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第4章 基因的表达
解读章首图文
培养学习志向·勇担社会责任
章引言第一段承接第3章，首先说明DNA结构和基因本质的揭示极大地促进了生物学的研究，并提出“基因又是如何起作用的呢？”的问题，以此激发我们继续探究的兴趣，而这个问题既是本章的中心问题，也是理解基因的本质后会产生的疑问。接下来，章引言以转入苏云金杆菌抗虫蛋白基因的转基因棉创设情境，并说明转入的是基因，得到的却是蛋白质，简单回答了基因如何起作用的问题。然后，章引言给出了基因的表达的概念，呼应了本章标题。最后，章引言继续设问，3个问题分别指向本章的重要概念和学科核心素养。例如，“基因的表达过程是怎样的？”指向本章的重要概念；“为什么一种生物的基因能在另一种生物中表达呢？”“各种生物的基因表达过程有什么共同点呢？”则指向了生物进化观。由此可见，章引言围绕着重要概念和学科核心素养创设情境、设计问题，而层层递进的问题设计引导我们思考，进一步激发我们学习新知识的欲望。
与章引言凸显基因的表达相呼应的，是一幅呈现基因表达全过程(包括转录和翻译过程)的章题图。这幅图展示了分别发生在细胞核和细胞质中的转录和翻译过程，以及正在通过核孔的mRNA、正在运输氨基酸的tRNA。不仅显示了基因表达的动态过程，还渗透了结构与功能相适应的生命观念。构图设计与深邃的星空相似，增加了分子水平上基因表达的神秘感，有利于激发同学们学习的兴趣和展开丰富的想象。
章首页的小诗言简意赅地阐明了基因表达的意义和特点，提示我们思考生命为什么如此和谐与统一，为形成生命是物质、能量和信息的统一体的生命观念作铺垫。通过阅读章首页，同学们可以初步建立遗传信息的传递和表达是一个动态过程的基本认识。
理清本章架构
初识概念体系·具备系统思维
第1节　基因指导蛋白质的合成
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.比较DNA与RNA的区别，说明RNA适于作DNA信使的原因。2.概述遗传信息的转录和翻译的过程及特点。3.计算DNA碱基数目、RNA碱基数目与氨基酸数目之间的对应关系。4.阐明中心法则的具体内容。5.基于地球上几乎所有的生物共用一套遗传密码的事实，认同当今生物可能有着共同的起源。 1.RNA有三种：信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)。2.转录的主要场所是细胞核，条件是模板(DNA的一条链)、原料(4种核糖核苷酸)、酶(RNA聚合酶)和能量。3.翻译的场所是核糖体，条件是模板(mRNA)、“搬运工”(tRNA)、原料(21种氨基酸)、酶和能量。4.中心法则图解：
【主干知识梳理】
一、RNA的结构与种类
1．RNA的结构
2．RNA与DNA的比较
比较项目 DNA RNA
组成单位基本组成 单位不同 脱氧核苷酸 核糖核苷酸
五碳糖不同 脱氧核糖 核糖
碱基不同 特有的是胸腺嘧啶(T) 特有的是尿嘧啶(U)
结构不同 规则的双螺旋结构 一般为单链
3．RNA的种类及其作用
(1)
(2)
(3)
二、遗传信息的转录
1．概念图解
2．过程
三、遗传信息的翻译
1．密码子
(1)概念：mRNA上决定1个氨基酸的个相邻的碱基。
(2)
2．tRNA：RNA链经过折叠，看上去像三叶草的叶形，其一端是携带氨基酸的部位，另一端有3个相邻的碱基可以与mRNA上的密码子互补配对，叫作反密码子。
3．翻译
(1)概念图解：
(2)过程：
四、中心法则
1．提出者：克里克。
2．图解：
3．中心法则的发展
补充后的中心法则图解
4．生命是物质、能量和信息的统一体
在遗传信息的流动过程中，DNA、RNA是信息的载体，蛋白质是信息的表达产物，而ATP为信息的流动提供能量。
【教材微点发掘】
1.如图为tRNA的结构示意图(教材第67页图46变式)，据图回答有关问题：
(1)图中的tRNA携带的氨基酸是甲硫氨酸，判断依据是图中tRNA的反密码子是UAC，其对应的密码子是AUG，根据密码子表可以确定AUG是甲硫氨酸的密码子。
(2)在tRNA中是否只有反密码子这3个碱基？是否存在氢键？
提示：tRNA是RNA链经折叠形成的，除一端的反密码子外，还有其他碱基。在折叠区域碱基配对，存在氢键。
(3)每种tRNA只能识别并转运种氨基酸，每种氨基酸可能由一种或几种tRNA转运。
(4)为什么说tRNA是真正起“翻译”作用的结构？
提示：运输氨基酸的工具是tRNA，它一端有反密码子，能和mRNA上的密码子相识别，一端能携带氨基酸，因此tRNA是真正起“翻译”作用的结构。
2．下图表示一个mRNA分子上结合多个核糖体，同时合成多条多肽链的现象(教材第69页旁栏图)。请回答有关问题：
(1)图中每个核糖体是共同合成一条多肽链，还是分别合成一条完整的多肽链？
提示：每个核糖体分别合成一条完整的多肽链。
(2)图中合成的4条多肽链是否相同？判断依据是什么？
提示：相同，因为它们结合的模板mRNA相同。
(3)图中翻译的方向是从左向右，判断的依据是多肽链的长短，长的翻译在前。
(4)图中所示的翻译特点，其意义是少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。
教材问题提示
思考·讨论1(教材第66页)
1．可以从所需条件、过程中的具体步骤所表现出的规律等角度进行分析。例如，转录与复制都需要模板，都遵循碱基互补配对原则，等等。其中，碱基互补配对原则能够保证遗传信息传递的准确性。
2．DNA复制所需要的原料是4种游离的脱氧核苷酸，所需要的酶是解旋酶和DNA聚合酶等；转录所需要的原料是4种游离的核糖核苷酸，所需要的酶是RNA聚合酶。
3．转录时，游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对。因此，转录成的RNA的碱基与DNA模板链的碱基是互补配对的关系。该RNA的碱基序列与DNA另一条链(非模板链)的碱基序列的区别是RNA链上的碱基U，对应在非模板链上的碱基是T。
思考·讨论2(教材第67页)
1．这是一道开放性问题，可以从增强密码子容错性的角度来解释，当密码子中有一个碱基改变时，由于密码子的简并性，可能并不会改变其对应的氨基酸；也可以从密码子的使用频率来考虑，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翻译的速度。
2．这是一道开放性问题，根据这一事实能想到地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码，说明当今生物可能有着共同的起源，或生命在本质上是统一的，等等。
新知探究(一)　遗传信息的转录
【拓展·深化】
1．转录的场所、条件和产物
场所 真核生物主要发生在细胞核，线粒体和叶绿体也可以发生
条件 ①模板：以DNA的一条单链为模板链(另一条单链为非模板链)②原料：四种核糖核苷酸③能量：ATP④酶：RNA聚合酶
碱基配对情况 T与A配对(形成两个氢键)，G与C配对(形成三个氢键)，A与U配对(形成两个氢键)，C与G配对(形成三个氢键)。如图：
产物 RNA(mRNA、tRNA、rRNA)
2．转录有关问题分析
(1)转录不是转录整个DNA，而是转录其中的基因。不同种类的细胞，由于基因的选择性表达，mRNA的种类和数量不同，但tRNA和rRNA的种类没有差异。
(2)细胞核中转录形成的RNA通过核孔进入细胞质，穿过0层膜，需要能量。
(3)完成正常使命的mRNA易迅速降解，保证生命活动的有序进行。
(4)质基因(线粒体和叶绿体中的基因)控制蛋白质合成过程时也进行转录。
(5)mRNA与DNA模板链碱基互补，但与非模板链碱基序列基本相同，只是用U代替T。
(6)转录时，边解旋边转录，单链转录。
3．三类核糖核酸的比较
种类 mRNA tRNA rRNA
结构 单链 单链，呈三叶草形 单链
特点 携带从DNA上转录来的遗传信息 一端携带特定的氨基酸，另一端特定的三个相邻碱基可与mRNA上的密码子互补配对，叫反密码子 核糖体的组成成分
