資源簡介

第六單元　遺傳的分子基礎
第3課　基因的表達
[復習目標]　1.通過掌握遺傳信息的傳遞過程，能夠從分子水平闡述生命的延續性，從而理解生命的延續和發展規律。(生命觀念)　2.通過實例分析基因與性狀的關系、細胞分化與基因表達的關系及表觀遺傳。(科學思維)　3.通過掌握某藥物的作用機理及有關中心法則的內容，形成關注社會、關注人類健康的理念。(社會責任)
考點一　基因指導蛋白質的合成
1．RNA的結構與功能
2．遺傳信息的轉錄
(1)概念：RNA是在細胞核中，通過RNA聚合酶以DNA的一條鏈為模板合成的，這一過程叫作轉錄。
(2)場所：主要是細胞核，在葉綠體、線粒體中也能發生轉錄過程。
(3)過程
(4)產物：信使RNA、核糖體RNA、轉運RNA。
提醒：①一個DNA分子上有許多個基因，其中某個基因進行轉錄時，其他基因可能轉錄也可能不轉錄，它們之間互不影響。②真核生物的DNA轉錄形成的mRNA需要在細胞核加工處理成為成熟的mRNA后才能作為翻譯的模板。③轉錄完成后，RNA從DNA上釋放，原DNA恢復雙螺旋結構。
3．遺傳信息的翻譯
(1)場所或裝配機器：核糖體。
(2)條件
(3)過程
(4)產物：多肽蛋白質。
[教材深挖]
(1)(必修2 P66相關信息)在蛋白質的翻譯過程中遺傳信息是由tRNA和rRNA流向蛋白質的嗎？
提示：tRNA和rRNA參與蛋白質的合成過程，但是這兩種RNA本身不會翻譯為蛋白質。
(2)(必修2 P67思考·討論)從密碼子表可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸這樣，絕大多數氨基酸都有幾個密碼子，這一現象稱作密碼子的簡并。你認為密碼子的簡并對生物體的生存發展有什么意義？
提示：當一個密碼子中有一個堿基改變時，可能并不會改變其對應的氨基酸，增強了密碼子的容錯性；當某種氨基酸使用頻率高時，幾種不同的密碼子都編碼同一種氨基酸可以保證翻譯的速度。
[易錯辨析]
1．少數RNA具有生物催化作用。(√)
2．tRNA的反密碼子攜帶了氨基酸序列的遺傳信息。(×)
3．遺傳信息轉錄的產物只有mRNA。(×)
4．反密碼子的讀取方向為由氨基酸連接端開始讀(由長臂端向短臂端讀取)。(√)
5．終止密碼子一定不編碼氨基酸。(×)
1．對比分析DNA復制、轉錄和翻譯
2．遺傳信息、密碼子(遺傳密碼)、反密碼子
(1)相關概念辨析
(2)明確氨基酸與密碼子、反密碼子的數量關系
①一種氨基酸可對應一種或幾種密碼子(即密碼子具有簡并性)，可由一種或幾種tRNA轉運。
②除終止密碼子外，一種密碼子只能決定一種氨基酸；一種tRNA只能轉運一種氨基酸。
③終止密碼子并非不能編碼氨基酸，如UGA在特殊情況下，可以編碼硒代半胱氨酸。
④在原核生物中，GUG作為起始密碼子時編碼甲硫氨酸。
命題點1　圍繞轉錄和翻譯過程考查生命觀念及科學思維
1．(多選) (2021·遼寧卷)脫氧核酶是人工合成的具有催化活性的單鏈DNA分子。下圖為10－23型脫氧核酶與靶RNA結合并進行定點切割的示意圖。切割位點在一個未配對的嘌呤核苷酸(圖中R所示)和一個配對的嘧啶核苷酸(圖中Y所示)之間，圖中字母均代表由相應堿基構成的核苷酸。下列有關敘述錯誤的是(　　)
A．脫氧核酶的作用過程受溫度的影響
B．圖中Y與兩個R之間通過氫鍵相連
C．脫氧核酶與靶RNA之間的堿基配對方式有兩種
D．利用脫氧核酶切割mRNA可以抑制基因的轉錄過程
解析：選BCD。脫氧核酶的本質是單鍵DNA，溫度會影響脫氧核酶的結構，從而影響脫氧核酶的作用，A正確；圖示可知，圖中Y與兩個R之間分別通過磷酸二酯鍵和氫鍵相連，B錯誤；脫氧核酶本質是DNA，與靶RNA之間的堿基配對方式有A－U、T－A、C－G、G－C四種，C錯誤；利用脫氧核酶切割mRNA可以抑制基因的翻譯過程，D錯誤。
2．如圖1、2是兩種細胞中遺傳信息的主要表達過程。據圖分析，下列敘述中錯誤的是(　　)
圖1　　　　　　　圖2
A．圖1細胞中沒有以核膜為界限的細胞核，可以邊轉錄邊翻譯
B．兩細胞中基因表達過程均由線粒體提供能量
C．真核生物細胞核中轉錄出的mRNA必須通過核孔后才能翻譯
D．圖中所示的遺傳信息的流動方向都是DNA→mRNA→蛋白質
解析：選B。圖1細胞沒有以核膜為界限的細胞核，屬于原核細胞，可以邊轉錄邊翻譯，A正確；圖1細胞是原核細胞，沒有線粒體，B錯誤；真核生物細胞核DNA中的遺傳信息通過轉錄到mRNA中，mRNA必須通過核孔到細胞質中的核糖體上才能作為翻譯的模板，C正確；圖示表示遺傳信息的轉錄和翻譯過程，遺傳信息的流動方向為DNA→mRNA→蛋白質，D正確。
[技法提煉]　真、原核細胞的表達過程的判斷
命題點2　圍繞基因表達中相關計算考查科學思維
3．已知一個由2條肽鏈組成的蛋白質分子，共有198個肽鍵，控制翻譯該蛋白質分子的mRNA中A和U共占25%，則控制轉錄形成該mRNA的DNA分子中，C與G應該共有(　　)
A．600個　　　　　　　 B．700個
C．800個 D．900個
