新人教生物一轮复习学案
第23讲 基因的表达
课标要求 概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成,比较转录和翻译。
考点1 遗传信息的转录
概 念 落 实
1.RNA的结构与功能
拓 展 提 升
RNA的类型
RNA分为编码RNA和非编码RNA。非编码RNA是指不编码蛋白质的RNA。包括rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA 和miRNA 等多种已知功能的 RNA,还包括未知功能的RNA。
类型 定义 功能
非编码 RNA Lnc RNA 一类长链非编码RNA 具有多种调控功能,如表观遗传
miRNA 一类短链非编码RNA,调控基因表达 具有多种调控功能,如表观遗传
反义RNA 一般可由基因互补链转录出来能与mRNA互补配对的一类RNA 抑制某些基因(如致病基因)翻译
rRNA 核糖体RNA 构成核糖体,催化氨基酸脱水缩合
tRNA 转运RNA 携带氨基酸进入核糖体参与蛋白质合成
编码 RNA hnRNA 剪切掉内含子对应序列即成mRNA mRNA的前体
mRNA 由基因转录而来,携带遗传信息 作为翻译模板指导蛋白质合成
2.遗传信息的转录
(1)概念:以 为模板,按照碱基互补配对原则,合成 的过程。
(2)场所:主要在 中,细胞质的叶绿体、线粒体及细菌的拟核中等也会发生。
(3)过程及条件
(4)产物: 、tRNA等。
诊断·加强
1.判断下列说法的正误:
(1)DNA有氢键,有螺旋结构,RNA无氢键,无螺旋结构。 ( )
(2)DNA都是双链结构,RNA都是单链结构。 ( )
(3)核糖体由rRNA和蛋白质组成,其中蛋白质催化氨基酸脱水缩合。 ( )
(4)(2017·全国Ⅲ卷)tRNA、rRNA和mRNA都是从DNA转录而来。 ( )
(5)(2021·河北卷T8)所有生物基因表达过程用到的RNA和蛋白质均由DNA编码。 ( )
(6)(2022·湖南卷T9)噬菌体在自身RNA聚合酶的作用下转录出RNA。 ( )
(7)(2020·海南卷T7)转录时基因的两条链可同时作为模板。 ( )
(8)转录过程需要解旋酶解旋后,再由RNA聚合酶催化合成RNA。 ( )
2.一个基因转录时以基因的 条链为模板,一个DNA分子上的所有基因的模板链 (选填“一定”或“不一定”)相同。
3.转录具有方向性, 为转录的起始方向。
典 题 固 法
(2021·辽宁卷改编)脱氧核酶是人工合成的具有催化活性的单链DNA分子。下图为10-23型脱氧核酶与靶RNA结合并进行定点切割的示意图。切割位点在一个未配对的嘌呤核苷酸(图中R所示)和一个配对的嘧啶核苷酸(图中Y所示)之间,图中字母均代表由相应碱基构成的核苷酸。下列有关叙述正确的是( )
A.脱氧核酶的作用过程受温度的影响
B.图中Y与两个R之间通过氢键相连
C.脱氧核酶与靶RNA之间的碱基配对方式有两种
D.利用脱氧核酶切割mRNA可以抑制基因的转录过程
(2022·江苏卷节选)科学家研发了多种RNA药物用于疾病治疗和预防,图中①~④示意4种RNA药物的作用机制。请回答下列问题:
(1)细胞核内RNA转录合成以 为模板,需要 的催化。前体mRNA需加工为成熟的mRNA,才能转运到细胞质中发挥作用,说明 对大分子物质的转运具有选择性。
(2)机制①:有些杜兴氏肌营养不良症患者DMD蛋白基因的51外显子片段中发生 ,提前产生终止密码子,从而不能合成DMD蛋白。为治疗该疾病,将反义RNA药物导入细胞核,使其与51外显子转录产物结合形成 ,DMD前体mRNA剪接时,异常区段被剔除,从而合成有功能的小DMD蛋白,减轻症状。