功能 作为翻译的模板 识别密码子，转运特定的氨基酸 参与构成
图示
共同点 都是经过转录产生的，基本单位都相同，都与翻译的过程有关
[思考·探究]
(1)RNA为什么适合做DNA的信使？
提示：①RNA一般为单链，比DNA短，可以通过核孔从细胞核进入细胞质。②RNA是另一种核酸，也是由四种核苷酸组成的，也可以储存大量的遗传信息。③RNA与DNA之间也遵循碱基互补配对原则。
(2)转录成的RNA的碱基序列，与作为模板的DNA单链的碱基序列有何关系？与DNA的另一条链的碱基序列相比有哪些异同？
提示：①转录成的RNA的碱基序列，与作为模板的DNA单链的碱基序列互补配对。②相同点：a.碱基数目相等；b.都含A、G、C 3种碱基。不同点：RNA中含有U，DNA中含有T。
【典题·例析】
[例1]　下列关于洋葱根尖细胞遗传信息转录过程的叙述，正确的是(　　)
A．一个DNA可转录出多个不同类型的RNA
B．以完全解开螺旋的一条脱氧核苷酸链为模板
C．转录终止时成熟的RNA从模板链上脱离下来
D．可发生在该细胞的细胞核、线粒体和叶绿体中
[解析]　基因是有遗传效应的DNA片段，一个DNA分子上有多个基因，不同基因转录形成的RNA不同，因此一个DNA分子经过转录可以形成多个不同类型的RNA分子，A正确；一个DNA分子上有多个基因，转录时不会完全解开螺旋，且转录过程中边解旋边转录，B错误；真核生物细胞核内转录出的RNA，需要在核中加工后形成成熟的RNA，C错误；洋葱根尖细胞无叶绿体，D错误。
[答案]　A
[例2]　下图表示细胞核中所完成的mRNA的形成过程示意图，有关叙述正确的是(　　)
A．图中RNA聚合酶的移动方向是从左向右
B．图中RNA与a链碱基互补
C．图示RNADNA杂交区域中DNA上的A与RNA上的T配对
D．DNA双螺旋解开需要解旋酶的参与，同时消耗能量
[解析]　依图示可知，RNA聚合酶的移动方向是从左向右，A正确；RNA与a链上碱基除U与T不同外，其他碱基相同，不能互补，B错误；图示RNADNA杂交区域中DNA上的A与RNA上的U配对，C错误；RNA聚合酶本身具有解旋功能，转录不需要解旋酶的参与，D错误。
[答案]　A
易错提醒—————————————————————————————————
与转录有关的两个注意点
(1)转录时，需要解旋，但不需要解旋酶参与。因为RNA聚合酶本身就兼有解旋的作用。
(2)转录时，RNA子链的延伸方向为5′端→3′端，与RNA聚合酶的移动方向一致。
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【应用·体验】
1．如图表示在人体细胞核中进行的某一生命过程，据图分析，下列说法错误的是(　　)
A．该过程可发生在线粒体内
B．该过程与DNA复制时碱基互补配对方式完全相同
C．该过程涉及ATP的消耗
D．游离的核糖核苷酸随机地与DNA链上的碱基相撞
解析：选B　题图所示为人体细胞中发生的转录过程。该过程主要发生在细胞核中，还可以发生在线粒体中，A正确；该过程的碱基互补配对方式有A—U，而DNA复制过程没有，B错误；转录过程需要消耗ATP，C正确；在转录过程中，游离的核糖核苷酸随机地与DNA链上的碱基相撞，D正确。
2．下列关于真核细胞中转录的叙述，错误的是(　　)
A．tRNA、rRNA和mRNA都从DNA转录而来
B．同一细胞中两种RNA的合成有可能同时发生
C．细胞中的RNA合成过程不会在细胞核外发生
D．转录出的RNA链与模板链的相应区域碱基互补
解析：选C　转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程，产物包括tRNA、rRNA和mRNA，A正确；三种RNA对应的基因不同，同一细胞中两种RNA的合成有可能同时发生，B正确；真核细胞的线粒体、叶绿体中含有DNA，也可以通过转录合成RNA，C错误；转录过程遵循碱基互补配对原则，转录出的RNA链与模板链的相应区域碱基互补，D正确。
新知探究(二)　遗传信息的翻译
【探究·深化】
[问题驱动]　
如图是翻译过程的示意图，请据图回答下列问题：
(1)图甲中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ分别是哪种分子或结构？
提示：Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ分别是tRNA、核糖体、多肽链。
(2)Ⅲ是mRNA，其中的起始密码子和终止密码子分别是什么？它们都能决定氨基酸吗？
提示：起始密码子：AUG，编码甲硫氨酸；终止密码子：UAA，不编码氨基酸。
(3)图乙中①⑥分别是什么分子或结构？核糖体移动的方向是怎样的？
提示：①⑥分别是mRNA、核糖体；核糖体移动的方向是由右向左。
(4)最终合成的多肽链②③④⑤的氨基酸序列相同吗？为什么？
提示：相同；因为它们的模板是同一条mRNA。
[重难点拨]　
(一)转录与翻译的比较
(二)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
概念 DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序 mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基 tRNA上与密码子互补的3个碱基
作用 控制生物的性状 直接决定蛋白质中的氨基酸序列 识别密码子，转运氨基酸
种类 多样性 64种 61种
图解
(三)转录、翻译过程中的四个易错点
(1)转录的产物不只是mRNA，还有tRNA、rRNA，但只有mRNA携带遗传信息，3种RNA都参与翻译过程，只是作用不同。
(2)翻译过程中mRNA并不移动，而是核糖体沿着mRNA移动，进而读取下一个密码子。
(3)转录和翻译过程中的碱基配对不是A—T，而是A—U。
(4)并不是所有的密码子都决定氨基酸，其中终止密码子不决定氨基酸。
(四)原核生物与真核生物基因转录和翻译的辨别
(1)真核细胞的转录主要发生在细胞核中，翻译发生在细胞质中，在空间和时间上被分隔开进行，即先转录后翻译。
(2)原核细胞的转录和翻译没有分隔，可以同时进行，即边转录边翻译。过程如图所示：
图中①是DNA模板链，②③④⑤表示正在合成的4条mRNA，每条mRNA上有多个核糖体同时进行翻译，翻译的方向是从下到上。
【典题·例析】
[例1]　下图表示某细胞内发生的一系列生理变化，X 表示某种酶。据图分析，下列有关叙述错误的是(　　)
A．X为RNA聚合酶，该酶主要在细胞核中发挥作用
B．该图中最多含5 种碱基、8种核苷酸
C．过程Ⅰ仅在细胞核内进行，过程Ⅱ仅在细胞质内进行，图中X 和核糖体的移动方向相同
D．b部位发生的碱基配对方式可有T—A、A—U、C—G、G—C
[解析]　图中过程Ⅰ表示转录，其中a为DNA分子，b为DNA模板链，X为RNA聚合酶。转录主要在细胞核内进行，因此RNA聚合酶主要存在于细胞核，A正确。该图中含有DNA分子和RNA分子，因此最多含5种碱基(A、C、G、T、U)和8种核苷酸，B正确。过程Ⅰ为转录，主要在真核生物的细胞核内进行；过程Ⅱ为翻译，在细胞质中的核糖体上进行，图示中X 和核糖体的移动方向相同，C错误。b部位表示以DNA的一条链为模板形成mRNA的过程，发生的碱基配对方式可有T—A、A—U、C—G、G—C，D正确。
[答案]　C
[例2]　已知AUG、GUG为起始密码子，UAA、UGA、UAG为终止密码子。某原核生物的一个信使RNA碱基排列顺序如下：A—U—U—C—G—A—U—G—A—C……(40个碱基)……C—U—C—U—A—G—A—U—C—U，此信使RNA控制合成的一条多肽链失去的水分子的个数为(　　)
A．20个　　　　　　　 B．15个
C．16个 D．18个
[解析]　该信使RNA碱基序列为A—U—U—C—G—A—U—G—A—C……(40个碱基)……—C—U—C—U—A—G—A—U—C—U，已知AUG、GUG为起始密码子，UAA、UGA、UAG为终止密码子，则该序列的第6、7、8三个碱基构成起始密码子(AUG)，倒数第5、6、7三个碱基构成终止密码子(UAG)，即编码氨基酸的碱基个数为5＋40＋3＝48，则此信使RNA控制合成的蛋白质含氨基酸的个数为48÷3＝16。该肽链在脱水缩合过程中产生的水分子数＝氨基酸数－肽链数＝16－1＝15。故选B。
