第一节 DNA是主要的遗传物质
新课程标准
学业质量目标
3.2.1阐明减数分裂产生染色体数量减半的精细胞或卵细胞
合格考试
1.基于模型分析,归纳概括精子形成过程中各个时期染色体的行为变化。(科学思维)2.基于模型分析,归纳概括卵细胞形成过程中各个时期染色体的行为变化。(科学思维)
等级考试
1.基于模型分析,比较并归纳概括卵细胞与精子形成的区别。(科学思维)2.通过对植物细胞减数分裂装片的观察,识别减数分裂不同时期染色体的形态、位置和数目,加深对减数分裂过程的理解。(科学探究)
一、肺炎链球菌转化实验
1.肺炎链球菌:
判一判:基于对肺炎链球菌的理解进行判断。
(1)R型活细菌无多糖类荚膜,在培养基上形成的菌落表面光滑。
(×)
提示:R型活细菌无多糖类荚膜,在培养基上形成的菌落表面粗糙。
(2)S型活细菌有多糖类荚膜,在培养基上形成的菌落表面光滑。
(√)
(3)S型活细菌无致病性,不会使人和小鼠患病。
(×)
提示:S型活细菌有致病性,会使人和小鼠患肺炎,小鼠并发败血症死亡。
(4)R型活细菌有致病性,会使人和小鼠患病。
(×)
提示:R型活细菌无致病性,不会使人和小鼠患病。
2.格里菲斯的实验:
(1)实验过程:
(2)实验推论:被加热杀死的S型细菌中可能含有某种转化因子,使R型细菌转化为S型细菌,而且这种转化是可以遗传的。
3.艾弗里的实验:
(1)基于对艾弗里实验过程的理解,填空:
(2)实验结论:DNA使R型细菌转化为S型细菌。
上述实验中蛋白酶、RNA酶、DNA酶的作用分别是什么?
提示:蛋白酶催化蛋白质水解,RNA酶催化RNA水解,DNA酶催化DNA水解。
二、噬菌体侵染细菌的实验
1.实验材料:T2噬菌体和大肠杆菌。
(1)T2噬菌体的结构及生活方式:
(2)T2噬菌体的繁殖:
①繁殖过程:吸附→侵入→增殖→成熟→裂解。
②T2噬菌体侵染大肠杆菌后,会在噬菌体DNA的作用下,利用大肠杆菌体内的物质来合成自身的组成成分。
2.实验方法:放射性同位素标记法。
从元素组成的角度分析标记元素的选择:
(1)DNA的组成元素:C、H、O、N、P,蛋白质的主要组成元素:C、H、O、N、S。
(2)该实验中用35S、32P分别标记噬菌体的蛋白质和DNA。
3.实验过程:
4.实验结果分析:
(1)噬菌体侵染细菌时,DNA进入细菌的细胞中,而蛋白质外壳仍留在细胞外。
(2)在噬菌体DNA的指导下,新组装并释放出来的子代噬菌体与侵染大肠杆菌的噬菌体完全相同。
5.结论:DNA才是真正的遗传物质。
教材【积极思维】大肠杆菌裂解释放出的噬菌体中不能检测到35S的蛋白质,那么蛋白质外壳来源于哪里?
提示:蛋白质外壳是以大肠杆菌的氨基酸为原料合成的。
三、RNA是某些病毒的遗传物质
1.烟草花叶病毒的实验:
(1)烟草花叶病毒的结构:
(2)实验过程:
(3)结论:RNA起着控制性状的作用,而不是蛋白质,即RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。
2.TMV(烟草花叶病毒)与HRV(车前草病毒)的病毒重建实验:
(1)实验过程:
(2)实验结论:在只含有RNA而不含有DNA的病毒中,遗传物质是RNA。
病毒中的核酸、核苷酸、五碳糖和碱基分别有多少种?病毒的遗传物质是否都是RNA?
提示:1种、4种、1种和4种。不一定,如T2噬菌体的遗传物质是DNA。
四、生物与遗传物质的种类
选一选:基于对生物遗传物质的理解填空。下列生物中遗传物质是DNA的有:①③④⑤⑥⑦⑨;遗传物质为RNA的有:②⑧⑩。
①T2噬菌体 ②烟草花叶病毒 ③蓝细菌
④大肠杆菌 ⑤酵母菌 ⑥蝗虫 ⑦杨树
⑧SARS病毒 ⑨乙肝病毒 ⑩艾滋病病毒
知识点一
肺炎链球菌两个转化实验的比较
1.区别:
体内转化实验
体外转化实验
科学家
格里菲斯
艾弗里及其同事
细菌培养
小鼠体内
体外培养基
实验构思
用加热致死的S型细菌注射到小鼠体内作为对照实验来说明确实发生了转化
将S型细菌的DNA、RNA、蛋白质分别与R型细菌混合培养,观察能否使R型细菌发生转化
观察指标
小鼠是否死亡
培养基中菌落类型
实验结论
加热致死的S型细菌体内有转化因子
转化因子很可能是DNA
2.联系:
(1)体内转化实验是体外转化实验的基础,体外转化实验则是前者的延伸。
(2)实验设计都遵循对照原则和单一变量原则。
特别提醒:肺炎链球菌实验的三点提醒
①加热会使蛋白质变性失活,这种失活是不可逆的,温度降低后蛋白质活性也不可恢复;而加热会使DNA双链解旋,随温度的降低,仍可恢复活性。
②转化的实质是S型细菌的DNA片段整合到R型细菌的DNA中。
③艾弗里的实验思路实际是将S型肺炎链球菌中提纯的各种物质分别和R型活细菌混合培养,单独、直接地观察它们的作用效果。
【知识拓展】
区分R型肺炎链球菌与S型肺炎链球菌的方法
(1)显微观察:制作装片,用光学显微镜观察肺炎链球菌是否有荚膜。有荚膜的为S型肺炎链球菌,无荚膜的为R型肺炎链球菌。
(2)宏观观察:培养成菌落,观察菌落的形态。菌落表面光滑的为S型肺炎链球菌,表面粗糙的为R型肺炎链球菌。
(3)动物实验:将菌体注入小动物体内,有致病性的为S型肺炎链球菌,无致病性的为R型肺炎链球菌。
在肺炎链球菌的转化实验中,在培养R型细菌的1、2、3、4四支试管中,依次加入从S型活细菌中提取的DNA、DNA和DNA酶、蛋白质、多糖,经过培养,检查结果发现试管内仍然有R型细菌的是
( )
A.3和4
B.1、3和4
C.2、3和4
D.1、2、3和4
【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:
【解析】选D。在2、3、4三支试管内,只有R型细菌,因为没有S型细菌的DNA,所以都不会发生转化。1号试管内因为有S型细菌的DNA,所以会使R型细菌发生转化,但是发生转化的R型细菌只是一部分,故试管内仍然有R型细菌存在。
【母题追问】
(1)上述1号试管中含有肺炎链球菌的种类及各自的来源是什么?
提示:R型和S型。S型细菌的DNA插入R型细菌的DNA上,R型细菌发生转化形成S型细菌,试管中部分R型细菌发生转化,仍存在R型细菌。
(2)上题导致R型细菌转化为S型细菌的遗传物质、原料、能量分别由哪方提供?
提示:实现转化时遗传物质来自S型细菌,原料和能量均来自R型细菌。
【审答误区】
不能理解什么是转化,S型细菌的DNA整合到R型细菌中,使R型细菌由无毒变成有毒,即转化成功。
1.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
( )
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】选D。S型肺炎链球菌的菌落为光滑的,R型肺炎链球菌的菌落是粗糙的,A错误;S型菌的蛋白质经过加热后已经失活,但其DNA经加热后没有失去活性,B错误;S型细菌中的DNA能将部分R型细菌转化为S型细菌,因此从病死小鼠中分离得到的肺炎链球菌有S型菌和R型菌,C错误;该实验证明S型细菌中存在某种转化因子,能将R型细菌转化为S型细菌,但不能证明R型菌转化为S型菌是由S型菌的DNA引起的,D正确。
2.“肺炎链球菌的转化实验”证明了DNA是遗传物质,而蛋白质不是遗传物质,得出这一结论的关键是
( )
A.用S型活细菌和加热杀死后的S型细菌分别对小鼠进行注射,并形成对照
B.用杀死的S型细菌与无毒的R型细菌混合后注射到小鼠体内,测定小鼠体液中抗体的含量
C.从死亡小鼠体内分离获得了S型细菌
D.将S型细菌的各种组成物质分离并分别加入各培养基中,培养R型细菌,观察是否发生转化
【解析】选D。将S型细菌的各种组成物质分离并分别与R型细菌混合培养后,发现只有加入DNA的培养基中R型细菌发生转化,出现S型细菌,而加入其他组成物质的培养基中R型细菌(如加入蛋白质)不发生转化,即不出现S型细菌。
【补偿训练】
如图表示肺炎链球菌的转化实验,下列说法中正确的是
( )
A.该实验的设计遵循了对照原则和单一变量原则
B.a、d组小鼠死亡是小鼠免疫功能丧失的结果
C.从d组死亡小鼠身上分离得到的S型活细菌是由S型死细菌转化而成的
D.S型细菌的DNA可使小鼠死亡
【解析】选A。对照原则和单一变量原则是生物实验设计的基本原则,图中的实验是肺炎链球菌的体内转化实验。四组实验的处理方法不同并相互对照,A项正确;a、d两组小鼠是由于感染了S型活细菌后患败血症死亡的,B项错误;d组小鼠体内出现的S型活细菌是由R型活细菌转化而来的,C项错误;S型细菌的DNA并不直接使小鼠死亡,而是使R型细菌转化为有毒的S型细菌,最终使小鼠死亡,D项错误。
知识点二
噬菌体侵染细菌的实验
1.噬菌体侵染细菌的过程:
过程
过程图示
过程分析
吸附
噬菌体用尾部的尾丝附着在细菌表面
侵入
噬菌体将自身的DNA侵入细菌体内,而蛋白质外壳留在细菌体外
过程
过程图示
过程分析
增殖
亲代噬菌体的DNA利用细菌体内的营养物质为原料,复制子代噬菌体的DNA,并合成子代噬菌体的蛋白质外壳
成熟
合成的子代噬菌体的DNA和蛋白质组装成子代噬菌体
裂解
细菌裂解,释放出子代噬菌体;释放的子代噬菌体再去侵染其他细菌
特别提醒:
①T2噬菌体营寄生生活,寄主细胞只能是大肠杆菌。
②噬菌体在大肠杆菌中繁殖后代过程中,DNA由噬菌体提供,合成子代噬菌体的DNA和蛋白质外壳所需要的原料都是由大肠杆菌提供。
2.噬菌体中放射性元素分析:
放射性元素
标记生物
检测物质
检测结果
32P
噬菌体
子代噬菌体的核酸
部分含放射性
大肠杆菌
全部含放射性
35S
噬菌体
子代噬菌体的蛋白质
均无放射性
大肠杆菌
均含放射性
14C、3H
噬菌体
子代噬菌体的核酸
部分含放射性
子代噬菌体蛋白质
均不含放射性
大肠杆菌
子代噬菌体的核酸
全部含放射性
子代噬菌体蛋白质
全部含放射性
特别提醒:
①P是DNA的特有元素,只标记噬菌体的DNA;S是蛋白质的特有元素,只标记噬菌体的蛋白质外壳。
②噬菌体的蛋白质和DNA中均含有C、H、O三种元素,所以不能标记这三种元素,否则无法区分标记的是DNA
还是蛋白质。
3.实验中放射性正常或异常分布情况及原因:
(1)用含32P的T2噬菌体侵染大肠杆菌时:
(2)用含35S的T2噬菌体侵染大肠杆菌时:
特别提醒:
①实验过程中保温时间要合理(不能过长或过短),否则上清液中会含有放射性。
②搅拌要充分,否则沉淀物中会含有放射性。
【知识拓展】
同位素标记法
(1)适用范围及实验原理:同位素标记法一般是在需要研究的物质体系中,加入一些放射性同位素原子(标记原子),用放射性检测手段来跟踪其行迹,研究出该系统的变化规律。可用来研究元素在同一生物体内各细胞之间以及细胞内各细胞器之间、各物质之间的运行和变化情况。
(2)常用元素:用于跟踪技术的放射性同位素一般是构成细胞化合物的重要元素,如3H、14C、32P、35S等。
(3)一般流程:明确研究的生命活动→确定密切相关的化合物→选择恰当的放射性元素→用含放射性元素的物质处理细胞或生物→放射性检测→得出规律。
如果用3H、14C、32P、35S标记噬菌体后,让其侵染细菌,在产生的子代噬菌体的组成结构成分中,能够找到的放射性元素为
( )
A.可在蛋白质外壳中找到3H、14C、35S
B.可在DNA中找到3H、14C、32P
C.可在蛋白质外壳中找到