(3)机制②:有些高胆固醇血症患者的PCSK9蛋白可促进低密度脂蛋白的内吞受体降解,血液中胆固醇含量偏高。转入与PCSK9mRNA特异性结合的siRNA,导致PCSK9mRNA被剪断,从而抑制细胞内的 合成,治疗高胆固醇血症。
(4)机制③:mRNA药物进入患者细胞内可表达正常的功能蛋白,替代变异蛋白发挥治疗作用。通常将mRNA药物包装成脂质体纳米颗粒,目的是 。
考向1 DNA与RNA的关系、辨别
1.(2023·汕头金山中学)“RNA世界假说”是生命起源的假说之一。该学说认为生命进化的早期并没有蛋白质,是某些RNA催化了其他 RNA 的复制①,进化多年后便将携带遗传信息的功能②传给DNA, DNA 和蛋白质都是RNA 进化的产物③。下列相关叙述中正确的是( )
A.DNA和 RNA 都是生物大分子,组成元素和空间结构也相同
B.细胞分化时,核DNA、 RNA 和蛋白质的种类和含量均会发生改变
C.“RNA世界假说”具有一定的局限性,无法解释tRNA从何而来
D. rRNA能够催化肽键的形成④,该事实不能作为“RNA世界假说”的证据
审 答 指 导
题眼 明确思路 指导答案
①②③ 说明RNA具有催化和携带遗传信息的功能;另外,虽然给出“蛋白质是RNA进化的产物”,并未表明RNA有转运功能 可判断C项
③④ 根据选项信息,结合所学知识“rRNA是核糖体的组成之一”“肽键是连接氨基酸形成蛋白质的化学键”进行推测 可判断D项
考向2 遗传信息的转录
2.(2022·汕头期末)SP8噬菌体DNA的两条链的碱基组成很不平衡,其中一条链含有比较多的嘌呤(A链),另一条互补链含有比较多的嘧啶(B链),已知嘌呤比嘧啶重。科学家让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A链和B链混合,并缓慢冷却。结果发现,SP8噬菌体侵染后形成的RNA只与A链形成DNA-RNA杂合分子。下列说法正确的是( )
A.SP8噬菌体DNA中的嘧啶数不等于嘌呤数
B.DNA-RNA杂合分子不存在未配对的单链部分
C.实验说明了转录是以DNA的一条链为模板
D.实验说明了DNA是SP8噬菌体的遗传物质
考点2 遗传信息的翻译
概 念 落 实
1.翻译:游离在细胞质中的各种氨基酸,以 为模板合成 的过程。
2.场所:细胞质中的 。
3.遗传信息、密码子与反密码子
(1)概念关系
比较 遗传信息 密码子 反密码子
实质 中脱氧核苷酸的排列顺序 上决定一个氨基酸的 上的能 的3个相邻碱基
联系 碱基数∶碱基数∶ 氨基酸数 6 3 1 (数量关系详见下面特别提醒) ①基因中的遗传信息通过转录传递到mRNA的 的排列顺序上; ②密码子直接决定蛋白质分子中 的排列顺序, 可识别密码子
(2)数量关系
①密码子有 种。其中:
种起始密码子 在真核生物中AUG作为起始密码子;在原核生物中,GUG也可以作为起始密码子,此时它编码甲硫氨酸
种终止密码子:UAA、UAG、UGA 正常情况下,终止密码子 ,仅作为翻译终止的信号,但在特殊情况下,终止密码子UGA可以编码硒代半胱氨酸
②通常一种密码子决定 种氨基酸,一种tRNA只能转运 种氨基酸。
③每种氨基酸对应 密码子(密码子的简并性),可由 转运。
(3)几乎所有的生物体都 ,这是密码子的通用性(注:转基因技术的理论基础)。
特 别 提 醒
实际基因表达过程中碱基数和氨基酸数的关系不符合6∶3∶1的原因:①基因中的内含子转录后被剪切;②在基因中,有的片段(非编码区)起调控作用,不转录;③合成的肽链在加工过程中可能会被剪切掉部分氨基酸;④转录出的mRNA中有终止密码子,终止密码子一般不编码氨基酸。
4.翻译的过程
5.真核与原核细胞中翻译过程模型解读
甲 乙
(1)模型甲:真核细胞中翻译过程,特点是先转录后翻译。图中①是 ,⑥是 ,②③④⑤表示正在合成的4条 (选填“相同”或“不同”)的多肽链,从肽链长短可以判断翻译的方向是 。
