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第六单元　遗传的分子基础
第3课　基因的表达
[复习目标]　1.通过掌握遗传信息的传递过程，能够从分子水平阐述生命的延续性，从而理解生命的延续和发展规律。(生命观念)　2.通过实例分析基因与性状的关系、细胞分化与基因表达的关系及表观遗传。(科学思维)　3.通过掌握某药物的作用机理及有关中心法则的内容，形成关注社会、关注人类健康的理念。(社会责任)
考点一　基因指导蛋白质的合成
1．RNA的结构与功能
2．遗传信息的转录
(1)概念：RNA是在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的，这一过程叫作转录。
(2)场所：主要是细胞核，在叶绿体、线粒体中也能发生转录过程。
(3)过程
(4)产物：信使RNA、核糖体RNA、转运RNA。
提醒：①一个DNA分子上有许多个基因，其中某个基因进行转录时，其他基因可能转录也可能不转录，它们之间互不影响。②真核生物的DNA转录形成的mRNA需要在细胞核加工处理成为成熟的mRNA后才能作为翻译的模板。③转录完成后，RNA从DNA上释放，原DNA恢复双螺旋结构。
3．遗传信息的翻译
(1)场所或装配机器：核糖体。
(2)条件
(3)过程
(4)产物：多肽蛋白质。
[教材深挖]
(1)(必修2 P66相关信息)在蛋白质的翻译过程中遗传信息是由tRNA和rRNA流向蛋白质的吗？
提示：tRNA和rRNA参与蛋白质的合成过程，但是这两种RNA本身不会翻译为蛋白质。
(2)(必修2 P67思考·讨论)从密码子表可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸这样，绝大多数氨基酸都有几个密码子，这一现象称作密码子的简并。你认为密码子的简并对生物体的生存发展有什么意义？
提示：当一个密码子中有一个碱基改变时，可能并不会改变其对应的氨基酸，增强了密码子的容错性；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。
[易错辨析]
1．少数RNA具有生物催化作用。(√)
2．tRNA的反密码子携带了氨基酸序列的遗传信息。(×)
3．遗传信息转录的产物只有mRNA。(×)
4．反密码子的读取方向为由氨基酸连接端开始读(由长臂端向短臂端读取)。(√)
5．终止密码子一定不编码氨基酸。(×)
1．对比分析DNA复制、转录和翻译
2．遗传信息、密码子(遗传密码)、反密码子
(1)相关概念辨析
(2)明确氨基酸与密码子、反密码子的数量关系
①一种氨基酸可对应一种或几种密码子(即密码子具有简并性)，可由一种或几种tRNA转运。
②除终止密码子外，一种密码子只能决定一种氨基酸；一种tRNA只能转运一种氨基酸。
③终止密码子并非不能编码氨基酸，如UGA在特殊情况下，可以编码硒代半胱氨酸。
④在原核生物中，GUG作为起始密码子时编码甲硫氨酸。
命题点1　围绕转录和翻译过程考查生命观念及科学思维
1．(多选) (2021·辽宁卷)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。下列有关叙述错误的是(　　)
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
解析：选BCD。脱氧核酶的本质是单键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；图示可知，图中Y与两个R之间分别通过磷酸二酯键和氢键相连，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。
2．如图1、2是两种细胞中遗传信息的主要表达过程。据图分析，下列叙述中错误的是(　　)
图1　　　　　　　图2
A．图1细胞中没有以核膜为界限的细胞核，可以边转录边翻译
B．两细胞中基因表达过程均由线粒体提供能量
C．真核生物细胞核中转录出的mRNA必须通过核孔后才能翻译
D．图中所示的遗传信息的流动方向都是DNA→mRNA→蛋白质
解析：选B。图1细胞没有以核膜为界限的细胞核，属于原核细胞，可以边转录边翻译，A正确；图1细胞是原核细胞，没有线粒体，B错误；真核生物细胞核DNA中的遗传信息通过转录到mRNA中，mRNA必须通过核孔到细胞质中的核糖体上才能作为翻译的模板，C正确；图示表示遗传信息的转录和翻译过程，遗传信息的流动方向为DNA→mRNA→蛋白质，D正确。
[技法提炼]　真、原核细胞的表达过程的判断
命题点2　围绕基因表达中相关计算考查科学思维
3．已知一个由2条肽链组成的蛋白质分子，共有198个肽键，控制翻译该蛋白质分子的mRNA中A和U共占25%，则控制转录形成该mRNA的DNA分子中，C与G应该共有(　　)
A．600个　　　　　　　 B．700个
C．800个 D．900个
