA甲基化是在DNA甲基化转移酶的作用下将甲基选择性地添加到胞嘧啶上形成5-甲基胞嘧啶的过程,胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶在DNA分子中都可以与鸟嘌呤配对。大量研究表明,DNA甲基化能够在不改变DNA序列的前提下,影响基因的表达,从而改变遗传表现。下列有关分析正确的是( B )
A.DNA甲基化导致复制过程发生碱基配对错误
B.细胞的癌变有可能与DNA甲基化有关
C.DNA甲基化说明DNA序列发生了改变
D.DNA甲基化会改变DNA中碱基的数量
解析:DNA甲基化不改变DNA序列,因此不影响复制过程中碱基互补配对;RNA聚合酶与DNA的结合属于基因表达的关键环节,DNA甲基化可能干扰了RNA聚合酶等对DNA部分区域的识别和结合,导致转录和翻译过程变化,若抑癌基因的表达异常则可能使细胞发生癌变;DNA甲基化能够在不改变DNA序列的前提下,影响基因的表达;DNA甲基化是在相关酶的作用下将甲基选择性地添加到胞嘧啶上,没有改变DNA中碱基的数量。
[概念误区] 有关表观遗传机制分析的易错点
(1)组蛋白乙酰化:处理的对象为组蛋白,为组蛋白的氨基加帽,改变组蛋白的电荷分布,进而造成组蛋白与DNA的结合能力减弱,以便于基因能被转录,提升基因的表达水平。
(2)DNA甲基化:处理的对象为DNA分子,为DNA分子的启动子加甲基,进而造成染色质的高度螺旋化,失去转录能力,降低基因的表达水平。
请阅读下面的科普短文,并回答问题。
研究发现,组成染色体的DNA发生甲基化和去甲基化修饰,可使相关基因处于“关闭”或“打开”的状态,从而影响其对性状的控制。
小鼠的毛色与毛囊中黑色素细胞合成的色素种类有关。研究发现,胞外信号分子 M 蛋白与黑色素细胞膜表面受体 MR 结合,启动细胞内B基因等表达出相关酶,催化真黑色素(色素颗粒主要为黑色)的合成。细胞内另有A基因编码的A蛋白,可阻断M蛋白与MR结合,抑制真黑色素合成,并通过另一条代谢途径合成褐色素(色素颗粒主要为黄色)。正常情况下,A 基因在毛发生长周期第 4～6 天集中表达,所以野生型小鼠呈现真黑色素与褐色素相间的斑驳色(如图所示)。
小鼠的毛色也是一种与表观遗传机制有关的性状。有一种黄色突变体小鼠(AvyA),检测其基因序列发现,Avy基因是在A基因前端插入了一段“IAP”序列,该序列能调控A基因在毛发生长过程中持续表达。另一项研究发现,孕鼠食物成分不同会影响胎儿期Avya小鼠的毛色发育,其毛色可从单一的黄色到不均一的黄色、斑驳色,甚至黑色。若给孕期母鼠提供的食物含甲基越丰富,刚出生的子代小鼠毛色越深。这又是为什么呢 原来,插入的IAP序列容易发生不同程度的甲基化修饰,从而失去部分或全部的调控作用。因此,Avya小鼠可以作为环境生物反应指示器,用来研究能增加甲基化风险的环境因子如乙醇、低剂量辐射和双酚A等对胎儿发育的影响。
(1)请用一个短句概括基因与DNA的关系:基因通常是具有遗传效应的DNA片段。
(2)DNA发生甲基化和去甲基化修饰,会影响RNA聚合酶与基因的结合,使转录过程不能正常进行,从而影响基因表达。
(3)Avy对A表现为显性(填“显性”或“隐性”),能合理解释AvyA小鼠表现为黄色的是③(选填下列序号)。正常情况下aaBB小鼠毛色为黑色。
(4)用Avya小鼠评估环境因子对胎儿发育的影响时,可以用小鼠毛色作为指标。
解析:(1)基因与DNA的关系:基因通常是具有遗传效应的DNA片段。
(2)转录过程中,RNA聚合酶与DNA上的启动子结合,启动转录过程。因此DNA发生甲基化和去甲基化修饰,会影响RNA聚合酶与基因的结合,使转录过程不能正常进行,从而影响基因表达。
(3)根据题干信息“黄色突变体小鼠(AvyA)”可知,Avy对A表现为显性;根据题干信息“细胞内另有A基因编码的A蛋白,可阻断M蛋白与MR结合,抑制真黑色素合成,并通过另一条代谢途径合成褐色素(色素颗粒主要为黄色)”“正常情况下,A基因在毛发生长周期第4～6天集中表达”“Avy基因是在A基因前端插入了一段‘IAP’序列,该序列能调控A基因在毛发生长过程中持续表达”可知,AvyA小鼠表现为黄色的机理是③。胞外信号分子M蛋白与黑色素细胞膜表面受体MR结合,启动细胞内B基因等表达出相关酶,催化真黑色素(色素颗粒主要为黑色)的合成,因此正常情况下aaBB小鼠毛色为黑色。
(4)用Avya小鼠评估环境因子对胎儿发育的影响时,环境因子会影响基因的表达,进而影响生物的性状,故可以用小鼠毛色作为指标。
1.(2021·衢州期末)给线虫喂食某种细菌,它们的体型变得又小又圆,它们的后代即使从不接触该种细菌,又小又圆的体型仍然可以维持多代,这是一种表观遗传现象。下列叙述正确的是( A )
A.该现象不涉及DNA序列改变
B.细菌引起线虫发生了基因突变
C.线虫体型的变化与基因表达无关
D.该现象可能仅由环境引起,无法遗传
解析:题干中已说明该现象为表观遗传现象,因此线虫的DNA序列没有改变;表观遗传中,生物的DNA序列不改变,而基因突变改变了基因序列;表观遗传不改变DNA序列,但改变了基因的功能,影响了基因的表达,进而改变了表型;表观遗传可以在亲子代间遗传。
2.鱼类的记忆真的只有7秒吗 科学家发现鱼类对进食刺激能够保持长达几年的记忆。有一项新研究成果更是颠覆了人们的认识,斑马鱼的表观遗传记忆能够通过保存DNA甲基化的方式连续遗传给后代。下列叙述错误的是( A )
A.鱼的表观遗传记忆通过改变DNA的序列进行遗传
B.表观遗传记忆能使鱼类后代迅速获得亲代对应环境因素做出的反应
C.根据表观遗传的特点,鱼类被多次捕获后其后代被捕获的难度提升
D.表观遗传可能给进化增加新的元素,令其对人工刺激做出反应
解析:表观遗传记忆是保存DNA甲基化的方式遗传,而DNA甲基化不改变DNA序列;表观遗传记忆能使后代快速获得亲代的某些应激反应能力,为进化提供新的素材;鱼类被多次捕获后,表观遗传记忆增强,其后代被捕获的难度提升。
3.表观遗传是指生物基因的碱基序列保持不变,但基因表达发生可遗传变化的现象,对此现象的理解错误的是( B )
A.基因的启动部位被甲基化修饰属于表观遗传
B.同卵双胞胎之间的微小差异与表观遗传无关
C.细胞质中的调控因子对基因的表达起调节作用
D.通过表观遗传传递下去的性状并不总是有利的
解析:同卵双胞胎的基因型相同,因此他们之间的微小差异与表观遗传有关。
4.纯种黄色(HH)小鼠与纯种黑色(hh)小鼠杂交,子一代小鼠却表现出不同的毛色,介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型。研究表明,H基因上有一段特殊的碱基序列,该序列有多个位点可发生甲基化修饰(如图所示)。当没有发生甲基化时,H可正常表达,小鼠为黄色。反之,H基因表达就受到抑制,且发生甲基化的位点越多,基因表达被抑制的效果越明显。结合上述信息,下列叙述错误的是( C )
A.纯种黄色(HH)小鼠与纯种黑色(hh)小鼠杂交,正常情况下子一代小鼠的基因型都是Hh
B.基因型是Hh的小鼠体毛的颜色随H基因发生甲基化的位点的增多而加深(黑)
C.甲基化修饰导致H基因的碱基对的排列顺序发生改变,产生了不同的等位基因
D.此实验表明基因型与表型之间的关系,并不是简单的一一对应关系
解析:纯种黄色(HH)小鼠与纯种黑色(hh)小鼠杂交,正常情况下子一代小鼠的基因型都是Hh;基因型是Hh的小鼠体毛的颜色随H基因发生甲基化的位点的增多而加深(黑);据题干信息可知,甲基化修饰只是导致H基因的表达受到抑制,H基因的碱基对的排列顺序没有发生改变;此实验表明基因型与表型之间的关系,并不是简单的一一对应关系。
5.在一个蜂群中,少数幼虫一直取食蜂王浆而发育成蜂王,而大多数幼虫以花粉和花蜜为食将发育成工蜂。DNMT3蛋白是DNMT3基因表达的一种DNA甲基化转移酶,能使DNA某些区域添加甲基基团(如图所示)。敲除DNMT3基因后,蜜蜂幼虫将发育成蜂王,这与取食蜂王浆有相同的效果,下列有关叙述错误的是( A )
A.被甲基化的DNA片段中遗传信息发生改变,从而使生物的性状发生改变
B.蜂群中蜜蜂幼虫发育成蜂王可能与体内重要基因是否甲基化有关
C.DNA甲基化后可能干扰了RNA聚合酶等对DNA部分区域的识别和结合
D.胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶在DNA分子中都可以与鸟嘌呤配对
解析:DNA甲基化并没有改变DNA内部的碱基排列顺序,未改变DNA片段的遗传信息;DNMT3蛋白是DNMT3基因表达的一种DNA甲基化转移酶,能使DNA某些区域添加甲基基团,敲除DNMT3基因后,蜜蜂幼虫将发育成蜂王说明蜂群中蜜蜂发育成蜂王可能与体内重要基因是否甲基化有关;DNA甲基化后可能干扰了RNA聚合酶等对DNA部分区域的识别和结合,导致转录和翻译过程变化,使生物表现出不同的性状;胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶在DNA分子中都可以与鸟嘌呤配对。
概念理解练
1.小鼠常染色体基因(A)表达的igf2生长因子对小鼠的生长起重要作用,缺乏时个体矮小。减数分裂形成卵子时,雌鼠的A、a基因会发生甲基化(部分胞嘧啶转化成5甲基胞嘧啶),导致该基因在子代中不能转录,而雄鼠的A、a基因若存在甲基化,在减数分裂形成精子时则会去甲基化。据此推测正确的是( D )
A.雌鼠体内无igf2生长因子
B.甲基化的A基因在雄鼠体内可正常转录
C.甲基化降低了RNA聚合酶的活性
D.矮小雌、雄鼠杂交,后代可生出正常雌鼠
解析:如果雌鼠体内的A基因来自父本,则该雌鼠体内的A基因可以正常表达为igf2生长因子;甲基化的A基因在雄鼠体内不能正常转录,但是在形成精子的过程中会去甲基化;由题可知,该基因甲基化后不能转录,不能判断甲基化是否降低了RNA聚合酶的活性;矮小雌、雄鼠杂交,若雄鼠由于含有甲基化的A而表现为矮小,那么雄鼠在形成精子时会发生去甲基化,精子中的A基因是正常的,遗传给子代后,后代可生出正常雌鼠。
2.某种花卉的红色花瓣(A)对白色花瓣(a)为显性。将纯种红色植株与纯种白色植株进行杂交,F1表现出介于红色和白色之间的多种不同花色。研究表明A基因的某段序列具有多个可发生甲基化修饰的位点,甲基化程度越高,A基因的表达水平越低,下列叙述正确的是( B )
A.F1不同花色植株的基因型为AA或Aa
B.甲基化可能影响了A基因的转录过程
C.A基因甲基化使A基因突变为a基因
D.A基因的甲基化导致其后代中A基因减少
解析:纯种红色植株与纯种白色植株进行杂交,正常情况下,产生的后代的基因型并未改变,即都为Aa;A基因甲基化程度越高,A基因的表达水平越低,是因为基因甲基化导致基因某些区域构象变化,从而影响了蛋白质与基因的相互作用,从而影响基因转录过程;A基因的甲基化是基因化学修饰的一种形式,并不改变A基因中碱基对排列顺序,所以不会使A基因突变为a基因;A基因的甲基化不改变A基因的碱基排列顺序,也不影响A基因传给子代的概率,所以A基因的甲基化不会导致其后代中A基因减少。
3.脊椎动物的一些基因活性与其周围特定胞嘧啶的甲基化有关,甲基化使基因失活,非甲基化能活化基因的表达。以下推测正确的是( B )
选项 基因 肝细胞 胰岛β细胞
A 呼吸酶基因 甲基化 非甲基化
B 呼吸酶基因 非甲基化 非甲基化
C 胰岛素基因 非甲基化 甲基化
D 胰岛素基因 甲基化 甲基化
解析:呼吸酶基因在肝细胞和胰岛β细胞中都表达,所以呼吸酶基因在肝细胞和胰岛β细胞中都应该非甲基化;胰岛素只能在胰岛β细胞合成,所以胰岛素基因只能在胰岛β细胞表达,因此该基因在胰岛β细胞中应该非甲基化,在肝细胞中甲基化。
4.下列关于表观遗传的叙述,错误的是( B )
A.基因的甲基化会抑制相应基因的表达
B.组蛋白的乙酰化会抑制相应基因的表达
C.基因发生足够多的甲基化后,其转录会被阻止
D.mRNA与单链核酸分子发生互补配对,会导致翻译终止
解析:基因的甲基化使染色质螺旋化程度提高,从而抑制基因表达;组蛋白的乙酰化会促进相应基因的表达;基因发生足够多的甲基化后,导致DNA分子不能解旋,其转录会被阻止;mRNA与单链核酸分子发生互补配对,导致核糖体无法与mRNA结合,进而造成翻译受阻。
5.某种实验小鼠的毛色受一对等位基因Avy和a的控制,Avy为显性基因,表现为黄色,a为隐性基因,表现为黑色。纯种黄色体毛小鼠与纯种黑色体毛小鼠杂交,子一代小鼠的基因型都是Avya,却表现出介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型。研究表明,在Avy基因的前端有一段特殊的可发生DNA甲基化修饰的碱基序列。Avy基因的表达受到DNA甲基化的抑制,甲基化程度越高小鼠体毛的颜色越深。下列说法正确的是( D )
A.决定该小鼠毛色的基因的遗传不符合孟德尔分离定律
B.基因型Avya小鼠毛色不同的原因是Avy基因和a基因的碱基序列
不同
C.DNA甲基化过程主要影响Avy基因的翻译过程
D.亲代的DNA甲基化影响可通过有性生殖向子代传递
解析:Avy和a是一对等位基因,位于一对同源染色体上,因此其遗传遵循分离定律;根据题意和分析可知,基因型Avya小鼠毛色不同的原因是Avy基因的表达受到DNA甲基化的抑制,甲基化程度越高,小鼠体毛的颜色越深;DNA甲基化过程主要影响Avy基因的转录过程;DNA甲基化作为一种相对稳定的修饰状态,可随DNA的复制过程遗传给新产生的子代DNA,是一种重要的表观遗传机制, DNA甲基化可以通过有性生殖遗传给后代,进而对表型产生影响。
6.DNA甲基化是指在甲基转移酶的催化作用下将甲基转移到正常的碱基上的过程。甲基化不改变基因的遗传信息,但该基因表达受到抑制。下列说法错误的是( C )
A.甲基转移酶发挥作用需要与DNA分子进行结合
B.癌症发生的机制可能是抑癌基因甲基化的结果
C.若某基因发生了甲基化,则该基因所控制的性状不变
D.若某蛋白参与DNA转录,则该蛋白可能是RNA聚合酶
解析:DNA甲基化是指在甲基转移酶的催化作用下将甲基转移到正常的碱基上的过程,甲基转移酶发挥作用需要与DNA分子进行结合;DNA的甲基化可导致基因表达受到抑制,抑癌基因甲基化可能导致癌症的发生;若某基因发生了甲基化,该基因表达受到抑制,则该基因所控制的性状会发生改变;若某蛋白参与DNA转录,则该蛋白可能是RNA聚
合酶。
7.柳穿鱼是一种园林花卉,它的花有2种形态结构:左右对称(品种A)和中心对称(品种B),花形态结构与Lcyc基因的表达与否直接相关。已知品种A和B的Lcyc的基因相同,品种A的Lcyc基因表达,品种B的Lcyc基因由于甲基化修饰不表达。品种A与品种B杂交,F1的花左右对称,F1自交产生的F2中大部分植株的花左右对称,少部分植株的花中心对称。下列相关说法,错误的是( B )
A.Lcyc基因的DNA甲基化修饰可能阻碍了RNA聚合酶发挥作用
B.品种A与品种B的花形态结构不同是因为Lcyc基因碱基序列不同
C.F2中少部分植株的花中心对称说明甲基化修饰的Lcyc基因可以
遗传
D.F1的花左右对称的原因是来自品种A的Lcyc基因表达,品种B的Lcyc基因不表达
解析:分析题干可知,Lcyc基因的DNA甲基化修饰可能阻碍了RNA聚合酶发挥作用;由题可知品种A与品种B的Lcyc基因碱基序列完全相同,只存在能否表达的差异;从A、B植株作为亲本进行杂交的F1和F2情况分析,植株B的Lcyc基因碱基与植株A相同,仅因被高度甲基化后不能表达,基因不表达会使其花的性状与植株A的出现明显差异,并且这种差异在F2中重新出现,说明细胞中基因表达与否以及表达水平的高低会导致生物的性状发生改变并遗传下去;由“左右对称(品种A)和中心对称(品种B)……品种A的Lcyc基因表达,品种B的Lcyc基因由于甲基化修饰不表达”可知,F1的花左右对称的原因是来自品种A的Lcyc基因表达,品种B的Lcyc基因不表达。
素养提升练
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定律
D.表观遗传的一种解释是基因在转录和翻译过程中发生了一些稳定性的改变
解析: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;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;表观遗传中,核内遗传物质在亲子代之间传递仍然遵循孟德尔遗传定律;生物体基因的碱基序列保持不变,但基因表达(转录和翻译)过程中发生变化导致表型发生可遗传变化的现象,叫作表观遗传。
9.DNA甲基化是指在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酶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的甲基化改变了其脱氧核苷酸序列,从而导致原癌基因和抑癌基因突变
解析:细胞癌变可能与原癌基因的高效表达有关;根据题干信息“DNA的甲基化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”可知,抑制DNMTS酶活性会升高细胞癌变的概率;密码子位于mRNA上,
RNA聚合酶与基因上的启动子结合;DNA的甲基化改变了基因的表达状态,而不是改变其脱氧核苷酸序列。
10.小鼠基因组与人类的相似度极高,因此在医学研究和临床实验研究中,常用小鼠作为实验动物。请回答问题。
(1)在研究人类自发性视网膜色素变性(视觉异常)、耳聋两种疾病时,科研人员发现,将视觉、听觉均正常的野生型小鼠与一只发生基因突变的纯合系小鼠进行杂交,结果显示F1小鼠的视觉和听觉功能与同龄对照组小鼠相比并无差异,推测致病基因为 性突变。F1雌雄小鼠交配,F2小鼠出现视觉正常—听觉异常∶视觉异常—听觉正常∶视觉正常—听觉正常∶视觉异常—听觉异常≈3∶3∶9∶1,由此可知,此突变小鼠为 (填“单”或“双”)基因突变,且遵循
定律。如继续让F2雌雄小鼠交配,正常情况下,F3小鼠有 种表型。
(2)科研人员还研究了一种杀菌剂A对人类前列腺疾病的影响。将小鼠做如下处理:F0正常怀孕小鼠(腹腔注射杀菌剂A)产仔F1(如图1),
F1与正常野生型小鼠交配,产仔F2,以此类推,每一代小鼠均与正常野生型小鼠交配,得到F3、F4等。
①结果如图2所示,未受杀菌剂A影响的F3小鼠患前列腺疾病的频率明显 (填“高于”或“低于”)对照组小鼠,且无典型的患病比例。推测此种疾病的患病方式可能异于自发性视网膜色素变性—耳聋疾病。进一步研究发现,杀菌剂A并未引起小鼠的核基因的碱基序列发生改变,但其DNA被甲基化,从而导致 发生了改变,并将这种改变遗传给未受杀菌剂影响的F3或更多代,此种现象称为表观遗传。
②为探究DNA甲基化对表观遗传的影响机制,研究人员对F3小鼠的前列腺上皮细胞的关键DNA甲基化和相应的mRNA的表达进行检测,发现其DNA甲基化位点的数量和mRNA表达情况明显异于对照组,结果如图3。通过比较可知,由于杀菌剂A的影响,亲本DNA的甲基化,通过
将其传递给生殖细胞,进而导致未受杀菌剂A影响的F3小鼠体内 等过程发生异常,最终影响表型。
(3)请你结合表观遗传现象,谈谈农业生产中大量使用杀菌剂A对人类健康的危害:
。
解析:(1)视觉、听觉均正常的野生型×发生基因突变的纯合系小鼠→视觉和听觉功能正常,即后代只出现一种性状,说明致病基因是隐性性状。F1雌雄小鼠交配,F2小鼠出现视觉正常—听觉异常∶视觉异
常—听觉正常∶视觉正常—听觉正常∶视觉异常—听觉异常≈3∶3∶9∶1,F2小鼠出现“9∶3∶3∶1”的表型之比,由此可知,F1雌雄小鼠基因为双杂合子,这说明此突变小鼠是双基因突变且遵循基因自由组合定律。
(2)①由坐标图可知未受杀菌剂A影响的F3小鼠患前列腺疾病的频率明显高于对照组小鼠并且没有表现出明显的患病比例。根据题目叙述杀菌剂A并未引起小鼠的核基因的碱基序列发生改变,但其DNA被甲基化,而子代的表型发生了改变,并将这种改变遗传给未受杀菌剂影响的F3或更多代,此种现象称为表观遗传。表观遗传是指DNA序列不发生变化,但基因表达却发生了可遗传的改变,即基因型未发生变化而表型却发生了改变。
②精细胞和卵细胞称之为生殖细胞,而生殖细胞是由原始生殖细胞经过减数分裂产生的。由此可知,亲本DNA的甲基化,通过减数分裂传递给生殖细胞。基因对性状的控制:基因通过控制酶的合成控制生物体内的生物化学反应,从而间接控制生物的性状;基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物的性状。因此未受杀菌剂A影响的F3小鼠体内基因表达、新陈代谢等过程发生异常,最终影响表型。
(3)表观遗传是指DNA序列不发生变化,但基因表达却发生了可遗传的改变,即基因型未发生变化而表型却发生了改变。根据题干所给的材料得知即使子代没有受到相关物质(如杀菌剂A)的影响,亲代仍可将其受到影响产生的疾病或性状传递给子代。由此可知大量使用杀菌剂A虽然没有改变基因,但子代还是受到了疾病的影响。
答案:(1)隐 双 基因自由组合 4
(2)①高于 性状(表型) ②减数分裂 基因表达、细胞的分化与发育、新陈代谢
(3)根据表观遗传的现象,可以知道即使子代没有受到相关物质(如杀菌剂A)的影响,亲代仍可将其受到影响产生的疾病或性状传递给子代
第三章 章末检测
(时间:60分钟 分值:100分)
一、选择题(本大题共20小题,每小题3分,共60分。每小题列出的四个备选项中,只有一个是符合题目要求的,不选、多选、错选均不
得分)
1.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,因此失去转录活性。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甲基化是指DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基基团,这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,因此失去转录活性,即导致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,可能会影响生物的性状;细胞分化的实质是基因的选择性表达,而DNA甲基化会导致mRNA合成受阻,即会影响基因表达,因此DNA甲基化可能会影响细胞分化。
2.下列关于中心法则图解的叙述,正确的是( A )
A.过程①②③均可发生于真核细胞的细胞质中
B.过程①②③均属于遗传信息的表达
C.过程④中碱基配对方式只有U—A、C—G
D.过程⑤的模板是细胞中DNA转录的产物
解析:线粒体和叶绿体也有少量DNA,故①DNA复制、②转录和③翻译均可发生于真核细胞的细胞质中;遗传信息的表达是指基因的转录和翻译过程,不包括DNA复制过程;过程④为逆转录过程,碱基配对方式为U—A、A—T、G—C、C—G;过程⑤为RNA复制,其模板是侵入细胞中的RNA病毒的遗传物质RNA。
3.下列关于DNA复制、转录、翻译的叙述中,正确的是( D )
A.RNA聚合酶与DNA分子结合只能使一个基因的双螺旋解开
B.DNA复制时,两条脱氧核苷酸链均可作为模板,转录以一条核糖核苷酸链为模板
C.多个核糖体串联在一个mRNA上,共同完成一条多肽链的合成,增加了翻译效率
D.转录时,会形成DNARNA杂交区域
解析:RNA聚合酶与DNA分子结合可以使DNA分子上多个基因的双螺旋解开;DNA复制时,两条脱氧核苷酸链均可作为模板,转录以一条脱氧核苷酸链为模板;同一条mRNA分子能够同多个核糖体结合,同时合成若干条蛋白质多肽链,从而提高了翻译效率;转录时,以一条脱氧核苷酸链为模板,会形成DNARNA杂交区域。
4.对于基因如何指导蛋白质合成,克里克认为要实现碱基序列向氨基酸序列的转换,一定存在一种既能识别碱基序列,又能运载特定氨基酸的分子。该种分子后来被发现是( C )
A.DNA B.mRNA C.tRNA D.rRNA
解析:DNA是细胞的遗传物质,主要在细胞核中,不能运载氨基酸;mRNA以DNA分子一条链为模板合成,将DNA的遗传信息转运至细胞质中,不能运载氨基酸;tRNA上的反密码子可以和mRNA上的密码子配对,
tRNA也能携带氨基酸;rRNA是组成核糖体的成分,不能运载氨基酸。
5.用15N标记含有200个碱基对的DNA分子,其中有鸟嘌呤120个,该DNA分子在14N的培养基中连续复制四次,其结果不可能是( B )
A.含有15N的DNA分子占 1/8
B.含有14N的DNA分子占7/8
C.需消耗腺嘌呤脱氧核苷酸1 200个
D.复制结果共16个DNA分子
解析:DNA复制为半保留复制,不管复制几次,最终子代DNA都保留亲代DNA的2条母链,故最终有2个子代DNA含15N,所以含有15N的DNA分子占1/8;由于DNA分子的复制是半保留复制,最终只有2个子代DNA各含1条15N链,1条14N链,其余DNA都含14N,故全部子代DNA都含14N;含有200个碱基对400个碱基的DNA分子,其中有鸟嘌呤120个,解得A=80个,故复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸为(24-1)×80=
1 200(个);复制4次后共24=16(个)DNA分子。
6.A、B两个不同株系的烟草花叶病毒(TMV)感染烟草,分别产生A型病斑和B型病斑。以这两个株系的TMV为材料进行如表所示实验,下列叙述正确的是( C )
实验 编号 实验过程
① A型TMV的RNA→感染烟草
② B型TMV的蛋白质→感染烟草
③ A型TMV的RNA+RNA酶→感染烟草
④ 组合病毒(B型TMV的RNA+ A型TMV的蛋白质)→感染烟草
A.烟草产生A型病斑的组别是①③
B.烟草产生B型病斑的组别是②④
C.组合病毒产生的子代病毒是B型TMV
D.TMV是一种逆转录病毒
解析:由于实验③中,A型TMV的RNA被RNA酶水解,导致不能产生A型后代,感染烟草不会产生病斑;实验②中,B型TMV的蛋白质去感染烟草,不会产生病斑;实验④中组合病毒的遗传物质是B型TMV的RNA,因此产生的子代病毒是B型TMV;TMV是一种RNA病毒,但不属于逆转录病毒。
7.如图为某个DNA分子(片段)的结构示意图。下列叙述正确的是( C )
A.图中1和2的排列决定DNA的差异
B.图中2代表核糖,其中含有5个碳原子
C.图中3为含氮碱基,可代表G或C
D.DNA复制只发生在细胞核中
解析:图中3或4(含氮碱基)的排列决定DNA的差异;图中2代表脱氧核糖,其中含有5个碳原子;图中3为含氮碱基,由于3和4之间有三个氢键,因此可代表G或C;DNA复制主要发生在细胞核中,此外在线粒体和叶绿体中也能进行。