解析：選D。根據“由2條肽鏈組成的蛋白質分子共有198個肽鍵”可知，該蛋白質由200個氨基酸組成，則翻譯形成該蛋白質的mRNA分子中至少含有600個堿基，轉錄形成該mRNA的DNA分子中至少含有1200個堿基。mRNA中A和U共占25%，可知A＋U＝150(個)，則轉錄形成該mRNA的DNA模板鏈上T＋A＝150(個)，DNA分子中非模板鏈上A＋T＝150(個)，整個DNA分子中A＋T＝300(個)，則該DNA分子中C＋G＝900(個)。
[歸納總結]　基因表達中的相關數量關系
DNA堿基數∶mRNA堿基數∶氨基酸數＝6∶3∶1。
提醒：實際基因表達過程中的數量關系不符合6∶3∶1的原因。
①DNA中有的片段無遺傳效應，不能轉錄出mRNA。
②在基因片段中，有的片段(如非編碼區)起調控作用，不轉錄。
③合成的肽鏈在加工過程中可能會被剪切掉部分氨基酸。
④轉錄出的mRNA中有終止密碼子，正常情況下，終止密碼子不編碼氨基酸。
命題點3　圍繞轉錄和翻譯過程考查科學探究及社會責任
4．(2021·北京卷)近年來發現海藻糖-6-磷酸(T6P)是一種信號分子，在植物生長發育過程中起重要調節作用。研究者以豌豆為材料研究了T6P在種子發育過程中的作用。
(1)豌豆葉肉細胞通過光合作用在__________中合成三碳糖，在細胞質基質中轉化為蔗糖后運輸到發育的種子中轉化為淀粉貯存。
(2)細胞內T6P的合成與轉化途徑如下：
底物T6P海藻糖
將P酶基因與啟動子U(啟動與之連接的基因僅在種子中表達)連接，獲得U-P基因，導入野生型豌豆中獲得U-P純合轉基因植株，預期U-P植株種子中T6P含量比野生型植株____，檢測結果證實了預期，同時發現U-P植株種子中淀粉含量降低，表現為皺粒。用同樣方法獲得U-S純合轉基因植株，檢測發現植株種子中淀粉含量增加。
(3)本實驗使用的啟動子U可以排除由于目的基因____________________對種子發育產生的間接影響。
(4)在進一步探討T6P對種子發育的調控機制時，發現U-P植株種子中一種生長素合成酶基因R的轉錄降低，U-S植株種子中R基因轉錄升高。已知R基因功能缺失突變體r的種子皺縮，淀粉含量下降。據此提出假說：T6P通過促進R基因的表達促進種子中淀粉的積累。請從①～⑤選擇合適的基因與豌豆植株，進行轉基因實驗，為上述假說提供兩個新的證據。寫出相應組合并預期實驗結果。
①U-R基因　②U-S基因　③野生型植株
④U-P植株　⑤突變體r植株
__________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
解析：(1)豌豆葉肉細胞通過光合作用形成三碳糖是暗反應過程，該過程發生在葉綠體基質中。(2)結合題意可知，P酶基因與啟動子U結合后則可啟動P酶基因表達，則P酶基因在種子中表達增高，P酶增多，T6P更多轉化為海藻糖，故預期U-P植株種子中T6P含量比野生型植株低。(3)結合題意可知，啟動子U啟動與之連接的基因僅在種子中表達，該過程可以排除由于目的基因在其他器官(過量)表達對種子發育產生的間接影響。(4)分析題意可知，本實驗的目的是驗證T6P通過促進R基因的表達促進種子中淀粉的積累，且結合(2)可知，U-P植株種子中淀粉含量降低，表現為皺粒。用同樣方法獲得U-S純合轉基因植株，檢測發現植株種子中淀粉含量增加，實驗設計應遵循對照與單一變量原則，故可設計實驗如下：②(U-S基因，S酶可以較高表達)⑤(R基因功能缺失突變體)，與突變體r植株相比，轉基因植株種子中淀粉含量不變，仍皺縮；①(U-R基因，R基因表達較高)④(U-P植株，P基因表達較高)，與U-P植株相比，轉基因植株種子中淀粉含量增加，為圓粒；②(U-S基因，S酶可以較高表達)④(U-P植株，P基因表達較高)，與U-P植株相比，轉基因植株種子中R基因轉錄水平提高，淀粉含量增加，為圓粒。
答案：(1)葉綠體基質　(2)低　(3)在其他器官(過量)表達　(4)②⑤，與突變體r植株相比，轉基因植株種子中淀粉含量不變，仍皺縮(或①④，與U-P植株相比，轉基因植株種子中淀粉含量增加，為圓粒；或②④，與U-P植株相比，轉基因植株種子中R基因轉錄水平提高，淀粉含量增加，為圓粒)
考點二　中心法則及基因表達與性狀的關系
1．中心法則及其補充
(1)提出者：克里克。
(2)補充后的內容圖解
①DNA的復制；②轉錄；③翻譯；④RNA的復制；⑤RNA逆轉錄。
(3)生命是物質、能量和信息的統一體
在遺傳信息的流動過程中，DNA、RNA是信息的載體，蛋白質是信息的表達產物，而ATP為信息的流動提供能量。
2．基因控制性狀的途徑
(1)直接控制途徑
(完善實例分析如下)
(2)間接控制途徑
(完善實例分析如下)
①白化病致病機理圖解
②豌豆的圓粒和皺粒的形成機理圖解
3．基因的選擇性表達與細胞分化
(1)細胞分化的本質：基因的選擇性表達。
(2)表達的基因的分類
①在所有細胞中都能表達的基因，指導合成的蛋白質是維持細胞基本生命活動所必需的，如核糖體蛋白基因、ATP合成酶基因。
②只在某類細胞中特異性表達的基因，如卵清蛋白基因、胰島素基因。
(3)基因選擇性表達的原因：與基因表達的調控有關。
[教材深挖]
(必修2 P72思考·討論，節選)3種細胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰島素基因，但只檢測到其中一種基因的mRNA，這一事實說明了什么？
提示：這一事實說明，細胞中并不是所有的基因都表達，基因的表達存在選擇性。
4．表觀遺傳