[答案]　B
方法规律—————————————————————————————————
基因表达过程中的相关数量计算
由上图可知，在不考虑终止密码子等条件下，基因中碱基数目∶mRNA碱基数目∶蛋白质中氨基酸数目＝6∶3∶1。
由于在一段多肽链对应的mRNA中含有不编码氨基酸的序列(如终止密码子)，在其对应的DNA中，还含有一些不能转录为mRNA 的DNA片段。因此，如果蛋白质中的氨基酸数为n，则对应的mRNA分子中的碱基数最少为3n，DNA(基因)中的碱基数最少为6n。
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【应用·体验】
1．(2023·全国乙卷)已知某种氨基酸(简称甲)是一种特殊氨基酸，迄今只在某些古菌(古细菌)中发现含有该氨基酸的蛋白质。研究发现这种情况出现的原因是，这些古菌含有特异的能够转运甲的tRNA(表示为tRNA甲)和酶E。酶E催化甲与tRNA甲结合生成携带了甲的tRNA甲(表示为甲tRNA甲)，进而将甲带入核糖体参与肽链合成。已知tRNA甲可以识别大肠杆菌mRNA中特定的密码子，从而在其核糖体上参与肽链的合成。若要在大肠杆菌中合成含有甲的肽链，则下列物质或细胞器中必须转入大肠杆菌细胞内的是(　　)
①ATP　②甲　③RNA聚合酶　④古菌的核糖体　⑤酶E的基因　⑥tRNA甲的基因
A．②⑤⑥ B．①②⑤ C．③④⑥ D．②④⑤
解析：选A　据题意可知，若要在大肠杆菌中合成含有甲的肽链，需要加入特殊的氨基酸——甲作为合成肽链的原料；需要加入tRNA甲的基因，该基因经转录后可产生转运甲的tRNA；还需要加入酶E的基因，酶E的基因经表达后可产生酶E，酶E可催化甲与tRNA甲结合生成甲-tRNA甲，进而将甲带入核糖体参与肽链合成；合成肽链过程中所需的能量(ATP)、RNA聚合酶、核糖体均由大肠杆菌提供，故必须加入②⑤⑥，A符合题意。
2．如图表示某DNA片段遗传信息的传递过程，①～⑤表示物质或结构，a、b、c表示生理过程。请据图回答下列问题(可能用到的密码子：AUG甲硫氨酸、GCU丙氨酸、AAG赖氨酸、UUC苯丙氨酸、UCU丝氨酸、UAC酪氨酸)：
(1)完成遗传信息表达的是________(填字母)过程，a过程所需的酶有_________________
_______________________。
(2)图中含有核糖的是________(填数字)。由②指导合成的多肽链中氨基酸序列是____________________________________________________________。
(3)若在AUG后插入三个核苷酸，合成的多肽链中除在甲硫氨酸后多一个氨基酸外，其余氨基酸序列没有变化。由此证明_________________________________________________。
解析：分析图示过程可知，a为DNA复制，b为转录，c为翻译。(1)完成遗传信息表达的是转录和翻译过程，即图中b和c，DNA复制需要在解旋酶的作用下解开双链，然后在DNA聚合酶的作用下合成DNA子链。(2)RNA中含有核糖，图中含有核糖的结构包括mRNA、tRNA、rRNA。根据②mRNA上的碱基顺序组成的密码子，指导合成的多肽链中氨基酸序列是甲硫氨酸丙氨酸丝氨酸苯丙氨酸。(3)三个核苷酸对应一个氨基酸，由此证明一个密码子由三个相邻的碱基组成。
答案：(1)b、c　解旋酶和DNA聚合酶
(2)②③⑤　甲硫氨酸丙氨酸丝氨酸苯丙氨酸
(3)一个密码子由三个相邻的碱基组成
新知探究(三)　中心法则及其发展
【探究·深化】
[问题驱动]　
由中心法则可知，遗传信息可以从DNA流向DNA，也可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质。据此思考下列问题：
(1)据中心法则推测DNA、RNA产生的途径有哪些？
提示：DNA产生途径有DNA的复制及逆转录，RNA的产生途径有RNA的复制及转录。
(2)线粒体和叶绿体中的DNA是否遵循中心法则？
提示：遵循，在线粒体和叶绿体中也有DNA的复制及基因的表达过程。
(3)正常的人体细胞中可以发生哪些遗传信息的流动途径？
提示：DNA的复制、转录、翻译过程。
(4)下图为一组模拟实验，假设实验能正常进行且5支试管中都有产物生成，请分析此图解中A～E试管所模拟的过程分别是什么？
提示：A—DNA复制，B—转录，C—RNA复制，D—逆转录，E—翻译。
[重难点拨]　
1．中心法则体现了DNA的两大基本功能
(1)传递遗传信息：通过DNA复制完成的，发生在亲代产生子代的生殖过程或细胞增殖过程中。
(2)表达遗传信息：通过转录和翻译完成的，发生在个体发育过程中。
2．不同生物的遗传信息传递过程
(1)以DNA为遗传物质的生物
主要包括细胞生物(原核生物、真菌、动植物和人类)以及大多数病毒，它们能发生的过程如下：
(2)以RNA为遗传物质的生物
①不含逆转录酶的RNA病毒，如烟草花叶病毒，它们能发生的过程如下：
②含逆转录酶的RNA病毒，如艾滋病病毒，它们能发生的过程如下：
【典题·例析】
[例1]　如图为中心法则图解，下列有关叙述正确的是(　　)
A．过程③发生在含有逆转录酶的病毒体中
B．正常植物细胞中能够体现①～⑤过程
C．①～⑤过程中都能发生碱基互补配对
D．③过程中碱基互补配对时，遵循A—U、U—A、C—G、G—C的原则
[解析]　由图可知，①是DNA复制、②是转录、③是逆转录、④是RNA复制、⑤是翻译。逆转录过程发生在寄主细胞中；正常植物细胞中能够体现DNA复制、转录、翻译过程，没有逆转录、RNA复制过程；DNA复制、转录、逆转录、RNA复制、翻译都能发生碱基互补配对；逆转录过程中碱基互补配对时，遵循A—T、U—A、C—G、G—C的原则。故选C。
[答案]　C
[例2]　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]　若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，A符合题意；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，B不符合题意；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，C不符合题意；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，D不符合题意。
[答案]　A
方法规律—————————————————————————————————
“三看法”判断中心法则各过程
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【应用·体验】
1．(2022·浙江6月选考) “中心法则”反映了遗传信息的传递方向，其中某过程的示意图如下。下列叙述正确的是(　　)
A．催化该过程的酶为RNA聚合酶
B．a链上任意3个碱基组成一个密码子
C．b链的脱氧核苷酸之间通过磷酸二酯键相连
D．该过程中遗传信息从DNA向RNA传递
解析：选C　图示为逆转录过程，催化该过程的酶为逆转录酶，A错误；a(RNA)链上能决定一个氨基酸的3个相邻碱基，组成一个密码子，B错误；b为单链DNA，相邻的两个脱氧核苷酸之间通过磷酸二酯键连接，C正确；该过程为逆转录，遗传信息从RNA向DNA传递，D错误。
2．下面是几种抗菌药物的抗菌机理以及中心法则的图解。
①青霉素：抑制细菌细胞壁的合成；②环丙沙星：抑制细菌DNA解旋酶的活性；③红霉素：能与细菌细胞中的核糖体结合以阻止其发挥作用；④利福平：抑制RNA聚合酶的活性。下列有关说法错误的是(　　)
A．环丙沙星会抑制a过程，利福平将会抑制b过程
B．除青霉素外，其他抗菌药物均具有抑制遗传信息传递和表达的作用
C．过程d涉及的氨基酸最多有20种、tRNA最多有64种