8.下列关于胰岛β细胞中的胰岛素基因和含该基因的DNA分子的叙述正确的是( C )
A.该DNA分子的两条脱氧核苷酸链,只有一条链能作为转录模板
B.该DNA分子上的每个基因前都有与RNA聚合酶结合的启动部位
C.该基因不在胰岛β细胞中复制,但在造血干细胞中会复制
D.该基因的转录能以两条脱氧核苷酸链中的任意一条作为模板
解析:该DNA分子的两条脱氧核苷酸链都能作为转录模板,但转录时只以其中的一条链作为模板;DNA分子上的基因前一般有与RNA聚合酶结合的启动部位,但不是每个基因前都有;胰岛β细胞高度分化,不再进行复制和分裂,而造血干细胞能进行复制和分裂;该基因的转录以两条脱氧核苷酸链中特定的一条作为模板。
9.在肺炎链球菌转化的系列实验中,S型菌的部分DNA片段进入R型菌内并整合到R型菌的DNA分子上,使部分R型菌转化为S型菌,下列相关叙述正确的是( D )
A.转移到R型菌内的DNA片段,其表达产物是荚膜多糖
B.由R型菌转化的S型菌,其DNA上的碱基数量关系不遵循卡伽夫
法则
C.用DNA聚合酶处理过的S型菌的DNA是无法将R型菌转化为S型菌
D.肺炎链球菌转化效率的高低与提取的S型菌的DNA纯度有关
解析:DNA的表达产物是蛋白质,而荚膜多糖不是蛋白质;由R型菌转化的S型菌,其DNA上的碱基数量关系遵循卡伽夫法则;DNA聚合酶不能水解DNA,因此用DNA聚合酶处理过的S型菌的DNA仍能将R型菌转化为S型菌;肺炎链球菌转化效率的高低与提取的S型菌的DNA纯度有关,纯度越高,转化效率越高。
10.分析某双链DNA,发现腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的64%,其中一条链上的腺嘌呤占该链全部碱基的30%,则互补链中腺嘌呤占整个DNA分子碱基的比例是( A )
A.17% B.32% C.34% D.50%
解析:已知双链DNA分子中,腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的64%,即A+T=64%,则A=T=32%,C=G=50%-32%=18%,又已知一条链上的腺嘌呤占该链全部碱基的30%,即A1=30%,根据碱基互补配对原则,A=(A1+
A2)/2,所以A2=34%,占整个DNA分子碱基的比例是17%。
11.当细胞中缺乏氨基酸时,负载tRNA(携带氨基酸的tRNA) 会转化为空载tRNA(未携带氨基酸的tRNA) 参与基因表达的调控。如图是缺乏氨基酸时,tRNA调控基因表达的相关过程。下列相关叙述错误的是( B )
A.tRNA中含磷酸二酯键和氢键
B.②过程中,mRNA沿核糖体从左向右移动
C.①和②过程中有氢键的形成,也有氢键的断裂
D.细胞缺乏氨基酸时,空载tRNA既抑制转录也抑制翻译
解析:tRNA中含少量的碱基对,因此既含有磷酸二酯键,也含有氢键;根据肽链的长度可知,翻译的方向是从右向左,核糖体沿mRNA移动;由图可知,①为转录过程,②为翻译过程,因此两者既有氢键的形成,也有氢键的断裂;由图可知,细胞缺乏氨基酸时,空载tRNA既抑制转录也抑制翻译。
12.某研究人员模拟赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌实验,进行了以下3个实验:①用未标记的噬菌体侵染35S标记的细菌;②用32P标记的噬菌体侵染未标记的细菌;③用未标记的噬菌体侵染3H标记的细菌,经过一段时间后离心,检测到以上3个实验中放射性的主要位置依次是( D )
A.沉淀物、沉淀物、沉淀物和上清液
B.沉淀物、上清液、沉淀物
C.上清液、上清液、沉淀物和上清液
D.沉淀物、沉淀物、沉淀物
解析:①用未标记的噬菌体侵染35S标记的细菌,细菌经过离心后分布在沉淀物中,所以离心后主要在沉淀物中检测到放射性;②用32P标记的噬菌体侵染未标记的细菌,32P标记的是噬菌体的DNA,噬菌体侵染细菌后,只有DNA进入细菌并随着细菌离心到沉淀物中,所以离心后主要在沉淀物中检测到放射性;③用未标记的噬菌体侵染3H标记的细菌,细菌经过离心后分布在沉淀物中,所以离心后主要在沉淀物中检测到放射性。
13.下列有关DNA分子结构的叙述,错误的是( C )
A.DNA是双螺旋结构,由4种脱氧核苷酸组成
B.碱基严格互补配对,配对碱基以氢键连接
C.嘌呤数等于嘧啶数,碱基与磷酸基团相连接
D.两条链反向平行,基本骨架由磷酸基团与脱氧核糖构成
解析:由DNA的结构特点分析,DNA是双螺旋结构,由4种脱氧核苷酸组成;两条链上的碱基按照碱基互补配对原则,通过氢键连接成碱基对;DNA分子单链中的碱基与脱氧核糖相连,碱基没有与磷酸基团相连接;DNA分子的两条链在方向上表现为反向平行,且脱氧核糖和磷酸交替连接构成基本骨架。
14.如图为某果蝇染色体上相关基因转录的过程示意图。下列叙述正确的是( A )
A.由图可知,一个DNA上不同基因的转录模板可能在DNA的不同链上
B.图示过程与mRNA翻译过程的碱基互补配对现象一致
C.图中mRNA可直接与核糖体结合,边转录边翻译以提高效率
D.果蝇细胞质中一个核糖体上可结合多个mRNA以提高效率
解析:由题图可知,一个DNA上两条链均可以转录,不同基因的转录模板链可能不同;转录过程与翻译过程中碱基互补配对现象不完全一样;果蝇是真核生物,转录发生在细胞核中,翻译发生在细胞质中,不能边转录边翻译;一个核糖体只能结合在一条mRNA上,一个mRNA可以结合许多核糖体。
15.加热升温可使DNA双链解旋并分开,如果再缓慢冷却,两条互补链会重新结合为双链。SP8噬菌体DNA的一条链含较多的嘌呤(重链),另一条链含较多的嘧啶(轻链)。让SP8噬菌体侵染枯草杆菌,然后从枯草杆菌中分离出RNA,分别与SP8噬菌体DNA的重链或轻链混合,并缓慢冷却。结果,SP8噬菌体侵染后形成的RNA只与重链形成 DNARNA杂合分子。下列有关叙述错误的是( B )
A.可用密度梯度离心方法分离SP8噬菌体DNA的双链
B.SP8噬菌体DNA的碱基含量不遵循卡伽夫法则
C.实验结果说明转录过程以DNA的一条链为模板
D.该实验的DNARNA杂合分子一定含有未配对的单链部分
解析:由于在SP8噬菌体DNA的双链中,一条为重链,一条为轻链,因此分离SP8噬菌体DNA的双链可用密度梯度离心方法;SP8噬菌体DNA为双链DNA,其中的碱基含量遵循卡伽夫法则;“SP8噬菌体侵染后形成的RNA只与重链形成 DNARNA杂合分子”的实验结果说明转录过程以DNA的一条链为模板;由于基因是有遗传效应的DNA片段,因此该实验的DNARNA杂合分子一定含有未配对的单链部分。
16.用32P标记了玉米体细胞(含20条染色体)的DNA分子双链,再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养,在第二次细胞分裂的中期、后期,一个细胞中的染色体总条数和被32P标记的染色体条数分别是( A )
A.中期20和20、后期40和20
B.中期20和10、后期40和20
C.中期20和20、后期40和10
D.中期20和10、后期40和10
解析:玉米体细胞含20条染色体,有丝分裂中期每条染色体的两条姐妹染色单体之间由一个共同着丝粒连接着,所以仍是20条染色体。而后期着丝粒分裂,姐妹染色单体分开,一条染色体变为两条子染色体,此时染色体数是原来的2倍,即40条。由于DNA分子的复制是半保留复制,32P标记的是DNA分子双链,在不含32P的培养基中经第一次分裂后,在第二次分裂中期每条染色体上的一条染色单体含有 32P,即含 32P 标记的染色体数为20条,在后期着丝粒分裂,姐妹染色单体分开,含32P的染色体只占细胞中染色体的一半,即20条。
17.如图表示真核细胞内基因的表达过程。下列叙述中正确的是( C )
A.甲、乙、丙中包含一个完整的遗传信息单位的有功能的片段均称为基因
B.加工形成乙的过程中,有肽键的断裂
C.以甲上的基因区段为模板转录会产生不同的RNA分子
D.丙中核糖体的移动方向是由3′到5′
解析:甲中包含一个完整的遗传信息单位的有功能的片段称为基因;加工形成乙的过程中,有磷酸二酯键的断裂;丙中核糖体的移动方向是由5′到3′。RNA分为mRNA、tRNA和rRNA等,这些RNA分子都是以DNA上的基因区段为模板转录而来的。
18.如图分别表示真核生物与A基因(核基因)有关的转录和翻译的生命活动过程,下列叙述中错误的是( C )
A.图1生命活动一般发生在细胞的整个生命历程中
B.图1中④加到③末端
C.图1中③就是图2中的⑦
D.若A基因中一个碱基缺失则翻译出的蛋白质长度与原来相比的变化可能是不变、变短或变长
解析:图1表示转录,一般发生在细胞的整个生命历程中。图1中④核糖核苷酸加到③RNA末端。图1中③表示RNA,包括信使RNA、转运RNA和核糖体RNA。A基因中一个碱基缺失,可能将信使RNA中终止密码子破坏,肽链长度变长;可能使得信使RNA中提前出现终止密码子,肽链长度变短;若A基因中一个碱基缺失发生在非编码区或内含子,翻译出的蛋白质长度不变。
19.人体载脂蛋白apoB基因在肝、肾细胞中控制合成的蛋白质含有4 563个氨基酸,但在小肠细胞中控制合成的蛋白质仅有2 153个氨基酸(此两种蛋白质起始段氨基酸序列不变),原因是小肠细胞中的脱氨酶将apoBmRNA上的一个碱基C编辑后转变成了U,如图所示。下列相关叙述错误的是( A )
A.脱氨酶导致apoB基因发生基因突变
B.密码子CAA编码氨基酸,而UAA是终止密码子
C.小肠细胞中的脱氨酶能识别并结合RNA的特定序列
D.RNA编辑增加了基因产物的多样性,有利于生物适应环境
解析:据题干信息可知,脱氨酶将apoB基因的mRNA上的一个碱基C转变成了U,apoB基因没有改变;mRNA上的一个碱基C转变成了U后,氨基酸数目由4 563个变为2 153个,氨基酸数目变少,故可推知CAA编码特定的氨基酸,而UAA是终止密码子;小肠细胞中的脱氨酶将
apoB的mRNA上的一个碱基C转变成了U,故与RNA结合的脱氨酶能识别并结合RNA的特定序列;RNA编辑增加了载脂蛋白种类,即增加了基因产物的多样性,有利于生物的进化。
20.如图是真核细胞的细胞核中发生的生命活动,下列有关说法错误的是( B )
A.图中的生命活动是转录,①是RNA聚合酶,⑥可以是mRNA、tRNA或rRNA
B.②表示DNA双螺旋解开,③表示DNA双螺旋重新形成
C.④是编码链,⑦是DNARNA杂交区域
D.如果⑥是行使传达DNA上遗传信息功能的,则图中生成的⑥还不能马上转移到细胞质中
解析:图中表示以基因的一条链(⑤)为模板,消耗核糖核苷酸,合成一条子链(⑥),则图示为转录过程。转录的方向从左往右,则②表示DNA双螺旋重新形成,③表示DNA双螺旋解开。④是编码链,⑤是模板链,⑦是DNARNA杂交区域。真核细胞中的转录和翻译过程被核膜隔开,转录形成的⑥需要经过加工才能转移到细胞质中。
二、非选择题(本大题共4小题,共40分)
21.(8分)中心法则概括了自然界生物的遗传信息的流动途径,途径如图所示。据图回答下列问题。
(1)图中属于基因的表达过程的是 ;存在碱基互补配对的是 ;属于烟草花叶病毒遗传信息流动的是 。(填序号)
(2)转录过程中,当 与DNA分子的某一启动部位相结合时,包括一个或几个基因的DNA片段的双螺旋解开;转录过程中通过 键聚合成与该片段 DNA 相对应的RNA 分子;其中在真核生物中,mRNA需在 中进行加工后才能成为成熟的mRNA。
(3)已知某 DNA片段中,模板链上的3个相邻的碱基为CAT,则转运 RNA上相应的3个碱基是 。若这段 DNA对应的信使RNA中含有30个碱基,其中A和G有12个,那么这段DNA分子中C和T至少
个。
解析:(1)基因表达包括②转录和③翻译两个过程;中心法则的各个过程都遵循碱基互补配对原则,即图中存在碱基互补配对的是①②③④⑤;烟草花叶病毒是一种RNA病毒,但不是逆转录病毒,其遗传信息的流动包括③④。
(2)转录过程中,当RNA聚合酶与DNA分子上的启动子相结合时,包括一个或几个基因的DNA片段的双螺旋解开;转录过程中,核糖核苷酸之间通过磷酸二酯键聚合成RNA分子;在真核生物中,mRNA主要在细胞核中转录形成,形成后还需在细胞核中进行加工才能成为成熟的mRNA。
(3)已知某 DNA片段中,模板链上的3个相邻的碱基为CAT,则mRNA上相应的密码子是GUA,转运RNA上相应的3个碱基是CAU。若这段DNA对应的信使RNA中含有30个碱基,则该DNA中有60个碱基,由于双链DNA分子中非互补配对的碱基之和占碱基总数的一半,因此这段DNA分子中C和T至少30个。
答案:(每空1分)
(1)②③ ①②③④⑤ ③④
(2)RNA聚合酶 磷酸二酯 细胞核
(3)CAU 30
22.(12分)如图甲、乙、丙表示生物细胞中三种生物大分子的合成过程。请根据图回答下列问题。
(1)人体的骨骼肌细胞可进行图 所示过程。
(2)图甲过程发生的主要场所是 ,该过程是在 酶的作用下完成的。
(3)已知mRNA(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30%、20%,则与α链对应的DNA区段中腺嘌呤所占的碱基比例为 。
(4)图乙表示 生物的遗传信息表达过程,判断依据是 。
(5)一个双链均被32P标记的DNA分子,将其置于只含有31P的环境中复制2次,子代中含32P的单链与含31P的单链数目之比为 。
(6)基因H、N编码各自蛋白质的前3个氨基酸的DNA序列如图所示,起始密码子均为AUG,则基因N转录时以 链为模板。若基因H的箭头所指碱基对G—C突变为T—A,其对应密码子的变化是
。
↓基因H 基因N
a链:ATGGTCTCC…∥…TACATCCAT
b链: TACCAGAGG… ∥…ATGTAGGTA
解析:(1)骨骼肌细胞已经高度分化,不再分裂,因此不会发生图甲中的DNA复制过程,且骨骼肌细胞为真核细胞,其中转录和翻译过程不能同时进行,而是先转录后翻译,对应于图丙所示过程。
(2)图甲属于DNA复制过程,发生的场所主要是细胞核,DNA复制过程是在DNA聚合酶的作用下完成的。
(3)α链是mRNA,其中G占30%,U占24%,则其模板链中C占30%、A占24%,再者模板链中G占20%,则T占26%,则α链对应的DNA区段中A占(24%+26%)÷2=25%。
(4)图乙中转录和翻译过程可同时发生,表示原核生物的遗传信息表达过程。
(5)一个双链均被32P标记的DNA分子,将其置于只含有31P的环境中复制2次共得到4个DNA分子(8条单链),根据DNA半保留复制特点,子代中含32P的单链有2条,含31P的单链数目为6条,因此含32P的单链与含31P的单链数目之比为1∶3。
(6)根据起始密码子AUG可知基因N转录时以a链为模板。若基因H的箭头所指碱基对G—C突变为T—A,根据碱基互补配对原则,其对应密码子由GUC变为UUC。
答案:(除标注外,每空1分)
(1)丙 (2)细胞核 DNA聚合 (3)25%
(4)原核 边转录边翻译(2分) (5)1∶3(2分)
(6)a 由GUC变为UUC(2分)
23.(10分)阅读下面材料回答有关问题。
在某地海啸中,有多人罹难,事后的死者辨认只能借助于DNA杂交技术。该方法是从死者和死者家属提供的死者生前的生活用品中分别提取DNA,在一定温度下,水浴共热,使DNA氢键断裂,双链打开。若两份DNA样本来自同一个体,在温度降低时,两份样本的DNA单链通过氢键连接在一起;若不是来自同一个体,则在两份样本中DNA单链在一定程度上不能互补。DNA杂交技术(如图所示)就能通过这一过程对死者进行辨认。
(1)人体DNA的主要载体是 。
(2)为保证实验的准确性,需要较多的DNA样品,这可以通过PCR技术使DNA分子大量复制,复制时所需的酶主要有两种: 和DNA聚合酶。若一个DNA分子中,腺嘌呤含量为15%,复制所用的原料均为3H标记的脱氧核苷酸,经4次复制后,不含3H的DNA单链占全部DNA单链的 ,子代DNA分子中胞嘧啶的比例为 。
(3)如表所示为分别从死者和死者生前的生活用品中提取的三条相同染色体、同一区段DNA单链的碱基序列,根据碱基配对情况,A、B、C三组DNA中不是同一人的是 。
A组 B组 C组
死者中 的DNA 碱基序列 ACTGA CGGTT GGCTT ATCGA GCAAT CGTGC
家属提 供的DNA 碱基序列 TGACT GCCAA CCGAA TAGCT CGGTA AGATG
(4)DNA杂交技术同样可以用于两物种亲缘关系的判断,若两个物种的DNA样本经处理后形成的杂合DNA区段越少,则两物种的亲缘关系
,杂合DNA区段越多,则两物种的亲缘关系 。
解析:(1)人体DNA主要分布在细胞核中,并与蛋白质结合形成染色体,因此人体DNA的主要载体是染色体。
(2)DNA复制时所需的酶主要有两种:解旋酶和DNA聚合酶。若一个DNA分子中,腺嘌呤含量为15%,根据碱基互补配对原则,该DNA分子中胞嘧啶的含量为50%-15%=35%;若一个DNA分子复制所用的原料均为3H标记的脱氧核苷酸,经四次复制后可得到24=16个子代DNA分子,根据DNA半保留复制特点,不含3H的DNA单链占全部DNA单链的比例为=。
(3)观察表中给出的碱基序列,可以发现A组和B组的能够互相配对,只有C组不能,所以C组不是取自同一个人。
(4)两个物种的DNA样本经处理后形成的杂合DNA区段越少,则两物种的亲缘关系越远;杂合DNA区段越多,则两物种的亲缘关系越近。
答案:(除标注外,每空1分)
(1)染色体
(2)解旋酶 1/16(2分) 35%(2分)
(3)C组(2分) (4)越远 越近
24.(10分)在研究生物遗传物质的过程中,人们做过很多的实验进行探究,包括著名的“肺炎链球菌转化实验”。
(1)某人曾重复了“肺炎链球菌转化实验”,步骤如下。请分析以下实验并回答问题。
A.将一部分S型菌加热杀死。
B.制备符合要求的培养基,并分为若干组,将菌种分别接种到各组培养基上(接种的菌种见图中文字所示)。
C.将接种后的培养装置放在适宜温度下培养一段时间,观察菌落生长情况(见图)。
①本实验中的对照组有 。
②本实验得出的结论是
。
(2)艾弗里等人通过实验证实了上述细菌转化过程中,起转化作用的是DNA。请利用DNA酶作试剂,选择适当的材料用具,设计实验方案,验证促进R型菌转化成S型菌的物质是DNA,并预测实验结果,得出实验结论。
①实验设计方案:
第一步: 。
第二步:
组合编号 A B C
处理
第三步: 。
第四步:
。
②预测实验结果并得出结论:
。
③通过你设计的实验,还能得出什么新结论:
。
解析:(1)①本实验中的对照组是1、2、3组,第4组是实验组,培养皿中出现S型菌落和R型菌落。②本实验能得出的结论是S型菌中的某种物质(转化因子)能使R型菌转化成S型菌。
(2)①为保证实验的顺利完成,首先从S型菌中提取DNA,制备符合要求的培养基;由题意“验证促进R型菌转化成S型菌的物质是DNA”可知,本实验的自变量为DNA的有无及其结构完整性,故在B组加入提取出的S型菌DNA;在C组中加入提取出的S型菌DNA和DNA酶。②预测实验结果:由于A中没有加任何提取物,C中的DNA分子被水解,所以A、C组中未出现S型菌;由于B组中加入了提取出的S型菌DNA,所以B组培养基中出现S型菌。③B、C组对照还可以看出DNA结构要保持完整才能完成此转化过程。
答案:(每空1分)
(1)①1、2、3组 ②S型菌中的某种物质(转化因子)能使R型菌转化成S型菌,产生可遗传的变异
(2)①第一步:从S型菌中提取DNA,制备符合要求的培养基
第二步:
组合编号 A B C
处理 不加任何提取物 加入提取出的S型菌DNA 加入提取出的S型菌DNA和DNA酶
第三步:将R型菌分别接种到三组培养基上
第四步:将接种后的培养装置放在适宜温度下培养一段时间,观察菌落生长情况
②A、C组中未出现S型菌;只有B组培养基中出现S型菌,说明S型菌的DNA分子可以使R型菌转化为S型菌
③DNA结构要保持完整才能使R型菌转化为S型菌第三章 遗传的分子基础
第一节 核酸是遗传物质
教学内容 教学要求 素养归属
1.DNA是遗传物质 基于科学事实认同DNA是多数生物的遗传物质 生命观念
2.DNA是遗传物质的直接证据 (1)基于实验探究,分析肺炎链球菌转化实验的思路,分析实验设计的精妙及对相应结果进行合理分析 科学思维、 科学探究
(2)通过阅读材料,分析实验原理、过程,讨论噬菌体侵染细菌实验的过程,并对结果进行分析 科学思维、 科学探究
3.有些病毒的遗传物质是RNA 归纳、总结烟草花叶病毒感染和重建实验的操作流程,认同RNA是某些病毒的遗传物质 科学思维、 科学探究
1.DNA是遗传物质
(1)染色体的组成与功能
染色体
(2)20世纪50年代之前,“遗传物质可能是核酸”的观点通常被认为是不正确的。相比较而言,人们认为含有20种氨基酸的蛋白质大分子倒是能够提供无限数量的排列组合。
2.DNA是遗传物质的直接证据
(1)S型菌与R型菌的比较
比较 项目 S型菌 R型菌
菌落 光滑 粗糙
菌体 有多糖类的胶状荚膜 无多糖类荚膜
毒性 有毒性,是人类肺炎和 小鼠败血症的病原体 无毒
(2)肺炎链球菌转化实验
①活体肺炎链球菌转化实验
②离体肺炎链球菌转化实验
[特别说明] DNA不仅可以引起细菌的转化,而且纯度越高,转化效率就越高。
③实验结论
DNA是遗传物质,DNA赋予了生物的遗传特性。
(3)噬菌体侵染细菌实验
①T2噬菌体结构及生活方式
②放射性同位素标记噬菌体
③已标记噬菌体侵染及离心操作
④实验结论:在噬菌体中,保证亲代与子代之间具有连续性的物质是DNA,即DNA是遗传物质。
3.有些病毒的遗传物质是RNA
(1)烟草花叶病毒对烟草叶细胞的感染实验
①实验过程及现象
②实验结论:RNA是烟草花叶病毒的遗传物质,蛋白质不是遗传物质。
(2)病毒重建及其对烟草叶细胞的感染
①实验过程及现象
②结果分析与结论:重组病毒所繁殖的病毒类型取决于提供RNA的株系,而不是提供蛋白质的株系。
概念一 DNA是遗传物质
[概念情境]
核酸是一类重要的生物大分子,承担了生命信息存储和传递的任务。电视广告里曾播放“核酸营养品”的养生功效。所谓核酸营养品就是从一些生物(包括各种植物、动物和微生物等)的细胞中提取的核酸。
核酸营养品是不是人们必须吃的保健品 请依据所学知识评价核酸营养品保健的作用,并说明原因。
提示:在我们日常生活中吃的各种食物中含有丰富的核酸。核酸经过消化后被分解成核苷酸,被吸收后可以满足细胞的代谢需要,一般不需要额外补充。它不像某些氨基酸人体无法合成,必须从体外摄取。人体需要的三大营养物质是蛋白质、糖和脂肪,不包括核酸,核酸的主要作用是行使遗传功能。
DNA是遗传物质
[典例] 下列关于遗传物质的说法,正确的是( A )
A.真核生物的遗传物质是DNA
B.原核生物的遗传物质是RNA
C.病毒的遗传物质是DNA
D.细胞质的遗传物质是RNA
解析:细胞生物的遗传物质均为DNA;病毒的遗传物质为DNA或RNA;细胞核和细胞质遗传物质都是DNA。
[概念误区] 遗传物质的界定分析
(1)真核生物与原核生物均为细胞生物,含有两种核酸,但细胞生物的遗传物质均为DNA。细胞中的RNA主要与蛋白质合成及某些催化反应有关。
(2)病毒仅含有一种核酸,遗传物质为DNA或RNA。
概念二 DNA是遗传物质的直接证据
[概念情境]
关于DNA是遗传物质的实验推测,科学家们找到了很多直接或间接证据,并解决了很多技术难题,提出了科学的模型。请思考并回答以下问题。
(1)加热杀死的S型细菌与活的R型细菌混合注入小鼠体内,小鼠将会如何变化 试分析原因。
提示:加热杀死的S型细菌与R型细菌混合后出现S型活菌,而S型活菌有毒性,小鼠将死亡。
(2)艾弗里完成体外转化实验后,有学者认为“DNA可能只是在细胞表面起化学作用形成荚膜,而不是起遗传作用”。利用S型肺炎链球菌中存在的能抗青霉素的突变型(这种对青霉素的抗性不是荚膜产生的),设计实验推翻该观点。
提示:R型菌+抗青霉素的S型DNA+青霉素→若出现抗青霉素的S型菌,则DNA有遗传作用。
(3)赫尔希和蔡斯在噬菌体侵染细菌实验中,用32P标记DNA,不用14C标记该物质的原因是什么
提示:DNA和蛋白质中都有C元素。若用14C进行标记,则无法对DNA和蛋白质进行区分。
活体肺炎链球菌转化实验分析
[典例1] 某科研小组在格里菲思实验的基础上增加了相关实验,实验过程如图所示,下列叙述正确的是( D )
A.该实验证明了DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质
B.从鼠2血液中分离出来的活菌都能使小鼠死亡
C.活菌甲与死菌乙混合后能转化产生活菌乙的原理是基因突变
D.从鼠5体内分离出活菌在培养基上培养,都会产生光滑菌落
解析:由题图可知,活菌乙能导致小鼠死亡,为S型菌,活菌甲不能使小鼠死亡,为R型菌。该实验能体现S型死菌的某种物质能让R型菌转化为S型活菌,但不能证明DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质;实验②过程中R型菌与加热杀死的S型菌混合后注射到小鼠体内,少数R型菌能转化为S型活菌,小鼠体内仍存在R型菌,所以从小鼠血液中能分离出两种细菌,其中R型菌不能使小鼠死亡;活菌甲与死菌乙混合后能转化产生活菌乙的原理是基因重组;实验⑤过程中,R型死菌与S型活菌混合后注射到小鼠体内,鼠5体内只能分离出S型活菌,S型菌的菌体有多糖类的荚膜,在培养基上形成的菌落表面光滑。
[拓展延伸] 关于活体肺炎链球菌转化实验的几点说明
(1)能证明转化因子可耐受高温
加热后,转化因子仍具有转化能力,可以证明转化因子可耐受高温,但由于未进行物质分离研究,因此不能确定转化因子的具体类型。
(2)并非所有的R型菌都能被转化
由于转化受到DNA的纯度、两种细菌的亲缘关系、受体菌的状态等因素的影响,所以转化过程中并不是所有的R型菌都能被转化成S型菌,只是小部分R型菌被转化成S型菌。
(3)不能简单认为S型菌的DNA使小鼠死亡
S型菌与R型菌混合培养时,S型菌的DNA进入R型菌体内。结果在S型菌DNA的控制下,利用R型菌体内的化学成分合成了S型菌的DNA和蛋白质,从而组装成了具有毒性的S型菌。
离体肺炎链球菌转化实验分析
[典例2] 为研究R型肺炎链球菌转化为S型肺炎链球菌的转化物质是DNA还是蛋白质,某实验小组进行了离体肺炎链球菌转化实验,其基本过程如图所示,下列叙述错误的是( D )
A.甲组培养皿中出现S型菌落,推测加热不会破坏转化物质的活性
B.乙组培养皿中有R型及S型菌落,推测转化物质不是蛋白质
C.丙组培养皿中只有R型菌落,推测转化物质是DNA
D.该实验能证明肺炎链球菌的主要遗传物质是DNA