(2)模型乙:原核细胞中转录和翻译的过程,特点是 ,与真核细胞不同的原因是原核细胞 ,且原核细胞的基因中无内含子,转录形成的mRNA不需要加工即可直接作为翻译的模板。
(3)(链接必修2教材P69旁栏图)两个模型图都反映出mRNA与核糖体的数量关系是:
。多聚核糖体形成的意义是 。
归 纳 总 结
比较DNA的复制、转录和翻译
复制 转录 翻译
时间 细胞分裂的间期 生物个体发育的整个过程
场所 主要在细胞核(叶绿体、线粒体和拟核中也发生) 核糖体
模板 DNA的两条单链 DNA的一条链 mRNA
原料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 20种氨基酸
条件 解旋酶、DNA聚合酶、能量 RNA聚合酶、能量 酶、ATP、tRNA、能量
产物 2个双链DNA RNA 肽链(蛋白质)
特点 边解旋边复制、半保留复制 边解旋边转录 1条mRNA上同时结合多个核糖体,合成多条肽链
碱基配对 方式 A—T、T—A、 G—C、C—G A—U、T—A、 G—C、C—G A—U、U—A、 G—C、C—G
信息传递 DNA→DNA DNA→mRNA mRNA→蛋白质
意义 传递遗传信息 表达遗传信息,使生物表现出各种性状
诊断·加强
1.判断下列说法的正误:
(1)一个DNA分子转录一次,可形成一个或多个合成多肽链的模板 ( )
(2)多个核糖体可结合在一个mRNA分子上共同合成一条多肽链 ( )
(3)编码氨基酸的密码子由mRNA上3个相邻的脱氧核苷酸组成 ( )
(4)每种氨基酸都至少有两种相应的密码子 ( )
(5)真核生物基因表达的过程即是蛋白质合成的过程 ( )
(6)起始密码子和终止密码子是基因两端的一段序列,控制着翻译的开始和结束。 ( )
2.下图中编号代表的结构或物质分别是:① ;② ;③ ;④ ;⑤ 。
典 题 固 法
(2021·广东卷)金霉素(一种抗生素)可抑制tRNA与mRNA的结合,该作用直接影响的过程是( )
A.DNA复制 B.转录
C.翻译 D.逆转录
(2022·湖南卷)大肠杆菌核糖体蛋白与rRNA分子亲和力较强,二者组装成核糖体。当细胞中缺乏足够的rRNA分子时,核糖体蛋白可通过结合到自身mRNA分子上的核糖体结合位点而产生翻译抑制。下列相关叙述错误的是( )
A.一个核糖体蛋白的mRNA分子上可相继结合多个核糖体,同时合成多条肽链
B.细胞中有足够的rRNA分子时,核糖体蛋白通常不会结合自身mRNA分子
C.核糖体蛋白对自身mRNA翻译的抑制维持了RNA和核糖体蛋白数量上的平衡
D.编码该核糖体蛋白的基因转录完成后,mRNA才能与核糖体结合进行翻译
(2020·全国Ⅲ卷)细胞内有些tRNA分子的反密码子中含有稀有碱基次黄嘌呤(Ⅰ),含有Ⅰ的反密码子在与mRNA中的密码子互补配对时,存在如图所示的配对方式(Gly表示甘氨酸)。下列说法错误的是( )
A.一种反密码子可以识别不同的密码子
B.密码子与反密码子的碱基之间通过氢键结合
C.tRNA分子由两条链组成,mRNA分子由单链组成
D.mRNA中的碱基改变不一定造成所编码氨基酸的改变
考向1 结合新情景考查RNA
1.(2022·深圳五校联考)生物体中编码tRNA的DNA某些碱基改变后,可以产生被称为校正tRNA的分子。某种突变产生了一种携带甘氨酸但是识别精氨酸遗传密码的tRNA。tRNA上识别遗传密码的三个碱基称为反密码子。下列叙述错误的是( )
A.tRNA分子上的反密码子并不决定其携带的氨基酸种类
B.新合成的多肽链中,原来精氨酸的位置可被替换为甘氨酸
C.此种突变改变了编码蛋白质氨基酸序列的遗传密码序列
D.校正tRNA分子的存在可以弥补某些突变引发的遗传缺陷