解析：选D。根据“由2条肽链组成的蛋白质分子共有198个肽键”可知，该蛋白质由200个氨基酸组成，则翻译形成该蛋白质的mRNA分子中至少含有600个碱基，转录形成该mRNA的DNA分子中至少含有1200个碱基。mRNA中A和U共占25%，可知A＋U＝150(个)，则转录形成该mRNA的DNA模板链上T＋A＝150(个)，DNA分子中非模板链上A＋T＝150(个)，整个DNA分子中A＋T＝300(个)，则该DNA分子中C＋G＝900(个)。
[归纳总结]　基因表达中的相关数量关系
DNA碱基数∶mRNA碱基数∶氨基酸数＝6∶3∶1。
提醒：实际基因表达过程中的数量关系不符合6∶3∶1的原因。
①DNA中有的片段无遗传效应，不能转录出mRNA。
②在基因片段中，有的片段(如非编码区)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，正常情况下，终止密码子不编码氨基酸。
命题点3　围绕转录和翻译过程考查科学探究及社会责任
4．(2021·北京卷)近年来发现海藻糖-6-磷酸(T6P)是一种信号分子，在植物生长发育过程中起重要调节作用。研究者以豌豆为材料研究了T6P在种子发育过程中的作用。
(1)豌豆叶肉细胞通过光合作用在__________中合成三碳糖，在细胞质基质中转化为蔗糖后运输到发育的种子中转化为淀粉贮存。
(2)细胞内T6P的合成与转化途径如下：
底物T6P海藻糖
将P酶基因与启动子U(启动与之连接的基因仅在种子中表达)连接，获得U-P基因，导入野生型豌豆中获得U-P纯合转基因植株，预期U-P植株种子中T6P含量比野生型植株____，检测结果证实了预期，同时发现U-P植株种子中淀粉含量降低，表现为皱粒。用同样方法获得U-S纯合转基因植株，检测发现植株种子中淀粉含量增加。
(3)本实验使用的启动子U可以排除由于目的基因____________________对种子发育产生的间接影响。
(4)在进一步探讨T6P对种子发育的调控机制时，发现U-P植株种子中一种生长素合成酶基因R的转录降低，U-S植株种子中R基因转录升高。已知R基因功能缺失突变体r的种子皱缩，淀粉含量下降。据此提出假说：T6P通过促进R基因的表达促进种子中淀粉的积累。请从①～⑤选择合适的基因与豌豆植株，进行转基因实验，为上述假说提供两个新的证据。写出相应组合并预期实验结果。
①U-R基因　②U-S基因　③野生型植株
④U-P植株　⑤突变体r植株
__________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
解析：(1)豌豆叶肉细胞通过光合作用形成三碳糖是暗反应过程，该过程发生在叶绿体基质中。(2)结合题意可知，P酶基因与启动子U结合后则可启动P酶基因表达，则P酶基因在种子中表达增高，P酶增多，T6P更多转化为海藻糖，故预期U-P植株种子中T6P含量比野生型植株低。(3)结合题意可知，启动子U启动与之连接的基因仅在种子中表达，该过程可以排除由于目的基因在其他器官(过量)表达对种子发育产生的间接影响。(4)分析题意可知，本实验的目的是验证T6P通过促进R基因的表达促进种子中淀粉的积累，且结合(2)可知，U-P植株种子中淀粉含量降低，表现为皱粒。用同样方法获得U-S纯合转基因植株，检测发现植株种子中淀粉含量增加，实验设计应遵循对照与单一变量原则，故可设计实验如下：②(U-S基因，S酶可以较高表达)⑤(R基因功能缺失突变体)，与突变体r植株相比，转基因植株种子中淀粉含量不变，仍皱缩；①(U-R基因，R基因表达较高)④(U-P植株，P基因表达较高)，与U-P植株相比，转基因植株种子中淀粉含量增加，为圆粒；②(U-S基因，S酶可以较高表达)④(U-P植株，P基因表达较高)，与U-P植株相比，转基因植株种子中R基因转录水平提高，淀粉含量增加，为圆粒。
答案：(1)叶绿体基质　(2)低　(3)在其他器官(过量)表达　(4)②⑤，与突变体r植株相比，转基因植株种子中淀粉含量不变，仍皱缩(或①④，与U-P植株相比，转基因植株种子中淀粉含量增加，为圆粒；或②④，与U-P植株相比，转基因植株种子中R基因转录水平提高，淀粉含量增加，为圆粒)
考点二　中心法则及基因表达与性状的关系
1．中心法则及其补充
(1)提出者：克里克。
(2)补充后的内容图解
①DNA的复制；②转录；③翻译；④RNA的复制；⑤RNA逆转录。
(3)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。
2．基因控制性状的途径
(1)直接控制途径
(完善实例分析如下)
(2)间接控制途径
(完善实例分析如下)
①白化病致病机理图解
②豌豆的圆粒和皱粒的形成机理图解
3．基因的选择性表达与细胞分化
(1)细胞分化的本质：基因的选择性表达。
(2)表达的基因的分类
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。
(3)基因选择性表达的原因：与基因表达的调控有关。
[教材深挖]
(必修2 P72思考·讨论，节选)3种细胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因，但只检测到其中一种基因的mRNA，这一事实说明了什么？
提示：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。
4．表观遗传
[教材深挖]