D．e过程需要逆转录酶
解析：选C　由题干信息可知，环丙沙星会抑制细菌DNA解旋酶的活性，故可抑制细菌DNA的复制过程(a过程)。利福平会抑制RNA聚合酶的活性，故可抑制DNA的转录过程(b过程)。红霉素能与核糖体结合以阻止其发挥作用，故可抑制细菌的翻译过程(d过程)。青霉素抑制细菌细胞壁的合成，其不影响遗传信息的传递和表达过程。e过程是逆转录过程，需要逆转录酶。翻译过程涉及的氨基酸最多有21种、tRNA最多有61种。故选C。
科学视野——RNA干扰技术
RNA干扰是指小分子双链RNA可以特异性地降解或抑制同源mRNA表达，从而抑制或关闭特定基因表达的现象(如图)。
人们只要知道了某种疾病的致病基因，就可以设计出针对该基因mRNA的小分子干扰RNA(siRNA)，抑制或封闭该致病基因的表达，从而达到治疗疾病的目的。在理论上，通过siRNA几乎可以治疗所有的疾病，包括肿瘤、传染病、遗传性疾病等，因而siRNA受到学术界普遍的关注，是目前最为热门的生命科学研究领域，也是未来最有发展前途的新药开发领域。
【素养评价】
1．反义RNA是在大肠杆菌中发现的，它能与特定mRNA相结合从而抑制相关基因表达，许多实验证明真核生物中也存在反义RNA。下列有关反义RNA的叙述，不合理的是
(　　)
A．反义RNA分子中，每个核糖均连接两个磷酸基团
B．反义RNA可能是相应基因中的互补链转录的产物
C．反义RNA和mRNA相结合后，导致mRNA不能和核糖体结合
D．对反义RNA的研究成果，最终可应用于肿瘤的治疗
解析：选A　反义RNA分子中大多数核糖都与两个磷酸相连，只有链的末端的核糖只连接一个磷酸，A错误；反义RNA能与特定mRNA相结合，说明其可能是相应基因中的互补链转录的产物，B正确；反义RNA和mRNA相结合后，导致mRNA不能和核糖体结合，从而抑制翻译过程，C正确；对反义RNA的研究成果，最终可应用于肿瘤的治疗，抑制肿瘤细胞的代谢和繁殖，D正确。
2．微RNA(miRNA)是真核生物中广泛存在的一类重要的基因表达调控因子。如图表示线虫细胞中微RNA(lin 4)调控lin 14基因表达的相关作用机制，请回答下列问题：
(1)过程A需要以________________为原料，该过程还能发生在线虫细胞内的____________中；在过程B中能与①发生碱基互补配对的分子是________，①上同时结合多个核糖体的意义是____________________________________。
(2)图中最终形成的②③上氨基酸序列________(填“相同”或“不同”)。图中涉及的遗传信息的传递方向为__________________________。
(3)由图可知，微RNA(lin 4)调控基因lin 14表达的机制是RISC miRNA复合物抑制________过程。
解析：(1)过程A是转录，转录过程除了需要酶的催化作用外，还需要四种游离的核糖核苷酸为原料，以及由ATP提供的能量等；线虫细胞是真核细胞，且是动物细胞，DNA存在于细胞核和线粒体中，因此转录过程发生的场所是细胞核和线粒体；过程B是翻译，翻译过程中mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子进行碱基互补配对。①mRNA上同时结合多个核糖体的意义是利用少量的mRNA在短时间内合成大量的蛋白质。(2)②③是以同一条mRNA为模板合成的，因此最终形成的肽链②③上氨基酸序列相同。图中包含了转录和翻译过程，故涉及的遗传信息的传递方向为DNA→RNA→蛋白质。(3)分析题图可知，微RNA(lin 4)形成RISC miRNA复合物抑制翻译过程进而调控基因lin 14的表达。
答案：(1)核糖核苷酸　线粒体　tRNA　能在短时间内合成大量的蛋白质　(2)相同　DNA→RNA→蛋白质　(3)翻译
[课时跟踪检测]
[理解·巩固·落实]
1．判断下列叙述的正误，对的打“√”，错的打“×”。
(1)遗传信息转录的产物只有mRNA。(×)
(2)转录可以在细胞核中进行，也可以发生在线粒体和叶绿体中。(√)
(3)翻译过程不需要酶的催化，但需要消耗ATP。(×)
(4)一个mRNA上可同时结合多个核糖体，共同完成一条肽链的合成。(×)
(5)正常情况下，真核生物细胞内可发生中心法则的每个过程。(×)
(6)DNA病毒中没有RNA，其遗传信息的传递不遵循中心法则。(×)
2．下列关于转录的叙述，正确的是(　　)
A．基因的两条链都作为转录的模板
B．遇到终止密码子时转录过程就停止
C．转录过程只可能发生在细胞核中
D．转录过程所需原料是核糖核苷酸
解析：选D　转录过程中，一个基因只有一条链可作为模板，A错误；遇到终止密码子时翻译过程就停止，B错误；基因的转录主要发生在细胞核中，也发生在线粒体和叶绿体中，C错误；转录合成RNA，所需原料是核糖核苷酸，D正确。
3.转运RNA即tRNA，是一种由70～80个核苷酸组成的短链RNA，通常呈独特的三叶草结构(如图所示)。下列相关叙述错误的是(　　)
A．tRNA含有氢键，且是单链核酸分子
B．tRNA结合氨基酸的位点在其3′ 端
C．tRNA上的反密码子是由mRNA转录而来
D．tRNA参与蛋白质的合成过程，其自身不会翻译为蛋白质
解析：选C　tRNA分子为单链核酸分子，通常呈三叶草结构，单链之间有部分碱基通过氢键配对，A正确；tRNA结合氨基酸的位点在含有—OH的一端即图中的3′ 端，B正确；tRNA上的反密码子是由DNA的一条链转录而来的，C错误；tRNA参与蛋白质的合成过程，它可以识别密码子并转运氨基酸，但其自身不会翻译为蛋白质，D正确。
4．基因、遗传信息和密码子分别是指(　　)
①mRNA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　④tRNA上一端的3个碱基　⑤mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻的碱基　⑥有遗传效应的DNA片段
A．⑤①③　　　　　　 B．⑥②⑤
C．⑤①② D．⑥③④
解析：选B　基因通常是有遗传效应的DNA片段；遗传信息是基因中脱氧核苷酸的排列顺序；密码子是位于mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基。故选B。
5．HIV病毒入侵人体后，主要攻击人体的T细胞，使人体免疫能力下降。下图为HIV病毒在人体细胞内增殖的过程。据图分析，下列叙述正确的是(　　)
A．①过程需要的原料是四种核糖核苷酸
B．④过程需遵循碱基互补配对原则
C．②③过程均需要RNA聚合酶
D．⑤过程产生的蛋白质中氨基酸的排列顺序是由rRNA决定的
解析：选B　①过程是逆转录，即以RNA为模板合成DNA，所需原料是四种脱氧核苷酸，A错误；③④为转录过程，需遵循碱基互补配对原则，B正确；②为DNA分子复制需要DNA聚合酶，③过程为转录需要RNA聚合酶，C错误；⑤过程产生的蛋白质中氨基酸的排列顺序是由mRNA中的核糖核苷酸序列决定的，D错误。
6．(2020·全国卷Ⅲ)关于真核生物的遗传信息及其传递的叙述，错误的是(　　)
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：选B　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，A正确；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是构成核糖体的组成物质，B错误；基因是有遗传效应的DNA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，C正确；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，D正确。
7．(2022·海南高考)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