考向2 遗传信息的翻译
2.(2022·佛山一模)叶绿体具有自身的基因组和遗传信息表达系统,叶绿体中的蛋白质一部分由自身基因编码,一部分由核基因编码。核基因编码的叶绿体蛋白质前端含有一段转运肽,可以引导其进入叶绿体。D1是叶绿体进行光反应依赖的一种核心蛋白,由自身的psbA基因编码。高温造成叶绿体内活性氧(ROS)的大量积累,ROS不但会破坏D1,还会抑制psbA mRNA的翻译。为了克服高温对作物产量的影响,我国科学家克隆了拟南芥叶绿体中的psbA基因,与高温响应的启动子连接,导入水稻细胞的核基因组中,培育出适应高温的转基因水稻。相关说法正确的是( )
A.D1核心蛋白主要分布在叶绿体基质中
B.拟南芥叶绿体中psbA基因的复制需要用到DNA酶
C.转基因水稻细胞核中转录产生的psbA mRNA进入叶绿体翻译
D.除高温响应的启动子外,目的基因psbA还要与编码转运肽的DNA片段连接
3.(2019·全国Ⅰ卷)用体外实验的方法可合成多肽链。已知苯丙氨酸的密码子是UUU,若要在体外合成同位素标记的多肽链,所需的材料组合是( )
①同位素标记的tRNA ②蛋白质合成所需的酶 ③同位素标记的苯丙氨酸 ④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸 ⑤除去了DNA和mRNA的细胞裂解液
A.①②④ B.②③④
C.③④⑤ D.①③⑤
考向3 综合考查DNA复制、转录和翻译
4.(2022·深圳二调)下图表示真核细胞遗传信息传递的有关概念图,据图分析下列说法错误的是( )
A.①表示的DNA主要分布在细胞核,少量分布在细胞质
B.a、b和c过程可分别表示遗传信息的复制、转录和翻译
C.多细胞生物个体每个细胞中含有的②③④⑤的种类都相同
D.⑦是遗传信息表达的最终产物,它直接或间接控制生物性状
构核心概念
练教材长句
链接必修2教材P65。
(1)RNA适合作信使的原因:①它的分子组成与DNA相似,也是由基本单位——核苷酸连接而成,核苷酸也有4种碱基,这些特点使得 ;② ,因此能通过核孔转移到细胞质中。
(2)从染色体的角度分析,处于分裂期的细胞难以进行转录的原因是
。
拎教材“冷”点
链接必修2教材P67“图4-6”。
(1)tRNA (选填“含有”或“不含有”)氢键,一个tRNA分子中 (选填“只有”或“不止有”)三个碱基。
链接必修2教材P65“图4-4”。
(2)RNA聚合酶与DNA的结合位点在基因的 (选填“编码”或“非编码”)区中 上。
链接必修2教材P68“图4-7”。
(3)核糖体与mRNA的结合会形成 个tRNA的结合位点。
链接必修2教材P66“相关信息”。
(4)tRNA和rRNA本身 (选填“会”或“不会”)翻译为蛋白质,但参与蛋白质的合成过程。tRNA是翻译的“搬运工”,识别密码子并转运 ;rRNA是翻译的场所—— 的组分之一。
链接必修2教材 P67“思考·讨论”。
(5)一个氨基酸有一个或多个密码子,称为密码子的简并性,氨基酸使用频率越高,其对应密码子类型 。密码子的简并对生物体的生存发展的意义是:①当一个密码子中有一个碱基改变时,可能 (选填“会”或“并不会”)改变其对应的氨基酸,增强了 ;②当某种氨基酸使用频率高时,几种不同的密码子都编码同一种氨基酸,可以保证 ,提高基因表达的效率。
链接必修2教材 P70“生物科学史话”、P76“科学·技术·社会”。
(6)密码子的通用性,说明了当今生物 。也使得一种生物的基因能在另外一种生物体内 成为可能。
(7) 是第一个用实验证明遗传密码中3个碱基编码一个氨基酸的。他发现:①在相关碱基中增加或者删除 个碱基,无法产生具有正常功能的蛋白质;②在相关碱基中增加或者删除 个碱基, 却能合成具有正常功能的蛋白质。