(必修2 P73思考·讨论，节选)资料1和资料2展示的遗传现象有什么共同点？
提示：资料1和资料2展示的遗传现象都表现为基因的碱基序列保持不变，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。
5．基因与性状间的对应关系
(1)一个基因一种性状(多数性状受单基因控制)
(2)一个基因多种性状(如基因间相互作用)
(3)多个基因一种性状(如身高、体重等)
另外，生物的性状还受环境因素的影响。
[易错辨析]
1．DNA病毒中没有RNA，其遗传信息的传递不遵循中心法则。(×)
2．基因只能通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。(×)
3．表观遗传现象由于基因的碱基序列没有改变，因此生物体的性状也不会发生改变。(×)
4．吸烟会导致精子中DNA的甲基化水平升高，从而影响基因的表达。(√)
1．不同生物中心法则表达式
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 烟草花叶病毒
逆转录病毒 艾滋病病毒
细胞生物 动物、植物、细菌、真菌等
2.表观遗传的分子机制及特点
(1)分子机制
①DNA的甲基化
基因中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，进而影响表型。
②构成染色体的组蛋白的乙酰化修饰
真核生物细胞核中的DNA与一些蛋白质结合在一起，带负电荷的DNA“缠绕”在带正电荷的蛋白质(如组蛋白)上，使细长的DNA卷成紧密的结构。乙酰化修饰就是用乙酰基把组蛋白的正电荷屏蔽掉。组蛋白的正电荷一旦减少，其与DNA的结合就会减弱，这部分的DNA就会“松开”，激活相关基因的转录。
③RNA干扰
RNA干扰是正常生物体内抑制特定基因表达的一种现象。当细胞中导入或内源产生与某个特定mRNA同源的双链RNA时，该mRNA发生降解或翻译阻滞，导致基因表达沉默。这种现象发生在转录后水平，又称为转录后基因沉默，是表观遗传的重要机制之一。
(2)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。
命题点1　围绕中心法则考查社会责任与科学探究
1．(2021·河北卷，改编)许多抗肿瘤药物通过干扰DNA合成及功能抑制肿瘤细胞增殖。下表为三种抗肿瘤药物的主要作用机理。下列叙述不正确的是(　　)
药物名称 作用机理
羟基脲 阻止脱氧核糖核苷酸的合成
放线菌素D 抑制DNA的模板功能
阿糖胞苷 抑制DNA聚合酶活性
A．羟基脲处理后，肿瘤细胞中DNA复制和转录过程都出现原料匮乏
B．放线菌素D处理后，肿瘤细胞中DNA复制和转录过程都受到抑制
C．阿糖胞苷处理后，肿瘤细胞DNA复制过程中子链无法正常延伸
D．将三种药物精准导入肿瘤细胞的技术可减弱它们对正常细胞的不利影响
解析：选A。据表格分析可知，羟基脲阻止脱氧核糖核苷酸的合成，从而影响肿瘤细胞中DNA复制过程，而转录过程需要的原料是核糖核苷酸，不会受到羟基脲的影响，A错误；据分析可知，放线菌素D通过抑制DNA的模板功能，可以抑制DNA复制和转录，因为DNA复制和转录均需要DNA模板，B正确；阿糖胞苷抑制DNA聚合酶活性而影响DNA复制过程，DNA聚合酶活性受抑制后，会使肿瘤细胞DNA复制过程中子链无法正常延伸，C正确；将三种药物精准导入肿瘤细胞的技术可以抑制肿瘤细胞的增殖，由于三种药物是精准导入肿瘤细胞，因此，可以减弱它们对正常细胞的不利影响，D正确。
2．科学家把等量的小白鼠败血症病毒(一种RNA病毒)颗粒加入甲、乙两支试管，其中甲试管中含有带放射性标记的脱氧核糖核苷三磷酸缓冲溶液，乙试管中含有带放射性标记的核糖核苷三磷酸缓冲溶液。一段时间后，甲试管中能检测到含有放射性的核酸，乙试管中不能检测到含有放射性的核酸。下列叙述错误的是(　　)
A．甲、乙试管中都不能检测到子代病毒
B．该病毒颗粒中含有与DNA合成有关的酶
C．乙试管中无放射性核酸的合成是因为缺少RNA酶
D．加入RNA酶，甲试管中放射性核酸明显减少
解析：选C。根据题意分析可知，甲试管中发生了逆转录，但是甲试管中不能合成RNA和蛋白质，故甲试管中没有子代病毒，乙试管中只有病毒RNA存在，也不能合成蛋白质，因此乙试管中也没有子代病毒，A正确；根据以上分析可知，甲试管中完成了DNA的合成，因此加入的病毒颗粒中含有逆转录酶，B正确；乙试管中无放射性核酸的合成是因为缺少合成DNA的原料脱氧核糖核苷酸，C错误；加入RNA酶，病毒模板减少，故甲试管中放射性核酸明显减少，D正确。
[技法提炼]　“三看法”判断中心法则各过程
命题点2　围绕基因表达与性状的关系考查生命观念及科学探究
3．下面是果蝇眼睛色素合成的生化途径，没有色素物质时眼色为白色。下列哪项结论与之不相符合(　　)
A．生物体的一种性状可以受多对基因的控制
B．基因可以通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状
C．控制果蝇眼色的基因在遗传时必须遵循基因的自由组合定律
D．出现白眼果蝇的原因除了基因突变外，还可能有其他原因