14C、32P、35S
D.可在DNA中找到14C、32P、35S
【解题思维】解答本题需要突破两个关键点:
【解析】选B。噬菌体的蛋白质和DNA中都有C、H、O、N四种元素,蛋白质中特有的元素是S,DNA中特有的元素是P。当用3H、14C、32P、35S标记噬菌体后,3H、14C、35S标记在噬菌体的蛋白质外壳上,3H、14C、32P标记在噬菌体的DNA上,由于细菌没有被标记,噬菌体侵染细菌时只有其DNA分子进入细菌中,重新合成了子代的蛋白质外壳。故在子代噬菌体的组成成分中,其蛋白质外壳含3H、14C,部分DNA中含3H、14C、32P,B正确。
【审答误区】常见以下两种错误:
(1)3H、14C标记噬菌体时,噬菌体的蛋白质外壳和DNA均被标记,而不是其中一种被标记。
(2)噬菌体侵染细菌过程中,只有DNA进入宿主细胞,利用宿主细胞的原料进行物质合成。
【方法规律】二看法判断子代放射性的有无
1.如图所示为赫尔希和蔡斯实验中的T2噬菌体侵染大肠杆菌的过程示意图。下列说法正确的是
( )
A.过程⑤释放的噬菌体都不含有亲代的成分
B.培养噬菌体和大肠杆菌可用相同的培养基
C.T2噬菌体和大肠杆菌含有的核酸种类相同
D.T2噬菌体增殖需要大肠杆菌的核糖体参与
【解析】选D。过程⑤释放的噬菌体中有少数含有亲代的DNA,A错误;噬菌体是DNA病毒,营寄生生活,故培养噬菌体的培养基中必须有活细胞,而培养大肠杆菌的培养基中不需要活细胞,B错误;T2噬菌体含有的核酸是DNA,大肠杆菌含有的核酸是DNA和RNA,C错误;T2噬菌体没有细胞结构,增殖需要大肠杆菌的核糖体参与,合成蛋白质,D正确。
2.赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌实验证实了DNA是遗传物质,下列关于该实验的叙述正确的是
( )
A.实验中可用15N代替32P标记DNA
B.噬菌体的蛋白质外壳是大肠杆菌编码的
C.噬菌体DNA的合成原料来自大肠杆菌
D.实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA
【解析】选C。N是蛋白质和DNA共有的元素,若用15N代替32P标记噬菌体的DNA,则其蛋白质也会被标记,A错误;噬菌体的蛋白质外壳是由噬菌体的DNA在大肠杆菌体内编码的,B错误;噬菌体的DNA合成的模板来自噬菌体自身的DNA,而原料来自大肠杆菌,C正确;该实验证明了噬菌体的遗传物质是DNA,D错误。
【补偿训练】
赫尔希和蔡斯“噬菌体侵染细菌”的实验中,操作及结果正确的是
( )
A.同时用含同位素35S、32P标记的培养基培养细菌,再用此细菌培养噬菌体
B.分别用含同位素35S、32P标记的噬菌体侵染未经标记的细菌
C.噬菌体侵染细菌并经保温、搅拌与离心后,含35S的放射性同位素主要分布在沉淀物中
D.噬菌体侵染细菌并经保温、搅拌与离心后,含32P的放射性同位素主要分布在上清液中
【解析】选B。分别(而不能同时)用含同位素35S、32P标记的培养基培养细菌,然后用细菌培养噬菌体,再分别用含同位素35S、32P标记的噬菌体侵染未经标记的细菌,A错误、B正确;35S标记的是噬菌体的蛋白质,噬菌体在侵染细菌时,蛋白质没有进入细菌,留在外面,经过搅拌、离心后,35S主要存在于上清液中,C错误;32P标记的是噬菌体的DNA,噬菌体在侵染细菌时,DNA进入细菌,并随着细菌离心到沉淀物中,所以32P主要分布在沉淀物中,D错误。
知识点三
DNA是主要的遗传物质
1.探索“遗传物质”的思路和方法:
(1)探究思路:设法将各种物质分开,单独观察它们的作用。
(2)三种方法:
2.生物的遗传物质不同:
生物类型
细胞生物
非细胞生物
真核生物
原核生物
DNA病毒
RNA病毒
实例
动物、植物和真菌等
细菌等
T2噬菌体等
HIV、烟草花叶病毒等
核酸种类
DNA和RNA
DNA和RNA
DNA
RNA
遗传物质
DNA
DNA
DNA
RNA
结果
绝大多数生物的遗传物质是DNA,少数生物的遗传物质是RNA
结论
DNA是主要的遗传物质
特别提醒:
①生物体内具有的核酸不一定是遗传物质,如细胞中的RNA。
②绝大多数生物的遗传物质是DNA,只有极少数病毒(RNA病毒)的遗传物质是RNA。
生物亲子代之间是通过遗传物质来传递遗传信息的。下列关于生物遗传物质的叙述,正确的是
( )
A.病毒的遗传物质是DNA
B.蓝细菌的遗传物质主要是DNA
C.既有DNA又有RNA的生物,其遗传物质是DNA
D.真核生物的遗传物质是DNA,原核生物的遗传物质是RNA
【解析】选C。病毒的遗传物质是DNA或RNA,A错误;蓝细菌的遗传物质就是DNA,B错误;既有DNA又有RNA的生物,其遗传物质是DNA,C正确;无论真核生物还是原核生物,只要具有细胞结构,其遗传物质就是DNA,D错误。
【审答误区】
(1)对于某种特定的生物而言,其遗传物质只有一种,DNA或RNA,没有主要和次要之分。
(2)具有细胞结构的生物,其遗传物质为DNA,病毒的遗传物质为DNA或RNA。
【母题追问】
(1)将病毒的遗传物质彻底水解会得到几种物质?
提示:6种,1种磷酸、4种碱基、1种五碳糖。
(2)将人体细胞的核酸彻底水解会得到几种物质?
提示:8种,1种磷酸、5种碱基、2种五碳糖。
1.科学家从烟草花叶病毒(TMV)中分离出a、b两个不同品系,它们感染植物产生的病斑形态不同。下列4组实验结果中,不可能出现的是
( )
实验编号
实验过程
实验结果
病斑类型
病斑中分离出的病毒类型
①
a型TMV→感染植物
a型
a型
②
b型TMV→感染植物
b型
b型
③
组合病毒(a型TMV的蛋白质+b型TMV的RNA)→感染植物
b型
a型
④
组合病毒(b型TMV的蛋白质+a型TMV的RNA)→感染植物
a型
a型
A.实验①
B.实验②
C.实验③
D.实验④
【解析】选C。a型TMV→感染植物,病斑类型是a型,病斑中分离出的病毒类型是a型,A正确;b型TMV→感染植物,病斑类型是b型,病斑中分离出的病毒类型是b型,B正确;组合病毒的RNA来自b型TMV的RNA,由于RNA病毒中RNA是遗传物质,因此组合病毒(a型TMV的蛋白质+b型TMV的RNA)→感染植物,病斑类型是b型,病斑中分离出的病毒类型是b型,C错误;组合病毒的RNA来自a型TMV的RNA,由于RNA病毒中RNA是遗传物质,因此组合病毒(b型TMV的蛋白质+a型TMV的RNA)→感染植物,病斑类型是a型,病斑中分离出的病毒类型是a型,D正确。
2.核酸是一切生物的遗传物质,下列说法正确的是
( )
A.烟草的遗传物质中含有4种碱基
B.真核生物的遗传物质都是DNA,部分原核生物的遗传物质是
RNA
C.肺炎链球菌利用人体细胞的核糖体合成蛋白质
D.RNA病毒的遗传物质均能在宿主细胞中反转录生成DNA
【解析】选A。烟草的遗传物质是DNA,含有A、T、C、G
4种碱基,A正确;真核生物和原核生物的遗传物质都是DNA,B错误;肺炎链球菌是原核生物,自身细胞中含有核糖体,可合成蛋白质,C错误;只有具有逆转录酶的RNA病毒才能在宿主细胞中反转录生成DNA,D错误。
【补偿训练】
如图是某种高等植物的病原体的遗传过程实验,实验表明这种病原体
( )
A.寄生于细胞内,通过RNA遗传
B.寄生于细胞间,通过蛋白质遗传
C.寄生于细胞内,通过蛋白质遗传
D.寄生于细胞间,通过RNA遗传
【解析】选A。从题图可看出,将RNA接种在叶片上,叶片出现了病斑,而将蛋白质外壳接种到叶片上,叶片上没有病斑,所以该病原体是通过RNA遗传的。病毒都是寄生在活细胞内的,利用细胞提供的物质进行相关代谢。
1.【实验情境】赫尔希和蔡斯研究了T2噬菌体的蛋白质和DNA在侵染大肠杆菌过程中的功能,搅拌离心后的实验数据如图所示,请分析:
(1)图中被侵染的大肠杆菌的存活率基本保持在100%,本组数据的意义是什么?(科学探究)
提示:作为对照组,以证明大肠杆菌未裂解。
(2)搅拌时间足够长,细胞外的32P含量也有约30%,原因可能是什么?(科学探究)
提示:有部分标记的噬菌体还没有侵染大肠杆菌。
2.【生活情境】2020年新型冠状病毒引起的疫情对全球多个国家造成不同程度的影响。目前已知新型冠状病毒的核酸为正链单链RNA。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换,请利用放射性同位素标记的方法,以体外培养的宿主细胞等为材料,设计实验以验证其遗传物质。简要写出实验思路,预期实验结果及结论。(要求:实验包含可相互印证的甲、乙两个组)(科学探究)
提示:①思路:甲组:将宿主细胞培养在含有放射性标记的尿嘧啶的培养基中,之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒检测其放射性。乙组:将宿主细胞培养在含有放射性标记的胸腺嘧啶的培养基中,之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。②预期实验结果及结论:甲组收集的病毒有放射性,乙组无放射性。结论:新型冠状病毒的遗传物质为RNA。
1.遗传物质是亲代与子代之间传递遗传信息的物质,下列关于探索DNA是主要的遗传物质的实验中,叙述正确的是____________。?
①格里菲斯实验证明DNA可以改变生物体的遗传性状
②艾弗里实验证明从S型肺炎链球菌中提取的DNA可以使小鼠死亡
③赫尔希和蔡斯的实验证明DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质
④赫尔希和蔡斯的实验中细菌裂解后得到的噬菌体都带有32P标记
⑤酵母菌的遗传物质分布在染色体和叶绿体中
⑥噬菌体侵染细菌实验中分别用含32P、35S的培养基培养大肠杆菌来获得被标记的噬菌体
⑦新型冠状病毒的遗传物质是RNA
【解析】选⑥⑦。格里菲斯实验只证明了转化因子的存在,没有证明转化因子是DNA,①错误;艾弗里实验证明了DNA是转化因子,从S型肺炎链球菌中提取的DNA使R型细菌转化为S型细菌才导致小鼠死亡,②错误;赫尔希和蔡斯的实验仅证明了DNA是噬菌体的遗传物质,由于蛋白质未进入宿主细胞,不能说明蛋白质不是遗传物质,③错误;赫尔希和蔡斯的实验中细菌裂解后得到的噬菌体中仅有少部分带有32P标记,④错误;酵母菌的遗传物质是DNA,分布在染色体和线粒体中,酵母菌无叶绿体,⑤错误;噬菌体侵染细菌实验中分别用含32P、35S的培养基培养大肠杆菌来获得被标记的噬菌体,⑥正确;新型冠状病毒的遗传物质是RNA,⑦正确。
2.肺炎链球菌的转化实验中,使R型细菌转化为S型细菌的转化因子是
( )
A.S型细菌的DNA
B.R型细菌的DNA
C.荚膜
D.S型细菌的RNA
【解析】选A。S型细菌的DNA能使R型细菌转化为S型细菌,因此S型细菌的DNA是转化因子,A正确,B错误;S型细菌的荚膜、RNA等物质不能使R型细菌转化为S型细菌,因此S型细菌的荚膜、RNA等物质不是转化因子,C、D错误。
3.为验证DNA是遗传物质,某同学利用R型和S型肺炎链球菌做了如下实验。下列叙述正确的是
( )
组别
接种菌株
添加物质
菌落生长情况
①
R型
S型活菌DNA
?
②
S型活菌DNA(经DNA酶处理)
?
③
无菌水
?