解析:甲组培养皿中出现S型菌落,而且培养皿中也有未转化的R型细菌,推测加热不会破坏转化物质的活性;乙组培养皿中有R型及S型菌落,由于加入了蛋白酶,所以可推测转化物质不是蛋白质;丙组培养皿中只有R型菌落,由于S型菌的提取物中加入了DNA酶,所以可推测转化物质是DNA;该实验能证明肺炎链球菌的遗传物质是DNA,而不是主要遗传物质是DNA。
[概念误区] 有关离体肺炎链球菌转化实验认识的三个易错点
(1)R型细菌发生转化,这种变异是一种可遗传变异,原理是S型菌的DNA与R型菌的DNA发生了基因重组。
(2)离体转化实验的成功与否与DNA的纯度存在比较大的关联,DNA纯度越高,成功的可能性越大。
(3)离体转化实验中含有菌种的培养与分离的思维。通过液体培养基实现菌种的扩增培养,利用固体培养基实现R型菌与S型菌的分离。
肺炎链球菌转化实验综合分析
[典例3] (2020·浙江7月选考)下列关于“肺炎链球菌转化实验”的叙述,正确的是( D )
A.活体转化实验中,R型菌转化成的S型菌不能稳定遗传
B.活体转化实验中,S型菌的荚膜物质使R型菌转化成有荚膜的S型菌
C.离体转化实验中,蛋白质也能使部分R型菌转化成S型菌且可实现稳定遗传
D.离体转化实验中,经DNA酶处理的S型菌提取物不能使R型菌转化成S型菌
解析:R型菌转化为S型菌属于基因重组,是可遗传变异,能够稳定遗传;能使R型菌转化为S型菌的转化因子是S型菌的DNA而不是荚膜物质;转化因子是DNA而不是蛋白质,所以蛋白质不会使R型菌转化为S型菌;S型菌提取物中的DNA经过DNA酶处理后会被降解,从而不能使R型菌转化为S型菌。
[拓展延伸] 肺炎链球菌活体转化与离体转化的比较
比较项目 活体细菌转化实验 离体细菌转化实验
培养细菌 的场所 小鼠(体内) 培养基(体外)
实验结果 加热后杀死的S型菌能使R型菌转化成S型菌 S型菌的DNA使R型菌转化成S型菌
实验结论 S型菌中有“转化因子” S型菌的DNA是遗传物质
联系 ①实验材料相同,都是肺炎链球菌(R型菌和S型菌); ②活体细菌转化实验是基础,仅说明S型菌中有“转化因子”,离体细菌转化实验进一步证明“转化因子”是DNA; ③两个转化实验都遵循对照原则
噬菌体侵染细菌实验操作流程分析
[典例4] 为了进一步检验DNA是遗传物质,赫尔希和蔡斯设计并实施了T2噬菌体侵染细菌的实验。下列相关叙述中正确的是( B )
A.噬菌体成功侵染宿主细胞后,不会对宿主细胞正常的新陈代谢产生干扰
B.标记噬菌体的DNA时,宿主中除脱氧核苷酸外其他物质也可能含有32P
C.若噬菌体未能全部侵染宿主细胞且有子代释放,则无法得出结论
D.由该实验结果可知,各种病毒感染时均只有遗传物质进入其宿主细胞内
解析:噬菌体成功侵染宿主细胞后,会破坏宿主细胞内的结构和物质,从而对宿主细胞正常的新陈代谢产生干扰;标记噬菌体的DNA时,先用含有32P的培养基标记宿主细胞,所以宿主细胞中除脱氧核苷酸外其他物质(如ATP、磷脂等)也可能含有32P;噬菌体在侵染细菌时,DNA进入细菌,并作为模板指导子代噬菌体的合成,即使未能全部侵染宿主细胞且有子代释放,也能得出DNA是遗传物质的结论;由该实验结果可知,噬菌体只有遗传物质进入其宿主细胞内,但不能由此推断各种病毒感染时均只有遗传物质进入其宿主细胞内。
[概念误区] 噬菌体侵染细菌实验的易错分析
(1)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,离心管的沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。
(2)培养含放射性标记的噬菌体不能用培养基直接培养,因为病毒必须寄生在活细胞内,所以应先培养细菌,再用细菌培养噬菌体。
(3)因检测放射性时只能检测到放射部位,不能确定是何种元素的放射性,所以35S和32P不能同时标记在一组噬菌体上,应对两组分别标记。
(4)实验中会存在一定的误差,因此,采用32P标记组会在上清液中出现少许放射性,35S标记组会在沉淀中出现少许放射性。
噬菌体侵染细菌结果分析
[典例5] (2020·浙江1月选考)某研究小组用放射性同位素32P、35S分别标记T2噬菌体,然后将大肠杆菌和被标记的噬菌体置于培养液中培养,如图所示。一段时间后,分别进行搅拌、离心,并检测沉淀物和悬浮液中的放射性。下列分析中错误的是( C )
A.甲组的悬浮液含极少量32P标记的噬菌体DNA,但不产生含32P的子代噬菌体
B.甲组被感染的细菌内含有32P标记的噬菌体DNA,也可产生不含32P的子代噬菌体
C.乙组的悬浮液含极少量35S标记的噬菌体蛋白质,也可产生含35S的子代噬菌体
D.乙组被感染的细菌内不含35S标记的噬菌体蛋白质,也不产生含35S的子代噬菌体
解析:甲组离心后,放射性主要在沉淀物中,由于部分噬菌体未来得及侵染大肠杆菌,所以悬浮液中含有少量放射性,由于甲组的悬浮液中不存在大肠杆菌,所以噬菌体无法繁殖产生含32P标记的子代噬菌体;甲组被感染的细菌内含有32P标记的噬菌体DNA,由于DNA进行半保留复制,故可产生不含32P的噬菌体;35S标记的是噬菌体的蛋白质,噬菌体侵染细菌的时候,蛋白质外壳留在外面,只有DNA注入细菌中,因此乙组的悬浮液含大量35S标记的噬菌体蛋白质,不会产生含35S的子代噬菌体;乙组被感染的细菌内不含35S标记的噬菌体蛋白质,因为细菌提供的原料中不含35S,所以也不产生含35S的子代噬菌体。
[拓展延伸] 放射性元素分布及误差分析
(1)“两看”法分析子代噬菌体的放射性元素
(2)列表比较32P或35S标记噬菌体侵染后的误差
项目 实验操作及比较
含32P 的噬菌 体侵染 大肠 杆菌
含35S 的噬菌 体侵染 大肠 杆菌
肺炎链球菌转化实验与噬菌体侵染细菌实验综合比较
[典例6] 图甲是将加热杀死的S型细菌与R型活菌混合注射到小鼠体内后两种细菌的含量变化,图乙是噬菌体侵染细菌实验的部分操作步骤。下列叙述正确的是( D )
A.图甲后期增多的S型细菌是由R型细菌突变后增殖而来的
B.图甲C点R型细菌减少原因是R型细菌转化为S型菌
C.图乙沉淀物中新形成的子代噬菌体有少量放射性
D.图乙中若用32P标记亲代噬菌体,则细菌裂解后子代噬菌体中少部分具有放射性
解析:图甲后期S型细菌增多是因为小鼠免疫能力下降,转化形成的S型细菌大量增殖;图甲C点R型细菌减少原因是R型细菌被小鼠的免疫系统发现并消灭;图乙中噬菌体被标记的成分是蛋白质,蛋白质不能进入细菌,所以新形成的子代噬菌体完全没有放射性;若用32P标记亲代噬菌体,裂解后子代噬菌体中少部分具有放射性。
[拓展延伸] 肺炎链球菌离体转化实验和噬菌体侵染细菌实验的比较
比较 项目 肺炎链球菌离体转化实验 噬菌体侵染细菌实验
设计 思路 设法将DNA与其他物质分开,单独地、直接地研究它们各自不同的遗传功能
处理 方法 直接分离:分离S型菌的DNA、荚膜多糖、蛋白质等,分别与R型菌混合培养 同位素标记法:分别用同位素35S、32P标记蛋白质和DNA
结论 ①证明DNA是遗传物质,而蛋白质不是遗传物质 ②说明了遗传物质发生可遗传的变异 ①证明DNA是遗传物质,但不能证明蛋白质不是遗传物质; ②说明DNA能控制蛋白质的合成; ③说明DNA能自我复制
概念三 有些病毒的遗传物质是RNA
[概念情境]
19世纪末,花叶病在俄国迅速蔓延,使农民的烟草收成大幅减少。某科学家为研究花叶病产生的原因,进行了一系列的实验:
Ⅰ.他摘了几片得病的烟叶,捣烂后调成浆液,再把这种浆液滴在健康的烟叶上,结果几天后,这些烟叶也得了同样的病。
Ⅱ.用双层滤纸过滤患花叶病烟草的浆液,并将这种浆液滴在正常烟叶上,发现仍具有感染性。他又选择了一种连细菌都不能通过的过滤器重复实验,结果得到同样的结论。
Ⅲ.他设计了一个精巧实验:把病叶的浆液过滤后注射到第一株健康烟叶里,等这株烟草患病以后,再把它的叶子也做成浆液,并把与第一次等量的浆液注射到第二株健康烟草的叶里。然后,又把第二株烟草的等量浆液注射给第三株……结果显示全部烟草都得了病,并且越是后面的比前面的发病更快更严重。
Ⅳ.这些元凶到底是哪种类型的微生物呢 该科学家决定把上述浆液接种在几十种营养物质丰富的培养基上,结果没有获得任何菌落。
请根据材料思考并回答以下问题。
(1)实验Ⅰ说明致病的元凶存在于什么部位
提示:存在于患病叶片的细胞中。
(2)实验Ⅱ可说明引起烟叶患病的元凶非常小,甚至比细菌还小,你会对烟叶致病的元凶提出什么样的假设
提示:假设1,元凶是一种生物,但体积比细菌小,能通过细菌过滤器;假设2,元凶是病原体分泌的致病毒素(或物质),该物质能通过细菌过滤器。
(3)实验Ⅲ能否对你所提出的假设进行分析验证 试进行阐述。
提示:能。若是一种毒素,过滤后的浆液不再含有病原体,第一株烟叶致病后,依次获得浆液再对其他植株进行注射,致病能力会下降,而实验结果显示致病能力在增强,说明浆液中含有某种微生物,并能在细胞中增殖。
(4)实验Ⅳ为进一步确定元凶提供了什么证据支持 其主要化学成分是什么
提示:该种生物不能在培养基上存活,却能在细胞中增殖,可以确定该种生物为病毒。根据现在研究结果可知该病毒为烟草花叶病毒,其化学成分主要是RNA和蛋白质。
烟草花叶病毒感染和重建实验分析
[典例1] 如图是烟草花叶病毒的感染和病毒重建示意图,下列叙述正确的是( D )
A.后代的病毒类型取决于提供蛋白质的株系
B.后代的蛋白质是由烟草的遗传物质控制合成的
C.实验成功的基础是烟草花叶病毒和烟草的遗传物质相同
D.用RNA酶处理后的TMV去感染烟草叶片,叶片不会被感染
解析:分析题图可知,感染烟草后,产生的病毒后代是由病毒的RNA决定的;烟草花叶病毒的遗传物质是RNA,烟草的遗传物质是DNA;用RNA酶处理后的TMV,其遗传物质RNA被水解,再去感染烟草叶片,叶片不会被感染。
[概念误区] 烟草花叶病毒感染实验和重建实验是两个独立的实验,实验的自变量均直接涉及RNA,因此,两实验均可直接证明RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。
人类对遗传物质探索实验的综合分析
[典例2] 为了鉴定遗传物质的化学本质,科学家做了一系列实验。下列关于核酸是遗传物质的证据实验的叙述,正确的是( C )
A.35S标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌,子代噬菌体中能检测到35S
B.肺炎链球菌的活体转化实验是证实DNA作为遗传物质的最早证据
C.肺炎链球菌的离体转化实验中提取的DNA纯度越高,转化效率越高
D.烟草花叶病毒RNA经RNA酶处理后侵染烟草,能使烟草出现感染症状
解析:子代噬菌体是在侵入细菌内部的噬菌体DNA的指导下,利用细菌体内未标记的原料合成的,检测不到35S;肺炎链球菌的活体转化实验只证明了S型细菌中存在某种“转化因子”,没有证明DNA是肺炎链球菌的遗传物质,艾弗里的离体转化实验是证实DNA是遗传物质的最早证据;转化率与所提取的S型细菌的DNA纯度有关,DNA纯度越高转化的效率也越高;烟草花叶病毒RNA经RNA酶处理后,RNA被水解,侵染烟草,烟草不出现感染症状。
[拓展延伸] 不同探究实验的实验结论比较
向小鼠体内注射S型肺炎链球菌会导致小鼠得败血症死亡,而事先注射疫苗w一段时间后再感染该菌能有效减轻小鼠的败血症症状,降低小鼠的死亡率。现要验证疫苗w的预防效果,请根据下列提供的材料与用具完成有关问题。
材料与用具:年龄与体重相似的健康小鼠60只,S型肺炎链球菌悬液,生理盐水,注射器,疫苗w溶液,小鼠饲料等。
注意:疫苗的效果在10天后可显现;以小鼠的存活情况为观察指标,疫苗和细菌的具体注射方法不作要求。
(1)写出实验思路
①将60只年龄与体重相似的健康小鼠随机均分为A、B、C三组,用注射器给C组小鼠注射适量的疫苗w溶液,给A、B两组小鼠同时注射等量的生理盐水。
②将各组小鼠在适宜条件下连续饲养10天。
③给A组小鼠注射适量的生理盐水,给B、C两组小鼠同时注射等量的S型肺炎链球菌悬液。
④将各组小鼠在适宜条件下饲养,每天观察各组小鼠的存活情况,直至患病小鼠死亡或完全康复。
⑤对实验数据进行统计分析。
(2)预测实验结果(以坐标曲线图形式表示小鼠的存活率)
(3)分析与讨论
疫苗w是一种取自S型肺炎链球菌菌体外面荚膜上的一种多糖类物质,研究发现口服则没有效果,原因是疫苗w在消化道内被消化,失去效果。
解析:(1)实验可以提出实验假设:注射疫苗w溶液的小鼠产生抗体和记忆细胞能对S型肺炎链球菌发生作用,有效减轻小鼠的败血症症状,降低小鼠的死亡率。
实验设计要遵循对照原则和单一变量原则,本实验的自变量为是否注射疫苗w溶液、是否注射S型肺炎链球菌悬液,因变量是小鼠的存活情况,因此可设计实验步骤如下:
①取60只年龄与体重相似的健康小鼠,随机均分为三组,编号为A组、B组、C组。给C组小鼠注射适量的疫苗w溶液,给A、B两组小鼠同时注射等量的生理盐水。
②将A、B、C三组小鼠在适宜条件下连续饲养10天。
③给A组小鼠注射适量的生理盐水作为空白对照,分别给B、C两组小鼠注射用生理盐水配制的等量的S型肺炎链球菌悬液。
④将三组小鼠在适宜条件下饲养,每天观察三组小鼠的存活情况,直至患病小鼠死亡或完全康复。
⑤记录实验数据,并对实验数据进行统计和分析。
(2)实验预期及结论:由于事先注射疫苗w一段时间后再感染S型菌能有效减轻小鼠的败血症症状,降低小鼠的死亡率,所以A组小鼠未注射S型肺炎链球菌悬液,小鼠存活;B组小鼠注射了S型肺炎链球菌悬液,未注射疫苗w溶液,小鼠会死亡;C组小鼠事先注射了疫苗w溶液再注射S型肺炎链球菌悬液,小鼠产生的抗体和记忆细胞能对S型细菌发生作用,小鼠死亡率降低。坐标曲线图如图:
(3)S型肺炎链球菌的菌体外面有多糖类的胶状荚膜,取荚膜多糖制作的疫苗w能够引起机体的免疫反应,故属于抗原。疫苗w口服时会在消化道内被消化,失去效果,所以该疫苗只能注射,不能口服。
1.在肺炎链球菌的转化实验中,能够证明DNA是遗传物质的最关键的设计思路是( D )
A.将R型菌和S型菌的DNA用同位素进行标记
B.将活的R型菌和加热杀死的S型菌混合培养
C.将活的R型菌和死的S型菌分别注射到小鼠体内
D.从S型菌中提取出各种物质并分别与活的R型菌混合培养
解析:在肺炎链球菌的转化实验中,没有采用同位素标记法;将无毒R型活菌与加热杀死后的S型菌混合培养,发现R型菌转化为S型菌,说明加热杀死后的S型菌中仍存在“转化因子”,但不能确定该“转化因子”的化学本质是DNA;将活的R型菌和死的S型菌分别注射到小鼠体内,小鼠都不死亡,说明死亡的S型菌没有致病性,不能证明DNA是遗传物质;从S型菌中提取DNA、蛋白质和多糖,分别加入培养R型菌的培养基中,发现只有加入DNA,R型菌才能转化为S型菌,说明DNA是遗传物质。
2.赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌实验为核酸是遗传物质提供了直接证据。下列关于该实验的叙述,正确的是( C )
A.实验中可用15N替代32P标记DNA
B.35S标记组的子代噬菌体有少数带有放射性
C.T2噬菌体所有组分的合成原料都来自大肠杆菌
D.实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA
解析:由于噬菌体的蛋白质外壳和DNA都含有N元素,因此实验中不可用15N替代32P标记DNA;35S标记的是噬菌体的蛋白质外壳,而噬菌体侵染细菌时蛋白质外壳没有进入细菌,而合成子代噬菌体的原料来自细菌,因此35S标记组的子代噬菌体不带有放射性;T2噬菌体所有组分的合成原料都来自大肠杆菌;实验证明T2噬菌体的遗传物质是DNA。
3.下列关于核酸是遗传物质的证据的叙述,正确的是( D )
A.在噬菌体侵染细菌实验中,利用未标记的噬菌体侵染含32P标记的细菌后,检测发现子代噬菌体都含有放射性,说明噬菌体的遗传物质是DNA
B.在肺炎链球菌活体转化实验中,将S型肺炎链球菌注射到小鼠体内,发现很多小鼠患肺炎死亡,说明S型肺炎链球菌为小鼠致病菌
C.在肺炎链球菌离体转化实验中,DNA酶处理S型菌后,S型菌的DNA被降解
D.在烟草花叶病毒的感染实验中,单用烟草花叶病毒的RNA就可使烟草出现感染病毒的症状
解析:在噬菌体侵染细菌实验中,合成子代噬菌体的原料都来自细菌,所以利用未标记的噬菌体侵染含32P标记的细菌后,子代噬菌体都应含有放射性,无法说明噬菌体的遗传物质是DNA;在肺炎链球菌活体转化实验中,将S型肺炎链球菌注射到小鼠体内,发现很多小鼠患败血症死亡,说明S型肺炎链球菌为小鼠致病菌;在肺炎链球菌离体转化实验中,DNA酶处理S型菌的DNA后,S型菌的DNA被降解;烟草花叶病毒的遗传物质是RNA,故在烟草花叶病毒的感染实验中,单用烟草花叶病毒的RNA就可使烟草出现感染病毒的症状。
4.如图为T2噬菌体侵染细菌实验的部分过程,其中①～③表示操作过程。下列叙述正确的是( C )
A.②表示搅拌,需要将细菌搅碎,使细菌内的噬菌体与细菌分离
B.③需用密度梯度离心,并检测不同密度带的放射性
C.若选用35S标记的噬菌体进行实验,则①的培养时间长短,对实验结果不会造成显著的影响
D.若选用32P标记的噬菌体进行实验,则可以证明DNA是噬菌体的遗传物质
解析:②表示搅拌,不能将细菌搅碎,目的是使吸附在细菌上的噬菌体的蛋白质外壳与细菌分离;③用的不是密度梯度离心,离心后需分别检测悬浮液和沉淀中的放射性;若选用35S标记的噬菌体进行实验,则①的培养时间长短,对实验结果不会造成显著的影响,因为35S标记的蛋白质外壳不进入细菌;缺少对照组,只选用32P标记的噬菌体进行实验,不能证明DNA是噬菌体的遗传物质。
5.作为遗传物质至少应具备4个特点:①能够自我复制;②能够控制生物体的性状和新陈代谢过程;③能够储存大量遗传信息;④结构比较稳定,特殊情况下能发生可遗传的变异。DNA和蛋白质都是生物体内重要的大分子物质,究竟哪种物质是遗传物质的问题曾引起生物学界激烈的争论。请回答下列问题。
(1)1875年,科学家认识到血红蛋白在脊椎动物血液中能输送氧气;20世纪20年代,人们认识到多种多样的蛋白质是由多种氨基酸按照不同的顺序排列而成。正是由于蛋白质符合遗传物质特点中的 (填题干中的标号),所以当时大多数科学家认为蛋白质是遗传物质。
(2)肺炎链球菌有S型(有毒)和R型(无毒)两种类型,每种类型均有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类。SⅠ菌只能突变成对应的RⅠ菌,以此类推。反之亦然,RⅠ菌也只能突变成对应的SⅠ菌。1928年,格里菲思将加热致死的SⅢ菌与活的RⅡ菌混合后注射到小鼠体内,结果小鼠死亡,并从小鼠体内分离出活的SⅢ菌。格里菲思推断:活的SⅢ菌的出现是由于加热杀死的SⅢ菌中含有某种物质,该物质的作用不是诱导RⅡ菌突变成SⅢ菌,而是将RⅡ菌转化为 SⅢ菌。支持格里菲思作出上述推断的依据是 。
(3)1944年,艾弗里将去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质的S型细菌提取物,进行不同的处理后,加入含有R型活菌的培养基中,处理方法及实验结果如表所示:
处理 条件 第一 组未 处理 第二组 加蛋白 酶 第三组加 RNA酶 第四组 加酯酶 第五组加 DNA酶
培养基 中的活 菌类型 R型+ S型
设置第一组实验的目的是 ; 只有当其余四组培养基中的活菌类型分别表现为 时,才能证明DNA是“转化因子”。
(4)1952年,赫尔希和蔡斯用T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验再次证明了DNA是遗传物质。用 35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌,保温时间的长短对该组实验放射性检测结果的影响大不大 ,原因是 。
(5)艾弗里和赫尔希的实验能否证明DNA是主要的遗传物质 ,请阐明你的观点: 。
解析:(1)大多数科学家在当时认为蛋白质是遗传物质,主要是蛋白质是由多种氨基酸按照不同的顺序排列而成的,能够控制生物体的性状和新陈代谢过程;能够储存大量遗传信息。
(2)根据题干信息“SⅠ菌只能突变成对应的RⅠ菌,以此类推。反之亦然,RⅠ菌也只能突变成对应的SⅠ菌”分析,支持格里菲思作出上述推断的依据是若RⅡ菌发生了突变,则应分离出SⅡ菌,而实验中分离出的是SⅢ菌。
(3)第一组实验未做处理,起对照作用。去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质的S型菌提取物中有DNA。第二组加入蛋白酶、第三组加入RNA酶、第四组加入酯酶,这三组都没有水解DNA,得到的活菌类型为R型+S型,第五组加入DNA酶能够水解DNA,得到的活菌类型为R型。
(4)35S标记的是蛋白质外壳,无论保温时间长短都只分布在上清液中,所以用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌,保温时间的长短对该组实验放射性检测结果的影响不大。
(5)他们的实验只是证明了噬菌体和肺炎链球菌中DNA是遗传物质,绝大多数生物的遗传物质是DNA,才能得出DNA是主要遗传物质的结论。
答案:(1)②③ (2)若是RⅡ菌发生了突变,则应分离出SⅡ菌,而实验中分离出的是SⅢ菌
(3)起对照作用 第二、三、四组为R型+S型,第五组为R型 (4)不大 35S标记的是蛋白质外壳,无论保温时间长短都只分布在上清液中 (5)不能 他们的实验只是证明了噬菌体和肺炎链球菌的DNA是遗传物质
概念理解练
1.在生命科学发展过程中,证明DNA是遗传物质的实验是( C )
①孟德尔的豌豆杂交实验 ②摩尔根的果蝇杂交实验 ③肺炎链球菌转化实验 ④T2噬菌体侵染细菌实验 ⑤烟草花叶病毒感染和重建实验
A.①② B.②③
C.③④ D.④⑤
解析:①孟德尔的豌豆杂交实验证明了基因的分离定律和自由组合定律;②摩尔根的果蝇杂交实验证明了基因位于染色体上;③离体肺炎链球菌转化实验证明了DNA是促进R型细菌转化为S型细菌的转化因子,即DNA是遗传物质;④T2噬菌体侵染细菌实验证明了DNA是噬菌体的遗传物质;⑤烟草花叶病毒感染和重建实验证明了RNA是遗传
物质。
2.下列关于“肺炎链球菌离体转化实验”的叙述,错误的是( D )
A.该实验研究早于“T2噬菌体侵染大肠杆菌实验”
B.实验中用细菌培养液对R型菌进行了悬浮培养
C.S型菌的DNA使R型菌发生稳定的可遗传变异
D.R型菌的转化效率仅取决于S型菌DNA的纯度
解析:该实验研究早于“T2噬菌体侵染大肠杆菌实验”;实验中用细菌培养液对R型菌进行了悬浮培养;S型菌的DNA使R型菌发生稳定的可遗传变异;R型菌的转化效率主要取决于S型菌DNA的纯度。
3.T2噬菌体侵染细菌的实验证明了DNA是遗传物质,下列有关叙述中正确的是( B )
A.T2噬菌体的遗传物质可被彻底水解成4种脱氧核糖核酸
B.实验步骤为标记、混合、搅拌、离心、检测
C.可用含32P的培养基直接标记噬菌体的DNA
D.噬菌体繁殖子代时所需的原料及模板均由细菌提供
解析:T2噬菌体的遗传物质是DNA,可被初步水解成4种脱氧核糖核苷酸,彻底水解成磷酸、脱氧核糖、四种含氮碱基;实验步骤为标记、混合、搅拌、离心、检测;噬菌体是病毒,没有细胞结构,不能独立生存,因此不能用培养基直接培养噬菌体;噬菌体繁殖子代时所需的原料均由细菌提供,而模板来自噬菌体自身。
4.肺炎链球菌转化实验的部分过程如图所示。下列叙述正确的是( D )
A.S型肺炎链球菌的菌落为粗糙的,R型肺炎链球菌的菌落是光滑的
B.S型菌的DNA经加热后失活,因而注射加热杀死的S型菌后的小鼠仍存活
C.从病死小鼠中分离得到的肺炎链球菌只有S型菌而无R型菌
D.该实验未证明R型菌转化为S型菌是由S型菌的DNA引起的
解析:S型菌的菌落是光滑的,R型菌的菌落是粗糙的;S型菌加热后DNA并未失活,接种加热杀死的S型菌后小鼠仍存活,原因是S型菌已死亡,失去致病能力;从患病致死的小鼠中可以分离得到活的S型菌和R型菌;本实验未将S型菌的各种物质分开,因此无法证明R型菌转化为S型菌是S型菌的DNA引起的。
5.科学家曾用两种烟草花叶病毒(TMV A和TMV B)的重组和感染实验研究该种病毒的遗传机制。有后继的研究者将TMV A的核酸直接抹在叶子上,也获得了完整的TMV A,下列相关叙述正确的是( C )
A.烟草花叶病毒的重组实验证明DNA是该病毒的遗传物质
B.后继者的实验不能证明RNA是烟草花叶病毒的遗传物质
C.后继者的实验证明烟草花叶病毒合成蛋白质的氨基酸来自植物
细胞
D.TMV A的核酸和TMV B的蛋白质构成的重组病毒感染植物后,子代为TMV B
解析:烟草花叶病毒的重组实验证明RNA是该病毒的遗传物质;后继者的实验也能证明RNA是烟草花叶病毒的遗传物质;后继者的实验证明烟草花叶病毒合成蛋白质的氨基酸来自植物细胞;TMV A的核酸和TMV B的蛋白质构成的重组病毒感染植物后,子代为TMV A。
6.DNA是主要遗传物质的内涵是( B )
A.细胞中核遗传物质是DNA,而其余部分为RNA
B.绝大多数生物遗传物质是DNA,部分生物的遗传物质是RNA
C.所有细胞型生物的遗传物质是DNA
D.真核生物遗传物质是DNA,原核生物则是RNA
解析:细胞核遗传物质和细胞质遗传物质都是DNA;绝大多数生物(细胞型生物和部分病毒)遗传物质是DNA,部分病毒的遗传物质是RNA,因此DNA是主要的遗传物质;所有细胞型生物的遗传物质是DNA,不能说明DNA是主要遗传物质;真核生物和原核生物的遗传物质都是DNA。
7.下列有关遗传物质的探索实验的叙述中,正确的是( D )
A.活体肺炎链球菌转化实验中,加热后的S型菌失去毒性是由于其DNA变性失活
B.R型菌的DNA也能使部分S型菌转化为R型菌
C.用15N标记T2噬菌体,再进行侵染实验,也可证明DNA是遗传物质
D.用35S标记的T2噬菌体侵染细菌,若保温时间过长,最终放射性主要存在于上清液中
解析:活体肺炎链球菌转化实验中,加热后的S型菌失去毒性的原因是蛋白质失活变性,S型菌死亡;S型菌的DNA能使部分R型菌转化为S型菌,但R型菌的DNA不能使部分S型菌转化为R型菌;由于蛋白质和DNA中都含有N元素,故用15N标记T2噬菌体,再进行侵染实验,不能证明DNA是遗传物质;蛋白质含有S,而DNA不含有,用35S 标记的T2噬菌体侵染细菌,保温时间过长或过短放射性都主要存在于上清
液中。
8.某兴趣小组以肺炎链球菌为材料进行如图所示实验,其中细胞提取物是加热杀死的S型菌破碎后去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质制成的。下列有关叙述中错误的是( D )
A.设置第①组对照可确定细胞提取物中存在转化因子