解析：选C。从眼睛色素合成的生化途径中可以看出，果蝇的眼色由多对基因控制；由图可知，基因可以通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状；从图中看不出与眼色有关的基因是位于一对染色体上还是多对染色体上，故不能确定控制眼色的基因遗传时是否遵循基因的自由组合定律；据图可知，基因突变可能会影响酶的合成，使之不能形成有关色素物质，缺少相应的前体物质或某种环境条件使酶失去了活性或环境条件不适宜，均可影响有关基因的表达和色素的合成。
4．(2022·河东区二模)柳穿鱼是一种园林花卉，其花的形态结构与Lcyc基因的表达直接相关。图1所示两株柳穿鱼植株A和B花的形态结构不同，但它们体内的Lcyc基因序列相同，只是植株A的Lcyc基因在开花时表达，植株B的Lcyc基因不能表达，研究表明植株B的Lcyc基因不能表达的原因如图2所示。科学家将这两个植株作为亲本进行杂交，F1的花与植株A的相似，F1自交的F2中绝大部分植株的花与植株A的相似，少部分植株的花与植株B的相似。根据资料分析以下描述正确的是(　　)
图1　　　　　　　　图2
A．F1植株体内所含Lcyc基因的表达情况是相同的
B．植株B由于碱基序列发生变化而产生了可遗传的变异
C．植株B的Lcyc基因某些碱基连接了甲基而不能表达
D．柳穿鱼花的不同形态表明性状是基因与环境相互作用的结果
解析：选C。题干中提到F1自交后其后代绝大部分植株的花与植株A相似，少部分植株的花与植株B相似，这说明F1植株体内所含Lcyc基因的表达情况并不相同，A错误；植株B并不是因为碱基序列的变化而产生的变异，而是因为某些碱基连接了甲基，B错误；根据图2可以看出，植株B的Lcyc基因不能表达的原因是某些碱基连接了甲基，C正确；柳穿鱼花的不同形态主要体现了基因对性状的影响，D错误。
[真题演练]
1．(2021·海南卷)终止密码子为UGA、UAA和UAG。图中①为大肠杆菌的一段mRNA序列，②～④为该mRNA序列发生碱基缺失的不同情况(“_”表示一个碱基缺失)。下列有关叙述正确的是(　　)
A．①编码的氨基酸序列长度为7个氨基酸
B．②和③编码的氨基酸序列长度不同
C．②～④中，④编码的氨基酸排列顺序与①最接近
D．密码子有简并性，一个密码子可编码多种氨基酸
解析：选C。由于终止密码子不编码氨基酸，因此①编码的氨基酸序列长度为6个氨基酸，A错误；根据图中密码子显示：在该段mRNA链中，②和③编码的氨基酸序列长度相同，B错误；②缺失一个碱基，③缺失2个碱基，④缺失一个密码子中的3个碱基，因此②～④中，④编码的氨基酸排列顺序与①最接近，C正确；密码子有简并性是指一种氨基酸可以有多个密码子对应，但一个密码子只能编码一种氨基酸，D错误。
2．(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。
3．(2021·浙江1月选考)如图是真核细胞遗传信息表达中某过程的示意图。某些氨基酸的部分密码子(5′→3′)是：丝氨酸UCU；亮氨酸UUA、CUA；异亮氨酸AUC、AUU；精氨酸AGA。下列叙述正确的是(　　)
A．图中①为亮氨酸
B．图中结构②从右向左移动
C．该过程中没有氢键的形成和断裂
D．该过程可发生在线粒体基质和细胞核中
解析：选B。已知密码子的方向为5′→3′，由图示可知，携带①的tRNA上的反密码子为UAA，与其互补配对的mRNA上的密码子为AUU，因此①为异亮氨酸，A错误；由图示可知，tRNA的移动方向是由左向右，则结构②核糖体移动并读取密码子的方向为从右向左，B正确；互补配对的碱基之间通过氢键连接，图示过程中，tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子互补配对时有氢键的形成，tRNA离开核糖体时有氢键的断裂，C错误；细胞核内不存在核糖体，细胞核中不会发生图示的翻译过程，D错误。
4．(2021·浙江6月选考)某单链RNA病毒的遗传物质是正链RNA(＋RNA)，该病毒感染宿主后，合成相应物质的过程如图所示，其中①～④代表相应的过程。下列叙述正确的是(　　)
A．＋RNA复制出的子代RNA具有mRNA的功能
B．病毒蛋白基因以半保留复制的方式传递给子代
C．过程①②③的进行需RNA聚合酶的催化
D．过程④在该病毒的核糖体中进行
解析：选A。结合图示可以看出，以＋RNA复制出的子代RNA为模板合成了蛋白质，因此＋RNA复制出的子代RNA具有mRNA的功能，A正确；病毒蛋白基因是RNA，为单链结构，通过两次复制过程将基因传递给子代，而不是通过半保留复制传递给子代，B错误；①②过程是RNA复制，原料是4种核糖核苷酸，需要RNA聚合酶，而③过程是翻译，原料是氨基酸，不需要RNA聚合酶催化，C错误；病毒不具有细胞结构，没有核糖体，过程④在宿主细胞的核糖体中进行，D错误。
[长句特训]
(2022·山东威海市教育教学研究中心模拟)遗传信息的传递是遗传和变异中最核心的问题。20世纪50年代，科学家依据已知事实推测必然存在某种“信使”分子能将遗传信息从细胞核携带到细胞质中。当时关于“谁是DNA和蛋白质之间的遗传信使”存在两种假说：假说一认为“核糖体RNA就是遗传信息的载体和遗传信息传递的信使”，简称“rRNA假说”；假说二认为“一种新的RNA作为遗传信息传递的信使”，简称“mRNA假说”。