A.①为实验组,实验结果是一定有S型菌落出现
B.②为对照组,实验结果是一定有R型菌落出现
C.实验进行的全过程一定要采用悬浮培养方法
D.结果说明DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质
【解析】选B。①为实验组,因为受到多方面因素的影响,实验结果中不一定有S型菌落出现,A错误;②为对照组,实验结果是一定有R型菌落出现,B正确;实验进行的过程中应该在固体培养基上培养,C错误;该实验中没有涉及蛋白质的实验组,因此该实验能说明DNA是遗传物质,但不能说明蛋白质不是遗传物质,D错误。
4.用32P标记噬菌体的DNA,用35S标记噬菌体的蛋白质,用这种噬菌体去侵染大肠杆菌,则在新形成的噬菌体中
( )
A.不可能检测到32P
B.可能检测到35S
C.可能检测到32P和35S
D.大部分检测不到32P
【解析】选D。噬菌体侵染细菌时,只有DNA进入细菌作为模板控制子代噬菌体的合成,而且合成子代噬菌体所需的原料均来自细菌,因此子代噬菌体的蛋白质外壳均不含有35S。根据DNA半保留复制特点,子代噬菌体的DNA含有少量的32P和大量的31P。
5.在对照实验中,控制自变量可以采用“加法原理”或“减法原理”。下列实验中,采用“加法原理”的是
( )
A.验证过氧化氢酶可加快过氧化氢分解
B.验证Mg是植物的必需元素
C.验证光是光合作用的条件
D.艾弗里的肺炎链球菌的转化实验
【解析】选A。验证过氧化氢酶可加快过氧化氢分解,应进行有无过氧化氢酶的对照实验,采用了“加法原理”,故A正确;验证Mg是植物的必需元素,应在常态条件下,除去Mg元素,采用了“减法原理”,故B错误;验证光是光合作用的条件,应在常态条件下,除去光照条件,采用了“减法原理”,故C错误;艾弗里的肺炎链球菌转化实验,每组实验都去除一种物质,采用了“减法原理”,故D错误。
6.(2017·全国卷Ⅱ)在证明DNA是遗传物质的过程中,T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验发挥了重要作用。下列与该噬菌体相关的叙述,正确的是
( )
A.T2噬菌体也可以在肺炎链球菌中复制和增殖
B.T2噬菌体病毒颗粒内可以合成mRNA和蛋白质
C.培养基中的32P经宿主摄取后可出现在T2噬菌体的核酸中
D.人类免疫缺陷病毒与T2噬菌体的核酸类型和增殖过程相同
【解析】选C。本题主要考查T2噬菌体侵染细菌的实验及病毒的特点。T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌细胞内的病毒,A错误;T2噬菌体缺乏独立代谢的能力,只能在宿主细胞内进行代谢,B错误;T2噬菌体侵入宿主细胞后,利用宿主细胞的核苷酸合成自身的核酸,培养基中32P经宿主摄取后,可以出现在T2噬菌体的核酸中,C正确;人类免疫缺陷病毒(HIV)的遗传物质是RNA,T2噬菌体的遗传物质是DNA,D错误。
7.(教材“应用题”改编)赫尔希和蔡斯用35S或32P标记的T2噬菌体分别侵染大肠杆菌的实验,证明了DNA是遗传物质。图中被32P标记的基团是
( )
A.1
B.2
C.3
D.4
【解析】选B。S是蛋白质的特有元素,DNA
分子中含有P,蛋白质中几乎不含有,用放射性同位素32P和放射性同位素35S分别标记DNA和蛋白质,直接单独去观察它们的作用。P元素存在于核苷酸的磷酸基团2上,故被32P标记的基团是2,B正确。
8.如表为T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验。请根据实验,回答下列问题:
编号
实验过程和操作
结果
A组
含35S噬菌体+大肠杆菌搅拌、离心→检测放射性
上清液中的放射性很高,下层沉淀中的放射性很低
B组
含32P噬菌体+大肠杆菌搅拌、离心→检测放射性
上清液中的放射性很低,下层沉淀中的放射性很高
(1)从理论上分析,A组的下层沉淀和B组的上清液中的放射性应该为零,原因是?__。?
(2)由于实验数据和理论数据之间存在着较大差异,请对实验过程进行分析:
①在A组实验的沉淀中检测到放射性,可能的原因是?__。?
②在B组实验中,32P标记的噬菌体和大肠杆菌混合培养时间过长,会使上清液中放射性含量______,其可能的原因是__。?
③实验中如果保温时间过短,32P标记的噬菌体______(填“能”或“不能”)全部侵染到大肠杆菌的体内,这______(填“是”或“不是”)误差的来源,理由是__________________________________________________________________。
(3)子代噬菌体合成其蛋白质外壳的场所是________。?
【解析】(1)由于亲代噬菌体侵染细菌时,含32P的DNA全部注入大肠杆菌内,而含35S的蛋白质外壳在大肠杆菌外面,所以理论上分析,A组的下层沉淀和B组的上清液中的放射性应该为零。
(2)①在A组实验的沉淀中检测到放射性,可能的原因是搅拌不充分,没有将吸附在大肠杆菌外的35S标记的噬菌体外壳与其完全分离。②在B组实验中,若32P标记的噬菌体和大肠杆菌混合培养时间过长,部分噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放出来,经离心后分布于上清液中,会使上清液中放射性含量升高。③在实验中,如果保温时间过短,则32P标记的噬菌体将不能全部侵染到大肠杆菌的体内,这部分没有侵入大肠杆菌的噬菌体经离心后分布于上清液中,会使上清液出现放射性,所以这是误差的来源。
(3)子代噬菌体合成其蛋白质外壳的场所是大肠杆菌细胞内的核糖体。
答案:(1)噬菌体将含32P的DNA全部注入大肠杆菌内,含35S的蛋白质外壳在大肠杆菌外面
(2)①搅拌不充分,没有将吸附在大肠杆菌外的35S标记的噬菌体外壳与其完全分离
②升高 部分噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放出来,经离心后分布于上清液中
③不能 是 没有侵入大肠杆菌的噬菌体经离心后分布于上清液中,使上清液出现了放射性
(3)大肠杆菌细胞内的核糖体
【补偿训练】
某科学家做“噬菌体侵染细菌实验”时用同位素32P和35S作了如下标记:
噬菌体成分
细菌成分
核苷酸
标记32P
31P
氨基酸
32S
标记35S
若实验所得结果是子代噬菌体与亲代噬菌体的外形以及侵染细菌的特征相同,请分析:
(1)子代噬菌体的DNA分子中含有的上述元素是____________,原因是____________。
(2)子代噬菌体的蛋白质分子中含有的上述元素是__________,原因是______________________。
(3)此实验证明了____________________。
【解析】(1)子代噬菌体的DNA分子中含有的上述元素是31P和32P,原因是以亲代噬菌体的DNA(含32P)为模板,合成子链(含31P)。(2)子代噬菌体的蛋白质分子中含有的上述元素是35S,原因是亲代噬菌体的蛋白质(含32S)没进入细菌,细菌提供原料(含35S)合成子代噬菌体蛋白质外壳。(3)此实验以亲代噬菌体的DNA为模板,利用细菌体内的化学成分进行DNA的复制和蛋白质的合成,进而组装复制出很多个一模一样的子代噬菌体,证明DNA是遗传物质。
答案:(1)31P和32P 以亲代噬菌体的DNA(含32P)为模板,合成子链(含31P)
(2)35S 亲代噬菌体的蛋白质(含32S)没进入细菌,细菌提供原料(含35S)合成子代噬菌体蛋白质外壳 (3)DNA是遗传物质?
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19
-第二节 DNA分子的结构和复制
新课程标准
学业质量目标
3.2.2说明进行有性生殖的生物体,其遗传信息通过配子传递给子代
合格考试
1.基于受精作用过程的分析,归纳概括减数分裂和受精作用的意义。(科学思维)2.基于模型分析,理解配子中染色体组合的多样性,领悟减数分裂的意义。(科学思维)
等级考试
1.运用模型分析配子中染色体组合的多样性。(科学探究)2.运用结构与功能观,解释减数分裂和受精作用对生物遗传和变异的意义。(科学思维)
一、沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
判一判:基于科学家对DNA结构的探究历程,判断下列说法的正误:
1.查哥夫通过定量分析发现DNA分子中腺嘌呤的总量总与胸腺嘧啶的量相当,鸟嘌呤的量总是与胞嘧啶的量相当。
(√)
2.由于DNA双螺旋结构的发现,沃森、克里克和威尔金斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。
(√)
提示:由于沃森和克里克撰写的《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》论文的发表,沃森、克里克和威尔金斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。
3.A—T碱基对和G—C碱基对的形状和直径是不相同的,使得DNA的直径也不同。
(×)
提示:由于A—T碱基对和G—C碱基对具有相同的形状和直径,使得DNA具有恒定的直径。
4.受威尔金斯和富兰克林的影响,沃森和克里克改变了碱基配对的方式。
(×)
提示:威尔金斯和富兰克林提供了DNA衍射图谱,推算出DNA呈螺旋结构,受查哥夫的影响,沃森和克里克改变了碱基配对方式。
沃森和克里克构建的DNA双螺旋结构模型属于哪一类模型?
提示:物理模型。
二、DNA的结构
1.基于对DNA结构的理解进行填空:
2.DNA分子的特点:
(1)多样性:碱基对排列顺序的千变万化。
(2)特异性:由DNA分子中特定的碱基对排列顺序决定。
三、设计和制作
DNA分子双螺旋结构模型
某学习小组,利用材料制作了DNA双螺旋结构模型,请将合理的制作顺序排列起来③①②⑤④。
①组装“脱氧核苷酸模型”
②组成多核苷酸长链
③制作若干个磷酸、碱基和脱氧核糖
④获得DNA分子的立体结构
⑤制作DNA分子平面结构
制作一个含有n个A—T碱基对,m个G—C碱基对的长链,需要多少个扭扭棒?
提示:(2n+3m)个。
四、DNA分子通过半保留方式进行复制
1.DNA复制方式的探究:
(1)方式:半保留复制。
(2)实验过程:
Ⅰ.
Ⅱ.
(3)实验结论:DNA复制方式为半保留复制。
2.基于对DNA复制的过程与特点的理解,填空:
(1)概念:以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。
(2)场所:主要是细胞核。
(3)时期:细胞的有丝分裂间期和减数第一次分裂间期。
(4)过程:
(5)特点:边解旋边复制。
(6)方式:半保留复制。
(7)结果:形成两个完全相同的DNA。
(8)意义:确保了遗传信息代代遗传的连续性。
从DNA的结构角度分析,DNA能准确复制的原因是什么?
提示:(1)DNA的双螺旋结构,为复制提供精确的模板。(2)通过碱基互补配对,保证了复制能准确无误地进行。
知识点一
DNA分子的结构
1.DNA分子的结构:
(1)数量关系。
①游离磷酸基团:每个DNA片段有2个。
②氢键:A-T之间有2个,G-C之间有3个。
③脱氧核糖数=磷酸数=含氮碱基数。
(2)位置关系。
①单链中:相邻碱基通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接。
②双链间:相邻碱基通过氢键相连。
(3)化学键。
①氢键:连接互补链中配对的碱基。
②磷酸二酯键:连接单链中相邻两个脱氧核苷酸的脱氧核糖和磷酸。
2.DNA分子的结构特点:
(1)稳定性:DNA分子结构的稳定性是指其双螺旋结构的相对稳定性。
(2)多样性:其决定因素是DNA分子中碱基对排列顺序的千变万化。
(3)特异性:不同的DNA分子具有不同的特性,所以DNA的多样性也就意味着DNA分子的特异性。
DNA分子的多样性与特异性,从分子水平上说明了生物界的多样性和生物个体之间存在差异的原因。
特别提醒:
①在脱氧核苷酸链中,并不是每个磷酸都与两个脱氧核糖相连,如链的一端游离的磷酸只与一个脱氧核糖相连。
②若一个DNA分子含有n个碱基对,那么碱基对的排列方式就是4n种,而不是42n。
③不同的碱基对排列顺序代表了不同的遗传信息,因此,DNA分子能够储存大量遗传信息。
如图是核酸的基本组成单位核苷酸的结构图,下列说法正确的是
( )
A.比较组成DNA与RNA的④,只有②不同
B.若③是T,则④叫作胸腺嘧啶脱氧核苷酸
C.若③是尿嘧啶,则②是脱氧核糖
D.构成T2噬菌体和人体的④均有8种
【解题思维】
【解析】选B。组成DNA与RNA的④核苷酸,除了②五碳糖(分别是脱氧核糖和核糖)不同外,在③含氮碱基(分别是A、T、G、C和A、U、G、C)方面也不完全相同,A错误;若③是T,则是DNA的组成单位,④叫作胸腺嘧啶脱氧核苷酸,B正确;若③是尿嘧啶,则②是核糖,C错误;T2噬菌体只含有DNA一种核酸,人体中含有DNA和RNA两种核酸,构成T2噬菌体和人体的④含氮碱基分别有4种(A、T、G、C)、5种(A、T、G、C、U),D错误。
【审答误区】本题常见错因有两种:
(1)不能准确比较DNA与RNA在化学组成上的不同:不仅五碳糖不同,含氮碱基也不完全相同。
(2)不能区别T2噬菌体和人体的区别:T2噬菌体为病毒,只含一种核酸——DNA,DNA即为遗传物质,而人体含有两种核酸——DNA和RNA,但只有DNA是遗传物质。
【母题追问】
(1)N、P分别位于图示哪种结构?
提示:N位于③中,P位于①中。
(2)一个双链DNA分子中含有多少个游离的①?