[教材深挖]
(必修2 P73思考·討論，節選)資料1和資料2展示的遺傳現象有什么共同點？
提示：資料1和資料2展示的遺傳現象都表現為基因的堿基序列保持不變，但部分堿基發生了甲基化修飾，抑制了基因的表達，進而對表型產生影響。這種DNA甲基化修飾可以遺傳給后代，使后代出現同樣的表型。
5．基因與性狀間的對應關系
(1)一個基因一種性狀(多數性狀受單基因控制)
(2)一個基因多種性狀(如基因間相互作用)
(3)多個基因一種性狀(如身高、體重等)
另外，生物的性狀還受環境因素的影響。
[易錯辨析]
1．DNA病毒中沒有RNA，其遺傳信息的傳遞不遵循中心法則。(×)
2．基因只能通過控制蛋白質的結構直接控制生物體的性狀。(×)
3．表觀遺傳現象由于基因的堿基序列沒有改變，因此生物體的性狀也不會發生改變。(×)
4．吸煙會導致精子中DNA的甲基化水平升高，從而影響基因的表達。(√)
1．不同生物中心法則表達式
生物種類 舉例 遺傳信息的傳遞過程
DNA病毒 T2噬菌體
RNA病毒 煙草花葉病毒
逆轉錄病毒 艾滋病病毒
細胞生物 動物、植物、細菌、真菌等
2.表觀遺傳的分子機制及特點
(1)分子機制
①DNA的甲基化
基因中的堿基序列沒有變化，但部分堿基發生了甲基化修飾，抑制了基因的表達，進而影響表型。
②構成染色體的組蛋白的乙酰化修飾
真核生物細胞核中的DNA與一些蛋白質結合在一起，帶負電荷的DNA“纏繞”在帶正電荷的蛋白質(如組蛋白)上，使細長的DNA卷成緊密的結構。乙酰化修飾就是用乙酰基把組蛋白的正電荷屏蔽掉。組蛋白的正電荷一旦減少，其與DNA的結合就會減弱，這部分的DNA就會“松開”，激活相關基因的轉錄。
③RNA干擾
RNA干擾是正常生物體內抑制特定基因表達的一種現象。當細胞中導入或內源產生與某個特定mRNA同源的雙鏈RNA時，該mRNA發生降解或翻譯阻滯，導致基因表達沉默。這種現象發生在轉錄后水平，又稱為轉錄后基因沉默，是表觀遺傳的重要機制之一。
(2)特點
①可遺傳：基因表達和表型可以遺傳給后代。
②不變性：基因的堿基序列保持不變。
③可逆性：DNA的甲基化修飾可以發生可逆性變化，即被修飾的DNA可以發生去甲基化。
命題點1　圍繞中心法則考查社會責任與科學探究
1．(2021·河北卷，改編)許多抗腫瘤藥物通過干擾DNA合成及功能抑制腫瘤細胞增殖。下表為三種抗腫瘤藥物的主要作用機理。下列敘述不正確的是(　　)
藥物名稱 作用機理
羥基脲 阻止脫氧核糖核苷酸的合成
放線菌素D 抑制DNA的模板功能
阿糖胞苷 抑制DNA聚合酶活性
A．羥基脲處理后，腫瘤細胞中DNA復制和轉錄過程都出現原料匱乏
B．放線菌素D處理后，腫瘤細胞中DNA復制和轉錄過程都受到抑制
C．阿糖胞苷處理后，腫瘤細胞DNA復制過程中子鏈無法正常延伸
D．將三種藥物精準導入腫瘤細胞的技術可減弱它們對正常細胞的不利影響
解析：選A。據表格分析可知，羥基脲阻止脫氧核糖核苷酸的合成，從而影響腫瘤細胞中DNA復制過程，而轉錄過程需要的原料是核糖核苷酸，不會受到羥基脲的影響，A錯誤；據分析可知，放線菌素D通過抑制DNA的模板功能，可以抑制DNA復制和轉錄，因為DNA復制和轉錄均需要DNA模板，B正確；阿糖胞苷抑制DNA聚合酶活性而影響DNA復制過程，DNA聚合酶活性受抑制后，會使腫瘤細胞DNA復制過程中子鏈無法正常延伸，C正確；將三種藥物精準導入腫瘤細胞的技術可以抑制腫瘤細胞的增殖，由于三種藥物是精準導入腫瘤細胞，因此，可以減弱它們對正常細胞的不利影響，D正確。
2．科學家把等量的小白鼠敗血癥病毒(一種RNA病毒)顆粒加入甲、乙兩支試管，其中甲試管中含有帶放射性標記的脫氧核糖核苷三磷酸緩沖溶液，乙試管中含有帶放射性標記的核糖核苷三磷酸緩沖溶液。一段時間后，甲試管中能檢測到含有放射性的核酸，乙試管中不能檢測到含有放射性的核酸。下列敘述錯誤的是(　　)
A．甲、乙試管中都不能檢測到子代病毒
B．該病毒顆粒中含有與DNA合成有關的酶
C．乙試管中無放射性核酸的合成是因為缺少RNA酶
D．加入RNA酶，甲試管中放射性核酸明顯減少
解析：選C。根據題意分析可知，甲試管中發生了逆轉錄，但是甲試管中不能合成RNA和蛋白質，故甲試管中沒有子代病毒，乙試管中只有病毒RNA存在，也不能合成蛋白質，因此乙試管中也沒有子代病毒，A正確；根據以上分析可知，甲試管中完成了DNA的合成，因此加入的病毒顆粒中含有逆轉錄酶，B正確；乙試管中無放射性核酸的合成是因為缺少合成DNA的原料脫氧核糖核苷酸，C錯誤；加入RNA酶，病毒模板減少，故甲試管中放射性核酸明顯減少，D正確。
[技法提煉]　“三看法”判斷中心法則各過程
命題點2　圍繞基因表達與性狀的關系考查生命觀念及科學探究
3．下面是果蠅眼睛色素合成的生化途徑，沒有色素物質時眼色為白色。下列哪項結論與之不相符合(　　)
A．生物體的一種性狀可以受多對基因的控制
B．基因可以通過控制酶的合成來控制代謝過程，進而控制生物體的性狀
C．控制果蠅眼色的基因在遺傳時必須遵循基因的自由組合定律
D．出現白眼果蠅的原因除了基因突變外，還可能有其他原因