设问形式1　假说推理类命题
(1)科学家推测“必然存在某种信使分子能将遗传信息从细胞核携带到细胞质中”的事实依据是_________________。
设问形式2　科学探究类命题
(2)研究发现，核糖体由rRNA和蛋白质组成，噬菌体侵染细菌后会抑制细菌DNA的复制和表达，同时产生大量不稳定的RNA。联系“谁是DNA和蛋白质之间的遗传信使”的两种假说进行推理，若假说一成立，则噬菌体侵染细菌后产生的不稳定RNA为rRNA，rRNA会参与组建形成新的核糖体；若假说二成立，则该不稳定的RNA为mRNA，mRNA不会参与组建形成新的核糖体。据此科学家设计了如下实验对两种假说进行探究。
第一步：将大肠杆菌置于含15N、13C、31P营养物质的培养基中培养若干代，提取部分大肠杆菌的核糖体进行离心，发现离心管中出现了一条靠近试管底部的无放射性的“重”核糖体带。
第二步：将上述大肠杆菌转移至含14N、12C、32P营养物质的培养基中培养一段时间，使各类营养物质被充分吸收到大肠杆菌细胞内，再加入噬菌体进行培养。为保证只有携带噬菌体遗传信息的RNA被放射性同位素标记，则培养基中含32P的营养物质应是________________。适宜时间后提取大肠杆菌细胞中的核糖体进行离心，观察离心管中核糖体的带数和放射性32P的位置，实验结果如图所示。
实验结果的分析和探究：
由离心结果中核糖体的带数可知“rRNA假说”不成立而“mRNA假说”成立，理由是______________________；
对“重”核糖体有放射性的合理解释是__________________________。
(3)结合之后的探究和发现，目前已知的参与蛋白质合成的RNA有_____________。
解析：(1)DNA能控制蛋白质的合成，DNA主要存在于细胞核，DNA不能从细胞核出来，而蛋白质合成发生在细胞质，则存在某种信使分子能将遗传信息从细胞核携带到细胞质中。(2)为保证只有携带噬菌体遗传信息的RNA被放射性同位素标记，则需要标记RNA特有的成分(尿嘧啶核糖核苷酸)。该探究应用了假说－演绎法，第一步得到的核糖体带由于15N、13C参与蛋白质和rRNA的合成，比较“重”。若“rRNA假说”成立，则第二步得到的核糖体带由于14N、12C参与蛋白质和rRNA的合成，会比较“轻”；若“mRNA假说”成立，则第二步得到的核糖体带仍是第一步得到的核糖体带，仍会比较“重”。实验结果是“重”核糖体带，证明“mRNA假说”正确。“重”核糖体是第一步得到的核糖体带，没有放射性，则放射性只能来源于新合成的mRNA，32P的尿嘧啶核糖核苷酸参与合成新的mRNA，mRNA和核糖体结合。(3)蛋白质合成时需要mRNA作为模板，在核糖体上进行脱水缩合，核糖体的主要成分是rRNA和蛋白质，还需要tRNA运输氨基酸。
答案：(1)DNA主要存在于细胞核中，而蛋白质在细胞质中合成　(2)尿嘧啶核糖核苷酸　若“rRNA假说”成立则噬菌体侵染后会组建出新的核糖体，离心结果不止一条核糖体带；若“mRNA假说”成立则不会形成新的核糖体，离心结果只有一条核糖体带，与实验结果相符　mRNA以放射性标记的32P-U为原料合成后，与侵染前细菌原有的核糖体结合在一起，表现为“重”核糖体有放射性　(3)mRNA、rRNA、tRNA
第3课　基因的表达
[基础练透]
1．(2022·重庆市一诊)下列有关遗传信息表达过程的叙述，错误的是(　　)
A．转录过程和DNA分子复制过程遵循相同的碱基互补配对原则
B．转录过程中，RNA聚合酶有解开DNA双螺旋结构的功能
C．多个核糖体可结合在一个mRNA上先后合成多条相同的多肽链
D．反密码子由tRNA上3个相邻的碱基组成
解析：选A。DNA复制过程中是DNA模板链和脱氧核苷酸配对，配对方式有A与T、G与C，而转录过程是DNA模板链和核糖核苷酸配对，脱氧核苷酸特有的碱基是T，没有U，配对方式有T与A、G与C，A与U，所以转录和复制过程中碱基互补配对不完全相同，A错误；转录过程中，RNA聚合酶与DNA分子结合，并解开DNA双螺旋结构，B正确；多个核糖体可先后结合在一个mRNA上形成多聚核糖体，由于是以一条mRNA为模板进行的翻译过程，所以先后合成的多条多肽链是相同的，C正确；反密码子由tRNA上3个相邻的碱基组成，与mRNA上的密码子配对，D正确。
2．真核细胞核仁染色质的铺展图呈现大树的形状(如图所示)，此结构是核仁内rRNA基因的DNA片段上进行转录的状况。对铺展图分析错误的是(　　)
A．b段是此时该细胞未被转录的区段
B．f是rRNA基因转录产物的5′末端
C．RNA聚合酶的移动方向是由右向左
D．新合成的RNA上附着大量核糖体
解析：选D。据图可知，b阶段是无RNA产物，故b段是此时该细胞未被转录的区段，A正确；基因的转录是从5′向3′端，据RNA的长度可知，f是rRNA基因转录产物的5′末端，B正确；据RNA的长度可知，RNA聚合酶的移动方向是由右向左，C正确；RNA合成后要经过加工才能成为成熟的RNA，故新合成的RNA不能结合核糖体，D错误。
3.(2022·江苏南通市模拟)如图表示某生物细胞中转录、翻译的示意图，其中①～④代表相应的物质。相关叙述正确的是(　　)