提示:2个。
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】选D。本题主要考查DNA分子的结构。根据图示分析,①表示T(胸腺嘧啶),②表示C(胞嘧啶),③表示脱氧核糖,④表示氢键。
2.1953年沃森和克里克构建了DNA的双螺旋结构模型,推动了现代遗传学迅猛发展。如图是一个DNA分子的片段。下列叙述中错误的是
( )
A.图中②代表氢键
B.DNA是规则的双螺旋结构
C.图中①代表腺嘌呤(A)
D.该DNA中含有4种脱氧核苷酸
【解析】选C。图中②代表氢键,A正确;DNA是规则的双螺旋结构,B正确;图中①代表鸟嘌呤,C错误;看图可知:该DNA中含有4种脱氧核苷酸,D正确。
【补偿训练】
核苷酸可通过脱水形成多核苷酸,脱水后一个核苷酸的五碳糖与下一个单体的磷酸基团相连,结果在多核苷酸中形成了一个糖—磷酸主链(如图)。下列叙述正确的是
( )
A.糖—磷酸主链含C、H、O、N、P五种元素
B.合成图示化合物时,共需要脱去5分子水
C.图中的一个磷酸基团只与一个五碳糖相连
D.与图中互补的另一脱氧核苷酸链上的碱基序列是ACGAT
【解析】选D。因糖—磷酸主链是由脱水后一个核苷酸的五碳糖与下一个单体的磷酸基团相连,故只含有C、H、O、P四种元素,A错误;图示化合物由五个核苷酸相连而成,共需要脱去4分子水,B错误;该化合物最上端的核苷酸的磷酸基团只与一个五碳糖相连,下面四个核苷酸的磷酸基团与两个五碳糖相连,C错误;按照碱基互补配对原则及DNA分子中两条脱氧核苷酸链反向平行的特点,与图中互补的另一条脱氧核苷酸链上的碱基序列是ACGAT,D正确。
知识点二
DNA中碱基数量的计算
根据碱基互补配对原则:A与T配对、G与C配对,4种碱基之间存在以下关系:
(1)在DNA双链中,由于碱基互补配对,有A=T,G≡C。
(2)在DNA双链中,嘌呤总数与嘧啶总数相同,即A+G=T+C。
(3)互补碱基之和的比例在任意一条链及整个DNA分子中都相同,即若在一条链中=m,则在互补链及整个DNA分子中=m。
(4)非互补碱基之和的比例在两条互补链中互为倒数,在整个DNA分子中为1,即若在DNA一条链中=a,则在其互补链中=,而在整个DNA分子中=1。
(5)某种碱基在DNA分子中所占比例,等于这种碱基在DNA每条链中所占比例和的平均数。如DNA中A占n%,则=n%。
特别提醒:
①上述计算规律的前提条件是DNA是双链结构。
②在DNA双链结构中,任意两种不互补的碱基数之和占总碱基数的50%,即A+G=C+T=A+C=G+T=50%。
某DNA分子中A+T占整个DNA分子碱基总数的44%,其中一条链(a)上的G占该链碱基总数的21%,那么,对应的另一条互补链(b)上的G占该链碱基总数的比例是
( )
A.35%
B.29%
C.28%
D.21%
【解题思维】
【解析】选A。已知DNA分子中A+T占整个DNA分子碱基总数的44%,根据碱基互补配对原则:A=T、C=G,所以A=T=22%,则C=G=50%-22%=28%,又已知一条链(a)上的G占该链碱基总数的21%,即G1=21%。在双链DNA分子中,G=(G1+G2)/2,则G2=35%。
【方法规律】DNA中有关碱基比例计算的三个步骤
第一步:弄清题中已知的和所求的碱基比例是占整个DNA碱基的比例,还是占DNA一条链上的碱基的比例。
第二步:画一个DNA模式图,并在图中标明已知的和所求的碱基。
第三步:根据碱基互补配对原则和相关规律进行计算。
1.
DNA分子的稳定性与碱基对之间的氢键数目有关。下列关于生物体内DNA分子中(A+T)/(G+C)与(A+C)/(G+T)两个比值的叙述,正确的是
( )
A.碱基序列不同的双链DNA分子,后一比值不同
B.前一个比值越大,双链DNA分子的稳定性越高
C.当两个比值相同时,可判断这个DNA分子是双链
D.双链DNA分子中,后一比值等于1
【解析】选D。所有双链DNA分子中,A=T、C=G,因此后一比值等于1,A错误,D正确;双链DNA分子中,A、T之间形成2个氢键,C、G之间形成3个氢键,因此前一比值越小,双链DNA分子稳定性越高,B错误;双链DNA分子的后一比值恒为1,与两个比值是否相同无关,C错误。
2.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
( )
【解题思维】
(1)明确DNA的一条单链中碱基比例与DNA及其互补链中的碱基比例关系。
(2)明确坐标系中横纵坐标之间的数量关系。
【解析】选C。双链DNA分子中应始终等于1;一条单链中与其互补链中互为倒数,一条单链中=0.5时,互补链中=2;一条单链中与其互补链中及DNA分子中都相等。
【补偿训练】
某DNA分子片段中共有400个脱氧核苷酸,其中鸟嘌呤脱氧核苷酸占20%,则该DNA分子中“A-T”碱基对共有
( )
A.240
B.200
C.120
D.80
【解析】选C。由题意可知,该DNA分子中鸟嘌呤(G)的数量为400×20%=80个,根据碱基互补配对原则可知C=G=80个,则A=T=(400-80×2)÷2=120个,则该DNA分子中“A-T”碱基对共有120个。
知识点三
DNA的复制过程及相关计算
1.DNA复制过程:
时期
细胞分裂前的间期
场所
主要在细胞核
结果
形成两个完全相同的DNA
条件
模板、原料、能量、酶
意义
保持了遗传信息的连续性
过程
解旋——合成子链——重新螺旋
特点
边解旋边复制、半保留复制
特别提醒:
①不同生物DNA复制的场所不同,例如原核生物是在拟核区进行DNA的复制,病毒是在宿主细胞内进行DNA的复制,而真核生物DNA复制可以发生在细胞核、线粒体和叶绿体中。
②子代DNA分子的组成是:新合成的子链和模板链。
【知识拓展】
与DNA复制有关的酶
(1)使DNA链解旋的酶:解旋酶、DNA旋转酶、单链DNA结合蛋白。
(2)DNA复制过程中的酶:RNA引物酶、DNA聚合酶、DNA连接酶。
2.用“图解法”分析DNA复制的相关计算:
(1)将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养,复制n次,则:
①子代DNA共2n个
②脱氧核苷酸链共2n+1条:含15N的脱氧核苷酸链2条;含14N的脱氧核苷酸链(2n+1-2)条。
(2)DNA复制中消耗的脱氧核苷酸数:
若亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,
①经过n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n-1)。
②第n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n-1)-m·(2n-1-1)=m·2n-1个。
3.复制次数与被标记的DNA分子数及单链数的关系:
通过上图总结被标记DNA分子数、单链数所占比例:
分子或链所占比例
世代
只含15N分子
含14N、15N杂交分子
只含14N分子
含15N的链
含14N的链
亲代(结合图中a)
1
0
0
1
0
第一代(结合图中b)
0
1
0
1/2
1/2
第二代(结合图中d)
0
1/2
1/2
1/4
3/4
第n代
0
2/2n
1-2/2n
1/2n
1-1/2n
特别提醒:
①在DNA复制中,无论复制几次,含亲代DNA脱氧核苷酸的子代DNA分子都只有两个,亲代脱氧核苷酸链也只有两条。
②复制n次和第n次复制的区别:复制n次是从第1次到第n次复制的总和,第n次复制只指第n次的这一次复制。
③分析标记DNA分子的比例时,应注意求的是DNA分子数,还是脱氧核苷酸数;还应注意培养基中化学元素的转换。
(2020·潍坊高一检测)如图为真核细胞DNA复制过程模式图,相关分析错误的是
( )
A.酶①为解旋酶,酶②为DNA聚合酶
B.图示体现了边解旋边复制及半保留复制的特点
C.在复制完成后,甲、乙可在有丝分裂后期、减数第一次分裂后期分开
D.复制结束后形成的两个DNA分子是完全相同的
【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点。
【解析】选C。由题图可知酶①作用于DNA的两条母链之间,使DNA双链的配对碱基之间的氢键断开,为解旋酶,②是DNA聚合酶,将游离的脱氧核苷酸结合在一起形成子链DNA,A正确;题图显示了新形成的甲、乙两条DNA分子中均含有一条亲代DNA母链,符合半保留复制的特点,同时题图中显示了DNA边解旋边复制的特点,B正确;细胞分裂间期1个DNA分子复制形成的2个DNA分子由1个着丝粒连接,有丝分裂后期以及减数第二次分裂后期时着丝粒分裂,两个DNA分子也随之分开,减数第一次分裂后期着丝粒不分裂,C错误;复制时以亲代DNA分子的两条链为模板,并遵循碱基互补配对的原则,所以复制结束后得到的两个DNA分子完全相同,D正确。
【审答误区】误认为细胞分裂导致核DNA减半,复制的子代DNA一定也分离。事实上,复制的核DNA位于姐妹染色单体上,当姐妹染色单体分离后,形成的子代DNA才分离,若着丝粒不分离,形成的子代DNA不会分离。
1.如图为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图,有关叙述错误的是
( )
A.图中DNA分子复制是从多个起点同时开始的
B.图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的
C.真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶
D.真核生物的这种复制方式提高了复制速率
【解析】选A。分析题图可知图中的三个复制点复制的DNA片段的长度不同,因此复制的起始时间不同,A错误;分析题图可知,DNA分子的复制过程是边解旋边复制的,B正确;DNA分子的复制首先要在解旋酶的作用下进行解旋,C正确;真核细胞的DNA分子具有多个复制起点,这种复制方式加速了复制过程,提高了复制速率,D正确。
2.下列关于DNA分子的结构与复制的叙述中,正确的是
( )
A.含有a个腺嘌呤的DNA分子第n次复制需要腺嘌呤脱氧核苷酸a×2n个
B.在一个双链DNA分子中,G+C占碱基总数的M%,那么该DNA分子的每条链中G+C都占该链碱基总数的M%
C.细胞内全部DNA被32P标记后在不含32P的环境中进行连续有丝分裂,第二次分裂的每个子细胞染色体均有一半有标记
D.DNA双链被32P标记后,复制n次,子代DNA中有标记的占1/2n
【解析】选B。DNA分子进行第n次复制时,需要新合成2n-1个DNA分子,每个DNA分子含有a个腺嘌呤,则第n次复制需要腺嘌呤脱氧核苷酸2n-1×a个,A错误;DNA双链中G与C互补配对,则双链中G+C占M%,每条链中G+C也都占该链M%,B正确;第二次分裂结束后有4个子细胞,根据半保留复制,亲代被标记的两条DNA单链,分别进入2个子细胞中,则子代4个子细胞中,只有2个子细胞中有一半染色体被标记,C错误;复制n次,得到2n个子代DNA,根据半保留复制,其中有2个各含亲代DNA的一条单链,因此子代有标记的DNA占2/2n,D错误。
【补偿训练】
下列有关真核细胞DNA分子复制的叙述,正确的是
( )
A.复制后两个子代DNA分子共有4个游离的磷酸基团
B.DNA复制时以一条脱氧核苷酸链作为模板
C.DNA聚合酶催化两个脱氧核苷酸碱基对之间的连接
D.复制过程中先全部解旋成单链,再进行半保留复制
【解析】选A。每个DNA分子单链都含有1个游离的磷酸基团,复制后两个子代DNA分子共有4条单链,共有4个游离的磷酸基团,选项A正确;DNA复制时两条脱氧核苷酸链都作为模板,选项B错误;DNA聚合酶催化相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键,选项C错误;DNA复制是边解旋边复制,选项D错误。
1.【生活情境】DNA分子杂交技术在社会生活中已经得到广泛应用。如用在刑侦领域上,可从犯罪嫌疑人和现场遗留物中分别提取DNA,在一个温度下水浴加热,使氢键断裂,双链打开。若两份样本来自同一个体,在温度降低时,两份样本中的DNA单链会通过氢键连接在一起;若不是来自同一个体,则两份样本中的DNA单链在一定程度上不能互补,这样可以鉴别犯罪嫌疑人。
探究:(生命观念)
(1)该应用实例的理论基础是什么?
提示:由于每个人的DNA分子不同,利用了DNA分子的特异性。
(2)DNA分子中碱基互补配对原则对遗传信息的传递有什么意义?
提示:能保证遗传信息在传递过程中的准确性。
2.【科技情境】下列为DNA复制的有关图示,A→B→C表示大肠杆菌的DNA复制,D→E→F表示哺乳动物的DNA分子复制。图中黑点表示复制起点,“→”表示复制方向,“?”表示时间顺序。
(1)据图比较大肠杆菌和哺乳动物DNA分子复制的异同点。(科学思维)
①相同点:均是边解旋边复制,均是双向复制。
②不同点:大肠杆菌是单起点复制;哺乳动物是多起点复制。
(2)C图与A图、F图与D图相同,C、F能被如此准确的复制出来,原因是什么?(科学思维)
提示:DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板,碱基互补配对原则保证了DNA分子复制的准确无误。
1.沃森和克里克构建了DNA分子的双螺旋结构模型。下列关于DNA分子结构的叙述正确的是________。?