解析：选D　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，以提高翻译效率，A正确；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，而是与rRNA分子结合，二者组装成核糖体，B正确；当细胞中缺乏足够的rRNA分子时，核糖体蛋白只能结合到自身mRNA分子上，导致蛋白质合成停止，核糖体蛋白对自身mRNA翻译的抑制维持了rRNA和核糖体蛋白数量上的平衡，C正确；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。
8．某研究人员利用酵母菌成功合成了氨基酸序列为PheProLys的三肽。三种氨基酸的密码子见表：
氨基酸 密码子
苯丙氨酸(Phe) UUU、UUC
脯氨酸(Pro) CCU、CCC、CCA、CCG
赖氨酸(Lys) AAA、AAG
据此分析，下列叙述正确的是(　　)
A．一种氨基酸可以由多种密码子编码，但只能由一种tRNA转运
B．控制该三肽合成的基因只有9对脱氧核苷酸
C．合成该三肽过程中需要mRNA、tRNA和rRNA参与
D．mRNA上编码该三肽的核苷酸序列可能为AAGGGAUUC
解析：选C　由于密码子的简并性，一种氨基酸可以由一种或多种密码子决定，因此也可以由一种或多种tRNA转运，A错误；控制该三肽合成的mRNA中对应氨基酸的密码子有3个，还有不编码氨基酸的终止密码子，因此根据碱基互补配对的原则，该基因中至少含有12个碱基对，B错误；合成该三肽过程中，需要以mRNA为模板，以tRNA为搬运工具，以rRNA参与组成的核糖体为翻译场所，C正确；mRNA上编码三肽的核苷酸序列为AAGGGAUUC时，AAG编码赖氨酸，GGA不清楚编码氨基酸的种类，但不能编码脯氨酸，UUC编码苯丙氨酸，与题干信息中的氨基酸序列不符，D错误。
9．MMP 9是一种能促进癌细胞浸润和转移的酶。科研人员合成与MMP 9基因互补的双链RNA，将其转入胃腺癌细胞中，干扰MMP 9基因表达，从而达到一定的疗效，部分过程如下图所示。下列叙述错误的是(　　)
A．核糖与磷酸交替连接构成了双链RNA分子的基本骨架
B．沉默复合体中蛋白质的作用与双链RNA解旋为单链有关
C．与过程①相比，过程③特有的碱基互补配对方式是U—A
D．人造RNA干扰了MMP 9基因的转录和翻译，使MMP 9含量降低
解析：选D　核糖核苷酸脱水缩合形成RNA，核糖与磷酸交替连接构成了双链RNA分子的基本骨架，A正确；据图所知，人造双链RNA与沉默复合体结合后变为单链RNA，故推测沉默复合体中蛋白质的作用与双链RNA解旋为单链有关，B正确；过程①是以DNA的一条链为模板合成RNA的转录过程，碱基配对方式有T—A、A—U、C—G、G—C，过程③表示单链RNA与mRNA碱基互补配对，碱基配对方式有U—A、A—U、C—G、G—C，因此与①相比，过程③特有的碱基互补配对方式是U—A，C正确；据图可知，MMP 9基因的转录正常，过程③表示单链RNA与mRNA互补配对，形成的双链RNA干扰了MMP 9基因的翻译过程，使MMP 9含量降低，D错误。
10．如图表示真核生物核DNA遗传信息传递的部分过程。据图回答问题：
(1)①、③表示的遗传信息传递过程依次是_______、________。
(2)②过程发生的场所是______________________，③过程中可能存在的碱基互补配对方式是______________________________。
(3)DNA与RNA分子在组成上，除碱基不同外，另一个主要区别是___________________
_________________________________________________________。
(4)若②过程形成的mRNA含有1 000个碱基，其中鸟嘌呤和胞嘧啶之和占全部碱基总数的60%，则该DNA片段至少含有腺嘌呤和胸腺嘧啶的碱基对________个。
解析：(1)据图分析可知，①是DNA复制，②是由DNA到RNA的转录过程，③是由RNA到蛋白质的翻译过程。(2)②转录发生的场所是细胞核、叶绿体、线粒体，在翻译过程中存在的碱基互补配对方式是A与U，G与C。(3)DNA中含有脱氧核糖和特有的含氮碱基T，RNA中含有的是核糖和特有的含氮碱基U，所以除了碱基不同外，就是五碳糖不同，DNA中是脱氧核糖，RNA中是核糖。(4)如果mRNA中含有1 000个碱基，鸟嘌呤和胞嘧啶之和占全部碱基总数的60%，那么A和U占该链的40%，即400个，根据碱基互补配对原则，在其模板链中A和T占该链的40%，即400个，在另一条链中也是400个，在整个DNA片段中至少有400对。
答案：(1)复制　翻译　(2)细胞核、叶绿体、线粒体
A与U配对(A—U)，G与C配对(C—G)　(3)五碳糖不同(DNA中是脱氧核糖，RNA中是核糖)　(4)400
[迁移·应用·发展]
11．(2023·湖南高考)细菌glg基因编码的UDPG焦磷酸化酶在糖原合成中起关键作用。细菌糖原合成的平衡受到CsrAB系统的调节。CsrA蛋白可以结合glg mRNA分子，也可结合非编码RNA分子CsrB，如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A．细菌glg基因转录时，RNA聚合酶识别和结合glg基因的启动子并驱动转录
B．细菌合成UDPG焦磷酸化酶的肽链时，核糖体沿glg mRNA从5′端向3′端移动
C．抑制CsrB基因的转录能促进细菌糖原合成
D．CsrA蛋白都结合到CsrB上，有利于细菌糖原合成
解析：选C　基因转录时，RNA聚合酶识别并结合到基因的启动子区域从而驱动转录，A正确；翻译过程中，核糖体沿着mRNA从5′端向3′端移动，B正确；由题图可知，抑制CsrB基因转录会使非编码RNA分子CsrB减少，使CsrA更多地与glg mRNA结合形成不稳定构象，最终核糖核酸酶会降解glg mRNA，而glg基因编码的UDPG焦磷酸化酶在糖原合成中起关键作用，故抑制CsrB基因的转录能抑制细菌糖原合成，C错误；由题图及以上分析可知，若CsrA都结合到CsrB上，则CsrA不能与glg mRNA结合，从而使glg mRNA不被降解而正常进行翻译，有利于细菌糖原的合成，D正确。
12．如图表示生物细胞中基因的表达过程，下列相关判断错误的是(　　)
A．图示现象不可能发生在人体细胞的核基因表达过程中
B．一个基因可在较短时间内合成多条肽链
C．一条多肽链的合成需要多个核糖体的共同参与
D．图示过程中既有DNARNA之间的碱基配对，也有RNARNA之间的碱基配对
解析：选C　图示为转录和翻译过程同时发生，表示原核细胞基因表达的过程，而人体细胞的细胞核具有核膜，核基因转录发生在细胞核，翻译发生在细胞质中的核糖体上，A正确；由图可知，一个mRNA分子可相继与多个核糖体结合，加快了翻译的速度，因此一个基因可在较短时间内合成多条肽链，B正确；一条多肽链的合成只需要一个核糖体的参与，C错误；图示为转录和翻译过程，该过程中既有DNARNA之间的碱基配对，也有RNARNA之间的碱基配对，D正确。
13．SXL 基因在雌雄果蝇某些细胞中的表达情况不同，决定了这些细胞分化为卵原细胞还是精原细胞，从而影响了果蝇的性别发育(如图所示)。下列叙述错误的是(　　)
A．SXL蛋白参与了自身mRNA 的剪切、加工，会使细胞中积累大量的 SXL蛋白
B．外显子可能含有编码终止密码子序列，导致翻译提前终止
C．充足的 SXL蛋白可以促进原始生殖细胞分化为卵原细胞，若缺乏 SXL蛋白，则分化为精原细胞
D．相同基因在不同的细胞中表达情况均不同
解析：选D　分析题图可知，SXL多肽加工后形成的SXL蛋白参与了自身mRNA的剪切、加工，最终导致细胞中积累了大量的SXL蛋白，A正确；XY胚胎比XX胚胎的mRNA多了序列，XY胚胎的SXL多肽比XX胚胎的短，推测外显子可能含有编码终止密码子的序列，导致翻译提前终止，B正确；分析题图可知，XX胚胎细胞中含有较多SXL蛋白，XY胚胎细胞中SXL蛋白缺乏，据此判断，当细胞中SXL蛋白含量较多时，可促进原始生殖细胞分化为卵原细胞，若缺乏 SXL蛋白，则分化为精原细胞，C正确；由题意可判断，SXL基因在果蝇某些细胞中表达情况不同，但并非所有基因在不同的细胞中表达情况均不同，D错误。