B.第②～④组利用酶的专一性去除对应物质观察转化情况
C.混合培养后4组的平板培养基上均会有表面粗糙的菌落
D.混合培养后出现的S型菌与原S型菌遗传信息相同
解析:设置第①组实验的目的是确定细胞提取物中含有转化因子;第②～④组利用酶的专一性去除相应物质观察转化情况;混合培养后
4组的平板培养基上均会有表面粗糙的菌落,即R型菌菌落;混合培养后出现的S型菌是由R型菌吸收S型菌DNA转化而来的,故与原S型菌的遗传物质不完全相同。
9.用32P标记的噬菌体进行侵染细菌实验,如图所示。下列叙述错误的是( B )
A.①中的大肠杆菌未带32P标记
B.②是为了使噬菌体的DNA与蛋白质分开
C.若①时间过长,则上清液中的放射性强度增加
D.③操作后上清液具有一定的放射性,得到的子代噬菌体不能都检测到32P
解析:①中噬菌体侵染的是未被标记的大肠杆菌;②搅拌的目的是使细菌外的噬菌体蛋白质外壳与细菌分离;若①噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌时间过长,则上清液中的放射性强度增加;③表示离心,③结束后,可能部分噬菌体还未来得及侵染大肠杆菌,造成少量放射性分布在上清液。
10.在赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌实验中,用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌,在理论上,上清液中不含放射性,下层沉淀物中具有很高的放射性;而实验的实际结果显示:在离心上层液体(上清液)中,也具有一定的放射性,而下层(沉淀物)的放射性强度比理论值略低。
(1)在赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌实验中,采用的实验方法是 。
(2)在理论上,上清液放射性应该为0,其原因是 。
(3)由于实验数据和理论数据之间有较大的误差,由此对实验过程进行误差分析:
①在实验中,从噬菌体和大肠杆菌混合培养,到用离心机分离,这一段时间如果过长,会使上清液的放射性含量升高,其原因是
。
②在实验中,如果有一部分噬菌体没有侵染到大肠杆菌细胞内, (填“是”或“不是”)误差的来源,理由是 。
(4)噬菌体侵染细菌实验证明了 。
(5)上述实验中, (填“能”或“不能”)用15N来标记噬菌体DNA的理由是 。
解析:(1)噬菌体侵染细菌实验中,用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌,故采用的实验方法是同位素标记法。
(2)在DNA中含有P元素,蛋白质中没有,故32P只能标记噬菌体的DNA,在侵染过程中,噬菌体的DNA全部注入大肠杆菌,离心后,上清液中是噬菌体的蛋白质外壳,沉淀物中是被侵染的大肠杆菌,因此在理论上,上清液中没有放射性。
(3)①从噬菌体和大肠杆菌混合培养,到用离心机分离,如果时间过长会使带有放射性的噬菌体从大肠杆菌中释放出来,使上清液带有放射性。②如果部分噬菌体没有侵染到大肠杆菌细胞内,也会使上清液带有放射性,这也是误差的来源。
(4)噬菌体侵染细菌实验表明,在噬菌体中,亲代和子代之间具有连续性的物质是DNA,而不是蛋白质,证明了DNA是噬菌体的遗传物质。
(5)N元素在DNA和蛋白质中都含有,因此该实验中不能用15N标记DNA。
答案:(1)同位素标记法 (2)噬菌体的DNA全部侵入大肠杆菌内部,离心后应随大肠杆菌在沉淀物中 (3)①部分大肠杆菌破裂,噬菌体被释放出来 ②是 未侵染细菌的噬菌体离心后位于上清液中 (4)DNA是遗传物质 (5)不能 DNA和蛋白质中均有N元素
素养提升练
11.下列关于遗传学发展史上4个经典实验的叙述,正确的是( C )
A.孟德尔的单因子杂交实验证明了遗传因子位于染色体上
B.摩尔根的果蝇伴性遗传实验证明了基因自由组合定律
C.T2噬菌体侵染细菌实验证明了DNA是T2噬菌体的遗传物质
D.肺炎链球菌活体转化实验证明了DNA是肺炎链球菌的遗传物质
解析:孟德尔通过巧妙的测交实验证明了遗传定律,并没有证明遗传因子位于染色体上;摩尔根以果蝇为实验材料,采用假说演绎法证明基因在染色体上并再次证实了基因分离定律;赫尔希与蔡斯进行的噬菌体侵染细菌的实验中,以T2噬菌体和大肠杆菌为研究材料,通过同位素示踪技术,将T2噬菌体的蛋白质与DNA区分开,单独观察T2噬菌体的蛋白质与DNA的作用,从而证明了DNA是遗传物质;肺炎链球菌的活体转化实验只证明了S型细菌中存在某种“转化因子”,没有证明DNA是肺炎链球菌的遗传物质。
12.用32P标记的噬菌体侵染含35S标记的大肠杆菌,则子代噬菌体的标记情况是( C )
A.均含32P,均含35S B.均含35S,不含32P
C.部分含32P,均含35S D.均含32P,不含35S
解析:噬菌体的增殖是在自身遗传物质的指导下,以大肠杆菌的物质为原料合成子代。大肠杆菌含35S,则子代噬菌体都含35S;噬菌体含32P,子代噬菌体只有少部分含32P。
13.噬菌斑(图甲)是在长满细菌的培养基上,由一个噬菌体侵染细菌后,细菌不断裂解产生的一个不长细菌的透明小圆区,它是检出噬菌体数量的重要方法之一,现利用连续取样、在培养基中培养的方法测得T4噬菌体在感染大肠杆菌后数量变化曲线(图乙),下列叙述正确的是( B )
A.由b到c对应时间内噬菌体共繁殖了10代
B.限制d～e段噬菌斑数量增加的因素最可能是细菌已经绝大部分被裂解
C.曲线a～b段细菌细胞中正旺盛地进行细菌DNA的复制和有关蛋白质的合成
D.曲线a～b段噬菌斑数量不变,说明此阶段噬菌体还没有开始侵染细菌
解析:曲线b～c段所对应的时间内噬菌斑数量增长了10倍,但并不表示噬菌体共繁殖了10代,因为噬菌体数量是呈指数倍数增长的;d～e段噬菌斑数量增加缓慢,原因可能是绝大部分细菌已经被裂解,噬菌体失去寄生场所;曲线a～b段,说明细菌体内正旺盛地进行噬菌体DNA的复制和有关蛋白质的合成等过程;曲线a～b段噬菌斑数量不变,可能是噬菌体在细菌细胞内,没有裂解细菌,因而不能说明噬菌体还没有开始侵染细菌。
14.肺炎链球菌有许多类型,有荚膜的有毒性,能使小鼠患败血症死亡,无荚膜的无毒性。如图所示为肺炎链球菌的转化实验,下列相关叙述中错误的是( B )
A.能导致小鼠死亡的有a、d两组
B.d组菌液接种在固体培养基上长成的菌落都为表面光滑
C.通过d、e两组对照,能说明转化因子是DNA而不是蛋白质
D.d组产生的有毒性的肺炎链球菌能将该性状遗传给后代
解析:由于a组没有处理,肺炎链球菌有荚膜为S型菌;d组加入的是S型肺炎链球菌的DNA,能使无荚膜的R型肺炎链球菌转化为有荚膜的S型肺炎链球菌,所以能导致小鼠死亡的有a、d两组。d组产生的后代有有荚膜有毒性的S型肺炎链球菌和无荚膜无毒性的R型肺炎链球菌,原因是只有部分无荚膜无毒性的R型肺炎链球菌转化为有荚膜有毒性的S型肺炎链球菌。由于d组加入的是DNA,e组加入的是蛋白质,所以通过d、e两组对照,能说明转化因子是DNA而不是蛋白质。d组产生的有毒性的肺炎链球菌是遗传物质发生了改变,所以能将该性状遗传给后代。
15.根据人类对遗传物质的探索历程回答问题。
(1)1928年,格里菲思通过肺炎链球菌的体内转化实验,推测加热杀死的S型菌中含有某种转化因子,能够将R型菌转化成S型菌,现已研究表明,转化的实质就是控制荚膜合成的S型菌的基因整合到R型菌的DNA上,这种变异类型属于 。1944年,艾弗里通过肺炎链球菌的体外转化实验,设计 的实验思路,得出DNA是遗传物质的结论。
(2)1952年,赫尔希和蔡斯完成了噬菌体侵染细菌的实验。在该实验中,首先是标记噬菌体,具体方法是
;然后进行混合、保温、搅拌和离心,其中搅拌的目的是 。
用32P标记一组的上清液存在少量放射性的原因是
。(回答2条)
(3)艾弗里和赫尔希等人的实验选用了细菌或病毒等结构简单的生物作为实验材料,选用结构简单生物作为实验材料的优点是
。
(4)烟草花叶病毒感染等实验证明RNA也可以作为遗传物质。因为
,所以说DNA是主要的遗传物质。
解析:(1)R型菌转化为S型菌的实质就是控制荚膜合成的S型菌的基因整合到R型菌的DNA上,故变异类型属于基因重组。艾弗里肺炎链球菌的体外转化实验的思路主要是将DNA和蛋白质分离开,单独研究二者的作用。
(2)因为噬菌体是病毒,不能直接用培养基培养,故先分别用含32P和35S的培养基培养大肠杆菌;再用上述大肠杆菌培养噬菌体。搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离。用32P标记的是噬菌体的DNA分子,而在侵染过程中DNA分子进入大肠杆菌中,离心时随大肠杆菌一同沉淀,则上清液存在少量放射性的原因是保温时间过短,有一部分噬菌体还没有侵染到大肠杆菌细胞内,经离心后分布于上清液中;或保温时间过长,噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放子代,经离心后分布于上清液中。
(3)结构简单生物容易看出因遗传物质改变导致的结构和功能的变化。
(4)噬菌体侵染大肠杆菌等实验证明,多数生物的遗传物质是DNA,而烟草花叶病毒感染等实验证明,RNA也可以作为遗传物质,因为绝大多数生物的遗传物质是DNA,所以说DNA是主要的遗传物质。
答案:(1)基因重组 分离各种成分,然后分别观察各种成分的作用 (2)分别用含32P和35S的培养基培养大肠杆菌;再用上述大肠杆菌培养噬菌体 使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离 保温时间过短,有一部分噬菌体还没有侵染到大肠杆菌细胞内,经离心后分布于上清液中;或保温时间过长,噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放子代,经离心后分布于上清液中 (3)容易看出因遗传物质改变导致的结构和功能的变化 (4)绝大多数生物的遗传物质是DNA(共39张PPT)
第二节 遗传信息编码在DNA分子上
素养导学
内容梳理
概念突破
随堂检测
素养导学
教学内容 教学要求 素养归属
1.双螺旋结构模型揭示了DNA分子的结构 (1)运用归纳与概括,分析DNA的结构组成,并建立DNA分子结构的基本模型 科学思维
(2)通过分析与讨论,明确DNA分子结构中碱基的配对关系及比例关系 科学思维
(3)基于模型与建模的思维,制作DNA分子的双螺旋结构模型 科学探究
2.碱基排列顺序编码了遗传信息 (1)通过对比分析,归纳总结DNA分子中碱基的排列顺序与遗传信息存储之间的关系 科学思维
(2)感悟DNA分子结构的精妙与发现过程的不易,形成结构与功能观 生命观念
(3)利用所学知识,能够解释DNA分子的遗传特性在生产、生活中的应用 社会责任
1.双螺旋结构模型揭示了DNA分子的结构
(1)DNA分子的化学组成
①基本组成元素: 。
②基本单位
内容梳理
C、H、O、N、P
脱氧核苷酸
胸腺嘧啶
腺嘌呤
(2)DNA分子的结构特点
①DNA分子是由两条长链组成的,这两条长链按反向平行方式盘旋成 .结构。 和磷酸基团交替连接形成主链的基本骨架,排列在主链的外侧, 则位于主链内侧。
双螺旋
脱氧核糖
氢键
碱基互补配对
③在DNA分子中,A(腺嘌呤)和 的数目相等,G(鸟嘌呤)和
的数目相等,但A+T的量不一定等于G+C的量,这就是DNA中碱基含量的 法则。
T(胸腺嘧啶)
C(胞嘧啶)
卡伽夫
碱基
(3)制作DNA双螺旋结构模型
①材料用具
自选材料和用具。选取材料时,注意用不同形状和颜色的材料分别代表
、 和不同的 。注意选取作为支架和连接的材料要有一定的强度和韧性,注意选取合适的工具。
②方法步骤
a.用所选材料制成不同形状、不同大小和不同颜色的物体,用来代表磷酸、
和不同的 。
b.将代表不同化合物的物体连接、组装在一起。
2.碱基排列顺序编码了遗传信息
(1)相对稳定性:DNA分子中 交替连接的方式不变;两条链间 的方式不变。
脱氧核糖
磷酸
碱基
脱氧核糖
碱基
磷酸基团和脱氧核糖
碱基互补配对
(2)多样性:不同的DNA分子中脱氧核苷酸数目不同, 多种多样。若某DNA分子中有n个碱基对,则排列顺序有 种。
(3)特异性:每个特定的DNA分子都具有特定的 ,代表了特定的遗传信息。
(4)应用:通过对DNA中 分析,科学家可以判断各种生物在
中的亲缘关系,医生可以对两个人的血缘关系做出参考性的结论,警察可以对案件中人物的身份进行鉴定等。
排列顺序
4n
碱基排列顺序
核苷酸的序列
进化
概念突破
概念一 双螺旋结构模型揭示了DNA分子的结构
[概念情境]
20世纪30年代,人们已经认识到DNA是由脱氧核苷酸连接而成的长链;组成DNA分子的脱氧核苷酸有 4种,每1种含有1个特定的碱基。请思考并回答下列问题。
(1)每个脱氧核苷酸是由哪些小分子组成的 组成DNA的碱基有哪几种 尝试构建脱氧核苷酸的结构模型。
提示:脱氧核苷酸是由脱氧核糖、磷酸基团和含氮碱基组成的。组成DNA的碱基有腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C),共4种。
(2)脱氧核苷酸长链是如何构成具有双螺旋结构的DNA分子的 配对有什么
规律
提示:两条脱氧核苷酸长链反向平行,通过碱基对连接在一起。A与T配对,G与C配对。
(3)现有M、N两个均含有200个碱基的双链DNA分子,其中M分子中共有260个氢键,N分子中含有20个腺嘌呤,那么M、N分子中各有C—G碱基对多少个 这两个DNA分子中哪个结构更稳定
提示:假设M分子只有A、T两种碱基,则200个碱基,100个碱基对,含有200个氢键,而实际上有260个氢键,即G—C碱基对共60个。N分子中A—T碱基对有20个,则G—C碱基对有80个,氢键共有20×2+80×3=280(个)。氢键越多的DNA分子越稳定,因此N分子更稳定。
突破点1
DNA的结构
[典例1] (2020·浙江7月选考)某DNA片段的结构如图所示。下列叙述正确的是( )
A.①表示胞嘧啶 B.②表示腺嘌呤
C.③表示葡萄糖 D.④表示氢键
解析:根据碱基互补配对原则可知,DNA结构中与A配对的是T,①表示胸腺嘧啶;与G配对的是C,②表示胞嘧啶;脱氧核苷酸中的单糖③表示脱氧核糖;④表示氢键。
D
[拓展延伸] DNA分子结构模型
(1)DNA分子双螺旋结构模型
(2)模型解读
①基本结构
a.由磷酸基团、脱氧核糖、含氮碱基组成,三者之间的数量关系为1∶1∶1。
b.磷酸基团:每个DNA分子片段中,游离的磷酸基团有2个。
②水解产物
DNA的初步水解产物是脱氧核苷酸,彻底水解产物是磷酸基团、脱氧核糖和含氮碱基。
③双链DNA分子结构中的几种关系
数量
关系 a.每个DNA分子片段中,游离磷酸基团有2个;
b.脱氧核糖数=磷酸基团数=含氮碱基数;
c.A—T碱基对有两个氢键,G—C碱基对有三个氢键
位置
关系 a.单链中相邻碱基间通过脱氧核糖—磷酸基团—脱氧核糖连接;
b.互补链中相邻碱基间通过氢键相连
化学键 a.氢键:连接互补链中相邻碱基间的化学键;
b.磷酸二酯键:连接单链中相邻两个脱氧核苷酸的化学键
突破点2
DNA分子中碱基数量的计算
[典例2] 已知某双链DNA分子中,G与C之和占全部碱基总数的34%,其中一条链的T与C分别占该链碱基总数的32%和18%,则在它的互补链中,T和C分别占该链碱基总数的( )
A.32%和18% B.34%和18%
C.16%和34% D.34%和16%
解析:已知某DNA分子中,G与C之和占全部碱基总数的34%,则C=G=17%,A=
T=50%-17%=33%。其中一条链的T与C分别占该链碱基总数的32%和18%,即T1=32%、C1=18%,根据碱基互补配对原则,双链DNA分子中,T=(T1+T2)÷2,计算可得T2=34%,同理,C2=16%。
D
[拓展延伸] DNA分子中碱基数量的计算规律
根据图可得出,一条链中某碱基数目等于另一条链中与其配对的碱基数目,即A1=T2、T1=A2、C1=G2、G1=C2,并可进一步推导出以下规律:
规律1:互补的两种碱基数量相等,即A=T(A1+A2=T2+T1),C=G(C1+C2=G2+G1)。
规律2:双链DNA中,嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数,即A+G=C+T。
规律3:任意两种不互补的碱基之和占总碱基的50%,如A+G=C+T=A+C=G+T=总碱基的50%。
规律4:一条链中互补碱基的和等于另一条链中这两种碱基的和,如A1+T1=A2+T2。
突破点3
制作DNA双螺旋结构模型
[典例3] 在“制作DNA双螺旋结构模型”活动中,可采用不同形状和颜色的纸片分别代表脱氧核糖、磷酸基团和不同碱基,用订书钉作为连接物。现要制作一个包含4种碱基、12个碱基对的DNA分子片段模型。下列叙述最不确切的是( )
A.通过该活动,可以加深对DNA分子功能特点的理解和认识
B.选取作为支架的材料要有一定的强度和韧性
C.制作时用到相同形状和颜色的纸片最少的为1张
D.若该模型中有4个腺嘌呤,则需要102个订书钉
A
解析:通过该活动,可以加深对DNA分子结构特点的理解和认识;选取作为支架的材料要有一定的强度和韧性,要能螺旋形成双螺旋结构;制作时用到相同形状和颜色的纸片最少的为1张;若该模型中有4个腺嘌呤,则A—T碱基对有4个,C—G碱基对有8个,需要订书钉的数量=4×2(A与T之间的氢键)+8×3(C与G之间的氢键)+11×2(脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键)+
24×2(脱氧核苷酸内部的化学键)=102(个)。
[拓展延伸] 制作DNA双螺旋结构模型的实验操作分析
(1)实验原理
①DNA分子由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成。
②DNA分子中脱氧核糖和磷酸基团交替连接,排列在外侧,构成基本骨架。
③DNA分子两条链上的碱基按照碱基互补配对原则两两配对,并且以氢键连接。
②制备脱氧核苷酸模型:利用订书钉将磷酸基团、脱氧核糖、碱基连接起来。
③制备脱氧核苷酸长链:订书钉把一个个脱氧核苷酸模型连接起来,形成一条多核苷酸的长链,根据碱基互补配对原则,制作一条与这条链完全互补的脱氧核苷酸长链。
④将两条核苷酸链互补配对:将脱氧核苷酸中的磷酸基团固定在细铁丝上,然后把两条链平放在桌子上,用订书钉把配对的碱基两两连接在一起。
⑤形成DNA分子双螺旋模型:将两条链的末端分别与硬纸方块连接在一起,两手分别提起硬纸方块,轻轻旋转即可得到DNA分子双螺旋模型。
概念二 碱基排列顺序编码了遗传信息
[概念情境]
DNA指纹技术指获取某特定的单链DNA(探针),将其与DNA分子混合形成杂交带,经过处理获得长度不等杂交带图纹,这种图纹极少有两个人完全相同,故称为“DNA指纹”。在亲子鉴定、侦查罪犯等方面是目前最为可靠的鉴定技术。
请思考并回答以下问题。
(1)为什么DNA指纹能够在亲子鉴定、侦查罪犯等方面具有极高可靠性
提示:由于DNA分子的特异性,每个个体具有特定的遗传信息。
(2)DNA亲子鉴定中,DNA探针必不可少,DNA探针实际是一种已知碱基顺序的DNA片段,DNA探针寻找基因所利用的原理是什么
提示:碱基互补配对原则。
(3)用DNA做亲子鉴定时,小孩的条码会一半与其生母相吻合,另一半与其生父相吻合,其原因是什么
提示:由于每一对同源染色体必定一条来自母亲,一条来自父亲,因此小孩的条码会一半与其生母相吻合,另一半与其生父相吻合。
突破点
DNA遗传信息的特异性
[典例] 如图为四个物种的进化关系树(图中百分数表示各物种与人类的DNA相似度)。下列相关论述合理的是( )
A.四个物种都由不同祖先进化而形成
B.和人类的亲缘关系最近的是非洲猴
C.和人类的亲缘关系最近的是大猩猩
D.和人类的亲缘关系最近的是黑猩猩
D
解析:四个物种的DNA相似度很高,这说明四个物种是由共同的祖先进化而来的;由题图可知,黑猩猩与人类的DNA相似度最高,说明其和人类的亲缘关系最近。
[拓展延伸] 遗传信息的特异性在于核苷酸序列的差异(即碱基对的排列顺序),而不是碱基的种类或核苷酸的种类。不同的基因(如A、a基因)的本质区别就是核苷酸序列不同。
素养提升
请阅读下面的科普短文,并回答问题。
20世纪60年代,有人提出:在生命起源之初,地球上可能存在一个RNA世界。在原始生命中,RNA既承担着遗传信息载体的功能,又具有催化化学反应的作用。
现有很多证据支持“RNA世界论”的观点。例如,RNA能自我复制,满足遗传物质传递遗传信息的要求;RNA既可作为核糖体结构的重要组成部分,又能在遗传信息的表达过程中作为DNA与蛋白质之间的信息纽带;科学家在原生动物四膜虫等生物中发现了核酶(具有催化活性的RNA)后,又陆续发现在蛋白质合成过程和mRNA的加工过程中均有核酶参与。
蛋白质有更复杂的氨基酸序列,更多样的空间结构,可催化特定的底物发生化学反应,而RNA在催化反应的多样性及效率上均不如蛋白质。所以,RNA的催化功能逐渐被蛋白质代替。
RNA结构不稳定,容易受到环境影响而发生突变。RNA还能发生自身催化的水解反应,不易产生更长的多核苷酸链,携带的遗传信息量有限。所以,RNA作为遗传物质的功能逐渐被DNA代替。现今的绝大多数生物均以DNA为遗传物质,还有一个重要原因是DNA不含碱基U。研究发现碱基C容易自发脱氨基而转变为U,若DNA含碱基U,与DNA复制相关的“修复系统”就无法区分并切除突变而来的U,导致DNA携带遗传信息的准确性降低。
地球生命共同传承着几十亿年来原始RNA演绎的生命之树,生命演化之初的RNA世界已转变为当今由RNA、DNA和蛋白质共同组成的生命世界。
(1)核酶的化学本质是 。
RNA
解析:(1)根据题意可知核酶的化学本质是RNA。
请阅读下面的科普短文,并回答问题。
20世纪60年代,有人提出:在生命起源之初,地球上可能存在一个RNA世界。在原始生命中,RNA既承担着遗传信息载体的功能,又具有催化化学反应的作用。
现有很多证据支持“RNA世界论”的观点。例如,RNA能自我复制,满足遗传物质传递遗传信息的要求;RNA既可作为核糖体结构的重要组成部分,又能在遗传信息的表达过程中作为DNA与蛋白质之间的信息纽带;科学家在原生动物四膜虫等生物中发现了核酶(具有催化活性的RNA)后,又陆续发现在蛋白质合成过程和mRNA的加工过程中均有核酶参与。
蛋白质有更复杂的氨基酸序列,更多样的空间结构,可催化特定的底物发生化学反应,而RNA在催化反应的多样性及效率上均不如蛋白质。所以,RNA的催化功能逐渐被蛋白质代替。
RNA结构不稳定,容易受到环境影响而发生突变。RNA还能发生自身催化的水解反应,不易产生更长的多核苷酸链,携带的遗传信息量有限。所以,RNA作为遗传物质的功能逐渐被DNA代替。现今的绝大多数生物均以DNA为遗传物质,还有一个重要原因是DNA不含碱基U。研究发现碱基C容易自发脱氨基而转变为U,若DNA含碱基U,与DNA复制相关的“修复系统”就无法区分并切除突变而来的U,导致DNA携带遗传信息的准确性降低。
地球生命共同传承着几十亿年来原始RNA演绎的生命之树,生命演化之初的RNA世界已转变为当今由RNA、DNA和蛋白质共同组成的生命世界。
(2)RNA病毒的遗传信息蕴藏在 的排列顺序中。
解析:(2)RNA病毒的遗传物质是RNA,其中的碱基(核糖核苷酸)的排列顺序代表了遗传信息。
碱基(核糖核苷酸)
请阅读下面的科普短文,并回答问题。
20世纪60年代,有人提出:在生命起源之初,地球上可能存在一个RNA世界。在原始生命中,RNA既承担着遗传信息载体的功能,又具有催化化学反应的作用。
现有很多证据支持“RNA世界论”的观点。例如,RNA能自我复制,满足遗传物质传递遗传信息的要求;
RNA既可作为核糖体结构的重要组成部分,又能在遗传信息的表达过程中作为DNA与蛋白质之间的信息纽带;科学家在原生动物四膜虫等生物中发现了核酶(具有催化活性的RNA)后,又陆续发现在蛋白质合成过程和mRNA的加工过程中均有核酶参与。
蛋白质有更复杂的氨基酸序列,更多样的空间结构,可催化特定的底物发生化学反应,而RNA在催化反应的多样性及效率上均不如蛋白质。所以,RNA的催化功能逐渐被蛋白质代替。
RNA结构不稳定,容易受到环境影响而发生突变。RNA还能发生自身催化的水解反应,不易产生更长的多核苷酸链,携带的遗传信息量有限。所以,RNA作为遗传物质的功能逐渐被DNA代替。现今的绝大多数生物均以DNA为遗传物质,还有一个重要原因是DNA不含碱基U。研究发现碱基C容易自发脱氨基而转变为U,若DNA含碱基U,与DNA复制相关的“修复系统”就无法区分并切除突变而来的U,导致DNA携带遗传信息的准确性降低。
地球生命共同传承着几十亿年来原始RNA演绎的生命之树,生命演化之初的RNA世界已转变为当今由RNA、DNA和蛋白质共同组成的生命世界。
(3)在“RNA世界”以后的亿万年进化过程中,RNA作为 的功能分别被蛋白质和DNA代替。
解析:(3)在“RNA世界”以后的亿万年进化过程中,RNA作为酶和遗传物质的功能分别被蛋白质和DNA代替,逐渐形成了由RNA、DNA和蛋白质共同组成的生命世界。
酶和遗传物质
请阅读下面的科普短文,并回答问题。
20世纪60年代,有人提出:在生命起源之初,地球上可能存在一个RNA世界。在原始生命中,RNA既承担着遗传信息载体的功能,又具有催化化学反应的作用。
现有很多证据支持“RNA世界论”的观点。例如,RNA能自我复制,满足遗传物质传递遗传信息的要求;
RNA既可作为核糖体结构的重要组成部分,又能在遗传信息的表达过程中作为DNA与蛋白质之间的信息纽带;科学家在原生动物四膜虫等生物中发现了核酶(具有催化活性的RNA)后,又陆续发现在蛋白质合成过程和mRNA的加工过程中均有核酶参与。
蛋白质有更复杂的氨基酸序列,更多样的空间结构,可催化特定的底物发生化学反应,而RNA在催化反应的多样性及效率上均不如蛋白质。所以,RNA的催化功能逐渐被蛋白质代替。
RNA结构不稳定,容易受到环境影响而发生突变。RNA还能发生自身催化的水解反应,不易产生更长的多核苷酸链,携带的遗传信息量有限。所以,RNA作为遗传物质的功能逐渐被DNA代替。现今的绝大多数生物均以DNA为遗传物质,还有一个重要原因是DNA不含碱基U。研究发现碱基C容易自发脱氨基而转变为U,若DNA含碱基U,与DNA复制相关的“修复系统”就无法区分并切除突变而来的U,导致DNA携带遗传信息的准确性降低。
地球生命共同传承着几十亿年来原始RNA演绎的生命之树,生命演化之初的RNA世界已转变为当今由RNA、DNA和蛋白质共同组成的生命世界。
(4)在进化过程中,绝大多数生物以DNA作为遗传物质的原因是与RNA相比,DNA分子 .