(8)尼伦伯格和马太在破译遗传密码时,与克里克的思路完全不同,他们采用了蛋白质的体外合成技术,可细胞中原有的 会作为合成蛋白质的模板干扰实验结果,细胞中原有的 可能作为mRNA合成的模板,而新合成的 也会干扰实验结果,因此需要除去细胞提取液中的DNA和mRNA。
第23讲 基因的表达
考点1 遗传信息的转录
【概念落实】
1.C、H、O、N、P 核糖核苷酸 A、U、C、G 核糖 蛋白质 氨基酸 密码子 核糖体 遗传物质 催化
2.(1)DNA的一条链 RNA (2)细胞核 (3)A—U T—A 核糖核苷酸 RNA聚合酶 5'→3' (4)mRNA、rRNA
【诊断·加强】
1.(1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)×
2.一 不一定
3.已合成的mRNA释放的一端(5'端)
【典题固法】
【高考典例】
例1 A 解析:脱氧核酶的化学本质是DNA,温度会影响脱氧核酶的结构,从而影响脱氧核酶的作用,A正确;图中Y与同一条链上的R之间通过“—核糖—磷酸—”相连,B错误;脱氧核酶本质是DNA,与靶RNA之间的碱基配对方式有A-U、T-A、C-G、G-C四种,C错误;利用脱氧核酶切割mRNA可以抑制基因的翻译过程,D错误。
例2 (1)DNA的一条链 RNA聚合酶 核孔 (2)基因突变 双链RNA (3)PCSK9蛋白 (4)保护并把mRNA药物送入组织细胞,使之能够表达正常的功能蛋白
解析:(2)若DMD蛋白基因的51外显子片段中发生基因突变,即发生碱基对的增添、替换或缺失,可能导致mRNA上的碱基发生改变,终止密码提前出现,从而不能合成DMD蛋白而引发杜兴氏肌营养不良。治疗该疾病,将反义RNA药物导入细胞核,使其与51外显子转录产物结合形成双链RNA,DMD前体mRNA剪接时,异常区段被剔除,从而合成有功能的小DMD蛋白,减轻症状。(3)高胆固醇是胆固醇含量过高引起的,转入与PCSK9mRNA特异性结合的siRNA,导致PCSK9mRNA不能发挥作用,即不能作为模板翻译出PCSK9蛋白,密度脂蛋白的内吞受体降解减慢,从而使胆固醇含量正常。(4)将mRNA药物包装成脂质体纳米颗粒,可以保护mRNA不被降解,且脂质体与细胞膜的基本结构类似,有利于mRNA药物进入组织细胞,从而表达出正常功能蛋白。
【对点演练】
1.C 解析:DNA和RNA的空间结构不同;细胞分化时,核DNA的种类、含量不会变化;从题干信息判断,起初的RNA有催化和携带遗传信息功能,但并未说明RNA有转运功能;rRNA能催化肽键形成,可能与蛋白质的合成有关,这能作为“RNA世界假说”的证据。
2.C 解析:SP8噬菌体DNA为双链DNA,遵循碱基互补配对原则,嘧啶数等于嘌呤数,A错误;SP8噬菌体DNA的基因中含有基因表达调控序列,进行转录时,该序列不能转录成相应的RNA序列,如启动子,因此DNA-RNA杂合分子存在未配对的单链部分,B错误;该实验说明了SP8噬菌体DNA转录产生的RNA只与A链结合,即转录是以DNA的一条链为模板,C正确;该实验说明了SP8噬菌体以DNA为模板转录合成RNA,并未说明SP8噬菌体侵染枯草杆菌时注入DNA,也未说明SP8噬菌体繁殖的子代噬菌体中含有DNA,所以不能说明DNA是SP8噬菌体的遗传物质,D错误。
考点2 遗传信息的翻译
【概念落实】
1.mRNA 具有一定氨基酸顺序的蛋白质
2.核糖体
3.(1)DNA mRNA 3个相邻的碱基 tRNA 与mRNA上密码子互补配对 核糖核苷酸 氨基酸 反密码子 (2)①64 2 3 不编码氨基酸 ②1 1 ③一种或几种 一种或几种tRNA (3)共用一套密码子
4.mRNA tRNA 肽键 mRNA tRNA 终止密码子 核糖体与mRNA的复合物