解析：選C。從眼睛色素合成的生化途徑中可以看出，果蠅的眼色由多對基因控制；由圖可知，基因可以通過控制酶的合成來控制代謝過程，進而控制生物體的性狀；從圖中看不出與眼色有關的基因是位于一對染色體上還是多對染色體上，故不能確定控制眼色的基因遺傳時是否遵循基因的自由組合定律；據圖可知，基因突變可能會影響酶的合成，使之不能形成有關色素物質，缺少相應的前體物質或某種環境條件使酶失去了活性或環境條件不適宜，均可影響有關基因的表達和色素的合成。
4．(2022·河東區二模)柳穿魚是一種園林花卉，其花的形態結構與Lcyc基因的表達直接相關。圖1所示兩株柳穿魚植株A和B花的形態結構不同，但它們體內的Lcyc基因序列相同，只是植株A的Lcyc基因在開花時表達，植株B的Lcyc基因不能表達，研究表明植株B的Lcyc基因不能表達的原因如圖2所示。科學家將這兩個植株作為親本進行雜交，F1的花與植株A的相似，F1自交的F2中絕大部分植株的花與植株A的相似，少部分植株的花與植株B的相似。根據資料分析以下描述正確的是(　　)
圖1　　　　　　　　圖2
A．F1植株體內所含Lcyc基因的表達情況是相同的
B．植株B由于堿基序列發生變化而產生了可遺傳的變異
C．植株B的Lcyc基因某些堿基連接了甲基而不能表達
D．柳穿魚花的不同形態表明性狀是基因與環境相互作用的結果
解析：選C。題干中提到F1自交后其后代絕大部分植株的花與植株A相似，少部分植株的花與植株B相似，這說明F1植株體內所含Lcyc基因的表達情況并不相同，A錯誤；植株B并不是因為堿基序列的變化而產生的變異，而是因為某些堿基連接了甲基，B錯誤；根據圖2可以看出，植株B的Lcyc基因不能表達的原因是某些堿基連接了甲基，C正確；柳穿魚花的不同形態主要體現了基因對性狀的影響，D錯誤。
[真題演練]
1．(2021·海南卷)終止密碼子為UGA、UAA和UAG。圖中①為大腸桿菌的一段mRNA序列，②～④為該mRNA序列發生堿基缺失的不同情況(“_”表示一個堿基缺失)。下列有關敘述正確的是(　　)
A．①編碼的氨基酸序列長度為7個氨基酸
B．②和③編碼的氨基酸序列長度不同
C．②～④中，④編碼的氨基酸排列順序與①最接近
D．密碼子有簡并性，一個密碼子可編碼多種氨基酸
解析：選C。由于終止密碼子不編碼氨基酸，因此①編碼的氨基酸序列長度為6個氨基酸，A錯誤；根據圖中密碼子顯示：在該段mRNA鏈中，②和③編碼的氨基酸序列長度相同，B錯誤；②缺失一個堿基，③缺失2個堿基，④缺失一個密碼子中的3個堿基，因此②～④中，④編碼的氨基酸排列順序與①最接近，C正確；密碼子有簡并性是指一種氨基酸可以有多個密碼子對應，但一個密碼子只能編碼一種氨基酸，D錯誤。
2．(2022·浙江6月選考)“中心法則”反映了遺傳信息的傳遞方向，其中某過程的示意圖如下。下列敘述正確的是(　　)
A．催化該過程的酶為RNA聚合酶
B．a鏈上任意3個堿基組成一個密碼子
C．b鏈的脫氧核苷酸之間通過磷酸二酯鍵相連
D．該過程中遺傳信息從DNA向RNA傳遞
解析：選C。圖示為逆轉錄過程，催化該過程的酶為逆轉錄酶，A錯誤；a(RNA)鏈上能決定一個氨基酸的3個相鄰堿基，組成一個密碼子，B錯誤；b為單鏈DNA，相鄰的兩個脫氧核苷酸之間通過磷酸二酯鍵連接，C正確；該過程為逆轉錄，遺傳信息從RNA向DNA傳遞，D錯誤。
3．(2021·浙江1月選考)如圖是真核細胞遺傳信息表達中某過程的示意圖。某些氨基酸的部分密碼子(5′→3′)是：絲氨酸UCU；亮氨酸UUA、CUA；異亮氨酸AUC、AUU；精氨酸AGA。下列敘述正確的是(　　)
A．圖中①為亮氨酸
B．圖中結構②從右向左移動
C．該過程中沒有氫鍵的形成和斷裂
D．該過程可發生在線粒體基質和細胞核中
解析：選B。已知密碼子的方向為5′→3′，由圖示可知，攜帶①的tRNA上的反密碼子為UAA，與其互補配對的mRNA上的密碼子為AUU，因此①為異亮氨酸，A錯誤；由圖示可知，tRNA的移動方向是由左向右，則結構②核糖體移動并讀取密碼子的方向為從右向左，B正確；互補配對的堿基之間通過氫鍵連接，圖示過程中，tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子互補配對時有氫鍵的形成，tRNA離開核糖體時有氫鍵的斷裂，C錯誤；細胞核內不存在核糖體，細胞核中不會發生圖示的翻譯過程，D錯誤。
4．(2021·浙江6月選考)某單鏈RNA病毒的遺傳物質是正鏈RNA(＋RNA)，該病毒感染宿主后，合成相應物質的過程如圖所示，其中①～④代表相應的過程。下列敘述正確的是(　　)
A．＋RNA復制出的子代RNA具有mRNA的功能
B．病毒蛋白基因以半保留復制的方式傳遞給子代
C．過程①②③的進行需RNA聚合酶的催化
D．過程④在該病毒的核糖體中進行
解析：選A。結合圖示可以看出，以＋RNA復制出的子代RNA為模板合成了蛋白質，因此＋RNA復制出的子代RNA具有mRNA的功能，A正確；病毒蛋白基因是RNA，為單鏈結構，通過兩次復制過程將基因傳遞給子代，而不是通過半保留復制傳遞給子代，B錯誤；①②過程是RNA復制，原料是4種核糖核苷酸，需要RNA聚合酶，而③過程是翻譯，原料是氨基酸，不需要RNA聚合酶催化，C錯誤；病毒不具有細胞結構，沒有核糖體，過程④在宿主細胞的核糖體中進行，D錯誤。
[長句特訓]