A．①表示DNA，该DNA分子含有2个游离的磷酸基团
B．②表示RNA聚合酶，能识别编码区上游的起始密码子
C．③表示mRNA，A端为5′端，有游离的磷酸基团
D．④表示多肽，需内质网和高尔基体加工后才具生物活性
解析：选C。①表示DNA，该DNA分子为环状，不含有游离的磷酸基团，A错误；②表示RNA聚合酶，RNA聚合酶能识别编码区上游的启动子，B错误；由分析可知，③表示mRNA，核糖体由A端开始移动，A端为5′端，有游离的磷酸基团，C正确；④表示多肽，原核细胞没有内质网和高尔基体，D错误。
4．(2022·济南模拟)新型冠状病毒(2019-nCoV)为有包膜病毒，其遗传物质是一种单股正链RNA，以ss(＋)RNA表示。ss(＋)RNA可直接作为mRNA翻译成蛋白质，如图是病毒的增殖过程示意图。有关该病毒说法正确的是(　　)
A．该病毒的遗传物质彻底水解会得到四种核糖核苷酸
B．(＋)RNA的嘧啶碱基数与(－)RNA的嘧啶碱基数相等
C．RNA复制酶在宿主细胞内可催化磷酸二酯键的形成
D．由于没有核糖体，所以病毒包膜上不存在蛋白质
解析：选C。该病毒的遗传物质是RNA，若彻底水解会得到磷酸、核糖、四种含氮碱基(A、C、G、U)，A错误；图中的(＋)RNA与(－)RNA之间为互补关系，因此二者中的嘧啶碱基数不一定相等，B错误；RNA复制酶在宿主细胞内可催化RNA的合成，显然RNA复制酶能催化核糖核苷酸之间磷酸二酯键的形成，C正确；病毒是非细胞生物，没有核糖体，但病毒包膜上依然存在来自宿主细胞中合成的蛋白质，D错误。
5．(2022·抚顺一模)皱粒豌豆的形成是由于编码SBE1蛋白的基因中插入了一段800 bp(碱基对)的Ips-r片段(如图所示)，从而使豌豆种子内淀粉合成受阻，使淀粉含量降低，当豌豆成熟时不能有效地保留水分，导致种子皱缩。下列相关叙述错误的是(　　)
A．皱粒豌豆的出现是基因突变的结果
B．该实例说明基因可以通过控制酶的合成间接控制生物体的性状
C．外来DNA序列的插入，导致编码SBE1蛋白的基因转录形成的mRNA中脱氧核苷酸数目增加
D．翻译出的SBE1蛋白缺少了61个氨基酸，可能是因为mRNA中终止密码子提前出现
解析：选C。根据题干信息，“编码SBE1蛋白的基因中插入了一段800 bp(碱基对)的Ips-r片段”，说明皱粒豌豆的出现是基因突变的结果，A正确；根据题干信息，“编码SBE1蛋白的基因中插入了一段800 bp(碱基对)的Ips-r片段”，导致合成的淀粉合成酶1缺少61个氨基酸，“从而使豌豆种子内淀粉合成受阻，使淀粉含量降低，当豌豆成熟时不能有效地保留水分，导致种子皱缩”，说明基因是通过控制酶的合成间接控制生物性状，B正确；外来DNA序列的插入，导致编码SBE1蛋白的基因转录形成的mRNA中核糖核苷酸数目增加，C错误；翻译出的SBE1蛋白缺少了61个氨基酸，可能是因为mRNA中终止密码子提前出现，D正确。
6．(2022·江苏省上冈高级中学高三模拟)表观遗传是指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，DNA甲基化是其中的机制之一。研究发现小鼠体内一对等位基因A和a(完全显性)，位于卵子时均发生甲基化，且在子代中不能表达；但A和a基因在精子中都是非甲基化的，传给子代后都能正常表达。下列有关叙述错误的是(　　)
A．DNA甲基化修饰后转录可能受阻
B．雄鼠体内可能存在相应的去甲基化机制
C．抑癌基因的过度甲基化修饰将抑制肿瘤的发生
D．基因型为Aa的小鼠随机交配，子代性状分离比约为1∶1
解析：选C。DNA甲基化修饰后，基因不能表达，可能是甲基化阻止了RNA聚合酶与基因的结合，从而影响了该基因的转录过程，A正确；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体内有去甲基化机制，B正确；抑癌基因过度甲基化导致基因不能表达，会导致细胞无限分裂出现肿瘤，C错误；卵细胞有A、a两种，精子有A、a两种，但是卵细胞的基因在子代都无法表达，故子代两种性状分离比约为1∶1，D正确。
7．(多选)科研人员从肿瘤细胞中发现了蛋白S，为了研究其功能做了如下实验：将DNA模板和RNA聚合酶混合一段时间后加入原料，其中鸟嘌呤核糖核苷酸用32P标记，一起培育一段时间后，加入肝素(可以与RNA聚合酶结合)，然后再加入蛋白S，结果如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A．RNA聚合酶能识别DNA模板上的某一启动子
B．肝素与RNA聚合酶结合后能破坏RNA聚合酶的空间结构并使之失去活性
C．对照组应加入不含蛋白S的缓冲液，实验组加入肝素后基本没有新的mRNA合成
D．曲线反映的是DNA转录的过程，蛋白S能解除肝素抑制翻译的作用
解析：选BD。RNA聚合酶能识别DNA模板上特定的位点即启动子，并与之结合，催化RNA的合成，A正确；肝素与RNA聚合酶结合后能改变RNA聚合酶的空间结构，但不会使之失去活性，B错误；由于肝素能与RNA聚合酶结合，使RNA聚合酶不能与启动子结合，所以加入肝素后mRNA的合成受到抑制，因而没有新的mRNA合成，C正确；根据两曲线的比较可知，加入蛋白S的实验组产物中放射性明显增多，说明蛋白S能解除肝素对转录的抑制作用，D错误。