①每个DNA分子中一般都含有四种脱氧核苷酸
②每个DNA分子中,都是碱基数=磷酸数=脱氧核糖数
③DNA两条链上的碱基以氢键相连,且A与T配对,G与C配对
④每个脱氧核糖上均连着一个磷酸和一个碱基
⑤DNA分子的基本骨架由脱氧核糖、磷酸和含氮碱基交替连接构成
⑥若DNA分子片段中有a个碱基对,胞嘧啶有b个,则该DNA分子中的氢键数为(2a+b)个
【解析】选①②③⑥。DNA分子的基本单位是四种脱氧核苷酸,①正确;一分子脱氧核苷酸由一分子碱基、一分子磷酸、一分子脱氧核糖构成,所以每个DNA分子中,都是碱基数=磷酸数=脱氧核糖数,②正确;DNA两条链上的碱基以氢键相连,遵循碱基互补配对原则,即A=T、G=C,③正确;DNA分子中大部分脱氧核糖连接两个磷酸和一个碱基,④错误;DNA分子的基本骨架是脱氧核糖和磷酸交替连接构成的,⑤错误;DNA分子片段中有a个碱基对,胞嘧啶有b个,则A有(a-b)个,由于A与T之间通过两个氢键相连,G与C之间通过三个氢键相连,所以该DNA分子中的氢键数为(2a+b)个,⑥正确。
2.(2019·山东合格考)图中圆形、五边形和长方形分别代表磷酸、脱氧核糖和含氮碱基。下列脱氧核苷酸链的模型构建正确的是
( )
【解析】选B。核苷酸的连接顺序是磷酸与脱氧核糖的5号碳相连,含氮碱基与1号碳相连,而一条链上相邻两个脱氧核苷酸之间是通过磷酸二酯键相连,即上一个核苷酸的3号碳与下一个核苷酸的磷酸相连,B正确。
【方法规律】“三看法”判断DNA结构的正误
3.(2018·江苏学考)如图是一位学生制作的分子结构模型(●表示脱氧核糖),该模型模拟的是
( )
A.RNA的单链结构
B.DNA双螺旋结构
C.蛋白质空间结构
D.多糖的空间结构
【解析】选B。据图可知,该模型由两条链组成,且其分子中含有脱氧核糖,符合此条件的只有DNA,因此该模型模拟的是DNA的双螺旋结构。
4.在DNA分子的一条单链中相邻的碱基A与T的连接是通过
( )
A.氢键
B.脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖
C.肽键
D.磷酸—脱氧核糖—磷酸
【解析】选B。双链DNA分子之间的碱基通过氢键连接,A错误;一条单链中相邻的碱基A与T是通过脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖连接的,B正确;肽键是氨基酸脱水缩合形成的,C错误;磷酸—脱氧核糖—磷酸交替连接构成DNA的基本骨架,D错误。
5.一个DNA分子复制完毕后,新形成的DNA子链
( )
A.是DNA母链的片段
B.与DNA母链相同,但U取代T
C.与DNA母链之一相同
D.与DNA母链完全不同
【解析】选C。新合成的子链与DNA母链之一相同,并不是母链的片段,A错误;新合成的子链与DNA母链之一相同,且子链中没有碱基U,B错误;DNA复制方式为半保留复制,新合成的子链与DNA母链之一相同,C正确;新合成的子链与DNA母链之一完全相同,与另一条母链互补配对,D错误。
6.DNA分子复制时,和胸腺嘧啶(T)互补配对的碱基是
( )
A.胞嘧啶(C)
B.鸟嘌呤(G)
C.腺嘌呤(A)
D.尿嘧啶(U)
【解析】选C。DNA复制是以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。在复制过程中,以解开的每一段母链为模板,在DNA聚合酶等酶的作用下,利用游离的4种脱氧核苷酸为原料,按照碱基互补配对原则,合成与母链互补的子链,该过程中的碱基配对方式为:A-T、T-A、C-G、G-C。因此,DNA分子复制时,与胸腺嘧啶(T)配对的碱基是腺嘌呤(A)。
7.已知一个DNA分子中有1
000个碱基对,其中鸟嘌呤有600个,这个DNA分子中脱氧核苷酸数目和腺嘌呤的数目依次是
( )
A.2
000个和200个
B.2
000个和400个
C.1
000个和400个
D.1
000个和600个
【解析】选B。一个脱氧核苷酸含有1个碱基,因此DNA分子中碱基数目与脱氧核苷酸数目相同。已知1个DNA分子中有1
000个碱基对,则这个DNA分子含有2
000个脱氧核苷酸;双链DNA分子中,非互补配对的碱基之和占碱基总数的一半,已知一个DNA分子中有1
000个碱基对,其中鸟嘌呤有600个,则这个DNA分子中腺嘌呤的数目为1
000-600=400个。
8.一个被15N标记的DNA分子,以含14N
的4种脱氧核苷酸为原料,连续复制3次,则含15N的脱氧核苷酸链占全部脱氧核苷酸链的比例是
( )
A.1/2
B.1/4
C.1/6
D.1/8
【解析】选D。DNA分子的复制为半保留复制,连续复制3次后形成8个DNA分子,则含15N的脱氧核苷酸链只有2条,占全部脱氧核苷酸链的比例是2/16=1/8,选项D正确。
9.(教材“思辨题“改编)在DNA复制过程中,保证复制准确无误进行的关键步骤是( )
A.破坏氢键并使DNA双链分开
B.游离核苷酸与母链碱基互补配对
C.配对的游离核苷酸连接成子链
D.子链与模板母链盘绕成双螺旋结构
【解析】选B。DNA复制过程为:(1)解旋:需要细胞提供能量,在解旋酶的作用下,两条螺旋的双链解开。(2)合成子链:以解开的每一段母链为模板,在DNA聚合酶等酶的作用下,利用游离的4种脱氧核苷酸为原料,按照碱基互补配对原则,合成与母链互补的子链。(3)形成子代DNA分子:延伸子链,母链和相应子链盘绕成双螺旋结构。其中,游离核苷酸与母链碱基互补配对保证了复制能够准确地进行。
10.下列关于DNA分子结构和复制的叙述,错误的是( )
A.DNA分子中磷酸与脱氧核糖交替连接,构成DNA的基本骨架
B.科学家利用“假说-演绎法”证实DNA分子是以半保留的方式复制的
C.DNA复制时,DNA聚合酶可催化2个游离的脱氧核苷酸连接起来
D.DNA双螺旋结构模型的建立为DNA复制机制的阐明奠定了基础
【解析】选C。DNA分子中磷酸与脱氧核糖交替连接,排列在外侧,构成DNA分子的基本骨架,A正确;科学家利用“假说-演绎法”证实了DNA分子是以半保留的方式复制的,B正确;DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸与DNA链上的脱氧核苷酸之间的连接,C错误;DNA双螺旋结构模型的建立为DNA复制机制的阐明奠定了基础,D正确。
11.如图为大肠杆菌DNA分子结构图示(片段)。请根据图示分析并回答:
(1)图中1表示______,2表示____,1、2、3结合在一起的结构叫作________。?
(2)3有______种,中文名称分别是____________。?
(3)DNA分子中3与4是通过______连接起来的。?
(4)DNA被彻底水解后,能产生含氮废物的是__________与______(用序号表示)。?
(5)图中DNA分子片段中,游离的磷酸基团有____个,若大肠杆菌的DNA分子的碱基G有x个,占其碱基总量的比例是y,则该DNA分子的碱基之间的氢键数目是__________。?
【解析】(1)据图分析可知,图中1表示磷酸基团,2表示脱氧核糖,3表示含氮碱基,1、2、3结合在一起形成脱氧核苷酸。
(2)3表示含氮碱基,由于3与4之间的氢键是3个,因此3可能是G或C,共2种可能。
(3)DNA分子中3和4通过氢键连接形成碱基对。
(4)DNA被彻底水解后的产物有磷酸、脱氧核糖和含氮碱基,其中只有含氮碱基内含有氮元素,能产生含氮废物,位于图中的3和4。
(5)图中DNA分子片段中,游离的磷酸基团有2个;该DNA分子中鸟嘌呤数目为x,因此G—C碱基对数目为x,腺嘌呤=胸腺嘧啶=x/y×1/2-x,由于G—C碱基对之间的氢键是3个,A—T碱基对之间的氢键是2个,因此DNA分子的碱基之间的氢键数是3x+2×[x/y×1/2-x]=x+x/y。
答案:(1)磷酸基团 脱氧核糖 脱氧核苷酸
(2)2 鸟嘌呤、胞嘧啶
(3)氢键 (4)3 4
(5)2 x(1+1/y)(或x+x/y)
12.如图为DNA的复制图解,请据图回答下列问题:
(1)DNA复制发生在__期。?
(2)②过程称为________。?
(3)指出③中的子链________。?
(4)③过程必须遵循________________原则。?
【解析】DNA分子的复制发生在有丝分裂间期和减数第一次分裂间期,复制方式为半保留复制,每个子代DNA分子中有一条母链和与母链互补的子链;②过程为解旋,③过程中母链为Ⅰ和Ⅳ,子链为Ⅱ和Ⅲ,且遵循碱基互补配对原则。
答案:(1)有丝分裂间期和减数第一次分裂间
(2)解旋 (3)Ⅱ、Ⅲ (4)碱基互补配对
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19
-第一课时 DNA分子通过RNA指导蛋白质的合成
新课程标准
学业质量目标
3.1.4 概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成,细胞分化的本质是基因选择性表达的结果,生物的性状主要通过蛋白质表现
合格考试
1.初步以结构与功能观,理解RNA的结构与功能。(生命观念)2.通过分析与综合,理解遗传信息的转录和翻译过程。(科学思维)
等级考试
1.结合具体实例,分析说明基因和遗传信息的关系。(科学思维)2.构建转录和翻译的过程模型,深入理解基因指导蛋白质合成的过程。(科学思维)
一、遗传信息的转录
1.RNA的结构和种类:
选一选:下列关于RNA的结构和种类说法正确的有:①③④。
①RNA
初步水解产物是4种核糖核苷酸
②RNA彻底水解产物有6种,分别是磷酸、核糖、A、G、C、T
③RNA有三种,分别是信使RNA、转运RNA、核糖体RNA
④RNA一般是单链,可以通过核孔从细胞核转移到细胞质
2.转录的概念:
RNA主要是在细胞核中以DNA分子的一条链为模板,按照碱基互补配对原则合成的,这一合成过程称为转录。
3.转录的过程:
填一填:根据遗传信息的转录过程图解进行填空:
4.遗传信息的传递方向:DNA→RNA。
RNA分子中都不存在氢键吗?
提示:不是,tRNA呈“三叶草”型,存在氢键。
二、遗传信息的翻译
1.翻译的场所:核糖体。
2.判一判:基于对密码子和反密码子的理解,判断下列说法的正误:
(1)密码子是指mRNA上决定氨基酸的3个相邻核苷酸。
(√)
(2)密码子的种类有64种,所以对应64种氨基酸。
(×)
提示:密码子有64种,但组成蛋白质的氨基酸约20种。
(3)反密码子有64种,位于mRNA上。
(×)
提示:反密码子有61种,位于tRNA上。
(4)一种密码子对应一种氨基酸。
(√)
(5)一种氨基酸对应多种密码子。
(×)
提示:一种氨基酸对应一种或多种密码子。
3.翻译的概念:
在细胞中,以mRNA为模板,从一个特定的起始位点开始,按照每三个相邻的核糖核苷酸代表一个氨基酸的原则,依次合成具有一定氨基酸顺序的多肽链的过程。
4.翻译的过程:
填一填:基于对翻译过程图解的理解进行填空:
第1步:mRNA进入细胞质,与核糖体结合,携带甲硫氨酸的tRNA,通过与碱基AUG互补配对,进入第一位置。
第2步:携带异亮氨酸的tRNA以同样的方式进入第二位置。
第3步:甲硫氨酸通过与异亮氨酸形成肽键而转移到占据第二位置的tRNA上。
第4步:核糖体读取下一个密码子,原来占据第一位置的tRNA离开核糖体,占据第二位置的tRNA进入第一位置,一个新的携带甘氨酸的tRNA进入第二位置,继续肽链的合成。
教材二次开发:教材【积极思维】拓展:科学家已经发现密码子有64种,而组成蛋白质的氨基酸约有20种,二者之间有什么样的对应关系?
提示:除3种终止密码子外,一种密码子对应一种氨基酸,一种氨基酸对应一种或多种密码子。
知识点一
遗传信息的转录和翻译
1.相关图解及分析:
(1)图解:
(2)分析:
2.DNA复制、转录和翻译的比较:
项目
DNA复制
转 录
翻 译
场所
主要是细胞核
主要是细胞核
细胞中的核糖体
模板
DNA的两条链
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
时间
细胞分裂间期
生物生长发育的过程中
产物
2个相同的DNA
RNA(mRNA、tRNA、rRNA)
具有一定氨基酸顺序的蛋白质
特点
边解旋边复制,半保留复制
边解旋边转录,DNA仍保留
1个mRNA分子可结合多个核糖体,提高合成蛋白质的速度
研究方法
可用放射性同位素标记“T”
可用放射性同位素标记“U”
可用放射性同位素标记“氨基酸”
3.DNA、RNA、蛋白质的关系:
特别提醒:
①转录时,解开DNA双链的不是解旋酶,而是RNA聚合酶。
②转录的产物不只是mRNA,还有tRNA和rRNA。
③翻译时,核糖体沿着mRNA移动,而mRNA不动。
④一个mRNA可以相继结合多个核糖体,同时进行多条相同肽链的合成。
【知识拓展】
真核生物的前体mRNA加工过程
真核生物RNA前体一般无生物学特性,需要进行加工修饰,RNA加工修饰主要的加工方式是切断和碱基修饰,包括下面几步:
①加帽:发生在细胞核内,在转录的早期或转录终止前已经形成。
②加尾:也是在细胞核内完成。
③剪接:一般需snRNA(一种小核RNA)通过形成套索结构而将内含子切除掉。
④内部甲基化:对某些碱基进行甲基化处理。
DNA携带的遗传信息通过转录和翻译传递到细胞质中指导蛋白质的合成。下列关于DNA复制、转录、翻译的叙述,正确的是
( )
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,提高了翻译效率
D.转录时,会形成RNA-DNA杂交区域
【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:
【解析】选D。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,A错误;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,B错误;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,C错误;转录时,以一条脱氧核苷酸链为模板,会形成RNA-DNA杂交区域,D正确。
【审答误区】混淆DNA复制、转录和翻译的模板
(1)DNA复制:模板为DNA的两条链。
(2)DNA转录:模板为DNA的一条链。
(3)翻译:模板为mRNA。
【母题追问】
(1)RNA聚合酶有什么作用?
提示:催化DNA双链解旋,同时催化游离的核糖核苷酸之间形成磷酸二酯键。
(2)人体细胞中的核糖体可以分布在哪些场所?