(2022·山東威海市教育教學研究中心模擬)遺傳信息的傳遞是遺傳和變異中最核心的問題。20世紀50年代，科學家依據已知事實推測必然存在某種“信使”分子能將遺傳信息從細胞核攜帶到細胞質中。當時關于“誰是DNA和蛋白質之間的遺傳信使”存在兩種假說：假說一認為“核糖體RNA就是遺傳信息的載體和遺傳信息傳遞的信使”，簡稱“rRNA假說”；假說二認為“一種新的RNA作為遺傳信息傳遞的信使”，簡稱“mRNA假說”。
設問形式1　假說推理類命題
(1)科學家推測“必然存在某種信使分子能將遺傳信息從細胞核攜帶到細胞質中”的事實依據是_________________。
設問形式2　科學探究類命題
(2)研究發現，核糖體由rRNA和蛋白質組成，噬菌體侵染細菌后會抑制細菌DNA的復制和表達，同時產生大量不穩定的RNA。聯系“誰是DNA和蛋白質之間的遺傳信使”的兩種假說進行推理，若假說一成立，則噬菌體侵染細菌后產生的不穩定RNA為rRNA，rRNA會參與組建形成新的核糖體；若假說二成立，則該不穩定的RNA為mRNA，mRNA不會參與組建形成新的核糖體。據此科學家設計了如下實驗對兩種假說進行探究。
第一步：將大腸桿菌置于含15N、13C、31P營養物質的培養基中培養若干代，提取部分大腸桿菌的核糖體進行離心，發現離心管中出現了一條靠近試管底部的無放射性的“重”核糖體帶。
第二步：將上述大腸桿菌轉移至含14N、12C、32P營養物質的培養基中培養一段時間，使各類營養物質被充分吸收到大腸桿菌細胞內，再加入噬菌體進行培養。為保證只有攜帶噬菌體遺傳信息的RNA被放射性同位素標記，則培養基中含32P的營養物質應是________________。適宜時間后提取大腸桿菌細胞中的核糖體進行離心，觀察離心管中核糖體的帶數和放射性32P的位置，實驗結果如圖所示。
實驗結果的分析和探究：
由離心結果中核糖體的帶數可知“rRNA假說”不成立而“mRNA假說”成立，理由是______________________；
對“重”核糖體有放射性的合理解釋是__________________________。
(3)結合之后的探究和發現，目前已知的參與蛋白質合成的RNA有_____________。
解析：(1)DNA能控制蛋白質的合成，DNA主要存在于細胞核，DNA不能從細胞核出來，而蛋白質合成發生在細胞質，則存在某種信使分子能將遺傳信息從細胞核攜帶到細胞質中。(2)為保證只有攜帶噬菌體遺傳信息的RNA被放射性同位素標記，則需要標記RNA特有的成分(尿嘧啶核糖核苷酸)。該探究應用了假說－演繹法，第一步得到的核糖體帶由于15N、13C參與蛋白質和rRNA的合成，比較“重”。若“rRNA假說”成立，則第二步得到的核糖體帶由于14N、12C參與蛋白質和rRNA的合成，會比較“輕”；若“mRNA假說”成立，則第二步得到的核糖體帶仍是第一步得到的核糖體帶，仍會比較“重”。實驗結果是“重”核糖體帶，證明“mRNA假說”正確。“重”核糖體是第一步得到的核糖體帶，沒有放射性，則放射性只能來源于新合成的mRNA，32P的尿嘧啶核糖核苷酸參與合成新的mRNA，mRNA和核糖體結合。(3)蛋白質合成時需要mRNA作為模板，在核糖體上進行脫水縮合，核糖體的主要成分是rRNA和蛋白質，還需要tRNA運輸氨基酸。
答案：(1)DNA主要存在于細胞核中，而蛋白質在細胞質中合成　(2)尿嘧啶核糖核苷酸　若“rRNA假說”成立則噬菌體侵染后會組建出新的核糖體，離心結果不止一條核糖體帶；若“mRNA假說”成立則不會形成新的核糖體，離心結果只有一條核糖體帶，與實驗結果相符　mRNA以放射性標記的32P-U為原料合成后，與侵染前細菌原有的核糖體結合在一起，表現為“重”核糖體有放射性　(3)mRNA、rRNA、tRNA
第3課　基因的表達
[基礎練透]
1．(2022·重慶市一診)下列有關遺傳信息表達過程的敘述，錯誤的是(　　)
A．轉錄過程和DNA分子復制過程遵循相同的堿基互補配對原則
B．轉錄過程中，RNA聚合酶有解開DNA雙螺旋結構的功能
C．多個核糖體可結合在一個mRNA上先后合成多條相同的多肽鏈
D．反密碼子由tRNA上3個相鄰的堿基組成
解析：選A。DNA復制過程中是DNA模板鏈和脫氧核苷酸配對，配對方式有A與T、G與C，而轉錄過程是DNA模板鏈和核糖核苷酸配對，脫氧核苷酸特有的堿基是T，沒有U，配對方式有T與A、G與C，A與U，所以轉錄和復制過程中堿基互補配對不完全相同，A錯誤；轉錄過程中，RNA聚合酶與DNA分子結合，并解開DNA雙螺旋結構，B正確；多個核糖體可先后結合在一個mRNA上形成多聚核糖體，由于是以一條mRNA為模板進行的翻譯過程，所以先后合成的多條多肽鏈是相同的，C正確；反密碼子由tRNA上3個相鄰的堿基組成，與mRNA上的密碼子配對，D正確。
2．真核細胞核仁染色質的鋪展圖呈現大樹的形狀(如圖所示)，此結構是核仁內rRNA基因的DNA片段上進行轉錄的狀況。對鋪展圖分析錯誤的是(　　)
A．b段是此時該細胞未被轉錄的區段
B．f是rRNA基因轉錄產物的5′末端
C．RNA聚合酶的移動方向是由右向左
D．新合成的RNA上附著大量核糖體
解析：選D。據圖可知，b階段是無RNA產物，故b段是此時該細胞未被轉錄的區段，A正確；基因的轉錄是從5′向3′端，據RNA的長度可知，f是rRNA基因轉錄產物的5′末端，B正確；據RNA的長度可知，RNA聚合酶的移動方向是由右向左，C正確；RNA合成后要經過加工才能成為成熟的RNA，故新合成的RNA不能結合核糖體，D錯誤。