。
解析:(4)DNA的双螺旋结构比RNA的单链结构相对稳定,含有更多的核苷酸,能够储存大量的遗传信息,这是DNA作为遗传物质的原因之一,且由题意知DNA复制的准确性更高,更适合作为遗传物质。
结构相对稳定和
复制的准确性高
请阅读下面的科普短文,并回答问题。
20世纪60年代,有人提出:在生命起源之初,地球上可能存在一个RNA世界。在原始生命中,RNA既承担着遗传信息载体的功能,又具有催化化学反应的作用。
现有很多证据支持“RNA世界论”的观点。例如,RNA能自我复制,满足遗传物质传递遗传信息的要求;RNA既可作为核糖体结构的重要组成部分,又能在遗传信息的表达过程中作为DNA与蛋白质之间的信息纽带;科学家在原生动物四膜虫等生物中发现了核酶(具有催化活性的RNA)后,又陆续发现在蛋白质合成过程和mRNA的加工过程中均有核酶参与。
蛋白质有更复杂的氨基酸序列,更多样的空间结构,可催化特定的底物发生化学反应,而RNA在催化反应的多样性及效率上均不如蛋白质。所以,RNA的催化功能逐渐被蛋白质代替。
RNA结构不稳定,容易受到环境影响而发生突变。RNA还能发生自身催化的水解反应,不易产生更长的多核苷酸链,携带的遗传信息量有限。所以,RNA作为遗传物质的功能逐渐被DNA代替。现今的绝大多数生物均以DNA为遗传物质,还有一个重要原因是DNA不含碱基U。研究发现碱基C容易自发脱氨基而转变为U,若DNA含碱基U,与DNA复制相关的“修复系统”就无法区分并切除突变而来的U,导致DNA携带遗传信息的准确性降低。
地球生命共同传承着几十亿年来原始RNA演绎的生命之树,生命演化之初的RNA世界已转变为当今由RNA、DNA和蛋白质共同组成的生命世界。
(5)有人认为“生命都是一家”。结合上文,你是否认同这一说法 请说明理由。 .
。
不认同;有的
生物以DNA作为遗传物质,有的生物以RNA作为遗传物质(或认同;所有生物均以核酸作为遗传物质)
解析:(5)只要写出对生命的看法,哪一种看法都行,但要提供正确的生物学的论据,而且必须能够支持自己的论点。如不认同,有的生物以DNA作为遗传物质,有的生物以RNA作为遗传物质;或认同,所有生物均以核酸作为遗传物质。
随堂检测
1.下列关于双链DNA分子的叙述,正确的是( )
A.每个核糖上均连接着一个磷酸基团和一个碱基
B.在一条脱氧核苷酸链中,相邻的核苷酸之间通过磷酸二酯键相连
C.若一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则另一条链相应碱基比为4∶3∶2∶1
D.DNA分子中A与T碱基含量越高,其结构相对越稳定
B
解析:DNA分子中不含核糖,含有的是脱氧核糖,且大多数脱氧核糖上连接着2个磷酸基团和1个碱基;在一条脱氧核苷酸链中,相邻的核苷酸之间通过磷酸二酯键相连;若一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则另一条链相应碱基比为2∶1∶4∶3;A与T之间有2个氢键,C与G之间有3个氢键,因此DNA分子中C与G碱基含量越高,其结构相对越稳定。
2.DNA熔解温度(Tm)是使DNA双螺旋结构解开一半时所需要的温度,不同种类DNA的Tm值不同。如图表示DNA分子中G+C含量(占全部碱基的比例)与Tm的关系。下列有关叙述中,错误的是( )
A.双链DNA分子中的碱基含量符合卡伽夫法则
B.Tm值相同的DNA分子中G+C的数量相同
C.Tm值的大小与DNA中氢键的多少有关
D.在“制作DNA双螺旋结构模型”活动中,应选择6种形状的材料分别表示脱氧核糖、磷酸基团和碱基
解析:双链DNA分子中的碱基含量符合卡伽夫法则,即C=G、A=T;两个DNA分子若Tm值相同,则它们所含G+C比例相同,但C+G的数量不一定相同;Tm值的大小与DNA中氢键的数量有关;在“制作DNA双螺旋结构模型”活动中,应选择6种形状的材料分别表示脱氧核糖、磷酸基团和四种碱基。
B
解析:脱氧核苷酸不含碱基U,磷酸基团与脱氧核糖直接相连,不能和碱基直接相连。
D
解析:已知DNA分子中,G和C占全部碱基的44%,即C+G=44%,则C=G=22%、A=T=50%-22%=28%。又已知一条链的碱基中,A占26%,C占20%,即A1=26%、C1=20%,根据碱基互补配对原则,A=(A1+A2)÷2,则A2=30%,同理C2=24%。
4.一条双链DNA分子,G和C占全部碱基的44%,其中一条链的碱基中,26%是A,
20%是C,那么其互补链中的A和C分别占该链全部碱基的百分比是( )
A.28%和22% B.30%和24%
C.26%和20% D.24%和30%
B
5.如图是DNA片段的结构图,请据图回答下列问题。
(1)填出图中部分结构的名称:[2] ,
[5] 。
解析:(1)图中[2]是一条脱氧核苷酸单链片段,[5]是腺嘌呤脱氧核苷酸。
一条脱氧核苷酸单链片段
腺嘌呤脱氧核苷酸
5.如图是DNA片段的结构图,请据图回答下列问题。
(2)从图中可以看出DNA分子中的骨架是由 (填名称)和
(填名称)交替连接形成的。
解析:(2)DNA分子的骨架是由磷酸基团和脱氧核糖交替连接形成的。
磷酸基团
脱氧核糖(顺序可调换)
5.如图是DNA片段的结构图,请据图回答下列问题。
(3)连接碱基对的结构是[7] ,DNA分子中碱基配对的方式是
。
解析:(3)连接碱基对的结构是[7]氢键;DNA分子中碱基配对的方式是A与T配对、G与C配对。
氢键
A与T配对、G与C配对
5.如图是DNA片段的结构图,请据图回答下列问题。
(4)从图甲可以看出组成DNA分子的两条链的方向是 的,从图乙可以看出组成DNA分子的两条链相互缠绕成独特的 结构。
解析:(4)从图甲可以看出组成DNA分子的两条链的方向是反向平行的,从图乙可以看出组成DNA分子的两条链相互缠绕成独特的双螺旋结构。
反向平行
双螺旋
5.如图是DNA片段的结构图,请据图回答下列问题。
n
5.如图是DNA片段的结构图,请据图回答下列问题。
解析:(6)若含有400个碱基的某DNA片段中,氢键共有550个,设该DNA片段中腺嘌呤数目为n,则A=T=n,C=G=200-n,由于A—T之间有2个氢键,C—G之间有3个氢键,则2n+3(200-n)=550,解得n=50。
(6)若含有400个碱基的某DNA片段中,氢键共有 550个,则该DNA片段中腺嘌呤有 个。
50(共36张PPT)
第三节 DNA通过复制传递遗传信息
素养导学
内容梳理
概念突破
随堂检测
素养导学
教学内容 教学要求 素养归属
1.DNA通过半保留方式进行复制 (1)运用归纳与概括,分析总结DNA复制的过程、条件等 科学思维
(2)基于“DNA复制过程的同位素示踪实验”,探究DNA复制的特点 科学探究
2.DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础 (1)分析总结DNA复制在亲子代遗传信息传递过程中的作用 科学思维
(2)利用所学,解释亲子代遗传信息保持稳定的原因 科学思维
1.DNA通过半保留方式进行复制
(1)探究DNA的复制过程
①实验原理
a.实验方法: 技术和 技术。
b.实验原理:含15N的双链DNA密度较大,离心后的条带分布于离心管的 部;含14N的双链DNA密度较小,离心后的条带分布于离心管的 部;一条链含15N与另一条含14N的双链DNA密度应该介于双链均含15N的DNA和双链均含14N的DNA之间,离心后的条带应分布于离心管的 部。
内容梳理
同位素示踪
离心
下
上
中
②实验过程
③实验分析
a.实验预期
预期一:若第二代DNA分子中15N-15N -DNA占1/2,14N-14N -DNA占1/2,而第三代DNA分子中15N-15N -DNA占1/4,14N- 14N-DNA 占3/4,说明DNA复制是 .
复制。
预期二:若第二代DNA分子中全部是15N-14N-DNA,而第三代DNA分子中15N-14N -DNA占1/2, 14N- 14N -DNA占1/2,说明DNA复制是 复制。
b.实验结论
实验结果和 的一致,说明DNA的复制是以 的方式进行的。
全保留
半保留
预期二
半保留
(2)DNA复制的特点及条件
项目 内容
概念 以 为模板,合成子代DNA的过程
时间 有丝分裂的 或减数第一次分裂前的 ,
场所 .
特点 .
方式 半保留复制
条件 ①模板:亲代DNA的 ;
②原料:四种脱氧核苷酸;
③酶:解旋酶和 等;
④能量:由ATP供能
亲代DNA
间期
间期
细胞核、线粒体、叶绿体
边解旋边复制
两条链
DNA聚合酶
(3)DNA复制的过程(如图)
①解旋:DNA复制时,在 的作用下,两条链的配对碱基之间的 断开,碱基暴露出来,形成了两条“模板链”,即母链。
②合成子链:每一条母链按照互补配对的原则,腺嘌呤与 核苷酸配对,鸟嘌呤与 核苷酸配对等。最后相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团间形成 ,产生一条子链。
③形成子代DNA:每条子链与其对应的 盘绕成双螺旋结构,从而形成两个与亲代DNA完全相同的DNA分子。
2.DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础
(1)保证了多细胞生物体的每个体细胞都携带 的遗传信息,而且 . 细胞在形成过程中也要进行DNA的复制。
(2)将亲代的 传给子代,从而保持了前后代 的连续性。
解旋酶
氢键
胸腺嘧啶
胞嘧啶
磷酸二酯键
母链
相同
生殖
遗传信息
遗传信息
概念突破
概念一 DNA通过半保留方式进行复制
[概念情境]
将蚕豆幼苗放在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷(即3H-T,胸腺嘧啶脱氧核苷酸的组成成分)的培养基中培养一段时间,让3H掺入DNA中,从而使染色体带有放射性,培养过程如图甲。随后,将幼苗转到普通培养基(1H-T)中培养一段时间,图乙是跟踪检测根尖细胞部分染色体某时期变化图。
请据图思考并回答以下问题。
(1)完成图甲的培养过程,核DNA至少经过几次复制 若某核DNA含有900个胸腺嘧啶脱氧核苷酸,则复制3次共需要多少个腺嘌呤脱氧核苷酸
提示:①根据题意,有丝分裂过程中DNA分子进行半保留复制,第一次有丝分裂结束后,每个双链DNA分子的两条链,其中一条链含有3H(有放射性),另一条链不含3H(无放射性);第二次有丝分裂过程中,DNA分子复制后,一半DNA分子的两条链是含有3H(有放射性)和不含3H(无放射性),另一半DNA分子的两条链都是含有3H(有放射性),所以完成图甲的培养过程,核DNA至少经过2次复制。
②在DNA分子中A=T,若某核DNA含有900个胸腺嘧啶脱氧核苷酸,则复制3次需要(23-1)×900=6 300(个)腺嘌呤脱氧核苷酸。
(2)在细胞分裂过程中,图乙的B过程一般发生在什么时期 此过程产生的两条染色体中, 3H是如何分布的
提示:在细胞分裂过程中,图乙的B过程为着丝粒分裂,发生在有丝分裂后期;此过程产生的两条染色体中,无放射性的不含3H,有放射性的一条链含有3H,另一条链不含3H。
(3)若该图甲中DNA分子经过诱变,某位点上一个正常碱基(设为P)变成了尿嘧啶。该DNA连续复制两次,得到4个子代DNA分子相应位点上的碱基对分别为U—A、A—T、G—C、C—G,请分析“P”应为何种碱基。
提示:根据DNA半保留复制的特点,DNA分子经过2次复制后,以突变链为模板复制形成的2个DNA分子相应位点上的碱基对为U—A、A—T,而另一条正常,以正常链为模板复制形成的两个DNA分子相应位点上的碱基对为G—C、C—G,因此被替换的可能是G或C。
突破点1
DNA的复制特点
[典例1] 下列关于DNA复制的叙述中,正确的是( )
A.DNA复制只以亲代的一条DNA链为模板
B.在DNA聚合酶作用下,两条链配对的碱基之间的氢键断开
C.形成子链时,相邻核苷酸的核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键
D.DNA复制形成的子代DNA分子中的碱基数量遵循卡伽夫法则
解析:DNA复制是以亲代的两条DNA链分别为模板;在解旋酶作用下,两条链配对的碱基之间的氢键断开;形成子链时,相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键;DNA复制形成的子代DNA分子中的碱基数量遵循卡伽夫法则。
D
[概念误区] 有关DNA复制过程的几个易错点
(1)DNA复制时并不是两条链全部解旋后再复制产生新链,而是边解旋边复制。
(2)DNA复制时,氢键断裂需要DNA解旋酶,但这并不是氢键断裂的唯一方式,如高温加热也能使氢键断裂,另外转录过程中在RNA聚合酶的作用下,氢键也会断裂。
(3)在DNA复制过程中,在解旋酶的作用下,两条链间的氢键断裂,暴露的碱基吸引配对的脱氧核苷酸与之配对,最后相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键,形成子链。
(4)在细胞分裂时,染色体上的DNA分子复制后,两条链进入两条姐妹染色单体中,会在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期分离。
突破点2
DNA复制过程中的数量变化
[典例2] 用15N标记含有200个碱基对的DNA分子,其中有胞嘧啶120个。该DNA分子在含14N 的培养基中连续复制4次,其结果可能是( )
A.含14N的DNA分子占7/8
B.共需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸1 200个
C.含15N 的脱氧核苷酸链占1/8
D.子代DNA分子中嘌呤与嘧啶之比是2∶3
解析:由于DNA分子的复制是半保留复制,最终只有2个子代DNA各含1条15N链,1条14N链,其余DNA都含14N,故全部子代DNA都含14N;含有200个碱基对400个碱基的DNA分
子,其中有胞嘧啶120个,可得A=80个,故复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸(24-1)×
80=1 200(个);DNA复制为半保留复制,不管复制几次,最终子代DNA都保留亲代DNA的2条母链,故16个DNA分子中,含有15N的脱氧核苷酸链占2/32=1/16;子代DNA分子中嘌呤与嘧啶之比是1∶1。
B
[拓展延伸] DNA复制过程中的一些比例关系
DNA复制为半保留复制,若将亲代DNA分子复制 n代,其结果分析如下:
(1)第n代DNA分子总数为2n个。
①含有亲代链的DNA分子数为2个。
②不含亲代链的DNA分子数为(2n-2)个。
③含子代链的DNA分子数为2n个。
(2)第n代脱氧核苷酸链总数为2n+1条。
①亲代脱氧核苷酸链数为2条。
②新合成的脱氧核苷酸链数为(2n+1-2)条。
(3)消耗的脱氧核苷酸数
①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,经过n次复制,共需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n-1)个。
②第n次复制所需该种脱氧核苷酸数为m·2n-1个。
突破点3
探究DNA的半保留式复制
[典例3] 假设DNA复制仅具有半保留、全保留复制两种可能,下列有关叙述错误的是( )
A.本实验中用32P替代15N可以得到相同的实验结论
B.本实验中用R型肺炎链球菌替代大肠杆菌可以得到相同的实验结论
C.仅从该实验的第二代结果分析不能得出DNA复制具有半保留复制的特点
D.科学家在设计本实验前,提出了DNA复制方式的假设
C
解析:DNA分子的组成元素是C、H、O、N、P,本实验中用32P替代15N可以得到相同的实验结论;R型肺炎链球菌和大肠杆菌都属于细菌,本实验中用R型肺炎链球菌替代大肠杆菌可以得到相同的实验结论;该实验假设DNA复制仅具有半保留、全保留复制两种可能,若为全保留复制,第二代应该会出现轻带和重带两种条带,而该实验仅出现中带,因此仅从该实验的第二代结果分析能得出DNA复制具有半保留复制的特点;科学家采用了假说-演绎法,即其在设计本实验前,提出了DNA复制方式的假设。
突破点4
DNA复制与细胞分裂的关系
[典例4] 果蝇体细胞含有8条染色体。现有一个不带标记的果蝇体细胞,放在含32P培养基中培养,使其连续分裂两次,下列叙述正确的是( )
A.第一次分裂中期,每条染色体每条脱氧核苷酸链都有32P标记
B.第一次分裂后期,每条染色体的每条染色单体都有32P标记
C.第二次分裂中期,每个细胞的16条染色单体都被32P标记
D.第二次分裂后期,每个细胞共有16条脱氧核苷酸链被32P标记
C
解析:第一次分裂中期,由于DNA的半保留复制,所以每条染色体上的DNA分子中只有一条脱氧核苷酸链有32P标记;第一次分裂后期,着丝粒已分裂,所以不含染色单体;第二次分裂中期,由于放在含32P培养基中培养,所以每个细胞的16条染色单体都被32P标记;第二次分裂后期,每个细胞有16条染色体、32条脱氧核苷酸链,其中有24条脱氧核苷酸链被32P标记。
[拓展延伸] 图形法演示DNA复制与细胞分裂相结合的相关内容(以15N标记为例)
(1)有丝分裂过程
①一个细胞经过一次有丝分裂,产生了两个子细胞,每个子细胞和亲代细胞一样都含有相同数目的染色体,并且每个细胞中的每一条染色体上的DNA分子都保留了亲代细胞DNA分子的一条链(15N),体现了DNA分子半保留复制的特点。
(2)减数分裂过程
一个性原细胞经过减数分裂,产生了四个子细胞。每个子细胞的染色体数目较性原细胞减少了一半,并且每个子细胞中的每条染色体上的DNA分子都保留了性原细胞DNA分子的一条链(子细胞DNA两条链均为15N-14N),即半保留复制。
概念二 DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础
[概念情境]
资料显示,PCR技术(聚合酶链式反应技术)成为分子生物学实验的一种常规手段。该技术在试管中进行DNA的人工复制(如图所示),这种体外DNA复制的原理和生物体内基本相似,通过PCR技术,在很短时间内,将DNA扩增几百万倍甚至几十亿倍,使分子生物实验所需的遗传物质不再受限于只从生物体中获得。
请据图思考并回答以下问题。
(1)加热至94 ℃的目的是使样品中DNA的氢键断裂,这一过程在生物体细胞内是靠什么完成的
提示:解旋酶。
(2)PCR技术和生物体内的DNA复制一样,都遵循碱基互补配对原则,但也存在差异,请从DNA复制的特点角度回答。
提示:图中显示PCR是把母链DNA的双链彻底解开才进行复制,而生物体内的DNA复制特点是边解旋边复制。
(3)通过PCR技术可以在短时间内获得数量庞大的相同DNA分子,显示了DNA复制的意义是什么
提示:DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础,从而保持了前后代遗传信息的连续性。
突破点
DNA复制的意义
[典例] 如图为有关细胞增殖的概念图,下列说法正确的是( )
A.①过程中无纺锤丝和染色体的出现,人的红细胞以此种方式增殖
B.进行②过程时,染色体和核DNA在各个时期的数量变化完全相同
C.②过程中保持了遗传性状在亲子代之间的连续性
D.③过程大约占细胞周期的5%,主要完成DNA的复制和有关蛋白质的合成
C
解析:分析题图可知,①是无丝分裂,该过程不出现纺锤丝和染色体,人的红细胞不以此种方式增殖;②是有丝分裂,染色体和核DNA在各个时期的数量变化规律不完全相同,如核DNA加倍发生在细胞分裂的间期,染色体加倍发生在细胞分裂期的后期;有丝分裂的意义是保证了细胞的亲代和子代之间遗传性状的稳定性和连续性;②表示有丝分裂、③表示分裂间期,细胞周期中分裂间期持续的时间远远比分裂期要长。
[拓展延伸] 细胞分裂过程中均存在DNA复制,但是有丝分裂的结果是产生与亲代相同的子细胞,相当于细胞层次的克隆,实现亲子代细胞遗传物质的稳定性;而减数分裂则是生物有性生殖的前提,通过减数分裂与受精作用,实现亲子代个体遗传物质的稳定性和连续性。
素养提升
正常细胞可以自主合成组成核酸的核糖和脱氧核糖。现在有某突变细胞群不能自主合成核糖和脱氧核糖,必须从培养基中摄取。为验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸,现提供如下实验材料,请你完成实验方案。
(1)实验目的:验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸。
(2)实验材料:突变细胞群、基本培养基、核糖核苷酸、14C-核糖核苷酸(有放射性)、脱氧核苷酸、14C 脱氧核苷酸(有放射性)、放射性探测显微仪等。
(3)实验原理:
DNA主要分布在细胞核中,其基本组成单位是脱氧核苷酸;RNA主要分布在细胞质中,其基本组成单位是核糖核苷酸。
正常细胞可以自主合成组成核酸的核糖和脱氧核糖。现在有某突变细胞群不能自主合成核糖和脱氧核糖,必须从培养基中摄取。为验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸,现提供如下实验材料,请你完成实验方案。
(4)①实验步骤:
第一步:取基本培养基若干,随机分成两组。分别编号为甲组和乙组。
第二步:在甲组培养基中加入适量的核糖核苷酸和14C 脱氧核苷酸;在乙组培养基中加入等量 。
第三步:在甲、乙两组培养基中分别接种 。在5% CO2恒温培养箱中培养一段时间,使细胞增殖。
第四步:分别取出甲、乙两组培养基中的细胞,检测细胞中出现放射性的主要部位。
14C 核糖核苷酸和脱氧核苷酸
相同数量的突变细胞
解析:(4)①分析题意可知,该实验的自变量是放射性标记的核苷酸的种类,按照实验设计的对照原则和单一变量原则,设计实验的步骤如下:
第一步:取基本培养基若干,随机分成两组。分别编号为甲组和乙组。
第二步:在甲组培养基中加入适量的核糖核苷酸和14C-脱氧核苷酸;在乙组培养基中加入等量14C-核糖核苷酸和脱氧核苷酸。
第三步:在甲、乙两组培养基中分别接种相同数量的突变细胞(原因是保证无关变量相同且适宜)。在5% CO2恒温培养箱中培养一段时间,使细胞增殖。
第四步:分别取出甲、乙两组培养基中的细胞,检测细胞中出现放射性的主要部位。
正常细胞可以自主合成组成核酸的核糖和脱氧核糖。现在有某突变细胞群不能自主合成核糖和脱氧核糖,必须从培养基中摄取。为验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸,现提供如下实验材料,请你完成实验方案。
(4)②预期结果:
甲组培养基中 ;
乙组培养基中 。
③实验结论:DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸。
解析:②预期结果:甲组培养基中细胞的放射性主要分布在细胞核中;乙组培养基中细胞的放射性主要分布在细胞质中。
细胞的放射性主要分布在细胞核中
细胞的放射性主要分布在细胞质中
随堂检测
1.某DNA分子有500个碱基对,其中含有鸟嘌呤脱氧核苷酸300个,该DNA进行连续复制,经测定共消耗了周围环境中1 400个腺嘌呤脱氧核苷酸,则该DNA分子共复制了多少次( )
A.3次 B.4次 C.5次 D.6次
A
解析:由题意知,一个DNA分子含有500个碱基对,即 1 000个脱氧核苷酸,其中鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸为300个,那么该DNA分子中腺嘌呤脱氧核苷酸=
(1 000-300×2)÷2=200(个)。该DNA分子复制n次,消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸是(2n-1)×200=1 400,解得n=3。
2.下列关于DNA的相关计算,正确的是( )
A.具有1 000个碱基对的DNA,腺嘌呤有600个,则每一条链上都具有胞嘧啶200个
B.具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,复制n次后共需2n·m个胸腺嘧啶
C.具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,第n次复制需要2n-1·m 个胸腺嘧啶
D.无论是双链DNA还是单链DNA,(A+G)所占的比例均是1/2
解析:具有1 000个碱基对的DNA,腺嘌呤有600个,则DNA中含胞嘧啶400个,因此一条链上的胞嘧啶数为0～400个;具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,复制n次后DNA数由1个变为2n个,因此需要(2n-1)·m个胸腺嘧啶,其第n次复制DNA数由2n-1个变为2n个,这一过程需要2n-1·m个胸腺嘧啶;只有在双链DNA中才遵循卡伽夫法则,即A=T、G=C,在单链DNA中不存在这一关系,因此只有双链DNA中(A+G)所占的比例为1/2,单链DNA中该比值不一定为1/2。
C
解析:解旋酶在DNA复制过程中起到催化双链DNA解旋的作用,据图可知,解旋酶可结合在复制叉的部位;DNA复制叉在延伸时会断裂氢键,所以需要消耗能量;据图可知,DNA聚合酶能催化前导链和滞后链由5′端向3′端延伸;DNA连接酶在DNA复制过程中将脱氧核苷酸连接在一起,即能催化磷酸二酯键形成。
3.如图为某DNA分子半保留复制过程的部分示意图,非复制区与复制区的相接区域会形成Y字形结构,被称为“复制叉”。在复制过程中,DNA连接酶可以将脱氧核苷酸片段连接在一起,据图分析,下列说法错误的是( )
A.解旋酶可结合在复制叉的部位
B.DNA复制叉的延伸需要消耗能量
C.DNA聚合酶能催化前导链和滞后链由3′端向5′端延伸
D.DNA连接酶在DNA复制过程中能催化磷酸二酯键形成
C
解析:从图甲中看出,复制的起点在中间,向两边双向复制;从图乙中看出,复制环的大小不同,所以它们并不是同时开始复制的;甲、乙两图中DNA分子复制都是边解旋边双向复制的;图乙所示真核生物的多起点、双向复制的复制方式大大提高了复制的速率。
4.图甲是大肠杆菌DNA分子复制过程示意图。图乙为真核生物染色体DNA分子复制过程示意图。
下列对图甲和图乙的分析,错误的是( )
A.图甲说明,原核细胞的DNA复制从起点开始双向进行
B.图乙说明,真核细胞的DNA复制从多个位点同时开始
C.甲、乙两图中DNA分子复制都是边解旋边双向复制的
D.图乙所示真核生物的这种复制方式提高了复制速率
B
5.DNA修复是细胞应对DNA受损伤后的一种反应,这种反应可使DNA结构恢复原样,能重新执行它原来的功能,以保持遗传信息的稳定。细胞为了对抗各种形式的DNA损伤,发展出了数种DNA损伤的修复机制。如图是其中一种DNA修复方式的原理图,下列相关叙述错误的是( )
A.DNA修复是一类多种酶参与的复杂酶促反应
B.酶3在修复过程中遵循碱基互补配对原则
C.若DNA发生损伤后未被修复,将可能引起变异的发生
D.酶1、酶2作用的是氢键,酶4催化形成的是磷酸二酯键
D
解析:由题图可知,DNA修复是一类多种酶参与的复杂酶促反应;由题图可知,酶3在修复过程中遵循碱基互补配对原则;若DNA发生损伤后未被修复,将可能引起变异的发生;酶1、酶2作用的是磷酸二酯键,酶4催化形成的也是磷酸二酯键。(共64张PPT)
第四节 基因控制蛋白质合成
素养导学
内容梳理
概念突破
随堂检测
素养导学
教学内容 教学要求 素养归属
1.基因通常是DNA分子的功能片段 (1)形成结构与功能观,认同DNA在遗传信息传递与表达中的双重功能 生命观念
(2)通过归纳与概括,分析DNA的功能,并明确基因的概念 科学思维
2.DNA分子上的遗传信息通过转录传递给RNA 运用提炼与分析,概括转录的条件、特点等,比较不同RNA的功能 科学思维
3.遗传信息通过翻译指导蛋白质的合成 (1)运用提炼与分析,概括翻译的条件、特点等 科学思维
(2)通过对遗传密码的分析,感悟不同生物在该层次上的统一性 生命观念
(3)归纳与概述基因表达的定义,并针对表达过程建构遗传信息转录、翻译的模型 科学思维
4.基因控制生物性状
(基因—蛋白质—性状) 通过对生物不同性状的分析,认同基因通过控制蛋白质合成控制生物性状 科学思维
5.遗传信息流从DNA→
RNA→蛋白质 通过归纳与概括,整合分析“中心法则”,并认同各种生物的遗传信息的传递与表达均遵循该法则 生命观念、
科学思维
1.基因通常是DNA分子的功能片段
(1)基因的本质
基因是具有 的DNA片段(包括部分病毒的RNA片段),是遗传物质结构和功能的基本单位,是DNA(部分生物是RNA)分子上含特定遗传信息的
的总称。
(2)DNA分子的功能
①DNA以自身为模板,半保留地进行复制,保持 的稳定性。
②DNA根据它所存储的遗传信息决定 的结构。
内容梳理
遗传效应
核苷酸序列
遗传信息
蛋白质
2.DNA分子上的遗传信息通过转录传递给RNA
(1)RNA与DNA的区别、RNA的结构与分类
DNA
RNA
双
单
T
U
U
T
核糖核苷酸
核孔
翻译
蛋白质
识别并转运氨基酸
核糖体
(2)转录的过程
①概念:以DNA的一条链为模板,依据碱基互补配对原则,合成RNA的过程。通过转录,遗传信息由 传递给 。
②具体过程
RNA
DNA
RNA聚合酶
游离的核糖核苷酸
RNA
(3)在真核生物中,细胞核内转录而来的RNA产物经过 才能成为成熟的
,然后转移到细胞质中,用于蛋白质合成。
3.遗传信息通过翻译指导蛋白质的合成
(1)合成场所: 。
加工
mRNA
核糖体
mRNA
转运RNA
(3)遵循原则: 原则。
碱基互补配对
(4)产物: ( 蛋白质)。
(5)翻译特点:在一个mRNA上有 个核糖体同时进行翻译,大大提高了翻译的 。
(6)遗传密码
①含义:在 上每3个相邻的核苷酸排列成的 ,决定一种 ,也称为密码子。
②种类:共有 种。决定氨基酸的密码子有 种;终止密码子有 种,不决定氨基酸;起始密码子有 种,决定氨基酸。
③特点:除少数密码子外,生物界的遗传密码是 的,所有的生物都使用相同的遗传密码。
多肽链
若干
效率
mRNA
三联体
氨基酸
64
61
3
2
统一
(7)反密码子
①定义:在 的一端有三个核苷酸序列,能与mRNA密码子的核苷酸互补配对,以此来识别密码子,称反密码子。
②种类:含有 种反密码子。
(8)基因的表达
①基因表达的概念:基因形成 以及 的过程。
②过程:以DNA自身为模板,在 中合成RNA;然后,RNA转移到 中,在细胞质中控制 的合成。
4.基因控制生物性状(基因—蛋白质—性状)
(1)基因通过控制 的合成来控制生物体内的生物化学反应,从而控制生物的性状。
tRNA
61
RNA产物
mRNA被翻译为蛋白质
细胞核
细胞质
蛋白质
酶
(2)由基因控制合成的 还可以决定生物体特定的组织或器官的结构,进而影响其功能。
(3)细胞内有多种功能性RNA分子参与性状表现,这些功能性RNA基因的表达产物就是具有特定功能的RNA分子,如 、rRNA、 等。
5.遗传信息流从DNA→RNA→蛋白质
(1)中心法则
①提出者: 。
②内容:遗传信息通过复制从 传递到DNA,由DNA通过 传递到RNA,然后由RNA通过翻译合成蛋白质,决定蛋白质的特异性。
蛋白质
tRNA
核酶
克里克
DNA
转录
③内容图解(用简式表示):
.