提示:游离在细胞质基质中;附着在内质网上;分布于线粒体中。
如图为基因控制蛋白质合成的示意图,相关分析正确的是
( )
氨基酸
丙氨酸
苯丙氨酸
赖氨酸
甲硫氨酸
密码子
GCA
UUU
AAA
AUG
GCG
UUC
AAG
GCC
GCU
A.真核细胞中a过程只发生在细胞核中,需要RNA聚合酶的催化
B.若①中共有360个碱基,并考虑结构②中终止密码子的情况下,则通过图示过程合成的肽链最多有60个氨基酸
C.④的形成方式是脱水缩合,脱去的水中的氧只来自羧基
D.⑤上携带的氨基酸是赖氨酸
【解析】选C。a为转录过程,在真核细胞中主要发生在细胞核中,此外在线粒体和叶绿体中也能发生,A错误;若①中共有360个碱基,则结构②中的碱基个数最多有180个,密码子最多有60个,若考虑终止密码子,则能够编码氨基酸的密码子最多有59个,因此合成的肽链最多有59个氨基酸,B错误;④是多肽链,由氨基酸脱水缩合形成,脱去的水中的氧只来自羧基,C正确;⑤的反密码子是AAG,其对应的密码子是UUC,编码苯丙氨酸,因此⑤上携带的氨基酸是苯丙氨酸,D错误。
【补偿训练】
如图表示蓝细菌DNA上遗传信息、密码子、反密码子间的对应关系。下列说法中正确的是
( )
A.由图分析可知①链应为DNA的α链
B.DNA形成②的过程发生的场所是细胞核
C.酪氨酸和天冬氨酸的密码子分别是AUG、CUA
D.图中②与③配对的过程需要在核糖体上进行
【解析】选D。据碱基互补配对原则,可知①链是DNA的β链,A错误;蓝细菌属于原核生物,没有由核膜包被的细胞核,B错误;tRNA的一端的三个相邻的碱基是反密码子,密码子在mRNA上,C错误;图中②与③配对的过程是翻译,需要在核糖体上进行,D正确。
知识点二
转录、翻译过程中概念比较和碱基计算
1.遗传信息、密码子、反密码子的比较:
项目
遗传信息
密码子
反密码子
位置
主要在DNA上
mRNA
tRNA
作用
控制生物体的性状
直接决定蛋白质中的氨基酸序列
识别密码子
种类
多样性
64种
61种
图解
2.基因表达过程中的相关计算:
(1)DNA(基因)、mRNA上碱基数目与氨基酸数目之间的关系。
①图示:
②规律:蛋白质中氨基酸数目=1/3
mRNA中碱基数目=1/6
DNA(或基因)中碱基数目。
③计算公式:蛋白质中肽链数+肽键数=氨基酸数=
1/3
mRNA中碱基数=1/6基因中碱基数。
(2)计算中“最多”和“最少”的分析。
①翻译时,mRNA上的终止密码子有的不决定氨基酸,则mRNA上的碱基数目是蛋白质中氨基酸数目的3倍或多于3倍。
②基因或DNA中存在不编码氨基酸的碱基序列,因此其中的碱基数目比对应的蛋白质中氨基酸数目的6倍还要多一些。
③在回答问题时应加上“最多”或“最少”等字,如mRNA上有n个碱基,转录产生它的基因中最少有2n个碱基,该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。
特别提醒:
①由于终止密码子的参与,翻译并不是mRNA上所有碱基都对应氨基酸。
②蛋白质的相对分子质量=氨基酸的平均相对分子质量×氨基酸数-18×肽键数。
【知识拓展】
RNA的功能
(1)mRNA——蛋白质合成的直接模板。
(2)rRNA——核糖体的重要组成成分。
(3)tRNA——氨基酸的转运工具。
(4)病毒RNA——RNA病毒的遗传物质。
(5)酶——少数酶为RNA,可降低化学反应的活化能,起催化作用。
某条多肽的相对分子质量为3
318,若氨基酸的平均相对分子质量为128,如考虑终止密码子,则编码该多肽的基因长度至少是
( )
A.75对碱基
B.78对碱基
C.90对碱基
D.93对碱基
【解题思维】解答本题需要突破两个关键点:
【解析】选D。蛋白质相对分子质量=氨基酸平均相对分子质量×氨基酸个数-水的个数×18=128×氨基酸个数-(氨基酸个数-1)×18=3318,计算可得氨基酸数目为30个。DNA(或基因)中碱基数∶mRNA上碱基数∶氨基酸个数=6∶3∶1,该多肽含有30个氨基酸,若考虑终止密码子,则编码该多肽的基因长度至少是(30+1)×6÷2=93对。
如图为蛋白质的合成过程示意图,请据图回答有关问题:
(1)图中发生在细胞核中的过程是________。?
(2)图中基因表达的最后阶段是在[__]________上完成的,这一过程中还需要mRNA、氨基酸、________、________和________。?
(3)图中③称为________,在蛋白质合成过程中将多肽链中氨基酸种类与mRNA上的遗传信息联系起来的物质是________。?
(4)若②中共有碱基120个,则其翻译的多肽链最多由________个氨基酸组成(考虑终止密码子)。?
【解析】(1)图示细胞核中DNA分子正在进行转录;(2)基因表达的最后阶段为翻译,是在核糖体上完成的,翻译需要mRNA、氨基酸、ATP、tRNA和酶;(3)③为mRNA上相邻的三个碱基,属于密码子,由于tRNA一端存在反密码子,另一端携带相应的氨基酸,所以tRNA是将多肽链中氨基酸种类与mRNA上的遗传信息联系起来的物质;(4)mRNA中120个碱基最多构成40个密码子,其中终止密码子不对应氨基酸,故多肽链中最多有39个氨基酸。
答案:(1)转录 (2)⑤ 核糖体 酶 tRNA ATP
(3)密码子 tRNA (4)39。
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9
-第二课时 中心法则、细胞分化和表观遗传
新课程标准
学业质量目标
3.1.4 概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成,细胞分化的实质是基因选择性表达的结果,生物的性状主要通过蛋白质表现3.1.5 概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象
合格考试
1.通过实例分析,归纳基因表达产物与性状的关系。(科学思维)2.通过对实验结果的分析,理解细胞分化的实质。(科学思维)
等级考试
1.通过分类和比较,明确中心法则各生物过程的异同。(科学思维)2.基于生物学事实和证据,构建基因控制性状的模型,理解基因与性状的关系。(科学思维)3.运用结构与功能观,理解表观遗传产生的原因。(生命观念)
一、中心法则诠释了基因与生物性状的关系
1.中心法则的提出及发展
(1)提出者:克里克。
(2)中心法则内容:
根据图示,完成下表:
项目
序号
生理过程
遗传信息传递过程
最初提出
①
DNA复制
DNA流向DNA
②
转录
DNA流向RNA
③
翻译
RNA流向蛋白质
发展补充
④
RNA复制
RNA流向RNA
⑤
逆转录
RNA流向DNA
2.基因表达产物与性状的关系
(1)基因控制性状的两种途径:
①基因酶的合成代谢过程生物性状。
②基因蛋白质的结构生物性状。
(2)基因与性状的关系:
判一判:结合基因与性状的对应关系,判断下列说法的正误:
①生物的大多数性状受核基因控制。
(√)
②一个基因只能控制一种性状。
(×)
提示:一个基因可以影响多个性状。
③有些性状是由多个基因决定的。
(√)
④基因型相同的个体表型一定相同。
(×)
提示:基因型相同的个体表型不一定相同,生物性状也受环境影响。
⑤表型相同的个体基因型不一定相同。
(√)
在人体细胞中,是否能发生上述中心法则的5个过程?举例说明。
提示:不能。人体中的RNA
不能进行复制。
二、细胞分化的本质是基因的选择性表达
1.生物体多种性状的形成,都是以细胞分化为基础的。
2.基因选择性表达的实例:
选一选:下列基因中能在所有细胞中都表达的基因有:①②⑤,只在某类细胞中特异性表达的基因有:③④。
①核糖体蛋白基因 ②ATP合成酶基因
③卵清蛋白基因 ④胰岛素基因 ⑤呼吸酶基因
3.细胞分化的实质:基因的选择性表达。
三、表观遗传
1.表观遗传的概念:生物体基因的碱基序列保持不变,而表型发生可遗传变化的现象。
2.基因组表观遗传修饰的两种形式:DNA甲基化和组蛋白修饰。
柳穿鱼的花器官由对称变成了不对称的原因是什么?
提示:由于基因Lcyc发生了高度甲基化,引起基因表达水平下降所致。
知识点一
中心法则
1.不同生物中心法则的体现:
生物种类
举例
遗传信息的传递过程
DNA病毒
T2噬菌体
RNA病毒
不含逆转录酶
烟草花叶病毒
含逆转录酶
艾滋病病毒
细胞生物
具有分裂能力的细胞
高度分化的细胞
DNARNA蛋白质
2.中心法则与基因表达的关系:
3.中心法则五个过程的比较:
过 程
模 板
原 料
酶
碱基配对方式
产 物
实 例
DNA的复制
DNA的每一条母链
脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶
A-T、T-A、G-C、C-G
DNA
以DNA作遗传物质的生物
转录
DNA的一条链
核糖核苷酸
RNA聚合酶
A-U、T-A、G-C、C-G
RNA
除病毒外几乎所有生物
翻译
信使RNA
21种氨基酸
A-U、U-A、G-C、C-G
多肽
除病毒外的细胞生物
RNA的复制
RNA
核糖核苷酸
RNA复制酶
A-U、U-A、G-C、C-G
RNA
以RNA作遗传物质的生物
RNA的逆转录
RNA
脱氧核苷酸
逆转录酶
A-T、U-A、G-C、C-G
DNA
某些RNA病毒等
特别提醒:
①在一种生物或细胞内不能发生中心法则的所有过程。
②DNA复制只发生在细胞分裂前的间期,而转录和翻译则可以发生在任何时期。
③在病毒体内不会发生RNA复制和逆转录过程,该过程是在被病毒寄生的宿主细胞内进行的。
如图是4种遗传信息的流动过程,对应的叙述不正确的是
( )
A.甲可表示胰岛细胞中胰岛素合成过程中的遗传信息的传递方向
B.乙可表示逆转录病毒在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向
C.丙可表示DNA病毒(如噬菌体)在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向
D.丁可表示RNA病毒(如烟草花叶病毒)在宿主细胞内繁殖过程中的遗传信息传递方向
【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:
【解析】选A。甲表示胰岛B细胞合成胰岛素,但胰岛B细胞高度分化,不能进行DNA自我复制,A错误;乙能进行逆转录过程,可表示逆转录病毒在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向,B正确;丙包括DNA的复制、转录和翻译,可表示DNA病毒(如噬菌体)在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向,C正确;丁包括RNA的自我复制和翻译,可表示RNA病毒,如烟草花叶病毒在宿主细胞内繁殖过程中的遗传信息传递方向,D正确。
【审答误区】常见以下两种错误:
(1)DNA复制、转录和翻译是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则,但不一定是某一种细胞中都具有这三个途径。
(2)不能判断什么样的细胞可以发生DNA复制。只有进行分裂的细胞才发生DNA复制。
【方法规律】中心法则各生理过程快速确定的三大依据
1.图甲所示为基因表达过程,图乙为中心法则,①~⑤表示生理过程。下列叙述正确的是
( )
A.图甲所示为染色体DNA上的基因表达过程,需要多种酶参与
B.红霉素影响核糖体在mRNA上的移动,故影响基因的转录过程
C.图甲所示过程为图乙中的②③过程
D.①②③过程只发生在真核细胞中,④⑤过程只发生在原核细胞和一些病毒中
【解析】选C。图甲中,转录和翻译同时进行,属于原核生物的基因表达过程,而原核生物没有染色体,A错误;红霉素影响核糖体在mRNA上的移动,所以影响基因的翻译过程,B错误;图乙中①是DNA复制、②是转录过程、③是翻译过程、④是RNA的复制,⑤是逆转录过程,图甲是基因控制蛋白质的合成过程,即转录和翻译,为图乙中的②③过程,C正确;①②③过程发生在真核细胞、原核细胞和DNA病毒中,④⑤过程一般发生在一些RNA病毒中,D错误。
2.人类白化病和苯丙酮尿症是由于代谢异常引起的疾病,如图表示在人体代谢中产生这两类疾病的过程。由图中不能得出的结论是
( )
A.基因可以通过控制蛋白质的结构来控制生物的性状
B.基因可以通过控制酶的合成来控制生物的性状
C.一个基因可以控制多种性状
D.一个性状可以由多个基因控制
【解析】选A。分析题图可知,本图显示的是基因通过控制酶的合成控制代谢进而控制生物的性状,A符合题意;由A项分析可知,B不符合题意;分析题图可知,基因1发生突变,会影响黑色素和多巴胺的合成,同时苯丙酮酸的含量增加,由此可以推出,一个基因可以控制多种性状,C不符合题意;分析题图可知,黑色素的形成是由基因1和基因2共同控制的,多巴胺是由基因1和基因4共同控制的,由此可以推出一个性状可由多个基因控制,D不符合题意。
【补偿训练】
如图为有关遗传信息传递和表达的模拟实验。下列相关叙述合理的是
( )
A.若X是mRNA,Y是多肽,则管内必须加入氨基酸
B.若X是DNA,Y含有U,则管内必须加入逆转录酶
C.若X是tRNA,Y是多肽,则管内必须加入脱氧核苷酸
D.若X是HIV的RNA,Y是DNA,则管内必须加入DNA酶
【解析】选A。X是mRNA,Y是多肽,则管内发生的是翻译过程,因此管内必须加入氨基酸;若X是DNA,Y含有U,则Y为RNA,管内发生的是转录过程,因此不需要加入逆转录酶,而需要加入RNA聚合酶等;若X是tRNA,Y是多肽,则管内发生的是翻译过程,因此不需要加入脱氧核苷酸;若X是HIV的RNA,Y是DNA,则管内发生的是逆转录过程,因此需要加入逆转录酶。
知识点二
基因的选择性表达与表观遗传
1.基因选择性表达的结果
(1)细胞形态的改变:如肌细胞的梭形、哺乳动物成熟红细胞的圆饼状、神经细胞的突起状等。
(2)细胞结构的变化:细胞器的种类和数量发生变化。
(3)细胞功能的特化:执行特定的功能,如运动功能、反射功能、免疫功能等。
(4)特殊分子的合成:如合成唾液淀粉酶、抗体、胰岛素、血红蛋白和肌动蛋白等。
2.表观遗传机制:
(1)细胞分裂、分化过程中内外因素的共同作用导致DNA甲基化、构成染色体的组蛋白的甲基化、乙酰化等修饰。
(2)甲基化等修饰抑制了基因的表达。
3.基因与性状的关系:
(1)一个基因决定一种性状(多数性状受单基因控制)。
(2)一个基因影响多种性状(如基因间相互作用)。
(3)多个基因控制一种性状(如身高、体重等)。
图解如下:
特别提醒:
①生物的性状不只受基因控制,环境对性状也有影响,如后天营养和体育锻炼会影响人的身高。
②基因的表达产物可发生表观遗传的差异,引起生物的性状不同。
【知识拓展】
基因的种类
(1)管家基因:是指在所有细胞中均要表达的一类基因,其产物是维持细胞基本生命活动所必需的。如RNA聚合酶基因、呼吸酶基因与核糖体蛋白基因等。
(2)奢侈基因:是指在不同类型细胞中特异性表达的基因,其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构与功能。如血红蛋白基因、胰岛素基因等。
如图表示人体内干细胞的增殖分化过程,下列有关叙述正确的是
( )
A.干细胞与白细胞的基因型不同,但合成的mRNA和蛋白质的种类相同
B.血小板和成熟的红细胞内遗传信息的流动方向是DNA→DNA→RNA→蛋白质
C.图中所示的细胞中,干细胞具有细胞周期,而且其分裂能力较强
D.白细胞能够穿过血管壁去吞噬病菌,这是因为细胞膜具有选择透过性
【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:
【解析】选C。白细胞由造血干细胞增殖分化形成,故干细胞与白细胞的基因型相同,但合成的mRNA和蛋白质的种类不同,A错误;血小板和成熟的红细胞内无细胞核及细胞器,不能进行DNA的复制和蛋白质的合成,B错误;图中所示的细胞中,干细胞具有细胞周期,而且其分裂能力较强,C正确;白细胞能够穿过血管壁去吞噬病菌,这是因为细胞膜具有流动性,D错误。
【审答误区】常见以下两种错误:
(1)不能理解细胞分化的实质:同一个体不同的细胞基因型相同(除生殖细胞),只是表达的基因不完全相同。
(2)不能理解遗传信息传递发生的时期及条件:例如DNA复制只能发生在分裂的细胞中,而高度分化的细胞不能进行DNA复制。
【母题追问】
(1)图中各种细胞结构和功能不同的根本原因是什么?