3.(2022·江蘇南通市模擬)如圖表示某生物細胞中轉錄、翻譯的示意圖，其中①～④代表相應的物質。相關敘述正確的是(　　)
A．①表示DNA，該DNA分子含有2個游離的磷酸基團
B．②表示RNA聚合酶，能識別編碼區上游的起始密碼子
C．③表示mRNA，A端為5′端，有游離的磷酸基團
D．④表示多肽，需內質網和高爾基體加工后才具生物活性
解析：選C。①表示DNA，該DNA分子為環狀，不含有游離的磷酸基團，A錯誤；②表示RNA聚合酶，RNA聚合酶能識別編碼區上游的啟動子，B錯誤；由分析可知，③表示mRNA，核糖體由A端開始移動，A端為5′端，有游離的磷酸基團，C正確；④表示多肽，原核細胞沒有內質網和高爾基體，D錯誤。
4．(2022·濟南模擬)新型冠狀病毒(2019-nCoV)為有包膜病毒，其遺傳物質是一種單股正鏈RNA，以ss(＋)RNA表示。ss(＋)RNA可直接作為mRNA翻譯成蛋白質，如圖是病毒的增殖過程示意圖。有關該病毒說法正確的是(　　)
A．該病毒的遺傳物質徹底水解會得到四種核糖核苷酸
B．(＋)RNA的嘧啶堿基數與(－)RNA的嘧啶堿基數相等
C．RNA復制酶在宿主細胞內可催化磷酸二酯鍵的形成
D．由于沒有核糖體，所以病毒包膜上不存在蛋白質
解析：選C。該病毒的遺傳物質是RNA，若徹底水解會得到磷酸、核糖、四種含氮堿基(A、C、G、U)，A錯誤；圖中的(＋)RNA與(－)RNA之間為互補關系，因此二者中的嘧啶堿基數不一定相等，B錯誤；RNA復制酶在宿主細胞內可催化RNA的合成，顯然RNA復制酶能催化核糖核苷酸之間磷酸二酯鍵的形成，C正確；病毒是非細胞生物，沒有核糖體，但病毒包膜上依然存在來自宿主細胞中合成的蛋白質，D錯誤。
5．(2022·撫順一模)皺粒豌豆的形成是由于編碼SBE1蛋白的基因中插入了一段800 bp(堿基對)的Ips-r片段(如圖所示)，從而使豌豆種子內淀粉合成受阻，使淀粉含量降低，當豌豆成熟時不能有效地保留水分，導致種子皺縮。下列相關敘述錯誤的是(　　)
A．皺粒豌豆的出現是基因突變的結果
B．該實例說明基因可以通過控制酶的合成間接控制生物體的性狀
C．外來DNA序列的插入，導致編碼SBE1蛋白的基因轉錄形成的mRNA中脫氧核苷酸數目增加
D．翻譯出的SBE1蛋白缺少了61個氨基酸，可能是因為mRNA中終止密碼子提前出現
解析：選C。根據題干信息，“編碼SBE1蛋白的基因中插入了一段800 bp(堿基對)的Ips-r片段”，說明皺粒豌豆的出現是基因突變的結果，A正確；根據題干信息，“編碼SBE1蛋白的基因中插入了一段800 bp(堿基對)的Ips-r片段”，導致合成的淀粉合成酶1缺少61個氨基酸，“從而使豌豆種子內淀粉合成受阻，使淀粉含量降低，當豌豆成熟時不能有效地保留水分，導致種子皺縮”，說明基因是通過控制酶的合成間接控制生物性狀，B正確；外來DNA序列的插入，導致編碼SBE1蛋白的基因轉錄形成的mRNA中核糖核苷酸數目增加，C錯誤；翻譯出的SBE1蛋白缺少了61個氨基酸，可能是因為mRNA中終止密碼子提前出現，D正確。
6．(2022·江蘇省上岡高級中學高三模擬)表觀遺傳是指生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達和表型發生可遺傳變化的現象，DNA甲基化是其中的機制之一。研究發現小鼠體內一對等位基因A和a(完全顯性)，位于卵子時均發生甲基化，且在子代中不能表達；但A和a基因在精子中都是非甲基化的，傳給子代后都能正常表達。下列有關敘述錯誤的是(　　)
A．DNA甲基化修飾后轉錄可能受阻
B．雄鼠體內可能存在相應的去甲基化機制
C．抑癌基因的過度甲基化修飾將抑制腫瘤的發生
D．基因型為Aa的小鼠隨機交配，子代性狀分離比約為1∶1
解析：選C。DNA甲基化修飾后，基因不能表達，可能是甲基化阻止了RNA聚合酶與基因的結合，從而影響了該基因的轉錄過程，A正確；含有等位基因A和a的卵子都是甲基化的，而所有雄鼠的精子都是非甲基化的，其原因可能是在雄鼠體內有去甲基化機制，B正確；抑癌基因過度甲基化導致基因不能表達，會導致細胞無限分裂出現腫瘤，C錯誤；卵細胞有A、a兩種，精子有A、a兩種，但是卵細胞的基因在子代都無法表達，故子代兩種性狀分離比約為1∶1，D正確。
7．(多選)科研人員從腫瘤細胞中發現了蛋白S，為了研究其功能做了如下實驗：將DNA模板和RNA聚合酶混合一段時間后加入原料，其中鳥嘌呤核糖核苷酸用32P標記，一起培育一段時間后，加入肝素(可以與RNA聚合酶結合)，然后再加入蛋白S，結果如圖所示。下列敘述錯誤的是(　　)
A．RNA聚合酶能識別DNA模板上的某一啟動子
B．肝素與RNA聚合酶結合后能破壞RNA聚合酶的空間結構并使之失去活性
C．對照組應加入不含蛋白S的緩沖液，實驗組加入肝素后基本沒有新的mRNA合成
D．曲線反映的是DNA轉錄的過程，蛋白S能解除肝素抑制翻譯的作用
解析：選BD。RNA聚合酶能識別DNA模板上特定的位點即啟動子，并與之結合，催化RNA的合成，A正確；肝素與RNA聚合酶結合后能改變RNA聚合酶的空間結構，但不會使之失去活性，B錯誤；由于肝素能與RNA聚合酶結合，使RNA聚合酶不能與啟動子結合，所以加入肝素后mRNA的合成受到抑制，因而沒有新的mRNA合成，C正確；根據兩曲線的比較可知，加入蛋白S的實驗組產物中放射性明顯增多，說明蛋白S能解除肝素對轉錄的抑制作用，D錯誤。