14．人们通过对青霉素、链霉素、四环素、氯霉素等抗生素研究发现，抗生素之所以能够杀死细菌等病原体而对人体无害，其原因是抗生素能够有效地阻断细菌细胞内的蛋白质合成，而不影响人体细胞内蛋白质的合成。于是人们对此现象提出了以下两点假设：
Ⅰ.抗生素能阻断细菌DNA的转录过程，而不影响人体DNA的转录过程；
Ⅱ.抗生素能阻断细菌转运RNA的功能，而不影响人体转运RNA的功能。
接下来需要对这些假设逐一进行实验验证。请写出你的验证性实验的基本思路，并对实验结果和结论进行预测。(不要求写具体的实验步骤)
(1)验证抗生素是否阻断细菌转录过程的实验。
①基本实验思路：设置甲、乙两组实验，进行体外模拟________________过程，甲组滴加适量的、一定浓度的______________________，乙组滴加等量的蒸馏水，其余条件__________。最后检测两组实验中__________的生成量。
②实验结果、结论：若甲、乙两组中RNA的生成量相等，则__________________________
______；若甲组中RNA生成量少于乙组中的RNA生成量，则_______________________。
(2)验证抗生素是否阻断细菌转运RNA功能的实验。
①实验基本思路：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②实验结果、结论：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：本实验为探究实验，采用对照法，实验中注意遵循单一变量原则和等量原则。由题干信息可知，抗生素能阻断细菌细胞内蛋白质的合成过程，可能发生在转录、翻译、tRNA的运输等过程中。(1)设置甲、乙两组实验，进行体外模拟细菌DNA的转录过程。甲组滴加适量的、一定浓度的抗生素的水溶液，乙组滴加等量的蒸馏水，其余条件相同且适宜。最后检测两组实验中RNA的生成量。若甲、乙两组中RNA的生成量相等，则抗生素不阻断细菌DNA的转录过程；若甲组中RNA的生成量少于乙组RNA的生成量，则抗生素能阻断细菌DNA的转录过程。(2)设置甲、乙两组实验，进行体外模拟细菌的翻译过程。甲组加入用抗生素处理后的各种转运RNA，乙组加入等量的未用抗生素处理的各种转运RNA。其余条件相同且适宜，最后检测两组实验中蛋白质的生成量。若甲、乙两组中蛋白质的生成量相等，则抗生素不阻断细菌转运RNA的功能；若甲组蛋白质的生成量少于乙组蛋白质的生成量，则抗生素能阻断细菌转运RNA的功能。
答案：(1)①细菌DNA的转录　抗生素的水溶液　相同且适宜　RNA　②抗生素不阻断细菌DNA的转录　抗生素能阻断细菌DNA的转录
(2)①设置甲、乙两组实验，进行体外模拟细菌的翻译过程。甲组加入用抗生素处理后的各种转运RNA，乙组加入等量的未用抗生素处理的各种转运RNA。其余条件相同且适宜。最后检测两组实验中蛋白质的生成量
②若甲、乙两组中蛋白质的生成量相等，则抗生素不阻断细菌转运RNA的功能；若甲组中蛋白质生成量少于乙组中蛋白质的生成量，则抗生素能阻断细菌转运RNA的功能第2节　基因表达与性状的关系
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.举例说明基因通过控制酶的合成和蛋白质的结构控制生物体的性状。2.说明细胞分化是基因选择性表达的结果。3.概述生物体的表观遗传现象。 1.基因控制生物体性状的途径：①基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状；②基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。2.细胞分化的本质是基因的选择性表达。3.生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象，叫作表观遗传。4.基因与性状的关系并不是简单的一一对应的关系，一个性状可以受多个基因的影响，一个基因也可以影响多个性状。
【主干知识梳理】
一、基因表达产物与性状的关系
1．基因对生物性状的间接控制
(1)实质：基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状。
(2)举例：
皱粒豌豆的形成 人的白化病的形成
↓↓淀粉合成受阻，含量降低↓ ↓不能合成酪氨酸酶↓酪氨酸不能转变为黑色素↓表现出白化症状
2．基因对生物性状的直接控制
(1)实质：基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
(2)实例：囊性纤维化的形成
↓　　　　
↓　　　　
↓　　　　
导致患者支气管中黏液增多，管腔受阻，细菌在肺部
大量生长繁殖，最终使肺功能严重受损
二、基因的选择性表达与细胞分化
1．生物体多种性状的形成，都是以细胞分化为基础的。
2．细胞分化的本质：基因的选择性表达。
3．表达的基因的类型
(1)在所有细胞中都能表达的基因，指导合成的蛋白质是维持细胞基本生命活动所必需的，如核糖体蛋白基因、ATP合成酶基因。
(2)只在某类细胞中特异性表达的基因，如卵清蛋白基因、胰岛素基因。
4．基因选择性表达的原因：与基因表达的调控有关。
三、表观遗传
1．概念：生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象。
2．实例：柳穿鱼Lcyc基因和小鼠Avy基因的碱基序列没有变化，但部分碱基发生了甲基化修饰，抑制了基因的表达，进而对表型产生影响。这种DNA甲基化修饰可以遗传给后代，使后代出现同样的表型。
3．基因与性状的关系
在大多数情况下，基因与性状的关系并不是简单的一一对应的关系。
(1)一个性状可以受到多个基因的影响。
(2)一个基因也可以影响多个性状。
(3)生物体的性状也不完全是由基因决定的，环境对性状也有着重要影响。
【教材微点发掘】
1．结合教材第71页图49分析：豌豆表现为皱粒的直接原因是淀粉合成受阻，含量降低，根本原因是编码淀粉分支酶的基因结构改变，控制淀粉合成的淀粉分支酶异常。
2．科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞(有细胞核)和胰岛细胞，对这3种细胞中的DNA和mRNA进行了检测，结果如下表所示(教材第72页“思考·讨论”)。回答有关问题：
检测的3种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白mRNA 珠蛋白mRNA 胰岛素mRNA
输卵管细胞 ＋＋＋ ＋ － －
红细胞 ＋＋＋ － ＋ －
胰岛细胞 ＋＋＋ － － ＋
注：“＋”表示检测发现相应的分子，“－”表示检测未发现相应的分子。
(1)鸡的输卵管细胞、红细胞和胰岛细胞都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因的原因是三种细胞都是由受精卵经有丝分裂和细胞分化形成的。
(2)鸡的输卵管细胞、红细胞和胰岛细胞中都只检测到一种mRNA的原因是基因的选择性表达。
(3)鸡的输卵管细胞、红细胞和胰岛细胞中含有的mRNA和蛋白质不完全相同(填“相同”“不同”或“不完全相同”)。
3．男性吸烟会把某些不良性状遗传给后代的原因是吸烟会使精子中DNA的甲基化水平明显升高，精子活力下降。
教材问题提示
(一)思考·讨论1(教材第72页)
1．3种基因转录的mRNA分别出现在3种细胞中，表明每种细胞只合成3种蛋白质中的一种。因此，这3种细胞中合成的蛋白质种类不完全相同，虽然有些蛋白质在所有的细胞中都合成，但也有一些特定功能的蛋白质只在特定的细胞中合成。
2．这一事实说明，细胞中并不是所有的基因都表达，基因的表达存在选择性。
(二)思考·讨论2(教材第73页)
1．略。