提示:基因的选择性表达。
(2)白细胞吞噬病菌时是否有蛋白质的参与?
提示:有,白细胞吞噬病菌时要进行识别,起识别作用的物质是糖蛋白。
1.下列对细胞分化不同水平的分析中,不正确的是
( )
A.从细胞水平分析,细胞分化使细胞形态、结构和功能发生了改变
B.从细胞器水平分析,细胞分化是细胞器的种类、数目改变的结果
C.从蛋白质分子角度分析,细胞分化是蛋白质种类、数量改变的结果,这是细胞分化的根本原因
D.从核酸分子角度分析,细胞分化是基因选择性表达的结果
【解析】选C。细胞分化就是指细胞在形态、结构和功能上发生稳定差异的过程,A正确;细胞的功能与细胞器的种类和数量密切相关,B正确;细胞分化的根本原因是基因的选择性表达,C错误;从核酸分子的角度分析,细胞分化是基因选择性表达的结果,D正确。
2.黄色小鼠(AA)与黑色小鼠(aa)杂交,产生的(Aa)不同个体出现了不同体色。研究表明,不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同,但A基因上二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化(如图)现象出现,甲基化不影响基因DNA复制。有关分析错误的是
( )
A.F1个体体色的差异与A基因甲基化程度有关
B.甲基化可能影响RNA聚合酶与该基因的结合
C.碱基甲基化不影响碱基互补配对过程
D.甲基化是引起基因突变的常见方式
【解析】选D。根据题意和题图分析,基因型都为Aa的小鼠毛色不同,关键原因是A基因中二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化,甲基化不影响基因DNA复制,但影响该基因的表达,所以会影响小鼠的毛色出现差异。根据分析可知,F1个体的基因型都是Aa,但体色有差异,显然与A基因甲基化程度有关,A正确;RNA聚合酶与该基因的结合属于基因表达的关键环节,而A基因甲基化会影响其表达过程,所以B正确;碱基甲基化不影响DNA复制过程,而DNA复制过程有碱基互补配对过程,C正确;基因突变是基因中碱基对增添、缺失或替换导致基因结构的改变,而基因中碱基甲基化后仍然属于该基因,所以不属于基因突变,D错误。
【补偿训练】
如图为基因与性状的关系示意图,据图判断错误的是
( )
A.一种基因可以影响和控制多种性状
B.多种基因可以影响和控制一种性状
C.所有基因都能控制表现出相应的性状
D.图中的产物可以是酶、激素或者抗体等
【解析】选C。由题图可知,性状a、b、c、d受同一种基因产物影响,说明一种基因可以影响和控制多种性状,A正确;性状e受三种基因产物影响,表明多种基因可以影响和控制一种性状,B正确;生物的性状除了受基因控制外,还受环境条件的影响,并非所有基因都能控制表现出相应的性状,C错误;多数酶、有些激素和抗体是蛋白质,可以是基因表达的产物,D正确。
1.【科技情境】2020年新型冠状病毒肺炎疫情在全球迅速蔓延,研究发现新型冠状病毒是一种单链+RNA病毒,其遗传信息的传递途径如图所示:
探究:
(1)根据图示推测新型冠状病毒遗传信息的传递方向。(科学思维)
提示:
(2)根据图示推测新型冠状病毒是如何形成子代病毒的。(科学思维)
提示:新型冠状病毒的遗传物质+RNA侵入宿主细胞后,在宿主细胞内以+RNA为模板在RNA聚合酶的作用下生成-RNA,然后以-RNA为模板生成+RNA即遗传物质,同时以+RNA为模板在宿主细胞的核糖体上合成病毒蛋白质,然后病毒蛋白质和合成的子代+RNA组装,即形成子代病毒。
2.【科技情境】美国宇航局(NASA)为了研究太空环境对人基因的影响,利用双胞胎“宇航员Scott·Kelly与Mark·Kelly”做了一个“天地隔离实验”。受试者是同卵双生,有着几乎完全相同的基因组。其中,弟弟Scott被送进国际空间站为期340天,发现其身高增加了5cm(在此之前,兄弟二人身高相同)。为了进一步了解太空环境对人体的影响,研究人员对结束任务的Scott继续进行了长达一年的监测,并对比了他与哥哥Mark的DNA差异。发现尽管兄弟二人的DNA依然相同。但分析显示Scott细胞内甲基化水平明显差异化,或升高或降低。总体而言进入太空后基因表达达到了一个前所未有的高峰。
探究:
(1)上述资料中,弟弟Scott性状改变的原因是什么?是否可以遗传?(科学思维)
提示:环境导致其基因发生甲基化,进而影响基因表达,表型发生差异。可以遗传。
(2)上述现象是否只有在太空中才能发生?请举例说明。(科学思维)
提示:表观遗传普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的生命活动过程中。例如同卵双胞胎所具有的微小差异、一个蜂群中蜂王和工蜂的差异等。
1.细胞通过精准的调控,实现了基因对性状的控制。下列有关说法,正确的是______。?
①基因通过控制蛋白质的合成直接控制生物的性状
②同一个体的不同组织细胞中蛋白质种类不完全相同
③柳穿鱼花的不同形态是由一对等位基因控制的
④DNA的甲基化修饰不能遗传给后代
⑤基因能否表达是基因表达调控的唯一方式
⑥基因通常是有遗传效应的DNA片段,不同基因之间的作用可能相互影响
【解析】选②⑥。基因控制性状的途径包括直接途径和间接途径两种类型,①错误;同一个体的不同组织细胞中蛋白质种类不完全相同,②正确;柳穿鱼花的不同形态是表观遗传现象,不是由一对等位基因控制的,③错误;DNA的甲基化修饰能遗传给后代,④错误;基因表达调控包括基因能否表达以及表达水平的高低,⑤错误;不同基因之间的作用可能相互影响,⑥正确。
2.如图为中心法则的示意图。下列叙述错误的是
( )
A.①表示DNA复制,需要DNA聚合酶参与
B.②表示转录,需要RNA聚合酶参与
C.③表示翻译,需要蛋白酶参与
D.④表示逆转录,需要逆转录酶参与
【解析】选C。①表示DNA的复制过程,该过程需要DNA聚合酶的参与,A正确;②表示转录过程,该过程需要RNA聚合酶的参与,B正确;蛋白酶能水解蛋白质,而③表示翻译合成蛋白质的过程,因此该过程不需要蛋白酶的参与,C错误;④表示逆转录过程,该过程需要逆转录酶的参与,D正确。
3.下列有关基因与性状关系的叙述,正确的是
( )
A.基因与性状之间是一一对应的关系
B.基因都通过控制蛋白质的结构直接控制性状
C.染色体上的基因控制生物性状不受环境影响
D.不同基因之间相互作用,精细调控生物性状
【解析】选D。基因与性状之间不仅仅是一一对应的关系,也可能是一对多,A错误;基因可通过控制酶的合成控制代谢过程,间接控制生物体的性状,B错误;生物体的性状是由基因型和环境共同作用的结果,C错误;不同基因之间相互作用,精细调控生物性状,D正确。
4.如图表示同一个体的5种细胞中5种基因的表达情况,下列分析错误的是
( )
A.此图能说明细胞分化的实质
B.基因B可能控制RNA聚合酶的合成
C.细胞中mRNA差异最大的是细胞2和4
D.一般来说,这5种细胞的核遗传物质相同
【解析】选C。图示表示不同细胞选择表达的基因不同,即细胞分化的实质是基因的选择性表达,A正确;生物体内几乎所有细胞都能控制RNA聚合酶合成,因此基因B可能控制RNA聚合酶的合成,B正确;2和5中mRNA的差异大于2和4,C错误;同一个生物体内不同细胞都是由同一个受精卵有丝分裂形成的,都含有相同的基因,因此这5种细胞的核遗传物质相同,D正确。
5.是否具有豌豆淀粉分支酶,导致豌豆产生圆粒和皱粒这对相对性状,这可以说明( )
A.发生基因突变,必然导致蛋白质的结构改变
B.基因通过控制酶的合成,控制生物体的性状
C.基因通过控制激素的合成,控制生物体的性状
D.基因通过控制蛋白质结构,控制生物体的性状
【解析】选B。基因突变,转录形成的密码子一定改变,但由于密码子的简并性,不一定导致蛋白质的结构改变,A错误;控制合成淀粉分支酶的基因发生突变而不能合成淀粉分支酶,使得豌豆粒不能合成淀粉而变得皱缩,说明基因是通过控制酶的合成间接控制生物性状的,B正确;由题干信息不能说明基因通过控制激素的合成来控制生物体的性状,C错误;“是否具有豌豆淀粉分支酶,导致豌豆产生圆粒和皱粒这对相对性状”,说明基因是通过控制酶的合成间接控制生物性状的,D错误。
6.同一动物个体的神经细胞与肌细胞在功能上是不同的,造成这种差异的主要原因是
( )
A.二者所处的细胞周期不同
B.二者所含有的基因组不同
C.二者核DNA的复制方式不同
D.二者合成的特定蛋白不同
【解析】选D。神经细胞和肌细胞都已经高度分化,都没有细胞周期,A错误;神经细胞和肌细胞是由同一个受精卵有丝分裂形成的,都含有相同的遗传物质,二者所含的基因组相同,B错误;二者核DNA的复制方式相同,都是半保留复制,但这两种细胞都已经高度分化,不再分裂,因此都不会发生核DNA的复制,C错误;神经细胞和肌细胞在功能上不同的原因是基因的选择性表达,即这两种细胞合成的特定蛋白不同,D正确。
7.下列关于基因与性状之间的关系的叙述错误的是( )
A.基因与性状是一一对应的关系
B.基因可通过控制蛋白质的结构来控制生物的性状
C.基因可通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物的性状
D.生物性状既受基因的控制,也受环境条件的影响
【解析】选A。基因与性状之间不是简单的一一对应的关系,有可能多对基因控制一对相对性状,A错误;基因可通过控制蛋白质的结构来控制生物的性状,B正确;基因可通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物的性状,C正确;生物性状既受基因的控制,也受环境条件的影响,D正确。
8.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.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】选A。DNA甲基化是指DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基,这不会导致基因碱基序列的改变,A错误;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,B正确;DNA甲基化会导致mRNA合成受阻,进而导致蛋白质合成受阻,这样可能会影响生物的性状,C正确;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,D正确。
9.1970年,科学家发现了致癌的RNA病毒。该病毒感染人体细胞后,将其基因组整合到人的基因组中,从而诱发人的细胞癌变。回答下列问题:
(1)RNA病毒进入人体细胞后,以自身的RNA为模板,通过__________酶,合成DNA片段。在此过程中,存在的碱基互补配对方式有________,其原料为宿主细胞提供的______________________。?