8．(2022·湖北襄阳市模拟)心肌细胞不能增殖，基因ARC在心肌细胞中的特异性表达，能抑制其凋亡，以维持正常数量。细胞中另一些基因通过转录形成前体RNA，再经过加工会产生许多非编码RNA，如miR－223(链状)，HRCR(环状)。结合图示回答下列问题：
(1)若ARC基因碱基数量为1800，其中一条单链鸟嘌呤和胞嘧啶之和占该单链碱基数的46%，该基因中含有氢键____________个，该基因复制3次共消耗胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是________________________。
(2)启动过程①时，____________酶需识别并与DNA分子上的启动子结合。进行过程②的场所是____________，该过程最终合成的T1、T2、T3三条多肽链的氨基酸顺序________(填“相同”或“不同”)，翻译的方向是________(填“从左到右”或“从右到左”)。
(3)当心肌缺血、缺氧时，会引起基因miR-223过度表达，所产生的miR-223可与ARC的mRNA特定序列通过碱基互补配对原则结合，形成__________________，使ARC无法合成，最终导致心力衰竭。与基因ARC相比，核酸杂交分子1中特有的碱基对是________________。
(4)据图分析，HRCR有望成为减缓心力衰竭的新药物，原因是_______________________。
解析：分析题图：图中①为转录过程，②为翻译过程，其中mRNA可与miR-223结合形成核酸杂交分子1，miR-223可与HRCR结合形成核酸杂交分子2。(1)双链DNA分子中，鸟嘌呤和胞嘧啶之和占全部碱基数的46%，则C＝G＝23%，A＝T＝27%，即A＝T＝1800×27%＝486个，G＝C＝1800×23%＝414个，由于A和T之间有2个氢键，G和C之间有3个氢键，则该基因中氢键共有486×2＋414×3＝2214个；该基因复制3次共消耗胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是(23－1)×486＝3402个。(2)①表示基因的转录，RNA聚合酶识别并与基因上的启动子结合，开启转录的过程；②表示翻译，蛋白质合成的场所是核糖体；由于T1、T2、T3都是以同一条mRNA为模板，翻译而来的多肽链，因而具有相同氨基酸顺序；根据肽链的长短，T3的肽链最长，说明是最先开始翻译的，因而翻译的方向是从左到右。(3)基因miR-223表达形成的miR-223是链状RNA片段，从图中可以看出，其能够与基因ARC转录形成的mRNA结合，形成核酸杂交分子1，它们是通过碱基互补配对原则进行结合的；基因ARC是DNA分子，其含有A－T、T－A、G－C、C－G的碱基对，而核酸杂交分子1是两条RNA的结合，所以只含有A－U、U－A、G－C、C－G的碱基对，因而核酸杂交分子1中特有的碱基对是A－U、U－A。(4)从图中可以看出，HRCR能够与miR-223互补配对，形成核酸杂交分子2，以此清除miR-223，使miR-223无法与mRNA结合成核酸杂交分子1，使基因ARC表达增加，进而能抑制心肌细胞的凋亡。
答案：(1)2214　3402　(2)RNA聚合　核糖体　相同　从左到右　(3)核酸杂交分子1　A－U、U－A　(4)HRCR能够与miR-223互补配对，清除miR-223，使基因ARC表达增加，抑制心肌细胞的凋亡
[能力提升]
9．(2022·湖南长沙市雅礼模拟)植物体内的转录因子OrERF是一类蛋白质，在植物抵抗逆境，如干旱、低温和高盐时发挥重要作用。科研人员对水稻OrERF基因进行系列研究。实验检测OrERF基因在高盐条件下的表达水平，结果如图1，植物感受外界干旱、高盐、低温等信号，通过一系列信息传递合成转录因子。转录因子OrERF对下游基因调节过程如图2。下列说法错误的是(　　)
图1
图2
A．实验结果表明，自然条件下OrERF基因的表达水平较低，高盐处理12小时后，OrERF基因的表达水平显著增加
B．转录因子OrERF合成的场所是附着在内质网上的核糖体，发挥作用的场所主要是细胞核
C．转录因子OrERF的作用机理可能是通过与RNA聚合酶结合，激活RNA聚合酶与DNA上特定的序列结合，启动转录的过程
D．干旱、高盐、低温等不同环境条件诱导植物产生的转录因子OrERF的空间结构可能不相同，从而调控不同基因的表达
解析：选B。图1实验结果表明，自然条件下(未经高盐处理)水稻中OrERF基因的表达水平较低，高盐处理12小时后OrERF基因的表达水平显著增加，A正确；转录因子OrERF是一类蛋白质，是胞内蛋白，其合成场所是细胞质中游离的核糖体，而不是附着在内质网上的核糖体，转录因子OrERF作用于转录过程，而转录的主要场所是细胞核，因此转录因子OrERF作用的场所主要是细胞核，B错误；由图可知，转录因子OrERF通过与RNA聚合酶结合，激活RNA聚合酶，启动转录的过程，C正确；转录因子OrERF是一类而不是一种蛋白质，从图中可以看出转录因子OrERF在结构上具有特异性，除了与RNA聚合酶特异性结合外，还可以与结合在基因调控序列上的某种特定结构特异性结合，在高盐、干旱、低温不同信号的诱导下，会导致植物体表达出不同的OrERF蛋白，以调控不同基因的表达，从而适应高盐、干旱、低温等不同环境，D正确。