5.(1)mRNA 核糖体 相同 自右向左 (2)边转录边翻译 无以核膜为界限的细胞核 (3)一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体 少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质
【诊断·加强】
1.(1)√ 提示:一个DNA分子转录一次,形成的mRNA需要进行剪切加工,可能合成一条或多条模板链。 (2)× 提示:在转录过程中,mRNA上可附着多个核糖体进行翻译,得到数条相同的多肽链,而不是共同合成一条多肽链。 (3)× 提示:mRNA由核糖核苷酸构成,不具有脱氧核苷酸。 (4)× 提示:一种氨基酸对应有一种至多种密码子决定。 (5)× 提示:真核生物基因表达的过程包括转录生成RNA和翻译合成蛋白质。 (6)× 提示:启动子与终止子存在于基因(DNA)中,是基因转录开始与结束的结构;起始密码子与终止密码子存在于mRNA上,是翻译开始与结束的信号。
2.DNA mRNA tRNA 核糖体 氨基酸
【典题固法】
【高考典例】
例1 C 解析:tRNA与mRNA结合发生在翻译过程。
例2 D 解析:大肠杆菌为原核生物,没有核膜,转录形成的mRNA在转录未结束时即和核糖体结合,开始翻译过程,D错误。
例3 C 解析:I与U、C、A均能配对,因此含I的反密码子可识别多种不同的密码子;tRNA由单链RNA经过折叠后形成三叶草形。
【对点演练】
1.C 解析:根据题干信息可知,此种突变发生在编码tRNA的DNA序列上,且产生了校正tRNA分子,并没有改变编码蛋白质氨基酸序列的遗传密码序列,C错误。
2.D 解析: D1是叶绿体进行光反应依赖的一种核心蛋白,而光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜,据此可推测该蛋白分布在叶绿体的类囊体薄膜上,A错误;拟南芥叶绿体中psbA基因的复制需要用到DNA聚合酶,DNA酶能催化DNA水解,B错误;转基因水稻细胞核中转录产生的psbA mRNA不进入叶绿体翻译,而在细胞质中的核糖体上进行翻译,C错误;除高温响应的启动子外,由于目的基因导入的是水稻细胞的核基因组中,而核基因组编码的蛋白质前端含有一段转运肽才能进入叶绿体,据此可推测目的基因psbA还要与编码转运肽的DNA片段连接,D正确。
3.C 解析:翻译的原料是氨基酸,要想让多肽链带上放射性标记,应该用同位素标记的氨基酸作原料,而tRNA为氨基酸的运载体,不需要标记,①错误,③正确;合成蛋白质需要模板,由题知苯丙氨酸的密码子是UUU,因此可以用人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸作模板,④正确;除去了DNA和mRNA的细胞裂解液中模拟了细胞中的真实环境,其中含有核糖体、tRNA和酶等,②错误,⑤正确。
4.C 解析:据图分析,①是DNA,②是RNA,③是tRNA,④是mRNA,⑤是rRNA,⑥是氨基酸,⑦是蛋白质;a是DNA分子复制,b是转录,c是翻译。由于基因的选择性表达,多细胞生物的个体每个细胞中含有的②③④⑤的种类不完全相同,C错误。
课堂小结与延伸
【构核心概念】
①控制蛋白质合成 ②转录 ③翻译 ④脱氧核苷酸 ⑤核糖核苷酸 ⑥氨基酸
【练教材长句】
(1)RNA具备准确传递遗传信息的可能 RNA一般是单链,而且比DNA短
(2)分裂期染色体高度螺旋化,其DNA难以解旋
【拎教材“冷”点】
(1)含有 不止有 (2)非编码 启动子 (3)2 (4)不会 氨基酸 核糖体 (5)越多 并不会 密码子的容错性 翻译的速度 (6)可能有着共同的起源 表达产生相同的蛋白质 (7)克里克 1个或2 3或3的整倍数 (8)mRNA DNA mRNA