2．F1植株同时含有来自植株A和植株B的Lcyc基因。植株A的Lcyc基因能够表达，表现为显性；植株B的Lcyc基因由于部分碱基被甲基化，基因表达受到抑制，表现为隐性。因此，同时含有这两个基因的F1中，F1的花与植株A的相似。F1自交后，F2中有少部分植株含有两个来自植株B的Lcyc基因，由于该基因的部分碱基被甲基化，基因表达受到抑制，因此，这部分植株的花与植株B的相似。
3．略。
(三)批判性思维(教材第74页)
此问题旨在引导学生客观全面地评价基因决定生物体的性状的观点，性状的形成往往是内因(基因)与外因(环境)相互作用的结果，并且环境能够通过对基因或染色体上其他成分的修饰，调控基因的表达，进而影响性状。
(四)思维训练(教材第75页)
果蝇翅的发育需要经过酶催化的反应，而酶是在基因控制下合成的，酶的活性受温度、pH等条件的影响。有些同学可能会在表观遗传方面思考，教师应提醒学生表观遗传是能够遗传的，而此段文字中表述的现象并未发生遗传。
新知探究(一)　基因表达产物与性状的关系
【探究·深化】
[问题驱动]　
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：
(1)图中反映了基因控制生物体性状的哪种途径？另一条途径是什么？
提示：图中反映了基因对性状的间接控制，即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。另一条途径是直接控制，即基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。
(2)牵牛花的颜色只受一对基因控制吗？
提示：不是。牵牛花的颜色主要由花青素决定，而花青素的合成是由多对基因共同控制的。
(3)牵牛花的颜色还与细胞中的pH有关，这说明了什么？
提示：说明环境因素也会影响生物体的性状。
(4)牵牛花的叶肉细胞是否也含有基因①②③？也能全部表达吗？
提示：牵牛花的叶肉细胞也含有基因①②③，但不能全部表达。
[重难点拨]　
一、基因对性状控制的两种途径
二、基因与性状的关系
1．基因与性状的关系
2．基因控制性状还受到环境的影响，生物性状是基因和环境共同作用的结果。
3．基因与基因、基因与基因表达产物、基因与环境之间存在着复杂的相互作用，这种相互作用形成了一个错综复杂的网络，精细地调控着生物体的性状。
【典题·例析】
[例1]　下图为人体内基因对性状的控制过程，分析可知(　　)
A．基因1和基因2一般不会出现在人体内的同一个细胞中
B．图中①过程需要RNA聚合酶的催化，②过程不需要tRNA的协助
C．④⑤过程的结果存在差异的根本原因是血红蛋白结构的不同
D．过程①②③表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
[解析]　人体细胞由同一个受精卵增殖、分化而来，基因1和基因2可出现在同一细胞中，A错误；图中①过程为转录，需要RNA聚合酶的催化，②过程为翻译，需要tRNA的协助，B错误；④⑤过程的结果存在差异的根本原因是基因结构的不同，C错误。故选D。
[答案]　D
[例2]　下面为脉孢霉体内精氨酸的合成途径示意图，从图中可得出(　　)
A．一种物质的合成只受一个基因的控制
B．基因可通过控制酶的合成来控制代谢
C．若基因②不表达，则基因③和④也不表达
D．若基因③不存在，则瓜氨酸仍可合成精氨酸琥珀酸
[解析]　由示意图可知，精氨酸的合成需要酶①②③④的参与，而它们分别受基因①②③④的控制；基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制生物体的性状；基因具有一定的独立性，基因②不表达时， 基因③④仍可表达，只是无法合成精氨酸；若基因③不存在，酶③不能合成，则瓜氨酸→精氨酸琥珀酸的途径不能进行。故选B。
[答案]　B
方法规律—————————————————————————————————
基因控制生物性状的途径的判断
(1)若生物性状直接由蛋白质体现，则应为基因控制蛋白质的结构直接控制生物性状。
(2)若体现生物性状所涉及的物质并非蛋白质(如植物激素)，则基因对其的控制往往是通过“控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状”这一间接途径实现的。
—————————————————————————————————————
【应用·体验】
1．研究表明，遗传引起近视的因素占40%，不良用眼习惯因素占60%。遗传性高度近视受染色体上一对基因(A、a)控制，如果父母都是遗传性高度近视，子代100%高度近视；如果父母视力正常但都携带高度近视的基因，子代患高度近视的概率约为1/4，且男女患病概率相同。下列分析不合理的是(　　)
A．遗传性高度近视的两人的基因型不一定相同
B．遗传性高度近视受常染色体上隐性基因控制
C．高度近视的表现是基因和环境共同作用的结果
D．高度近视基因控制近视是通过控制蛋白质合成实现的
解析：选A　如果父母视力正常但都携带高度近视的基因，子代患高度近视的概率约为1/4。说明视力正常对遗传性高度近视为显性，男女患病概率相同，故遗传性高度近视基因位于常染色体上，遗传性高度近视人的基因型一定是aa，A不合理，B合理；遗传引起近视的因素占40%，不良用眼习惯因素占60%，说明高度近视的表现是基因和环境共同作用的结果，C合理；基因通过控制蛋白质合成控制生物性状，所以高度近视基因控制近视是通过控制蛋白质合成实现的，D合理。
2．如图表示基因的作用与性状的表现之间的关系，下列相关叙述正确的是(　　)
A．①过程与DNA复制的共同点是都以DNA的一条链为模板，在DNA聚合酶的作用下进行
B．③过程直接需要的物质或结构有mRNA、氨基酸、tRNA、核糖体、酶、ATP
C．人的囊性纤维化症和苯丙酮尿症都是基因通过控制蛋白质结构直接影响表现性状的
D．HIV、大肠杆菌及T2噬菌体都可以在人体细胞内进行①③这两个基本过程
解析：选B　①过程是转录，是以DNA的一条链为模板，在RNA聚合酶的作用下进行的；DNA复制以DNA双链为模板，需要DNA聚合酶和解旋酶的参与，A错误。苯丙酮尿症是患者体内某种酶的合成受阻导致的，是基因通过控制酶的合成来控制代谢过程进而控制生物体的性状的，C错误。T2噬菌体的宿主细胞是大肠杆菌细胞，不能侵染人体细胞，D错误。
新知探究(二)　基因的选择性表达与细胞分化
【探究·深化】
[问题驱动]　
(1)如图表示同一个体的5种细胞中5种基因的表达情况，根据细胞的结构和功能可以判断，5种细胞中除RNA聚合酶基因均需表达外，还可能有哪些基因均需要表达？
提示：ATP合成酶基因、呼吸酶基因、解旋酶基因和核糖体蛋白基因等。
(2)同一个体不同的体细胞由于分化形成了不同的形态、结构，不同细胞形态、结构不同的根本原因和直接原因分别是什么？
提示：不同细胞形态、结构不同的根本原因是基因的选择性表达，直接原因是合成了特定的蛋白质。
(3)细胞中的基因能否表达，受到精确的调控。基因表达的调控，可能发生在基因表达的哪些环节？
提示：转录和翻译。
[重难点拨]　
(一)细胞分化
1．细胞分化的标志
①分子水平：基因选择性表达，合成了某种细胞特有的蛋白质，如卵清蛋白、胰岛素。
②细胞水平：形成不同种类的细胞。
(2)分化细胞表达的基因：所有管家基因和部分奢侈基因。
(3)细胞分化的“变”与“不变”
①不变：DNA、tRNA、rRNA、细胞的数目。
②改变：mRNA、蛋白质的种类，细胞的形态、结构和功能。
(二)表观遗传
(1)表观遗传的原因：DNA甲基化，构成染色体的组蛋白发生甲基化、乙酰化等修饰。
(2)表观遗传的特点
①可遗传：基因表达和表型可以遗传给后代。
②不变性：基因的碱基序列保持不变。
③可逆性：DNA的甲基化修饰可以发生可逆性变化，即被修饰的DNA可以发生去甲基化。
(3)理解表观遗传注意三个问题
①表观遗传不遵循孟德尔遗传规律。
②表观遗传可以通过有丝分裂和减数分裂传递被修饰的基因。
③表观遗传一般是影响到基因的转录过程，进而影响蛋白质的合成。
【典题·例析】
[例1]　分别用β 珠蛋白基因、卵清蛋白基因和丙酮酸激酶(与细胞呼吸相关的酶)基因的片段为探针，与鸡的红细胞、输卵管细胞和胰岛细胞中提取的总RNA进行分子杂交，结果见表。下列叙述错误的是(　　)