(2)基因
①作用:遗传的一个 ,它在适当的环境条件下控制生物的性状。
②与染色体的关系:以一定的次序排列在 上。
③本质:一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的 ——在大多数生物中是一段 ,而在RNA病毒中则是一段 。
基本功能单位
染色体
核酸分子片段
DNA
RNA
[概念情境]
概念突破
概念一 基因通常是DNA分子的功能片段
如图所示的分子结构式为某种核糖核苷酸,已知分子结构式的左上角基团为碱基——腺嘌呤。
请思考并回答以下问题。
(1)图中核苷酸的生物学名称是什么 参与什么物质的构成
提示:图示核苷酸为腺嘌呤核糖核苷酸,是构成核糖核酸(RNA)的原料。
(2)若将图中的一种化合物进行替换就成为另一种核酸的基本单位,如何
替换
提示:将核糖换成脱氧核糖。
(3)已知菠菜的干叶病是由干叶病毒引起的,但不清楚干叶病毒的核酸种类,试设计实验进行探究,某同学进行了如下操作:
①选取两株生长状况相似的菠菜植株,编号为a、b。
②用苯酚的水溶液处理干叶病毒,设法将其蛋白质和核酸分离,并将获得的核酸均分为两份。
③在适当条件下,用DNA水解酶处理其中的一份核酸,另一份核酸不处理。
④一段时间后,用处理过的核酸稀释液喷洒植株a,用未处理的核酸稀释液喷洒植株b。
⑤再过一段时间后,观察两株菠菜的生长情况。
你能否进行结果的预测,以确定干叶病毒的核酸类型
提示:若植株a、b都出现干叶,则病毒的核酸是RNA;若仅植株b出现干叶,则病毒的核酸是DNA。
突破点1
DNA与RNA的区别
[典例1] 下列关于DNA和RNA的叙述,不正确的是( )
A.有些RNA有氢键
B.一种病毒含有DNA或RNA
C.真核细胞的遗传物质主要是DNA
D.叶绿体、线粒体和核糖体都含有RNA
C
解析:有些RNA存在一些双链区域,因此存在氢键,如tRNA;一种病毒只含有DNA或RNA一种核酸;真核细胞的遗传物质是DNA;叶绿体、线粒体和核糖体中都含有RNA。
[拓展延伸]DNA与RNA的两点补充
(1)DNA与RNA均可能存在氢键,未被折叠的单链不具有氢键。
(2)DNA与RNA均可作为生物的遗传物质,细胞生物的遗传物质为DNA,病毒的遗传物质为DNA或RNA。
突破点2
DNA的功能
[典例2] 下列关于DNA的叙述,错误的是( )
A.能控制蛋白质的合成,表达遗传信息
B.能自我复制,传递遗传信息
C.具有独特的双螺旋结构,分子结构相对稳定
D.基因都是DNA上具有遗传效应的片段
D
解析:DNA分子通过转录和翻译过程控制蛋白质的合成,表达遗传信息;
DNA分子能通过自我复制传递遗传信息;DNA分子具有独特的双螺旋结构,使DNA分子具有一定的稳定性;细胞生物的遗传物质为DNA,基因通常是具有遗传效应的DNA片段,但是在某些病毒中,基因可能为具有遗传效应的RNA片段。
[概念误区] 不能单纯认为基因就是DNA上具有遗传效应的核酸片段。要注意区分细胞生物(真核生物、原核生物)与非细胞生物(病毒),在细胞生物
中,基因是DNA分子上具有遗传效应的核苷酸序列,但是某些病毒中,基因是RNA分子上具有遗传效应的核苷酸序列。
[概念情境]
概念二 DNA分子上的遗传信息通过转录传递给RNA
人体中的促红细胞生成素(EPO)是由肾皮质、肾小管周围间质细胞和肝脏分泌的一种激素样物质,能够促进红细胞生成。服用促红细胞生成素可以使患肾病贫血的病人增加血流比溶度(即增加血液中红细胞百分比)。EPO兴奋剂正是根据促红细胞生成素的原理人工合成,它能使肌肉更有劲、工作时间更长。当机体缺氧时,低氧诱导因子(HIF)与促红细胞生成素(EPO)基因的低氧应答元件(非编码蛋白质序列)结合,使EPO基因表达加快,促进EPO的合成,过程如图所示,回答下列问题。
(1)HIF基因的本质是什么 在进行转录时几条链作为模板
提示:HIF基因的本质是一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段,转录时只能是其中一条链作为模板,即模板链。
(2)进行图示的过程①,通常需要什么条件
提示:需要HIF基因模板、RNA聚合酶、四种核糖核苷酸、能量等。
(3)HIF基因能否转录产生rRNA或tRNA 试说明理由。
提示:不能。HIF基因为蛋白质编码基因,其转录产生mRNA,进而用于蛋白质合成时的模板,而tRNA、rRNA则由非编码蛋白质的基因转录产生。
(4)癌细胞迅速增殖往往会造成肿瘤附近局部供氧不足,但可通过提高HIF蛋白的表达,刺激机体产生红细胞,为肿瘤提供更多氧气和养分。根据上述机
制,请简述一种治疗癌症的措施。
提示:可以通过抑制HIF蛋白基因的表达来达到治疗癌症目的。
突破点1
转录的过程及条件
[典例1] 如图是真核生物细胞核内转录过程的示意图。下列叙述正确的是
( )
A.图中游离的核糖核苷酸通过氢键聚合成RNA长链
B.图中的③是RNA聚合酶,它能与RNA分子的启动部位结合
C.转录过程不是沿着整条DNA长链进行的
D.图中④合成后直接与核糖体结合并控制蛋白质合成
C
解析:题图中游离的核糖核苷酸通过磷酸二酯键聚合成RNA长链;图中的③是RNA聚合酶,它能与DNA分子的启动部位结合;基因在真核生物中大多是一段DNA,所以转录过程不是沿着整条DNA长链进行的;在真核生物的细胞核内,图中④合成后需要经过加工形成成熟的mRNA,进入细胞质后才能与核糖体结合并控制蛋白质合成。
[概念误区] 有关转录分析的四个易错点
(1)转录和翻译过程中的碱基配对没有A—T,而是A—U。
(2)转录产生的是RNA(tRNA、rRNA或mRNA),并不一定是mRNA,因此转录产物不一定能作为翻译的模板。
(3)真核生物转录产生的mRNA需要在细胞核中进行加工,因此成熟的mRNA翻译产生肽链的长度与基因之间并不存在等同的对应关系。
(4)密码子位于mRNA上,RNA聚合酶结合位点位于DNA的启动部位。转录时,在RNA聚合酶的作用下,仅是解开包括一个或几个基因的DNA片段的双螺旋。
突破点2
真核生物与原核生物转录过程比较
[典例2] 如图为原核细胞内的生理过程示意图。下列叙述与该图不相符的是( )
A.图中转录合成的RNA分子不需要经过加工
B.DNA与RNA的杂交区有A与U的碱基互补配对
C.转录的原料是A、U、C、G四种游离的碱基
D.翻译的原料是游离的氨基酸
C
解析:原核生物能边转录边翻译,说明转录合成的RNA分子不需要经过加工;
RNA中的碱基有A、G、C、U,DNA与RNA的杂交区有A与U的碱基互补配对;转录的原料是含A、U、C、G四种碱基的游离的核糖核苷酸;翻译的原料是游离的氨基酸,直接产物是多肽。
[知识储备] 原核生物由于不存在核膜,其拟核区与细胞质中的核糖体接
触,因此可以边转录边翻译,真核生物不具备上述特征。
[概念情境]
概念三 遗传信息通过翻译指导蛋白质的合成
铁蛋白是细胞内储存多余Fe3+的蛋白,铁蛋白合成的调节与游离的Fe3+、铁调节蛋白、铁应答元件等有关。铁应答元件是位于铁蛋白mRNA起始密码子上游的特异性序列,能与铁调节蛋白发生特异性结合,阻遏铁蛋白的合成。当Fe3+浓度高时,铁调节蛋白由于结合Fe3+而丧失与铁应答元件的结合能力,核糖体能与铁蛋白mRNA一端结合,沿mRNA移动,遇到起始密码子后开始翻译。
请思考并回答以下问题。
(1)图中甘氨酸的密码子是什么 请书写出铁蛋白基因中决定“ ”的模板链碱基序列。
提示:据图可知,携带甘氨酸的tRNA是最左边已经离开核糖体的那个,上面的反密码子(CCA)是甘氨酸的反密码子,根据碱基互补配对原则,甘氨酸的密码子是GGU。铁蛋白基因中决定“ ”的mRNA链碱基序列为…GGUGACUGG…,根据碱基互补配对原则,其模板链碱基序列为…CCACTGACC…。
(2)低浓度Fe3+与高浓度Fe3+如何调节铁蛋白的合成
提示:Fe3+浓度低时,铁调节蛋白与铁应答元件结合,核糖体不能与铁蛋白mRNA一端结合,不能沿mRNA移动,从而抑制了翻译过程;Fe3+浓度高时,铁调节蛋白由于结合Fe3+而丧失与铁应答元件的结合能力,铁蛋白mRNA 能够翻译。
(3)当铁蛋白基因表达时,少数铁蛋白mRNA分子就可以迅速合成大量铁蛋白的原理是什么
提示:由于一个mRNA分子上可相继结合多个核糖体,同时翻译多条肽链,所以当铁蛋白基因表达时,少数铁蛋白mRNA分子就可以迅速合成大量铁蛋白。
突破点1
密码子与反密码子比较
[典例1] 真核生物中,基因、遗传信息、密码子和反密码子分别是指( )
①信使RNA上核苷酸的排列顺序 ②基因中脱氧核苷酸的排列顺序 ③DNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基 ④转运RNA上能与mRNA密码子的核苷酸互补配对的3个核苷酸序列 ⑤信使RNA上每3个相邻的核苷酸排列成的三联体决定一种氨基酸 ⑥一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段
A.⑤①④③ B.⑥②⑤④
C.⑥⑤①② D.②⑥③④
B
解析:基因是一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段,即⑥;遗传信息是指DNA中脱氧核苷酸的排列顺序,因此遗传信息位于DNA分子中,即②;密码子是指mRNA上每3个相邻的核苷酸排列成的三联体决定一种氨基酸,即⑤;反密码子是转运RNA上能与mRNA上的密码子互补配对的3个碱基序列,即④。
[拓展延伸] 遗传信息、密码子和反密码子的比较(以细胞生物为例)
(1)三者的区别
比较
项目 遗传信息 密码子 反密码子
概念 DNA上碱基对或脱氧核苷酸的排列顺序 mRNA上决定一种氨基酸或提供转录终止信号的3个相邻的核苷酸排列成的三联体 tRNA上可以与mRNA上的密码子互补配对的3个核苷酸序列
种类 4n种(n为碱基对的数目) 64种,其中决定氨基酸的密码子有61种 61种
作用 间接决定蛋白质中氨基酸的排列顺序 直接控制蛋白质中氨基酸的排列顺序 识别并搬运由mRNA决定的特定氨基酸
图示
相关
特性 具有多样性和特异性 一种密码子只能决定一种氨基酸,而一种氨基酸可能对应一种或几种密码子 一种tRNA只能识别和转运一种氨基酸,而一种氨基酸可以由一种或几种tRNA转运
(2)联系
①转录时,以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则,产生一条单链RNA,遗传信息即从DNA传递到RNA上。
②相关计算:转录产生的RNA分子中碱基数目是DNA分子中碱基数目的一半,且模板链中A+T(或C+G)与mRNA 分子中U+A(或G+C)相等。
③翻译过程中,tRNA上的反密码子识别mRNA中的密码子,一端的序列结合1个特定的氨基酸,从而使mRNA的密码子直接控制蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。
突破点2
翻译的过程
[典例2] 如图是蛋白质合成示意图,下列叙述错误的是( )
A.图中含有四种核苷酸,四种碱基
B.电子显微镜下核糖体呈微小颗粒,由大、小两个亚基组成
C.图中的核糖体应该沿着mRNA向右移动
D.多个核糖体同时完成一条多肽链的合成,大大提高了翻译效率
D
解析:题图中只含RNA一种核酸,因此含有四种核糖核苷酸和四种碱基(A、C、G、U);电子显微镜下核糖体呈微小颗粒,由大、小两个亚基组成;根据图中tRNA的移动方向可知,核糖体应该沿着mRNA向右移动;多个核糖体同时完成多条相同多肽链的合成,大大提高了翻译效率。
[拓展延伸] 翻译过程的三种模型图解读
(1)图甲翻译模型分析
a.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为tRNA、核糖体、mRNA、多肽链。
b.一个核糖体与mRNA的结合部位形成2个tRNA结合位点。
c.翻译起点:起始密码子决定的是甲硫氨酸。
d.翻译终点:识别到终止密码子(不决定氨基酸),翻译停止。
e.翻译进程:核糖体沿着mRNA移动,mRNA不移动。
(2)图乙表示真核细胞的翻译过程,其中①是mRNA,⑥是核糖体,②③④⑤表示正在合成的4条多肽链,具体内容分析如下:
a.数量关系:一个mRNA可同时结合多个核糖体,形成多聚核糖体。
b.意义:少量的mRNA分子可以迅速合成出大量的蛋白质。
c.方向:从右向左,判断依据是多肽链的长短,长的翻译在前。
d.结果:合成的仅是多肽链,要形成蛋白质往往还需要运送至内质网、高尔基体等结构中进一步加工。
e.形成的多条肽链氨基酸序列相同的原因:有相同的模板mRNA。
(3)图丙表示原核细胞的转录和翻译过程,图中①是DNA模板链,②③④⑤表示正在合成的4条mRNA, 并结合核糖体同时进行翻译过程。
[概念情境]
概念四 基因控制生物性状(基因—蛋白质—性状)
油菜的中间代谢产物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)运输到种子后有两条转变途
径,如图所示。科研人员根据这一机制培育出的高油油菜,产油率由原来的35%提高到58%。
请思考并回答以下问题。
(1)基因A与基因B的区别是什么 酶a与酶b的区别是什么
提示:基因A与基因B的区别在于碱基对的排列顺序不同;酶a与酶b为蛋白质,蛋白质的区别是氨基酸的种类、数目、排列顺序以及酶a和酶b的空间结构不同。
(2)基因B的模板链转录时,需要什么条件 物质C与基因B相比,特有的碱基对是什么
提示:转录的条件是①模板DNA;②原料:四种核糖核苷酸;③RNA聚合酶催化;④需要能量。
物质 C是双链RNA,含有的碱基是A、U、C、G,基因 B是DNA,含有的碱基是A、T、C、G,因此物质 C特有的碱基对是A—U 或 U—A。
(3)基因控制生物性状的方式主要有几种 图中信息显示基因控制生物性状是哪种途径
提示:基因控制生物性状的方式主要有两种:①基因通过控制酶的合成来控制生物体内的生物化学反应,从而控制生物的性状;②基因通过控制合成的蛋白质还可以决定生物体特定的组织或器官的结构,进而影响其功能。图示中基因A、基因B分别通过控制酶a、酶b的合成来控制生物的性状,因此图中信息显示,基因控制生物性状的途径是基因通过控制酶的合成来控制生物体内的生物化学反应,从而控制生物的性状。
(4)据图示信息,分析科研人员使油菜产油率由原来的35%提高到58%所依据的原理。
提示:诱导非模板链转录出单链 RNA,使其与自然转录的 mRNA 形成物质 C(双链 RNA),从而抑制酶 b 的合成,导致 PEP 转化为蛋白质的过程受阻,使得 PEP 能更多地转化为油脂。
突破点
基因对生物性状的控制
[典例] 科学家从基因控制蛋白质合成的角度阐释豌豆种子圆粒性状的产生机制如图所示。 据图分析不正确的是( )
A.a过程形成的三种主要产物最终均可以出现在核糖体中
B.完成b过程的条件包括mRNA、核糖核苷酸、核糖体、能量
C.皱粒豌豆细胞内淀粉含量低,蔗糖含量高,味道更甜美
D.图示说明基因可通过控制酶的合成间接控制生物体的性状
B
解析:题图中a表示转录过程,该过程的三种主要产物是mRNA、rRNA、tRNA,最终都可以出现在核糖体中;图中b表示翻译过程,完成b过程的条件包括mRNA、tRNA、氨基酸、核糖体、能量等;皱粒豌豆细胞内淀粉分支酶不能合成,导致豌豆种子中淀粉的合成受阻,淀粉含量低,所以蔗糖含量高,味道更甜美;图示说明基因能够通过控制酶的合成来控制生物体内的生物化学反应,从而间接控制生物的性状。
[知识储备] 基因与生物性状不存在直接的联系,需要借助RNA实现对性状的控制与指导。某些基因表达的是功能性RNA,如tRNA、rRNA等,产生之后直接参与蛋白质的合成或调控基因表达等;某些基因转录产生的是mRNA,则通过翻译产生蛋白质直接控制生物性状,或通过酶催化细胞内的生物化学反应,间接控制生物性状。
[概念情境]
概念五 遗传信息流从DNA→RNA→蛋白质
在遗传学上,把遗传信息的传递称为信息流,信息流方向可以用图中的中心法则表示,图中的①②③④表示信息流动的生理过程。
请思考并回答以下问题。
(1)图示中能表示“基因对性状的控制”的信息流动过程是哪些
提示:基因通过控制蛋白质的合成来控制性状,而基因控制蛋白质的合成包括②转录和④翻译两个过程。
(2)科学家在研究劳氏肉瘤病毒时,发现信息流可以按③过程流动,完成该过程需要何种酶
提示:逆转录酶。
(3)若一个具有遗传效应的DNA片段,其携带的遗传信息传递给mRNA,该mRNA含有1 000个碱基,其中鸟嘌呤和胞嘧啶占全部碱基数的60%,则该遗传效应片段连续复制两次,共需要游离的腺嘌呤多少个
提示:若一个具有遗传效应的DNA片段,其携带的遗传信息传递给mRNA,该mRNA含有1 000个碱基,其中鸟嘌呤和胞嘧啶占全部碱基数的60%,则该遗传效应片段中鸟嘌呤和胞嘧啶也占60%,即C+G=2 000×60%=1 200(个),则C=
G=600个,A=T=400个。根据DNA半保留复制特点,该DNA片段连续复制两次,共需要游离的腺嘌呤数目为(22-1)×400=1 200(个)。
突破点1
中心法则
[典例1] (2020·浙江1月选考)遗传信息传递方向可用中心法则表示。下列叙述正确的是( )
A.劳氏肉瘤病毒的RNA可通过逆转录合成单链DNA
B.烟草花叶病毒的RNA可通过复制将遗传密码传递给子代
C.果蝇体细胞中核DNA分子通过转录将遗传信息传递给子代
D.洋葱根尖细胞中DNA聚合酶主要在G2期通过转录和翻译合成
A
解析:劳氏肉瘤病毒是一种逆转录类RNA病毒,其遗传物质RNA能够逆转录合成单链DNA;烟草花叶病毒的RNA可通过复制将遗传信息传递给子代;果蝇的DNA通过转录将遗传信息表达,通过复制将遗传信息传递;DNA聚合酶需要在S期之前的G1期合成。
[拓展延伸] 不同生物遗传信息传递的比较
生物种类 遗传信息的传递过程
DNA
病毒
RNA
病毒
逆转录
病毒
细胞
生物
突破点2
转录、翻译与DNA复制的比较
[典例2] 如图是遗传信息的传递和表达过程的示意图,根据图示分析以下选项正确的是( )
A.甲表示DNA复制过程,以完整的两条母链为模板,多起点同步复制
B.甲过程中,在DNA聚合酶的作用下,两条链的配对碱基之间的氢键断开,形成两条母链
C.乙过程中,在RNA聚合酶作用下,以DNA分子上特定片段的任意一条链为模板进行转录
D.丙过程中,在一个mRNA分子上可有若干个核糖体同时开始进行工作
A
解析:据图分析,甲表示DNA复制,以两条母链为模板,多起点同步复制,缩短了复制所需要的时间;在解旋酶作用下,两条链配对的碱基之间的氢键断开;乙过程表示转录,在RNA聚合酶作用下,以DNA分子上特定一条链(模板链)的特定片段为模板进行转录;丙是翻译过程,在一个mRNA分子上可有若干个核糖体同时进行工作,但不是同时开始。
[拓展延伸] DNA复制、转录和翻译的异同
项目 DNA复制 转录 翻译
作用 传递遗
传信息 表达遗传信息
时间 细胞分裂
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 细胞质中
的核糖体
模板 DNA的
两条单链 DNA分子片段(基因)的
一条单链 mRNA
原料 4种脱氧
核苷酸 4种核糖
核苷酸 20种氨基酸
能量 都需要
酶 DNA聚
合酶等 RNA聚合酶 多种蛋白酶
产物 2个双
链DNA 一个单链
RNA 多肽链
(或蛋白质)
产物
去向 传递到2个子细胞中或子代 通过核孔进入细胞质 组成细胞结构蛋白或功能蛋白
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 翻译结束后,mRNA 被降解成单体
碱基
配对 A—T,T—A,
C—G,G—C A—U,T—A,
C—G,G—C A—U,U—A,
C—G,G—C
素养提升
新冠肺炎疫情发生后,科研人员通过对多个患者体内分离出的新型冠状病毒的基因组序列研究,分析新型冠状病毒的进化来源、致病病理。初步研究表明,新型冠状病毒是蛋白包裹的单链正链RNA病毒,通过S蛋白与人的血管紧张素转换酶2(ACE2)互作的分子机制,来感染人的呼吸道上皮细胞,具体过程如图。
请据图分析并回答问题。
(1)新型冠状病毒在结构组成上与噬菌体的主要区别是 。
(2)图中,RDRP的作用是参与过程③④,推测它最可能是 酶;若病毒+RNA分子用32P标记,其中含有碱基A 400个,碱基U 600个,宿主细胞含31P,则产生四个含31P的子代病毒,至少需消耗宿主细胞 个游离的尿嘧啶核糖核苷酸。
解析:(1)新型冠状病毒在结构组成上与噬菌体的主要区别是其核酸是RNA。
(2)图中,RDRP的作用是参与过程③④,推测它最可能是RNA聚合酶;若病毒+RNA分子用32P标记,已知其中含有碱基A 400个,碱基U 600个,以病毒+RNA为模板合成一条子代+RNA的过程,需要先合成一条-RNA,然后再以-RNA为模板合成+RNA,4个含有31P的子代病毒需要合成4个+RNA,每个含有600个游离的尿嘧啶核糖核苷酸,共需要2 400个游离的尿嘧啶核糖核苷酸,还需一个-RNA,其中含有400个游离的尿嘧啶核糖核苷酸,共需要2 800个游离的尿嘧啶核糖核苷酸。
核酸是RNA
RNA聚合
2 800
(3)抑制逆转录酶的药物 (填“能”或“不能”)治疗该病,由此提出一种类似的治疗思路: 。
(4)图中+RNA有三方面的功能,分别是 、 、
。
解析:(3)新型冠状病毒不是逆转录病毒,抑制逆转录酶的药物不能治疗该病,可以通过抑制RDRP的功能来控制该病。
(4)由图可知,+RNA的作用是翻译的模板、复制的模板、病毒的重要组成成分。
不能
抑制RDRP的功能
翻译的模板
复制的模板
病毒的重要组成成分
随堂检测