8．(2022·湖北襄陽市模擬)心肌細胞不能增殖，基因ARC在心肌細胞中的特異性表達，能抑制其凋亡，以維持正常數量。細胞中另一些基因通過轉錄形成前體RNA，再經過加工會產生許多非編碼RNA，如miR－223(鏈狀)，HRCR(環狀)。結合圖示回答下列問題：
(1)若ARC基因堿基數量為1800，其中一條單鏈鳥嘌呤和胞嘧啶之和占該單鏈堿基數的46%，該基因中含有氫鍵____________個，該基因復制3次共消耗胸腺嘧啶脫氧核苷酸的數目是________________________。
(2)啟動過程①時，____________酶需識別并與DNA分子上的啟動子結合。進行過程②的場所是____________，該過程最終合成的T1、T2、T3三條多肽鏈的氨基酸順序________(填“相同”或“不同”)，翻譯的方向是________(填“從左到右”或“從右到左”)。
(3)當心肌缺血、缺氧時，會引起基因miR-223過度表達，所產生的miR-223可與ARC的mRNA特定序列通過堿基互補配對原則結合，形成__________________，使ARC無法合成，最終導致心力衰竭。與基因ARC相比，核酸雜交分子1中特有的堿基對是________________。
(4)據圖分析，HRCR有望成為減緩心力衰竭的新藥物，原因是_______________________。
解析：分析題圖：圖中①為轉錄過程，②為翻譯過程，其中mRNA可與miR-223結合形成核酸雜交分子1，miR-223可與HRCR結合形成核酸雜交分子2。(1)雙鏈DNA分子中，鳥嘌呤和胞嘧啶之和占全部堿基數的46%，則C＝G＝23%，A＝T＝27%，即A＝T＝1800×27%＝486個，G＝C＝1800×23%＝414個，由于A和T之間有2個氫鍵，G和C之間有3個氫鍵，則該基因中氫鍵共有486×2＋414×3＝2214個；該基因復制3次共消耗胸腺嘧啶脫氧核苷酸的數目是(23－1)×486＝3402個。(2)①表示基因的轉錄，RNA聚合酶識別并與基因上的啟動子結合，開啟轉錄的過程；②表示翻譯，蛋白質合成的場所是核糖體；由于T1、T2、T3都是以同一條mRNA為模板，翻譯而來的多肽鏈，因而具有相同氨基酸順序；根據肽鏈的長短，T3的肽鏈最長，說明是最先開始翻譯的，因而翻譯的方向是從左到右。(3)基因miR-223表達形成的miR-223是鏈狀RNA片段，從圖中可以看出，其能夠與基因ARC轉錄形成的mRNA結合，形成核酸雜交分子1，它們是通過堿基互補配對原則進行結合的；基因ARC是DNA分子，其含有A－T、T－A、G－C、C－G的堿基對，而核酸雜交分子1是兩條RNA的結合，所以只含有A－U、U－A、G－C、C－G的堿基對，因而核酸雜交分子1中特有的堿基對是A－U、U－A。(4)從圖中可以看出，HRCR能夠與miR-223互補配對，形成核酸雜交分子2，以此清除miR-223，使miR-223無法與mRNA結合成核酸雜交分子1，使基因ARC表達增加，進而能抑制心肌細胞的凋亡。
答案：(1)2214　3402　(2)RNA聚合　核糖體　相同　從左到右　(3)核酸雜交分子1　A－U、U－A　(4)HRCR能夠與miR-223互補配對，清除miR-223，使基因ARC表達增加，抑制心肌細胞的凋亡
[能力提升]
9．(2022·湖南長沙市雅禮模擬)植物體內的轉錄因子OrERF是一類蛋白質，在植物抵抗逆境，如干旱、低溫和高鹽時發揮重要作用。科研人員對水稻OrERF基因進行系列研究。實驗檢測OrERF基因在高鹽條件下的表達水平，結果如圖1，植物感受外界干旱、高鹽、低溫等信號，通過一系列信息傳遞合成轉錄因子。轉錄因子OrERF對下游基因調節過程如圖2。下列說法錯誤的是(　　)
圖1
圖2
A．實驗結果表明，自然條件下OrERF基因的表達水平較低，高鹽處理12小時后，OrERF基因的表達水平顯著增加
B．轉錄因子OrERF合成的場所是附著在內質網上的核糖體，發揮作用的場所主要是細胞核
C．轉錄因子OrERF的作用機理可能是通過與RNA聚合酶結合，激活RNA聚合酶與DNA上特定的序列結合，啟動轉錄的過程
D．干旱、高鹽、低溫等不同環境條件誘導植物產生的轉錄因子OrERF的空間結構可能不相同，從而調控不同基因的表達
解析：選B。圖1實驗結果表明，自然條件下(未經高鹽處理)水稻中OrERF基因的表達水平較低，高鹽處理12小時后OrERF基因的表達水平顯著增加，A正確；轉錄因子OrERF是一類蛋白質，是胞內蛋白，其合成場所是細胞質中游離的核糖體，而不是附著在內質網上的核糖體，轉錄因子OrERF作用于轉錄過程，而轉錄的主要場所是細胞核，因此轉錄因子OrERF作用的場所主要是細胞核，B錯誤；由圖可知，轉錄因子OrERF通過與RNA聚合酶結合，激活RNA聚合酶，啟動轉錄的過程，C正確；轉錄因子OrERF是一類而不是一種蛋白質，從圖中可以看出轉錄因子OrERF在結構上具有特異性，除了與RNA聚合酶特異性結合外，還可以與結合在基因調控序列上的某種特定結構特異性結合，在高鹽、干旱、低溫不同信號的誘導下，會導致植物體表達出不同的OrERF蛋白，以調控不同基因的表達，從而適應高鹽、干旱、低溫等不同環境，D正確。