探针 β珠蛋白基因 卵清蛋白基因 丙酮酸激酶基因
红细胞 ＋ － ＋
输卵管细胞 － ＋ ＋
胰岛细胞 － － ＋
　注：“＋”表示阳性，“－”表示阴性。
A．在红细胞中，β珠蛋白基因处于活动状态，卵清蛋白基因处于关闭状态
B．输卵管细胞的基因组DNA中存在卵清蛋白基因，缺少β珠蛋白基因
C．丙酮酸激酶基因的表达产物对维持鸡细胞的基本生命活动很重要
D．上述不同类型细胞的生理功能差异与基因的选择性表达有关
[解析]　根据题意和表中内容分析可知，β珠蛋白基因在红细胞中表达，卵清蛋白基因在输卵管细胞中表达，丙酮酸激酶基因在三种细胞中都能表达，说明在红细胞中β珠蛋白基因处于活动状态，卵清蛋白基因处于关闭状态，A正确。由于鸡的体细胞是由一个受精卵分裂、分化而来的，体细胞中的遗传物质相同，因此，输卵管细胞的基因组DNA中既有卵清蛋白基因，又有β珠蛋白基因，但β珠蛋白基因在输卵管细胞中因关闭而无法表达，B错误。由于丙酮酸激酶基因控制丙酮酸激酶的合成，与细胞呼吸有关，所以该基因的表达产物能够保障鸡的正常细胞呼吸，对维持鸡的基本生命活动中能量的供应起重要作用，C正确。同一生物体不同的体细胞中基因组成相同，功能不同是细胞中基因选择性表达的结果，D正确。
[答案]　B
[例2]　研究证实，被良好照顾的大鼠幼崽通过下列途径，使脑内激素皮质醇的受体表达量升高。据下图分析，下列说法错误的是(　　)
A．大鼠的情绪受多个基因的共同调控
B．皮质醇受体的高表达与表观遗传有关
C．据图可知DNA乙酰化与甲基化呈正相关
D．HAT能够与皮质醇受体基因结合并不改变其碱基序列
[解析]　由题意可知，大鼠的情绪受多个基因的共同调控，如神经递质血清素基因、皮质醇受体基因等，A正确；皮质醇受体的高表达与DNA甲基化被移除有关，与表观遗传有关，B正确；由题图可知，DNA乙酰化导致DNA甲基化被移除，故二者不是呈正相关，C错误；HAT能够与皮质醇受体基因结合会影响该基因的表观修饰但并不改变其碱基序列，D正确。
[答案]　C
易错提醒—————————————————————————————————
表观遗传与表型模拟辨析
(1)相同点：表观遗传与表型模拟都是由环境改变引起的性状改变，遗传物质都没有改变。
(2)不同点：表观遗传是可以遗传的，表型模拟引起的性状改变是不可以遗传的。
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【应用·体验】
1．(2021·广东高考)下列属于表观遗传现象的是(　　)
A．基因突变使小麦获得抗病能力
B．染色体片段位置颠倒使果蝇形成卷翅
C．碱基对替换导致人患镰状细胞贫血症
D．柳穿鱼Lcyc基因高度甲基化影响其表达
解析：选D　生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象，叫作表观遗传。A、B、C项的碱基序列发生了变化，不属于表观遗传；柳穿鱼Lcyc基因高度甲基化影响其表达，碱基序列没有变化，基因表达发生变化，属于表观遗传，D正确。
2．研究表明，吸烟会使人的体细胞内DNA的甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。男性吸烟者的精子活力下降，精子中的DNA甲基化水平明显升高。下列叙述错误的是(　　)
A．吸烟男性细胞内的基因序列即使保持不变，但基因表达也会受到抑制，影响性状
B．吸烟者后代也可以出现上述变化，该现象属于表观遗传
C．吸烟导致相关基因碱基对的种类和数目改变引起的肺癌也属于表观遗传现象
D．DNA甲基化以及组蛋白变化都会影响基因选择性表达
解析：选C　相关基因碱基对的种类和数目改变导致DNA序列改变，不属于表观遗传，C错误。
科学视野——细胞质基因控制的性状
科学家用电子显微镜观察衣藻、玉米等植物叶绿体的超薄切片，发现在叶绿体的基质中有长度为20.5 nm左右的细纤维存在。用DNA酶处理，这种细纤维就消失。由此证明，这种细纤维就是叶绿体DNA。后来，科学家用生物化学的方法，证明了细胞的线粒体中也含有DNA。线粒体和叶绿体中的DNA，都能够进行半自主自我复制，并通过转录和翻译控制某些蛋白质的合成。为了与细胞核的基因相区别，将线粒体和叶绿体中的基因称作细胞质基因。,对人的线粒体DNA的研究表明，线粒体DNA的缺陷与数十种人类遗传病有关。这些疾病很多是与脑部和肌肉有关的。例如，线粒体肌病和神经性肌肉衰弱、运动失调及眼视网膜炎等。这些遗传病都只能通过母亲遗传给后代。
【素养评价】
1．下列关于线粒体DNA所控制的遗传过程的描述，错误的是(　　)
A．线粒体DNA所控制的性状不遵循孟德尔分离定律
B．线粒体DNA是由卵细胞传递给子代的
C．线粒体DNA所控制的性状不能遗传给儿子
D．线粒体DNA在细胞分裂时随机地分配到子细胞中
解析：选C　线粒体DNA所控制的性状不遵循孟德尔分离定律，A正确；线粒体DNA是由卵细胞传递给子代的，B正确；线粒体DNA所控制的性状能遗传给儿子，C错误；线粒体DNA在细胞分裂时随机地分配到子细胞中，D正确。
2．杨柳枝条颜色可呈现两种不同的相对性状，有的呈花斑绿色(一块白，一块绿)，有的呈全绿色。现以一株花斑绿色的杨柳作为母本，与一株全绿色杨柳杂交，杂交后代(F1)全部呈花斑绿色，下列说法肯定错误的是(　　)
A．母本可能为显性纯合个体
B．该性状可能由细胞质基因控制
C．该性状不可能为多对基因控制
D．F2中性状分离比有多种可能
解析：选C　子代与母本相同，说明母本可能是显性纯合子；该性状可能由细胞质基质控制，A、B正确；该性状可能由多对等位基因控制，C错误；由于不能确定该性状是由几对基因控制的，因此F2性状分离比有多种可能，D正确。
3．光敏色素在植物个体发育的过程中能促进种子的萌发、调节幼苗的生长和叶绿体的发育等。如图为光敏色素调节相关蛋白质合成的过程，请分析回答有关问题：
(1)图中活性调节蛋白的作用是____________________________________。若cab基因发生突变，则可能会影响光合作用的____________阶段。
(2)需要氨基酸作为原料的过程是图中__________(填序号)。该过程的开始和终止分别与mRNA上的________________________________有关。
(3)由图可知，遗传信息的转录过程发生在______________，叶绿体的发育受________________________中的遗传物质控制。
(4)叶绿体中植物吸收红光的色素主要是______________________________。叶绿体中的DNA复制需要DNA聚合酶的催化，若要探究该酶的合成是受细胞核基因还是细胞质基因编码，请你写出实验设计思路：_____________________________________________________。
解析：(1)由图可知，图中活性调节蛋白进入细胞核后促进rbcS基因和cab基因的转录。cab基因控制合成的蛋白质是类囊体薄膜的组成成分，而类囊体是光反应的场所，因此cab基因发生突变不能表达，则直接影响光合作用的光反应阶段。(2)需要氨基酸作为原料的是翻译过程，即图中②④过程。翻译过程的开始和终止分别与mRNA上的起始密码子和终止密码子有关。(3)由图可知，遗传信息的转录过程发生在细胞核和叶绿体中；叶绿体的发育受细胞核和细胞质(或细胞核和叶绿体)中的遗传物质共同控制。(4)叶绿体中的色素包括叶绿素和类胡萝卜素，其中叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。叶绿体中的DNA复制需要DNA聚合酶的催化，若要探究该酶的合成是受细胞核基因还是细胞质基因编码，可用药物抑制核基因的表达，再检测叶绿体中是否有DNA聚合酶的合成。
答案：(1)促进rbcS基因和cab基因的转录　光反应
(2)②④　起始密码子和终止密码子　(3)细胞核、叶绿体　细胞核和细胞质　(4)叶绿素(或叶绿素a和叶绿素b)　用药物抑制核基因的表达，检测叶绿体中是否有DNA聚合酶的合成

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