1.下列关于人胃蛋白酶基因在细胞中表达的叙述,正确的是( )
A.转录时基因的两条链可同时作为模板
B.转录时会形成DNA-RNA杂合双链区
C.RNA聚合酶结合起始密码子启动翻译过程
D.翻译产生的新生多肽链具有胃蛋白酶的生物学活性
解析:转录是以DNA(基因)的一条链为模板的;转录是以DNA的一条链为模板合成RNA分子的过程,会形成DNA-RNA杂合双链区;RNA聚合酶结合启动子启动转录过程;翻译产生的新生多肽链还需要经过加工才能成为具有生物学活性的胃蛋白酶。
B
2.如图表示红色面包霉的精氨酸合成过程。据图分析,下列叙述正确的是
( )
A.基因甲被破坏,培养此菌时加入鸟氨酸,面包霉能存活
B.基因乙被破坏,培养此菌时加入鸟氨酸,面包霉能存活
C.基因丙被破坏,培养此菌时加入精氨酸,面包霉不能存活
D.此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
A
解析:基因甲被破坏后不能合成鸟氨酸,但向培养基中加入鸟氨酸后面包霉能合成精氨酸,因此仍能存活;基因乙被破坏,面包霉不能合成酶乙,不能将鸟氨酸转化为瓜氨酸,最终导致面包霉不能合成精氨酸,因此不能存活;基因丙被破坏,面包霉不能合成酶丙,不能将瓜氨酸转化为精氨酸,但培养此菌时加入精氨酸,面包霉能存活;此例说明基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状。
3.如图为长度共8千碱基对(kb)的某基因结构示意图,人为划分为a～g共7个区间(未按比例画出),转录后加工产生成熟mRNA的过程中,d区间所对应的区域被切除。下列分析错误的是( )
A.该基因形成的成熟mRNA含有1个游离的磷酸基团
B.RNA聚合酶与图中起始密码子对应位点结合,启动转录过程
C.转录后加工产生成熟mRNA的过程中涉及磷酸二酯键的断裂和生成
D.能编码蛋白质的mRNA长度为900个碱基,可编码299个氨基酸
B
解析:成熟的mRNA链有1个游离的磷酸基团;转录起点对应的位点是RNA聚合酶结合的位点;转录后加工产生成熟mRNA的过程中,d区间所对应的区域被切除,此过程涉及磷酸二酯键断裂,断裂后的片段需要重新连接,涉及磷酸二酯键的生成;转录形成的mRNA的长度为7.5-1.2=6.3(kb),但形成成熟的mRNA时,d区间所对应的区域会被加工切除,因此成熟的mRNA的长度为6.3-(5.2-2.0)=3.1(kb),但能编码蛋白质的mRNA的长度为c+e=2.0-1.7+(5.8-5.2)=0.9(kb),即900个碱基,由于一个密码子由相邻3个碱基构成,且终止密码子不编码氨基酸,因此可编码900÷3-1=299(个)氨基酸。
4.如图为中心法则示意图,下列相关叙述错误的是( )
A.①～⑤过程均涉及碱基互补配对原则
B.劳氏肉瘤病毒能进行④过程
C.线粒体中能进行②③过程,不能进行①过程
D.中心法则也适用于原核生物和病毒
解析:中心法则的各过程均涉及碱基互补配对原则;劳氏肉瘤病毒是RNA病毒,能以RNA为模板合成单链DNA;线粒体中含有少量的DNA,能进行②③过程,也能进行①过程;中心法则适用于生物界的所有生物。
C
5.诺贝尔化学奖曾授予在G蛋白偶联受体领域作出杰出贡献的科学家,G蛋白偶联受体调控着细胞对激素、神经递质的大部分应答。请回答下列问题。
(1)图1过程①需要 作为原料,催化该过程的酶是 。
解析:(1)功能蛋白A的合成在基因调控下进行,分转录和翻译两个过程,过程①代表转录,需要提供核糖核苷酸作为原料,在RNA聚合酶的催化作用下,合成mRNA。
核糖核苷酸
RNA聚合酶
5.诺贝尔化学奖曾授予在G蛋白偶联受体领域作出杰出贡献的科学家,G蛋白偶联受体调控着细胞对激素、神经递质的大部分应答。请回答下列问题。
(2)DNA分子经过诱变,某位点上一个正常碱基(设为P)变成了尿嘧啶。该DNA连续复制两次,得到4个子代DNA分子,相应位点上的碱基对分别为U—A、A—T、G—C、C—G,推测“P”可能是 或 。
解析:(2)DNA上一个正常碱基(设为P)变成了尿嘧啶后,连续复制两次,得到的4个DNA相应位点上的碱基对分别为U—A、A—T、G—C、C—G,可以推测G—C、C—G是未突变复制的结果,故“P”可能是胞嘧啶或鸟嘌呤。
胞嘧啶
鸟嘌呤
5.诺贝尔化学奖曾授予在G蛋白偶联受体领域作出杰出贡献的科学家,G蛋白偶联受体调控着细胞对激素、神经递质的大部分应答。请回答下列问题。
(3)图2为原核细胞中转录、翻译的示意图。据图判断,转录的方向为 . (填“从左往右”或“从右往左”),下列描述中正确的是 (多选)。
A.图中表示4条多肽链正在合成
B.转录尚未结束,翻译就已开始
C.多个核糖体共同完成一条多肽链的合成
D.一个基因在短时间内可表达出多条多肽链
解析:(3)据图判断,转录的方向为从右往左。图中四条mRNA链,一个mRNA上结合多个核糖体,每个核糖体合成一条肽链,在短时间内可表达出多条多肽链,从图中可以看出,转录尚未结束,翻译就已开始,即边转录边翻译。
从右往左
BD(共29张PPT)
第五节 生物体存在表观遗传现象
素养导学
内容梳理
概念突破
随堂检测
素养导学
教学内容 教学要求 素养归属
1.基因序列不变,表型可能改变 通过资料阅读,运用归纳与概括,总结表观遗传的概念及特点,并与传统遗传学进行比较 科学思维
2.改变了的表型有些可以遗传 (1)运用提炼与分析,概括表观遗传发生的机理 科学思维
(2)认同表观遗传对生物进化的意义,形成严谨的进化观,并能对与表观遗传相关的社会现象进行解释和分析 生命观念、
社会责任
1.基因序列不变,表型可能改变
(1)表观遗传现象的概念
指亲代传递给后代的 没有改变,亲代在生活中由于 或
的改变而引起的身体状况变化,也会通过某种途径遗传给下一代。
(2)表观遗传与传统遗传学的比较
内容梳理
DNA序列
项目 表观遗传 遗传学
基因
序列 不改变 ,基于非基因序列改变所致基因表达水平变化 基于 改变所致基因表达水平的变化
遗传性 . 可以遗传
生活环境
生活习惯
DNA序列
基因序列
可以遗传
2.改变了的表型有些可以遗传
(1)组蛋白的乙酰化
乙酰基把 上的正电荷屏蔽起来,组蛋白的正电荷减少,与带负电的 .分子片段(某基因) 缠绕的力量减弱,随之松开,里面的信息就可以被读取,即进行 。
(2)DNA的甲基化
基因启动子中的 加上甲基基团(—CH3),会使染色质 ,凝缩成团,这个基因就无法被识别,失去 活性,因而不能完成 。
(3)表观遗传机制的意义
打破 的限制,使后代能迅速获得亲代应对 因素做出的反应而发生的变化,这对生物种群的生存和繁衍也许是有利的。
氨基
DNA
转录
胞嘧啶
高度螺旋化
转录
转录
DNA变化缓慢
环境
[概念情境]
概念突破
概念一 基因序列不变,表型可能改变
阅读下面科普短文并回答问题。
基因与环境的“共舞”
生物体的细胞中有一本生命之书——基因组。人的生命源于一个受精卵,初始的全能或多能细胞中的DNA,在转录因子的协同作用下被激活或抑制,让细胞走向不同的“命运”,最终在细胞中表达“一套特定组合”的基因。
生命处于不断变化的环境中,亿万年的进化让生命之书中蕴藏了应对环境变化的强大潜力。细胞中基因的表达始于染色质的解螺旋,各种转录因子结合到DNA上,启动表达。研究发现,这些过程中都存在着调控,这种调控不改变DNA序列,但会对基因进行修饰,从而引起基因表达的变化及表型改变,并且有的改变是可遗传的,即表观遗传。例如DNA上结合一个甲基基团(甲基化),能引起染色质结构、DNA构象的改变,从而改变基因表达。表观遗传提供了基因何时、何处、合成何种RNA及蛋白的指令,从而更精确地控制着基因表达。
表观遗传是个体适应外界环境的机制,在环境变化时,生物可以通过重编程消除原有的表观遗传标记,产生适应新环境的表观遗传标记,这样既适应了环境变化,也避免了DNA反复突变造成的染色体不稳定与遗传信息紊乱。
表观遗传与人的发育和疾病密不可分。胚胎发育早期,建立与子宫内环境相适应的表观遗传修饰是胚胎发育过程的核心任务。母体的饮食、供氧、感染、吸烟等与后代的高血压、Ⅱ型糖尿病等疾病密切相关。表观遗传改变增加了患有特定疾病的风险,但人体可在相当程度上忍受这些改变而不发病,经历十几年或几十年的持续压力,表观修饰的弹性被耗尽,细胞或组织再也无法正常行使功能,从而产生疾病。
生命本质上是物质、能量和信息的统一体,基因与环境的“共舞”,才会奏响生命与环境相适应、协同进化的美妙“乐章”。
(1)基因选择性表达和表观遗传共同作用,使全能或多能细胞走向不同“命运”的过程是什么
提示:细胞分化。
(2)DNA分子中发生碱基对的替换、插入或缺失,引起的基因碱基序列的改变叫基因突变。表观遗传是否属于基因突变 依据是什么
提示:不属于。碱基序列没有改变。
(3)表观遗传在生物适应外界环境变化中的作用是什么
提示:适应环境变化,也避免DNA反复突变造成的染色体不稳定与遗传信息紊乱。
(4)人们用“病来如山倒”形容疾病的发生比较突然。请结合文中内容,用30字内的一句话,反驳这种观点。
提示:疾病是环境因素持续作用下,表观修饰弹性被耗尽的结果。
突破点
表观遗传概念理解
[典例] 表观遗传学是指细胞内基因序列没有改变,但 DNA 发生甲基化、组蛋白修饰等,使基因的表达发生可遗传变化的现象。对此现象的叙述错误的是( )
A.若基因的启动部位被修饰,则可能遏制了RNA 聚合酶的识别
B.男性吸烟者的精子活力下降,精子中DNA的甲基化水平明显升高
C.正常的细胞分化可以体现出细胞层次上的表观遗传
D.同卵双胞胎之间的差异皆是由表观遗传引起的
D
解析:基因的启动部位是RNA聚合酶识别和结合的位点,因此若基因的启动部位被修饰,则可能遏制了RNA聚合酶的识别;男性吸烟者的精子活力下降,精子中DNA的甲基化水平明显升高;细胞分化可使细胞的形态、结构和生理功能发生稳定性差异,可见正常的细胞分化可以体现出细胞层次上的表观遗传;同卵双胞胎之间的差异主要是环境因素引起的。
[概念误区] 表观遗传学是指基于非基因序列改变所致基因表达水平的变
化,即环境变化引起的性状改变,影响基因表达,但不改变DNA序列。
[概念情境]
概念二 改变了的表型有些可以遗传
表观遗传是指DNA序列不改变,而基因的表达发生可遗传的改变,DNA甲基化是表观遗传中最常见的现象之一。某些基因在启动子上存在富含双核苷酸“CG”的区域,称为“CG岛”。其中的胞嘧啶在发生甲基化后转变成5-甲基胞嘧啶,但仍能与鸟嘌呤互补配对。细胞中存在两种DNA甲基化酶(如图1所示),从头甲基化酶只作用于非甲基化的DNA,使其半甲基化;维持甲基化酶只作用于DNA的半甲基化位点,使其全甲基化(图2)。
请思考并回答以下问题。
(1)DNA甲基化是否会改变基因转录产物的碱基序列 试说明原因。
提示:不会。DNA甲基化是表观遗传中最常见的现象之一,而表观遗传是DNA序列不改变,而基因的表达发生可遗传的改变,所以DNA甲基化不会改变基因转录产物的碱基序列。
(2)试从图2中过程①②变化,分析细胞是如何维持亲子代基因甲基化稳定的。
提示:图2中过程①的模板链都含甲基,而复制后都只含一个甲基,说明过程①的方式是半保留复制,所以其产物都是半甲基化的,因此过程②必须经过维持甲基化酶的催化才能获得与亲代分子相同的甲基化状态。
(3)启动子中“CG岛”的甲基化对基因的表达有何影响
提示:由于RNA聚合酶与启动子结合,催化基因进行转录,而启动子中“CG岛”的甲基化会影响相关蛋白质(RNA聚合酶)与启动子的结合,不能合成mRNA,从而抑制基因的表达。
突破点
表观遗传机制分析
[典例] DNA甲基化是在DNA甲基化转移酶的作用下将甲基选择性地添加到胞嘧啶上形成5-甲基胞嘧啶的过程,胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶在DNA分子中都可以与鸟嘌呤配对。大量研究表明,DNA甲基化能够在不改变DNA序列的前提
下,影响基因的表达,从而改变遗传表现。下列有关分析正确的是( )
A.DNA甲基化导致复制过程发生碱基配对错误
B.细胞的癌变有可能与DNA甲基化有关
C.DNA甲基化说明DNA序列发生了改变
D.DNA甲基化会改变DNA中碱基的数量
B
解析:DNA甲基化不改变DNA序列,因此不影响复制过程中碱基互补配对;RNA聚合酶与DNA的结合属于基因表达的关键环节,DNA甲基化可能干扰了RNA聚合酶等对DNA部分区域的识别和结合,导致转录和翻译过程变化,若抑癌基因的表达异常则可能使细胞发生癌变;DNA甲基化能够在不改变DNA序列的前提下,影响基因的表达;DNA甲基化是在相关酶的作用下将甲基选择性地添加到胞嘧啶上,没有改变DNA中碱基的数量。
[概念误区] 有关表观遗传机制分析的易错点
(1)组蛋白乙酰化:处理的对象为组蛋白,为组蛋白的氨基加帽,改变组蛋白的电荷分布,进而造成组蛋白与DNA的结合能力减弱,以便于基因能被转录,提升基因的表达水平。
(2)DNA甲基化:处理的对象为DNA分子,为DNA分子的启动子加甲基,进而造成染色质的高度螺旋化,失去转录能力,降低基因的表达水平。
素养提升
请阅读下面的科普短文,并回答问题。
研究发现,组成染色体的DNA发生甲基化和去甲基化修饰,可使相关基因处于“关闭”或“打开”的状态,从而影响其对性状的控制。
小鼠的毛色与毛囊中黑色素细胞合成的色素种类有关。研究发现,胞外信号分子 M 蛋白与黑色素细胞膜表面受体 MR 结合,启动细胞内B基因等表达出相关酶,催化真黑色素(色素颗粒主要为黑色)的合成。细胞内另有A基因编码的A蛋白,可阻断M蛋白与MR结合,抑制真黑色素合成,并通过另一条代谢途径合成褐色素(色素颗粒主要为黄色)。正常情况下,A 基因在毛发生长周期第 4～6 天集中表达,所以野生型小鼠呈现真黑色素与褐色素相间的斑驳色(如图所示)。
小鼠的毛色也是一种与表观遗传机制有关的性状。有一种黄色突变体小鼠(AvyA),检测其基因序列发现,Avy基因是在A基因前端插入了一段“IAP”序列,该序列能调控A基因在毛发生长过程中持续表达。另一项研究发现,孕鼠食物成分不同会影响胎儿期Avya小鼠的毛色发育,其毛色可从单一的黄色到不均一的黄色、斑驳色,甚至黑色。若给孕期母鼠提供的食物含甲基越丰
富,刚出生的子代小鼠毛色越深。这又是为什么呢 原来,插入的IAP序列容易发生不同程度的甲基化修饰,从而失去部分或全部的调控作用。因
此,Avya小鼠可以作为环境生物反应指示器,用来研究能增加甲基化风险的环境因子如乙醇、低剂量辐射和双酚A等对胎儿发育的影响。
(1)请用一个短句概括基因与DNA的关系: 。
(2)DNA发生甲基化和去甲基化修饰,会影响 酶与基因的结合,使转录过程不能正常进行,从而影响 表达。
解析:(1)基因与DNA的关系:基因通常是具有遗传效应的DNA片段。
(2)转录过程中,RNA聚合酶与DNA上的启动子结合,启动转录过程。因此DNA发生甲基化和去甲基化修饰,会影响RNA聚合酶与基因的结合,使转录过程不能正常进行,从而影响基因表达。
基因通常是具有遗传效应的DNA片段
RNA聚合
基因
(3)Avy对A表现为 (填“显性”或“隐性”),能合理解释AvyA小鼠表现为黄色的是 (选填下列序号)。正常情况下aaBB小鼠毛色为 色。
显性
③
黑
解析:(3)根据题干信息“黄色突变体小鼠(AvyA)”可知,Avy对A表现为显性;根据题干信息“细胞内另有A基因编码的A蛋白,可阻断M蛋白与MR结
合,抑制真黑色素合成,并通过另一条代谢途径合成褐色素(色素颗粒主要为黄色)”“正常情况下,A基因在毛发生长周期第4～6天集中表达”“Avy基因是在A基因前端插入了一段‘IAP’序列,该序列能调控A基因在毛发生长过程中持续表达”可知,AvyA小鼠表现为黄色的机理是③。胞外信号分子M蛋白与黑色素细胞膜表面受体MR结合,启动细胞内B基因等表达出相关酶,催化真黑色素(色素颗粒主要为黑色)的合成,因此正常情况下aaBB小鼠毛色为黑色。
(4)用Avya小鼠评估环境因子对胎儿发育的影响时,可以用 作为指标。
解析:(4)用Avya小鼠评估环境因子对胎儿发育的影响时,环境因子会影响基因的表达,进而影响生物的性状,故可以用小鼠毛色作为指标。
小鼠毛色
随堂检测
1.(2021·衢州期末)给线虫喂食某种细菌,它们的体型变得又小又圆,它们的后代即使从不接触该种细菌,又小又圆的体型仍然可以维持多代,这是一种表观遗传现象。下列叙述正确的是( )
A.该现象不涉及DNA序列改变 B.细菌引起线虫发生了基因突变
C.线虫体型的变化与基因表达无关 D.该现象可能仅由环境引起,无法遗传
解析:题干中已说明该现象为表观遗传现象,因此线虫的DNA序列没有改变;表观遗传中,生物的DNA序列不改变,而基因突变改变了基因序列;表观遗传不改变DNA序列,但改变了基因的功能,影响了基因的表达,进而改变了表型;表观遗传可以在亲子代间遗传。
A
2.鱼类的记忆真的只有7秒吗 科学家发现鱼类对进食刺激能够保持长达几年的记忆。有一项新研究成果更是颠覆了人们的认识,斑马鱼的表观遗传记忆能够通过保存DNA甲基化的方式连续遗传给后代。下列叙述错误的是
( )
A.鱼的表观遗传记忆通过改变DNA的序列进行遗传
B.表观遗传记忆能使鱼类后代迅速获得亲代对应环境因素做出的反应
C.根据表观遗传的特点,鱼类被多次捕获后其后代被捕获的难度提升
D.表观遗传可能给进化增加新的元素,令其对人工刺激做出反应
A
解析:表观遗传记忆是保存DNA甲基化的方式遗传,而DNA甲基化不改变DNA序列;表观遗传记忆能使后代快速获得亲代的某些应激反应能力,为进化提供新的素材;鱼类被多次捕获后,表观遗传记忆增强,其后代被捕获的难度提升。
3.表观遗传是指生物基因的碱基序列保持不变,但基因表达发生可遗传变化的现象,对此现象的理解错误的是( )
A.基因的启动部位被甲基化修饰属于表观遗传
B.同卵双胞胎之间的微小差异与表观遗传无关
C.细胞质中的调控因子对基因的表达起调节作用
D.通过表观遗传传递下去的性状并不总是有利的
B
解析:同卵双胞胎的基因型相同,因此他们之间的微小差异与表观遗传
有关。
4.纯种黄色(HH)小鼠与纯种黑色(hh)小鼠杂交,子一代小鼠却表现出不同的毛色,
介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型。研究表明,H基因上有一段特殊的碱基序列,该序列有多个位点可发生甲基化修饰(如图所示)。当没有发生甲基化时,H可正常表达,小鼠为黄色。反之,H基因表达就受到抑制,且发生甲基化的位点越多,基因表达被抑制的效果越明显。结合上述信息,下列叙述错误的是( )
A.纯种黄色(HH)小鼠与纯种黑色(hh)小鼠杂交,正常情况下子一代小鼠的基因型都是Hh
B.基因型是Hh的小鼠体毛的颜色随H基因发生甲基化的位点的增多而加深(黑)
C.甲基化修饰导致H基因的碱基对的排列顺序发生改变,产生了不同的等位基因
D.此实验表明基因型与表型之间的关系,并不是简单的一一对应关系
C
解析:纯种黄色(HH)小鼠与纯种黑色(hh)小鼠杂交,正常情况下子一代小鼠的基因型都是Hh;基因型是Hh的小鼠体毛的颜色随H基因发生甲基化的位点的增多而加深(黑);据题干信息可知,甲基化修饰只是导致H基因的表达受到抑制,H基因的碱基对的排列顺序没有发生改变;此实验表明基因型与表型之间的关系,并不是简单的一一对应关系。
5.在一个蜂群中,少数幼虫一直取食蜂王浆而发育成蜂王,而大多数幼虫以花粉和花蜜为食将发育成工蜂。DNMT3蛋白是DNMT3基因表达的一种DNA甲基化转移酶,能使DNA某些区域添加甲基基团(如图所示)。敲除DNMT3基因后,蜜蜂幼虫将发育成蜂王,这与取食蜂王浆有相同的效果,下列有关叙述错误的是( )
A.被甲基化的DNA片段中遗传信息发生改变,从而使生物的性状发生改变
B.蜂群中蜜蜂幼虫发育成蜂王可能与体内重要基因是否甲基化有关
C.DNA甲基化后可能干扰了RNA聚合酶等对DNA部分区域的识别和结合
D.胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶在DNA分子中都可以与鸟嘌呤配对
A
解析:DNA甲基化并没有改变DNA内部的碱基排列顺序,未改变DNA片段的遗传信息;DNMT3蛋白是DNMT3基因表达的一种DNA甲基化转移酶,能使DNA某些区域添加甲基基团,敲除DNMT3基因后,蜜蜂幼虫将发育成蜂王说明蜂群中蜜蜂发育成蜂王可能与体内重要基因是否甲基化有关;DNA甲基化后可能干扰了RNA聚合酶等对DNA部分区域的识别和结合,导致转录和翻译过程变化,使生物表现出不同的性状;胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶在DNA分子中都可以与鸟嘌呤配对。(共59张PPT)
第三章 遗传的分子基础
第一节 核酸是遗传物质
素养导学
内容梳理
概念突破
随堂检测
素养导学
教学内容 教学要求 素养归属
1.DNA是遗传物质 基于科学事实认同DNA是多数生物的遗传物质 生命观念
2.DNA是遗传物质的直接证据 (1)基于实验探究,分析肺炎链球菌转化实验的思路,分析实验设计的精妙及对相应结果进行合理分析 科学思维、
科学探究
(2)通过阅读材料,分析实验原理、过程,讨论噬菌体侵染细菌实验的过程,并对结果进行分析 科学思维、
科学探究
3.有些病毒的遗传物质是RNA 归纳、总结烟草花叶病毒感染和重建实验的操作流程,认同RNA是某些病毒的遗传物质 科学思维、
科学探究
1.DNA是遗传物质
(1)染色体的组成与功能
内容梳理
DNA
非组蛋白
(2)20世纪50年代之前,“遗传物质可能是核酸”的观点通常被认为是
的。相比较而言,人们认为含有20种氨基酸的 大分子倒是能够提供无限数量的排列组合。
不正确
蛋白质
2.DNA是遗传物质的直接证据
(1)S型菌与R型菌的比较
比较
项目 S型菌 R型菌
菌落 . .