10．(2022·遼寧模考)動物的晝夜節律與周期基因密切相關，該基因的表達及調控過程如圖所示，其編碼的蛋白PER在夜間累積而在白天降解。下列相關敘述不正確的是(　　)
A．①過程中游離的核糖核苷酸之間通過磷酸二酯鍵相互連接
B．②過程中一個mRNA分子能翻譯出多個PER蛋白
C．周期基因的表達與調控可能發生在垂體某些細胞中
D．TIM與PER的結合物影響周期基因的表達
解析：選C。①過程表示轉錄，游離的核糖核苷酸之間通過磷酸二酯鍵相互連接，A正確；②過程表示翻譯，該過程中一個mRNA分子可以相繼結合多個核糖體，翻譯出多個PER蛋白，B正確；下丘腦與動物的節律有關，因此周期基因的表達與調控可能發生在下丘腦某些細胞中，C錯誤；基因的表達包括轉錄和翻譯，由圖可看出，TIM與PER的結合物影響該基因的轉錄，故TIM與PER的結合物影響周期基因的表達，D正確。
11．(多選)人類基因組中有數以萬計的基因，但在細胞內并非所有的基因都表達，因此需要“關閉”部分基因。rest基因編碼的R蛋白能抑制其他基因的表達。R蛋白通過使組蛋白去乙酰化來抑制相關基因的表達。在動物模型實驗中發現，R蛋白含量降低的動物，會出現神經興奮活動增強以及更早死亡的現象。下列推斷合理的是(　　)
A．rest基因可能參與細胞分化和個體發育
B．組蛋白的乙酰化會抑制相關基因的轉錄
C．增強rest基因的表達可能會使神經興奮性降低
D．抑制rest基因的表達可能會導致動物壽命縮短
解析：選ACD。rest基因編碼的R蛋白能抑制其他基因的表達，而細胞分化是基因選擇性表達的結果，故rest基因可能參與細胞分化和個體發育，A符合題意；由題意可知，R蛋白通過使組蛋白去乙酰化來抑制相關基因的表達，基因的表達包括基因的轉錄和翻譯，故組蛋白的乙酰化不會抑制相關基因的轉錄，B不符合題意；由題意可知，R蛋白含量降低的動物，會出現神經興奮活動增強，R蛋白是rest基因的表達產物，故增強rest基因的表達可能會使神經興奮性降低，C符合題意；R蛋白含量降低的動物，會出現更早死亡的現象，且R蛋白是rest基因的表達產物，故抑制rest基因的表達，R蛋白含量會降低，可能會導致動物壽命縮短，D符合題意。
12．(2022·遼寧連山實驗高中模擬)DNA甲基化是DNA化學修飾的一種形式，能影響表型，也能遺傳給子代。在蜂群中，雌蜂幼蟲一直取食蜂王漿而發育成蜂王，而以花粉和花蜜為食的幼蜂將發育成工蜂。研究發現，DNMT3蛋白是核基因DNMT3表達的一種DNA甲基化轉移酶，能使DNA某些區域添加甲基基團，如圖所示。回答下列問題：
(1)蜜蜂細胞中DNMT3基因發生過程①的場所是____________________，若以基因的β鏈為模板，則虛線框中合成的RNA的堿基序列順序為______________________。
(2)DNA甲基化若發生在基因轉錄的啟動子序列上，則會影響RNA聚合酶與該序列的識別與結合，進而抑制基因的表達。據圖可知，DNA甲基化________(填“會”或“不會”)改變基因的堿基序列。在細胞內，少量的mRNA可以迅速合成大量的蛋白質，原因是______________________。(寫出一點)
(3)已知注射DNMT3siRNA(小干擾RNA)能使DNMT3基因表達沉默，蜂王的基因組甲基化程度低于工蜂的，請設計實驗驗證基因組的甲基化水平是決定雌蜂幼蟲發育成工蜂還是蜂王的關鍵因素。
實驗思路：取多只_____________________，
均分為A，B兩組，A組不做處理，B組____________________________，其他條件相同且適宜，用花粉和花蜜飼喂一段時間后，觀察并記錄幼蜂發育情況。
實驗現象：_____________________。
解析：(1)過程①是轉錄過程，其中DNMT3基因是核基因，因此過程①發生在細胞核內，根據堿基互補配對原則，若以基因的β鏈為模板，則虛線框中合成的RNA的堿基序列順序為－CUUGCCAGC－。(2)分析題圖可知，基因甲基化不改變基因的堿基序列，但會影響轉錄，從而影響基因的表達。在轉錄時，RNA聚合酶的作用是使DNA解螺旋、催化游離的核糖核苷酸聚合生成RNA；在細胞質中，翻譯是一個快速而高效的過程，通常一個mRNA分子上可相繼結合多個核糖體，同時合成多條肽鏈，并且最終的產物相同，因此，少量的mRNA可以迅速合成大量的蛋白質。(3)根據題干可知DNMT3siRNA能與DNMT3基因轉錄出的RNA結合，阻礙翻譯過程，從而抑制DNMT3基因表達，進而降低基因的甲基化水平，據此取多只生理狀況相同的雌蜂幼蟲，均分為A、B兩組；A組不作處理，B組注射適量的DNMT3siRNA，其他條件相同且適宜；用花粉和花蜜飼喂一段時間后，觀察并記錄幼蜂發育情況。如果A組發育成工蜂，B組發育成蜂王，則能驗證基因組的甲基化水平是決定雌蜂幼蟲發育成工蜂還是蜂王的關鍵因素。
答案：(1)細胞核　－CUUGCCAGC－　(2)不會　一個mRNA分子可相繼結合多個核糖體，同時合成多條肽鏈　(3)生理狀況相同的雌蜂幼蟲　注射適量的DNMT3siRNA　A組發育成工蜂，B組發育成蜂王

展開更多......

收起↑