(2)若将同一人体胰岛B细胞和浆细胞的全部的mRNA分别提取出来,通过相关的酶反应分别获得多段DNA单链,通过碱基测序发现两份DNA单链的序列__________(填“相同”“不同”或“不完全相同”);说明人体胰岛B细胞和浆细胞的基因表达具有__________。?
【解析】(1)以RNA为模板合成DNA的过程为逆转录过程,需要逆转录酶的催化,原料是宿主细胞提供的脱氧核苷酸;该过程遵循碱基互补配对原则,具体为A-T、U-A、C-G、G-C。
(2)同一人体不同的细胞中含有的基因是相同的,但是基因是选择性表达的,所以将胰岛B细胞和浆细胞的全部的mRNA分别提取出来,通过相关的酶反应分别获得多段DNA单链,检测的结果是这些DNA单链的序列不完全相同。
答案:(1)逆转录
A-T、U-A、C-G、G-C
4种脱氧核苷酸
(2)不完全相同 选择性
【补偿训练】
关于表观遗传的理解,下列说法正确的是( )
A.DNA的甲基化与环境因素无关
B.DNA的甲基化影响基因的翻译过程
C.表观遗传现象不符合孟德尔遗传定律
D.DNA的甲基化导致基因的碱基序列改变
【解析】选C。环境因素会影响DNA的甲基化,A项错误;DNA的甲基化影响基因的转录过程,B项错误;表观遗传现象不符合孟德尔遗传定律,C项正确;DNA的甲基化不会导致基因的碱基序列改变,D项错误。
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14
-第二章
遗传的分子基础
尝试填写图中序号代表的含义:
①放射性同位素标记技术 ②DNA是噬菌体的遗传物质 ③双螺旋结构 ④边解旋边复制、半保留复制 ⑤DNA的一条链 ⑥mRNA ⑦逆转录 ⑧基因的选择性表达
主题一 DNA是主要的遗传物质
噬菌体侵染细菌的实验中,下列说法错误的是
( )
A.用35S标记蛋白质
B.证明了DNA是主要的遗传物质
C.用32P标记DNA
D.证明了噬菌体的遗传物质是DNA
【解析】选B。噬菌体侵染细菌的关键就是将DNA与蛋白质分开,单独地观察它们各自的作用,故分别用35S或32P标记噬菌体,A、C正确;本实验证明了DNA是遗传物质,B错误,D正确。
1.噬菌体的繁殖:
(1)噬菌体的组成成分是DNA和蛋白质。
(2)繁殖过程:吸附→注入DNA(填“蛋白质”或”DNA”)→生物合成,利用自身DNA为模板,利用大肠杆菌体内的脱氧核苷酸和氨基酸为原料→组装→释放。
2.噬菌体侵染细菌实验过程:
(1)实验思路:将蛋白质和DNA分别处理,单独、直接观察它们各自的作用。
(2)实验方法:同位素标记法和离心法,组成蛋白质的特有元素:S;组成DNA的特有元素:P。
(3)实验结论:子代噬菌体的各种性状,是通过亲代的DNA遗传的,即DNA才是噬菌体的遗传物质。
某研究人员模拟赫尔希和蔡斯关于噬菌体侵染细菌的实验,进行了以下4个实验:
①用未标记的噬菌体侵染35S标记的细菌
②用未标记的噬菌体侵染3H标记的细菌
③用32P标记的噬菌体侵染未标记的细菌
④用14C标记的噬菌体侵染未标记的细菌
一段时间后离心,以上各实验检测到放射性的主要部位是
( )
A.沉淀物、沉淀物、沉淀物、沉淀物和上清液
B.沉淀物、沉淀物、沉淀物和上清液、沉淀物和上清液
C.上清液、上清液、沉淀物和上清液、上清液
D.沉淀物、上清液、沉淀物、沉淀物和上清液
【解析】选A。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;③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;④用14C标记的噬菌体侵染未标记的细菌,由于14C标记噬菌体的DNA和蛋白质,蛋白质外壳出现在上清液中,14C标记的噬菌体DNA将出现在新的噬菌体中,所以离心后主要在沉淀物和上清液中检测到放射性。
主题二 核酸分子的结构和功能
如图所示为真核细胞中遗传信息的传递和表达过程。相关叙述正确的是
( )
A.①②过程所需要的酶、原料、能量均相同
B.②过程c链是以a、b链中的一条链为模板合成的
C.①②③三个过程中碱基配对情况完全相同
D.③过程d、e、f最终形成的物质结构各不相同
【解析】选B。①是复制过程,需要解旋酶和DNA聚合酶,原料是脱氧核苷酸;②是转录过程,需要RNA聚合酶,原料是核糖核苷酸,A错误;②是转录过程,该过程的模板是DNA的一条链,即该过程c链是以a、b链中的一条链为模板合成的,B正确;DNA复制过程中碱基配对为:A-T、C-G、G-C、T-A,转录过程中碱基配对为A-U、C-G、G-C、T-A,翻译过程中碱基配对为A-U、C-G、G-C、U-A,可见这三个过程中碱基配对情况不完全相同,C错误;③是翻译过程,由于控制d、e、f三条肽链合成的模板相同,因此该过程d、e、f最终形成的物质结构相同,D错误。
1.不同生物基因所在位置的判断:
(1)有细胞结构的生物,基因是有遗传效应的DNA(填“DNA”或“RNA”)片段。
(2)对于DNA病毒,基因是有遗传效应的DNA(填“DNA”或“RNA”)片段。
(3)对于RNA病毒,基因是有遗传效应的RNA(填“DNA”或“RNA”)片段。
2.DNA分子的结构特点:
(1)DNA分子由两条单链组成,两条链反向平行盘旋成双螺旋结构。
(2)DNA的基本骨架是:脱氧核糖和磷酸交替排列在外侧。
(3)两条链上的碱基遵循碱基互补配对原则。
3.DNA复制和转录:
(1)DNA复制方式是:半保留复制。
(2)DNA复制条件。
①酶:解旋酶、DNA聚合酶。
②原料:脱氧核苷酸。
③模板:DNA的每一条链。
④能量:ATP提供。
(3)转录的条件。
①酶:RNA聚合酶。
②原料:核糖核苷酸。
③模板:DNA的一条链。
④能量:ATP提供。
1.如图为真核细胞蛋白质合成过程中遗传信息流动图解,1、2、3表示相关过程,据图判断下列说法正确的是
( )
A.真核细胞中都会发生图中1~3过程
B.核苷酸序列不同的基因可表达出相同的蛋白质
C.1过程中氢键的断裂不需要酶参与,磷酸二酯键的形成则需要DNA聚合酶催化
D.3过程以mRNA的一条链为模板,核糖体在mRNA上的移动方向是从右到左
【解析】选B。1为DNA复制过程,细胞不分裂DNA不复制,A错误;由于密码子的简并性,核苷酸序列不同的基因有可能表达出相同的蛋白质,B正确;1过程中氢键的断裂需要解旋酶参与,C错误;由题图可以看出,核糖体在mRNA上的移动方向是从左到右,D错误。
2.病毒的核酸包括双链DNA、单链DNA、双链RNA、单链RNA等不同类型。某研究小组通过一系列实验确定新型动物病毒X的核酸类型。请回答。
用放射性同位素标记碱基的方法,探究病毒X是DNA病毒还是RNA病毒。
(1)实验思路:设置两组实验,将________________________分别培养在含有放射性标记的________________________(记为甲组)和__________________(记为乙组)的培养基中,然后分别接种病毒X。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。?
(2)预期结果:若________________________________________________________,则病毒X为DNA病毒;反之为RNA病毒。?
对病毒X进行碱基分析,结果如表:
碱基种类
A
C
G
T
碱基比例/%
36
24
18
22
据上表可判断,病毒X的核酸类型是____________,理由是__。?
【解析】根据DNA和RNA的异同,可用放射性同位素标记碱基的方法,探究病毒X是DNA病毒还是RNA病毒。(1)实验思路:设置两组实验,将动物细胞分别培养在含有放射性标记的胸腺嘧啶(记为甲组)和尿嘧啶(记为乙组)的培养基中,然后分别接种病毒X。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。(2)预期结果:若甲组收集的病毒含有放射性而乙组无放射性,则病毒X为DNA病毒;反之为RNA病毒。根据表格中数据可知,病毒X的核酸含有DNA特有的碱基胸腺嘧啶,且嘌呤总数不等于嘧啶总数,所以病毒X的核酸类型是单链DNA。
答案:(1)动物细胞 胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶(U)
(2)甲组收集的病毒含有放射性而乙组无放射性
单链DNA 病毒X的核酸含有DNA特有的碱基胸腺嘧啶,且嘌呤总数不等于嘧啶总数
主题三 遗传信息的传递途径
图1是核糖体合成的过程示意图,图2是核糖体上进行的生理过程,a、b、c代表物质。下列相关叙述正确的是
( )
A.物质b、rRNA和物质c都由细胞核中的a转录产生
B.过程①中a与b存在碱基A—T,C—G,T—A的配对
C.过程②所需的tRNA上的反密码子都能与b上的密码子相对应
D.图2中核糖体在c上由左向右移动,合成的多肽链一般是相同的
【解析】选D。b(mRNA)、c(mRNA)和rRNA可由细胞核中的a(DNA)转录产生,在真核细胞中,转录大多发生在细胞核中,少部分发生在线粒体和叶绿体中,A错误;过程①表示转录,a(DNA)与b(mRNA)存在碱基A-U,C-G,T-A的配对,B错误;过程②表示遗传信息的翻译过程,mRNA上的终止密码子不会与tRNA上的反密码子发生碱基配对现象,C错误;根据图2中两条肽链的长度可知,核糖体在mRNA上由左向右移动进行翻译,合成的多肽链一般是相同的,D正确。
1.辨析氨基酸与密码子、反密码子的数量关系:
(1)每种氨基酸对应一种或多种(填“一种”“多种”或“一种或多种”)密码子,可由一种或多种(填“一种”“多种”或“一种或多种”)tRNA转运。
(2)一种密码子只能决定一种(填“一种”或“多种”)氨基酸,一种tRNA只能转运一种(填“一种”或“多种”)氨基酸。
(3)密码子有64种(3种终止密码子;反密码子理论上有61种。
2.正确区分翻译过程中多聚核糖体模式图:
(1)图1表示真核细胞的翻译过程。图中①是mRNA,⑥是核糖体,②③④⑤表示正在合成的4条多肽链,翻译的方向是自右向左。
(2)图2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,在核糖体上同时进行翻译过程。
1.(2019·全国卷Ⅰ)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
【解析】选C。本题考查基因表达的条件。用体外实验的方法合成多肽链,应该提供蛋白质合成的各种条件,如果在体外合成同位素标记的多肽链,就应该以同位素标记的苯丙氨酸为原料,以人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸为模板,还需要tRNA、酶等条件,这些可以由除去了DNA和mRNA的细胞裂解液提供,所以所需的材料组合是③④⑤。
2.如图为某种真核细胞中蛋白质的生物合成示意图,请据图回答下列问题:
(1)完成①过程需要的酶是__________,该酶通过__________从细胞质基质进入细胞核。?
(2)②过程得到的mRNA先要在__________中进行__________后才用于翻译,翻译时一条mRNA会与多个核糖体结合,最后得到的多肽链上氨基酸序列__________(填“相同”或“不相同”)。若图中前体蛋白的一条肽链由30个氨基酸组成,则控制它合成的基因片段至少有______个碱基?
(3)根据所学知识并结合如图推知:该细胞中核糖体分布的场所有细胞质基质、______和__________等。?
(4)图中所示生理过程的完成需要遵循碱基互补配对原则的有__________(填序号)。?
(5)用α-鹅膏蕈碱处理细胞后发现,细胞质基质中的RNA含量显著减少,由此推测α-鹅膏蕈碱抑制的过程是__________(填序号)。?
【解析】(1)①过程为DNA复制的过程,DNA复制过程需要的酶为DNA聚合酶,该酶是在细胞质中的核糖体上合成的,然后通过核孔从细胞质基质进入细胞核。(2)②过程为转录过程,该过程得到的mRNA是不能直接作为模板进行翻译的,而是先要在细胞核中进行加工修饰后才用于翻译,翻译时一条mRNA会与多个核糖体结合,最后得到多条氨基酸序列相同的肽链。由于在mRNA上每三个相邻的碱基决定一个氨基酸,而RNA为单链分子,DNA为双链分子,所以氨基酸数目与基因中碱基数目的比值为1∶6,所以若前体蛋白的一条肽链由30个氨基酸组成,则控制它合成的基因片段至少有30×6=180个碱基。(3)真核细胞中核糖体的分布场所有细胞质基质,内质网,图中显示在线粒体中也有核糖体。(4)图中的①过程为DNA的复制,②为DNA的转录,④为翻译过程,⑥为线粒体DNA的复制,⑦为线粒体DNA的转录,⑧为翻译过程,这些过程的进行都要按照碱基互补配对原则进行。(5)用a-鹅膏蕈碱处理细胞后发现,细胞质基质中的RNA含量显著减少,而细胞质基质中的RNA来自细胞核中的转录过程,即图中的②过程,所以可推测a-鹅膏蕈碱抑制的过程是核中DNA的转录过程,即图中的②过程。
答案:(1)DNA聚合酶 核孔
(2)细胞核 加工修饰 相同 180
(3)内质网 线粒体 (4)①②④⑥⑦⑧ (5)②
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