菌体 多糖类的胶状荚膜 无多糖类荚膜
毒性 毒性,是人类肺炎和
小鼠败血症的病原体 无毒
光滑
粗糙
有
有
(2)肺炎链球菌转化实验
①活体肺炎链球菌转化实验
S型活菌
不死亡
转化因子
②离体肺炎链球菌转化实验
R型菌+S型
R型
稳定遗传变异
转化因子
[特别说明] DNA不仅可以引起细菌的转化,而且纯度越高,转化效率就越高。
③实验结论
是遗传物质, 赋予了生物的遗传特性。
(3)噬菌体侵染细菌实验
①T2噬菌体结构及生活方式
DNA
DNA
DNA
P
外壳
S
细菌
②放射性同位素标记噬菌体
含35S的大肠杆菌
含32P的大肠杆菌
蛋白质外壳含35S
DNA含32P
③已标记噬菌体侵染及离心操作
高
低
低
高
没有35S
④实验结论:在噬菌体中,保证亲代与子代之间具有连续性的物质是 ,即 是遗传物质。
3.有些病毒的遗传物质是RNA
(1)烟草花叶病毒对烟草叶细胞的感染实验
①实验过程及现象
DNA
DNA
烟草叶不出现病斑
蛋白质
RNA
②实验结论: 是烟草花叶病毒的遗传物质, 不是遗传物质。
(2)病毒重建及其对烟草叶细胞的感染
①实验过程及现象
②结果分析与结论:重组病毒所繁殖的病毒类型取决于提供 的株系,而不是提供 的株系。
RNA
蛋白质
RNA
蛋白质
出现病斑
B型
出现病斑
A型
概念突破
概念一 DNA是遗传物质
[概念情境]
核酸是一类重要的生物大分子,承担了生命信息存储和传递的任务。电视广告里曾播放“核酸营养品”的养生功效。所谓核酸营养品就是从一些生物(包括各种植物、动物和微生物等)的细胞中提取的核酸。
核酸营养品是不是人们必须吃的保健品 请依据所学知识评价核酸营养品保健的作用,并说明原因。
提示:在我们日常生活中吃的各种食物中含有丰富的核酸。核酸经过消化后被分解成核苷酸,被吸收后可以满足细胞的代谢需要,一般不需要额外补充。它不像某些氨基酸人体无法合成,必须从体外摄取。人体需要的三大营养物质是蛋白质、糖和脂肪,不包括核酸,核酸的主要作用是行使遗传功能。
突破点
DNA是遗传物质
[典例] 下列关于遗传物质的说法,正确的是( )
A.真核生物的遗传物质是DNA
B.原核生物的遗传物质是RNA
C.病毒的遗传物质是DNA
D.细胞质的遗传物质是RNA
解析:细胞生物的遗传物质均为DNA;病毒的遗传物质为DNA或RNA;细胞核和细胞质遗传物质都是DNA。
A
[概念误区] 遗传物质的界定分析
(1)真核生物与原核生物均为细胞生物,含有两种核酸,但细胞生物的遗传物质均为DNA。细胞中的RNA主要与蛋白质合成及某些催化反应有关。
(2)病毒仅含有一种核酸,遗传物质为DNA或RNA。
概念二 DNA是遗传物质的直接证据
[概念情境]
关于DNA是遗传物质的实验推测,科学家们找到了很多直接或间接证据,并解决了很多技术难题,提出了科学的模型。请思考并回答以下问题。
(1)加热杀死的S型细菌与活的R型细菌混合注入小鼠体内,小鼠将会如何变化 试分析原因。
提示:加热杀死的S型细菌与R型细菌混合后出现S型活菌,而S型活菌有毒性,小鼠将死亡。
(2)艾弗里完成体外转化实验后,有学者认为“DNA可能只是在细胞表面起化学作用形成荚膜,而不是起遗传作用”。利用S型肺炎链球菌中存在的能抗青霉素的突变型(这种对青霉素的抗性不是荚膜产生的),设计实验推翻该观点。
提示:R型菌+抗青霉素的S型DNA+青霉素→若出现抗青霉素的S型菌,则DNA有遗传作用。
(3)赫尔希和蔡斯在噬菌体侵染细菌实验中,用32P标记DNA,不用14C标记该物质的原因是
什么
提示:DNA和蛋白质中都有C元素。若用14C进行标记,则无法对DNA和蛋白质进行区分。
突破点1
活体肺炎链球菌转化实验分析
[典例1] 某科研小组在格里菲思实验的基础上增加了相关实验,实验过程如图所示,下列叙述正确的是( )
A.该实验证明了DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质
B.从鼠2血液中分离出来的活菌都能使小鼠死亡
C.活菌甲与死菌乙混合后能转化产生活菌乙的原理是基因突变
D.从鼠5体内分离出活菌在培养基上培养,都会产生光滑菌落
D
解析:由题图可知,活菌乙能导致小鼠死亡,为S型菌,活菌甲不能使小鼠死亡,为R型菌。该实验能体现S型死菌的某种物质能让R型菌转化为S型活菌,但不能证明DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质;实验②过程中R型菌与加热杀死的S型菌混合后注射到小鼠体内,少数R型菌能转化为S型活菌,小鼠体内仍存在R型菌,所以从小鼠血液中能分离出两种细菌,其中R型菌不能使小鼠死亡;活菌甲与死菌乙混合后能转化产生活菌乙的原理是基因重组;实验⑤过程中,R型死菌与S型活菌混合后注射到小鼠体内,鼠5体内只能分离出S型活菌,S型菌的菌体有多糖类的荚膜,在培养基上形成的菌落表面光滑。
[拓展延伸] 关于活体肺炎链球菌转化实验的几点说明
(1)能证明转化因子可耐受高温
加热后,转化因子仍具有转化能力,可以证明转化因子可耐受高温,但由于未进行物质分离研究,因此不能确定转化因子的具体类型。
(2)并非所有的R型菌都能被转化
由于转化受到DNA的纯度、两种细菌的亲缘关系、受体菌的状态等因素的影响,所以转化过程中并不是所有的R型菌都能被转化成S型菌,只是小部分R型菌被转化成S型菌。
(3)不能简单认为S型菌的DNA使小鼠死亡
S型菌与R型菌混合培养时,S型菌的DNA进入R型菌体内。结果在S型菌DNA的控制下,利用R型菌体内的化学成分合成了S型菌的DNA和蛋白质,从而组装成了具有毒性的S型菌。
突破点2
离体肺炎链球菌转化实验分析
[典例2] 为研究R型肺炎链球菌转化为S型肺炎链球菌的转化物质是DNA还是蛋白质,某实验小组进行了离体肺炎链球菌转化实验,其基本过程如图所示,下列叙述错误的是( )
A.甲组培养皿中出现S型菌落,推测加热不会破坏转化物质的活性
B.乙组培养皿中有R型及S型菌落,推测转化物质不是蛋白质
C.丙组培养皿中只有R型菌落,推测转化物质是DNA
D.该实验能证明肺炎链球菌的主要遗传物质是DNA
D
解析:甲组培养皿中出现S型菌落,而且培养皿中也有未转化的R型细菌,推测加热不会破坏转化物质的活性;乙组培养皿中有R型及S型菌落,由于加入了蛋白酶,所以可推测转化物质不是蛋白质;丙组培养皿中只有R型菌落,由于S型菌的提取物中加入了DNA酶,所以可推测转化物质是DNA;该实验能证明肺炎链球菌的遗传物质是DNA,而不是主要遗传物质是DNA。
[概念误区] 有关离体肺炎链球菌转化实验认识的三个易错点
(1)R型细菌发生转化,这种变异是一种可遗传变异,原理是S型菌的DNA与R型菌的DNA发生了基因重组。
(2)离体转化实验的成功与否与DNA的纯度存在比较大的关联,DNA纯度越高,成功的可能性越大。
(3)离体转化实验中含有菌种的培养与分离的思维。通过液体培养基实现菌种的扩增培养,利用固体培养基实现R型菌与S型菌的分离。
突破点3
肺炎链球菌转化实验综合分析
[典例3] (2020·浙江7月选考)下列关于“肺炎链球菌转化实验”的叙述,
正确的是( )
A.活体转化实验中,R型菌转化成的S型菌不能稳定遗传
B.活体转化实验中,S型菌的荚膜物质使R型菌转化成有荚膜的S型菌
C.离体转化实验中,蛋白质也能使部分R型菌转化成S型菌且可实现稳定遗传
D.离体转化实验中,经DNA酶处理的S型菌提取物不能使R型菌转化成S型菌
D
解析:R型菌转化为S型菌属于基因重组,是可遗传变异,能够稳定遗传;能使R型菌转化为S型菌的转化因子是S型菌的DNA而不是荚膜物质;转化因子是DNA而不是蛋白质,所以蛋白质不会使R型菌转化为S型菌;S型菌提取物中的DNA经过DNA酶处理后会被降解,从而不能使R型菌转化为S型菌。
[拓展延伸] 肺炎链球菌活体转化与离体转化的比较
比较项目 活体细菌转化实验 离体细菌转化实验
培养细菌
的场所 小鼠(体内) 培养基(体外)
实验结果 加热后杀死的S型菌能使R型菌转化成S型菌 S型菌的DNA使R型菌转化成S型菌
实验结论 S型菌中有“转化因子” S型菌的DNA是遗传物质
联系 ①实验材料相同,都是肺炎链球菌(R型菌和S型菌);
②活体细菌转化实验是基础,仅说明S型菌中有“转化因子”,离体细菌转化实验进一步证明“转化因子”是DNA;
③两个转化实验都遵循对照原则
突破点4
噬菌体侵染细菌实验操作流程分析
[典例4] 为了进一步检验DNA是遗传物质,赫尔希和蔡斯设计并实施了T2噬菌体侵染细菌的实验。下列相关叙述中正确的是( )
A.噬菌体成功侵染宿主细胞后,不会对宿主细胞正常的新陈代谢产生干扰
B.标记噬菌体的DNA时,宿主中除脱氧核苷酸外其他物质也可能含有32P
C.若噬菌体未能全部侵染宿主细胞且有子代释放,则无法得出结论
D.由该实验结果可知,各种病毒感染时均只有遗传物质进入其宿主细胞内
B
解析:噬菌体成功侵染宿主细胞后,会破坏宿主细胞内的结构和物质,从而对宿主细胞正常的新陈代谢产生干扰;标记噬菌体的DNA时,先用含有32P的培养基标记宿主细胞,所以宿主细胞中除脱氧核苷酸外其他物质(如ATP、磷脂等)也可能含有32P;噬菌体在侵染细菌时,DNA进入细菌,并作为模板指导子代噬菌体的合成,即使未能全部侵染宿主细胞且有子代释放,也能得出DNA是遗传物质的结论;由该实验结果可知,噬菌体只有遗传物质进入其宿主细胞内,但不能由此推断各种病毒感染时均只有遗传物质进入其宿主细胞内。
[概念误区] 噬菌体侵染细菌实验的易错分析
(1)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,离心管的沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。
(2)培养含放射性标记的噬菌体不能用培养基直接培养,因为病毒必须寄生在活细胞内,所以应先培养细菌,再用细菌培养噬菌体。
(3)因检测放射性时只能检测到放射部位,不能确定是何种元素的放射性,所以35S和32P不能同时标记在一组噬菌体上,应对两组分别标记。
(4)实验中会存在一定的误差,因此,采用32P标记组会在上清液中出现少许放射性,35S标记组会在沉淀中出现少许放射性。
突破点5
噬菌体侵染细菌结果分析
[典例5] (2020·浙江1月选考)某研究小组用放射性同位素32P、35S分别标记T2噬菌体,然后将大肠杆菌和被标记的噬菌体置于培养液中培养,如图所示。一段时间后,分别进行搅拌、离心,并检测沉淀物和悬浮液中的放射性。下列分析中错误的是( )
A.甲组的悬浮液含极少量32P标记的噬菌体DNA,但不产生含32P的子代噬菌体
B.甲组被感染的细菌内含有32P标记的噬菌体DNA,也可产生不含32P的子代噬
菌体
C.乙组的悬浮液含极少量35S标记的噬菌体蛋白质,也可产生含35S的子代噬菌体
D.乙组被感染的细菌内不含35S标记的噬菌体蛋白质,也不产生含35S的子代噬菌体
C
解析:甲组离心后,放射性主要在沉淀物中,由于部分噬菌体未来得及侵染大肠杆菌,所以悬浮液中含有少量放射性,由于甲组的悬浮液中不存在大肠杆菌,所以噬菌体无法繁殖产生含32P标记的子代噬菌体;甲组被感染的细菌内含有32P标记的噬菌体DNA,由于DNA进行半保留复制,故可产生不含32P的噬菌体;35S标记的是噬菌体的蛋白质,噬菌体侵染细菌的时候,蛋白质外壳留在外面,只有DNA注入细菌中,因此乙组的悬浮液含大量35S标记的噬菌体蛋白质,不会产生含35S的子代噬菌体;乙组被感染的细菌内不含35S标记的噬菌体蛋白质,因为细菌提供的原料中不含35S,所以也不产生含35S的子代噬菌体。
[拓展延伸] 放射性元素分布及误差分析
(1)“两看”法分析子代噬菌体的放射性元素
(2)列表比较32P或35S标记噬菌体侵染后的误差
项目 实验操作及比较
含32P
的噬菌
体侵染
大肠
杆菌
含35S
的噬菌
体侵染
大肠
杆菌
突破点6
肺炎链球菌转化实验与噬菌体侵染细菌实验综合比较
[典例6] 图甲是将加热杀死的S型细菌与R型活菌混合注射到小鼠体内后两种细菌的含量变化,图乙是噬菌体侵染细菌实验的部分操作步骤。下列叙述正确的是( )
A.图甲后期增多的S型细菌是由R型细菌突变后增殖而来的
B.图甲C点R型细菌减少原因是R型细菌转化为S型菌
C.图乙沉淀物中新形成的子代噬菌体有少量放射性
D.图乙中若用32P标记亲代噬菌体,则细菌裂解后子代噬菌体中少部分具有放射性
D
解析:图甲后期S型细菌增多是因为小鼠免疫能力下降,转化形成的S型细菌大量增殖;图甲C点R型细菌减少原因是R型细菌被小鼠的免疫系统发现并消灭;图乙中噬菌体被标记的成分是蛋白质,蛋白质不能进入细菌,所以新形成的子代噬菌体完全没有放射性;若用32P标记亲代噬菌体,裂解后子代噬菌体中少部分具有放射性。
[拓展延伸] 肺炎链球菌离体转化实验和噬菌体侵染细菌实验的比较
比较
项目 肺炎链球菌离体转化实验 噬菌体侵染细菌实验
设计
思路 设法将DNA与其他物质分开,单独地、直接地研究它们各自不同的遗传功能
处理
方法 直接分离:分离S型菌的DNA、荚膜多糖、蛋白质等,分别与R型菌混合培养 同位素标记法:分别用同位素35S、32P标记蛋白质和DNA
结论 ①证明DNA是遗传物质,而蛋白质不是遗传物质
②说明了遗传物质发生可遗传的变异 ①证明DNA是遗传物质,但不能证明蛋白质不是遗传物质;
②说明DNA能控制蛋白质的合成;
③说明DNA能自我复制
[概念情境]
19世纪末,花叶病在俄国迅速蔓延,使农民的烟草收成大幅减少。某科学家为研究花叶病产生的原因,进行了一系列的实验:
Ⅰ.他摘了几片得病的烟叶,捣烂后调成浆液,再把这种浆液滴在健康的烟叶上,结果几天后,这些烟叶也得了同样的病。
Ⅱ.用双层滤纸过滤患花叶病烟草的浆液,并将这种浆液滴在正常烟叶上,发现仍具有感染性。他又选择了一种连细菌都不能通过的过滤器重复实验,结果得到同样的结论。
Ⅲ.他设计了一个精巧实验:把病叶的浆液过滤后注射到第一株健康烟叶里,等这株烟草患病以后,再把它的叶子也做成浆液,并把与第一次等量的浆液注射到第二株健康烟草的叶里。然后,又把第二株烟草的等量浆液注射给第三株……结果显示全部烟草都得了病,并且越是后面的比前面的发病更快更严重。
Ⅳ.这些元凶到底是哪种类型的微生物呢 该科学家决定把上述浆液接种在几十种营养物质丰富的培养基上,结果没有获得任何菌落。
概念三 有些病毒的遗传物质是RNA
请根据材料思考并回答以下问题。
(1)实验Ⅰ说明致病的元凶存在于什么部位
提示:存在于患病叶片的细胞中。
(2)实验Ⅱ可说明引起烟叶患病的元凶非常小,甚至比细菌还小,你会对烟叶致病的元凶提出什么样的假设
提示:假设1,元凶是一种生物,但体积比细菌小,能通过细菌过滤器;假设2,元凶是病原体分泌的致病毒素(或物质),该物质能通过细菌过滤器。
(3)实验Ⅲ能否对你所提出的假设进行分析验证 试进行阐述。
提示:能。若是一种毒素,过滤后的浆液不再含有病原体,第一株烟叶致病后,依次获得浆液再对其他植株进行注射,致病能力会下降,而实验结果显示致病能力在增强,说明浆液中含有某种微生物,并能在细胞中增殖。
(4)实验Ⅳ为进一步确定元凶提供了什么证据支持 其主要化学成分是什么
提示:该种生物不能在培养基上存活,却能在细胞中增殖,可以确定该种生物为病毒。根据现在研究结果可知该病毒为烟草花叶病毒,其化学成分主要是RNA和蛋白质。
突破点1
烟草花叶病毒感染和重建实验分析
[典例1] 如图是烟草花叶病毒的感染和病毒重建示意图,下列叙述正确的是( )
A.后代的病毒类型取决于提供蛋白质的株系
B.后代的蛋白质是由烟草的遗传物质控制合成的
C.实验成功的基础是烟草花叶病毒和烟草的遗传物质相同
D.用RNA酶处理后的TMV去感染烟草叶片,叶片不会被感染
D
解析:分析题图可知,感染烟草后,产生的病毒后代是由病毒的RNA决定的;烟草花叶病毒的遗传物质是RNA,烟草的遗传物质是DNA;用RNA酶处理后的TMV,其遗传物质RNA被水解,再去感染烟草叶片,叶片不会被感染。
[概念误区] 烟草花叶病毒感染实验和重建实验是两个独立的实验,实验的自变量均直接涉及RNA,因此,两实验均可直接证明RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。
突破点2
人类对遗传物质探索实验的综合分析
[典例2] 为了鉴定遗传物质的化学本质,科学家做了一系列实验。下列关于核酸是遗传物质的证据实验的叙述,正确的是( )
A.35S标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌,子代噬菌体中能检测到35S
B.肺炎链球菌的活体转化实验是证实DNA作为遗传物质的最早证据
C.肺炎链球菌的离体转化实验中提取的DNA纯度越高,转化效率越高
D.烟草花叶病毒RNA经RNA酶处理后侵染烟草,能使烟草出现感染症状
C
解析:子代噬菌体是在侵入细菌内部的噬菌体DNA的指导下,利用细菌体内未标记的原料合成的,检测不到35S;肺炎链球菌的活体转化实验只证明了S型细菌中存在某种“转化因子”,没有证明DNA是肺炎链球菌的遗传物质,艾弗里的离体转化实验是证实DNA是遗传物质的最早证据;转化率与所提取的S型细菌的DNA纯度有关,DNA纯度越高转化的效率也越高;烟草花叶病毒RNA经RNA酶处理后,RNA被水解,侵染烟草,烟草不出现感染症状。
[拓展延伸] 不同探究实验的实验结论比较
素养提升
向小鼠体内注射S型肺炎链球菌会导致小鼠得败血症死亡,而事先注射疫苗w一段时间后再感染该菌能有效减轻小鼠的败血症症状,降低小鼠的死亡率。现要验证疫苗w的预防效果,请根据下列提供的材料与用具完成有关问题。
材料与用具:年龄与体重相似的健康小鼠60只,S型肺炎链球菌悬液,生理盐水,注射器,疫苗w溶液,小鼠饲料等。
注意:疫苗的效果在10天后可显现;以小鼠的存活情况为观察指标,疫苗和细菌的具体注射方法不作要求。
(1)写出实验思路
①将60只年龄与体重相似的健康小鼠 .
,给A、B两组小鼠同时注射等量的生理盐水。
②将各组小鼠在适宜条件下连续饲养10天。
③给A组小鼠注射适量的生理盐水, 。
④将各组小鼠在适宜条件下饲养,每天观察各组小鼠的存活情况,直至患病小鼠死亡或完全
康复。
⑤ 。
随机均分为A、B、C三组,用注射器给C组小鼠注射适
量的疫苗w溶液
给B、C两组小鼠同时注射等量的S型肺炎链球菌悬液
对实验数据进行统计分析
解析:(1)实验可以提出实验假设:注射疫苗w溶液的小鼠产生抗体和记忆细胞能对S型肺炎链球菌发生作用,有效减轻小鼠的败血症症状,降低小鼠的死亡率。
实验设计要遵循对照原则和单一变量原则,本实验的自变量为是否注射疫苗w溶液、是否注射S型肺炎链球菌悬液,因变量是小鼠的存活情况,因此可设计实验步骤如下:
①取60只年龄与体重相似的健康小鼠,随机均分为三组,编号为A组、B组、C组。给C组小鼠注射适量的疫苗w溶液,给A、B两组小鼠同时注射等量的生理盐水。
②将A、B、C三组小鼠在适宜条件下连续饲养10天。
③给A组小鼠注射适量的生理盐水作为空白对照,分别给B、C两组小鼠注射用生理盐水配制的等量的S型肺炎链球菌悬液。
④将三组小鼠在适宜条件下饲养,每天观察三组小鼠的存活情况,直至患病小鼠死亡或完全康复。
⑤记录实验数据,并对实验数据进行统计和分析。
向小鼠体内注射S型肺炎链球菌会导致小鼠得败血症死亡,而事先注射疫苗w一段时间后再感染该菌能有效减轻小鼠的败血症症状,降低小鼠的死亡率。现要验证疫苗w的预防效果,请根据下列提供的材料与用具完成有关问题。
材料与用具:年龄与体重相似的健康小鼠60只,S型肺炎链球菌悬液,生理盐水,注射器,疫苗w溶液,小鼠饲料等。
注意:疫苗的效果在10天后可显现;以小鼠的存活情况为观察指标,疫苗和细菌的具体注射方法不作要求。
(2)预测实验结果(以坐标曲线图形式表示小鼠的存活率)
解析:(2)实验预期及结论:由于事先注射疫苗w一段时间后再感染S型菌能有效减轻小鼠的败血症症状,降低小鼠的死亡率,所以A组小鼠未注射S型肺炎链球菌悬液,小鼠存活;B组小鼠注射了S型肺炎链球菌悬液,未注射疫苗w溶液,小鼠会死亡;C组小鼠事先注射了疫苗w溶液再注射S型肺炎链球菌悬液,小鼠产生的抗体和记忆细胞能对S型细菌发生作用,小鼠死亡率降低。坐标曲线图如图:
向小鼠体内注射S型肺炎链球菌会导致小鼠得败血症死亡,而事先注射疫苗w一段时间后再感染该菌能有效减轻小鼠的败血症症状,降低小鼠的死亡率。现要验证疫苗w的预防效果,请根据下列提供的材料与用具完成有关问题。
材料与用具:年龄与体重相似的健康小鼠60只,S型肺炎链球菌悬液,生理盐水,注射器,疫苗w溶液,小鼠饲料等。
注意:疫苗的效果在10天后可显现;以小鼠的存活情况为观察指标,疫苗和细菌的具体注射方法不作要求。
(3)分析与讨论
疫苗w是一种取自S型肺炎链球菌菌体外面 上的一种多糖类物质,研究发现口服则没有效果,原因是 。
疫苗w在消化道内被消化,失去效果
荚膜
解析:(3)S型肺炎链球菌的菌体外面有多糖类的胶状荚膜,取荚膜多糖制作的疫苗w能够引起机体的免疫反应,故属于抗原。疫苗w口服时会在消化道内被消化,失去效果,所以该疫苗只能注射,不能口服。
随堂检测
1.在肺炎链球菌的转化实验中,能够证明DNA是遗传物质的最关键的设计思路是( )
A.将R型菌和S型菌的DNA用同位素进行标记
B.将活的R型菌和加热杀死的S型菌混合培养
C.将活的R型菌和死的S型菌分别注射到小鼠体内
D.从S型菌中提取出各种物质并分别与活的R型菌混合培养
D
解析:在肺炎链球菌的转化实验中,没有采用同位素标记法;将无毒R型活菌与加热杀死后的S型菌混合培养,发现R型菌转化为S型菌,说明加热杀死后的S型菌中仍存在“转化因子”,但不能确定该“转化因子”的化学本质是DNA;将活的R型菌和死的S型菌分别注射到小鼠体内,小鼠都不死亡,说明死亡的S型菌没有致病性,不能证明DNA是遗传物质;从S型菌中提取DNA、蛋白质和多糖,分别加入培养R型菌的培养基中,发现只有加入DNA,R型菌才能转化为S型菌,说明DNA是遗传物质。
2.赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌实验为核酸是遗传物质提供了直接证据。下列关于该实验的叙述,正确的是( )
A.实验中可用15N替代32P标记DNA
B.35S标记组的子代噬菌体有少数带有放射性
C.T2噬菌体所有组分的合成原料都来自大肠杆菌
D.实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA
解析:由于噬菌体的蛋白质外壳和DNA都含有N元素,因此实验中不可用15N替代32P标记DNA;35S标记的是噬菌体的蛋白质外壳,而噬菌体侵染细菌时蛋白质外壳没有进入细菌,而合成子代噬菌体的原料来自细菌,因此35S标记组的子代噬菌体不带有放射性;T2噬菌体所有组分的合成原料都来自大肠杆菌;实验证明T2噬菌体的遗传物质是DNA。
C
3.下列关于核酸是遗传物质的证据的叙述,正确的是( )
A.在噬菌体侵染细菌实验中,利用未标记的噬菌体侵染含32P标记的细菌后,检测发现子代噬菌体都含有放射性,说明噬菌体的遗传物质是DNA
B.在肺炎链球菌活体转化实验中,将S型肺炎链球菌注射到小鼠体内,发现很多小鼠患肺炎死亡,说明S型肺炎链球菌为小鼠致病菌
C.在肺炎链球菌离体转化实验中,DNA酶处理S型菌后,S型菌的DNA被降解
D.在烟草花叶病毒的感染实验中,单用烟草花叶病毒的RNA就可使烟草出现感染病毒的症状
D
解析:在噬菌体侵染细菌实验中,合成子代噬菌体的原料都来自细菌,所以利用未标记的噬菌体侵染含32P标记的细菌后,子代噬菌体都应含有放射性,无法说明噬菌体的遗传物质是DNA;在肺炎链球菌活体转化实验中,将S型肺炎链球菌注射到小鼠体内,发现很多小鼠患败血症死亡,说明S型肺炎链球菌为小鼠致病菌;在肺炎链球菌离体转化实验中,DNA酶处理S型菌的DNA后,S型菌的DNA被降解;烟草花叶病毒的遗传物质是RNA,故在烟草花叶病毒的感染实验中,单用烟草花叶病毒的RNA就可使烟草出现感染病毒的症状。
4.如图为T2噬菌体侵染细菌实验的部分过程,其中①～③表示操作过程。下列叙述正确的是( )
A.②表示搅拌,需要将细菌搅碎,使细菌内的噬菌体与细菌分离
B.③需用密度梯度离心,并检测不同密度带的放射性
C.若选用35S标记的噬菌体进行实验,则①的培养时间长短,对实验结果不会造成显著的影响
D.若选用32P标记的噬菌体进行实验,则可以证明DNA是噬菌体的遗传物质
C
解析:②表示搅拌,不能将细菌搅碎,目的是使吸附在细菌上的噬菌体的蛋白质外壳与细菌分离;③用的不是密度梯度离心,离心后需分别检测悬浮液和沉淀中的放射性;若选用35S标记的噬菌体进行实验,则①的培养时间长短,对实验结果不会造成显著的影响,因为35S标记的蛋白质外壳不进入细菌;缺少对照组,只选用32P标记的噬菌体进行实验,不能证明DNA是噬菌体的遗传物质。
5.作为遗传物质至少应具备4个特点:①能够自我复制;②能够控制生物体的性状和新陈代谢过程;③能够储存大量遗传信息;④结构比较稳定,特殊情况下能发生可遗传的变异。DNA和蛋白质都是生物体内重要的大分子物质,究竟哪种物质是遗传物质的问题曾引起生物学界激烈的争论。请回答下列问题。
(1)1875年,科学家认识到血红蛋白在脊椎动物血液中能输送氧气;20世纪20年代,人们认识到多种多样的蛋白质是由多种氨基酸按照不同的顺序排列而成。正是由于蛋白质符合遗传物质特点中的 (填题干中的标号),所以当时大多数科学家认为蛋白质是遗传物质。
解析:(1)大多数科学家在当时认为蛋白质是遗传物质,主要是蛋白质是由多种氨基酸按照不同的顺序排列而成的,能够控制生物体的性状和新陈代谢过程;能够储存大量遗传信息。
②③
5.作为遗传物质至少应具备4个特点:①能够自我复制;②能够控制生物体的性状和新陈代谢过程;③能够储存大量遗传信息;④结构比较稳定,特殊情况下能发生可遗传的变异。DNA和蛋白质都是生物体内重要的大分子物质,究竟哪种物质是遗传物质的问题曾引起生物学界激烈的争论。请回答下列问题。
(2)肺炎链球菌有S型(有毒)和R型(无毒)两种类型,每种类型均有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类。SⅠ菌只能突变成对应的RⅠ菌,以此类推。反之亦然,RⅠ菌也只能突变成对应的SⅠ菌。1928年,格里菲思将加热致死的SⅢ菌与活的RⅡ菌混合后注射到小鼠体内,结果小鼠死亡,并从小鼠体内分离出活的SⅢ菌。格里菲思推断:活的SⅢ菌的出现是由于加热杀死的SⅢ菌中含有某种物质,该物质的作用不是诱导RⅡ菌突变成SⅢ菌,而是将RⅡ菌转化为 SⅢ菌。支持格里菲思作出上述推断的依据是 .
。
解析:(2)根据题干信息“SⅠ菌只能突变成对应的RⅠ菌,以此类推。反之亦然,
RⅠ菌也只能突变成对应的SⅠ菌”分析,支持格里菲思作出上述推断的依据是若RⅡ菌发生了突变,则应分离出SⅡ菌,而实验中分离出的是SⅢ菌。
若是RⅡ菌发生了突变,则应分离出SⅡ菌,而实验中分离出的是SⅢ菌
5.作为遗传物质至少应具备4个特点:①能够自我复制;②能够控制生物体的性状和新陈代谢过程;③能够储存大量遗传信息;④结构比较稳定,特殊情况下能发生可遗传的变异。DNA和蛋白质都是生物体内重要的大分子物质,究竟哪种物质是遗传物质的问题曾引起生物学界激烈的争论。请回答下列问题。
(3)1944年,艾弗里将去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质的S型细菌提取物,进行不同的处理后,加入含有R型活菌的培养基中,处理方法及实验结果如表所示:
处理
条件 第一
组未
处理 第二组
加蛋白
酶 第三组加
RNA酶 第四组
加酯酶 第五组加
DNA酶
培养基
中的活
菌类型 R型+
S型
设置第一组实验的目的是 ; 只有当其余四组培养基中的活菌类型分别表现为 时,才能证明DNA是“转化因子”。
起对照作用
第二、三、四组为R型+S型,第五组为R型
解析:(3)第一组实验未做处理,起对照作用。去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质的S型菌提取物中有DNA。第二组加入蛋白酶、第三组加入RNA酶、第四组加入酯酶,这三组都没有水解DNA,得到的活菌类型为R型+S型,第五组加入DNA酶能够水解DNA,得到的活菌类型为R型。
5.作为遗传物质至少应具备4个特点:①能够自我复制;②能够控制生物体的性状和新陈代谢过程;③能够储存大量遗传信息;④结构比较稳定,特殊情况下能发生可遗传的变异。DNA和蛋白质都是生物体内重要的大分子物质,究竟哪种物质是遗传物质的问题曾引起生物学界激烈的争论。请回答下列问题。
(4)1952年,赫尔希和蔡斯用T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验再次证明了DNA是遗传物质。用 35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌,保温时间的长短对该组实验放射性检测结果的影响大不大 ,原因是 .
。
解析:(4)35S标记的是蛋白质外壳,无论保温时间长短都只分布在上清液中,所以用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌,保温时间的长短对该组实验放射性检测结果的影响不大。
35S标记的是蛋白质外壳,无论保温时间长短都只分布在上清液中
不大
5.作为遗传物质至少应具备4个特点:①能够自我复制;②能够控制生物体的性状和新陈代谢过程;③能够储存大量遗传信息;④结构比较稳定,特殊情况下能发生可遗传的变异。DNA和蛋白质都是生物体内重要的大分子物质,究竟哪种物质是遗传物质的问题曾引起生物学界激烈的争论。请回答下列问题。
(5)艾弗里和赫尔希的实验能否证明DNA是主要的遗传物质 ,请阐明你的观点: 。
解析:(5)他们的实验只是证明了噬菌体和肺炎链球菌中DNA是遗传物质,绝大多数生物的遗传物质是DNA,才能得出DNA是主要遗传物质的结论。
他们的实验只是证明了噬菌体和肺炎链球菌的DNA是遗传物质
不能