10．(2022·辽宁模考)动物的昼夜节律与周期基因密切相关，该基因的表达及调控过程如图所示，其编码的蛋白PER在夜间累积而在白天降解。下列相关叙述不正确的是(　　)
A．①过程中游离的核糖核苷酸之间通过磷酸二酯键相互连接
B．②过程中一个mRNA分子能翻译出多个PER蛋白
C．周期基因的表达与调控可能发生在垂体某些细胞中
D．TIM与PER的结合物影响周期基因的表达
解析：选C。①过程表示转录，游离的核糖核苷酸之间通过磷酸二酯键相互连接，A正确；②过程表示翻译，该过程中一个mRNA分子可以相继结合多个核糖体，翻译出多个PER蛋白，B正确；下丘脑与动物的节律有关，因此周期基因的表达与调控可能发生在下丘脑某些细胞中，C错误；基因的表达包括转录和翻译，由图可看出，TIM与PER的结合物影响该基因的转录，故TIM与PER的结合物影响周期基因的表达，D正确。
11．(多选)人类基因组中有数以万计的基因，但在细胞内并非所有的基因都表达，因此需要“关闭”部分基因。rest基因编码的R蛋白能抑制其他基因的表达。R蛋白通过使组蛋白去乙酰化来抑制相关基因的表达。在动物模型实验中发现，R蛋白含量降低的动物，会出现神经兴奋活动增强以及更早死亡的现象。下列推断合理的是(　　)
A．rest基因可能参与细胞分化和个体发育
B．组蛋白的乙酰化会抑制相关基因的转录
C．增强rest基因的表达可能会使神经兴奋性降低
D．抑制rest基因的表达可能会导致动物寿命缩短
解析：选ACD。rest基因编码的R蛋白能抑制其他基因的表达，而细胞分化是基因选择性表达的结果，故rest基因可能参与细胞分化和个体发育，A符合题意；由题意可知，R蛋白通过使组蛋白去乙酰化来抑制相关基因的表达，基因的表达包括基因的转录和翻译，故组蛋白的乙酰化不会抑制相关基因的转录，B不符合题意；由题意可知，R蛋白含量降低的动物，会出现神经兴奋活动增强，R蛋白是rest基因的表达产物，故增强rest基因的表达可能会使神经兴奋性降低，C符合题意；R蛋白含量降低的动物，会出现更早死亡的现象，且R蛋白是rest基因的表达产物，故抑制rest基因的表达，R蛋白含量会降低，可能会导致动物寿命缩短，D符合题意。
12．(2022·辽宁连山实验高中模拟)DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式，能影响表型，也能遗传给子代。在蜂群中，雌蜂幼虫一直取食蜂王浆而发育成蜂王，而以花粉和花蜜为食的幼蜂将发育成工蜂。研究发现，DNMT3蛋白是核基因DNMT3表达的一种DNA甲基化转移酶，能使DNA某些区域添加甲基基团，如图所示。回答下列问题：
(1)蜜蜂细胞中DNMT3基因发生过程①的场所是____________________，若以基因的β链为模板，则虚线框中合成的RNA的碱基序列顺序为______________________。
(2)DNA甲基化若发生在基因转录的启动子序列上，则会影响RNA聚合酶与该序列的识别与结合，进而抑制基因的表达。据图可知，DNA甲基化________(填“会”或“不会”)改变基因的碱基序列。在细胞内，少量的mRNA可以迅速合成大量的蛋白质，原因是______________________。(写出一点)
(3)已知注射DNMT3siRNA(小干扰RNA)能使DNMT3基因表达沉默，蜂王的基因组甲基化程度低于工蜂的，请设计实验验证基因组的甲基化水平是决定雌蜂幼虫发育成工蜂还是蜂王的关键因素。
实验思路：取多只_____________________，
均分为A，B两组，A组不做处理，B组____________________________，其他条件相同且适宜，用花粉和花蜜饲喂一段时间后，观察并记录幼蜂发育情况。
实验现象：_____________________。
解析：(1)过程①是转录过程，其中DNMT3基因是核基因，因此过程①发生在细胞核内，根据碱基互补配对原则，若以基因的β链为模板，则虚线框中合成的RNA的碱基序列顺序为－CUUGCCAGC－。(2)分析题图可知，基因甲基化不改变基因的碱基序列，但会影响转录，从而影响基因的表达。在转录时，RNA聚合酶的作用是使DNA解螺旋、催化游离的核糖核苷酸聚合生成RNA；在细胞质中，翻译是一个快速而高效的过程，通常一个mRNA分子上可相继结合多个核糖体，同时合成多条肽链，并且最终的产物相同，因此，少量的mRNA可以迅速合成大量的蛋白质。(3)根据题干可知DNMT3siRNA能与DNMT3基因转录出的RNA结合，阻碍翻译过程，从而抑制DNMT3基因表达，进而降低基因的甲基化水平，据此取多只生理状况相同的雌蜂幼虫，均分为A、B两组；A组不作处理，B组注射适量的DNMT3siRNA，其他条件相同且适宜；用花粉和花蜜饲喂一段时间后，观察并记录幼蜂发育情况。如果A组发育成工蜂，B组发育成蜂王，则能验证基因组的甲基化水平是决定雌蜂幼虫发育成工蜂还是蜂王的关键因素。
答案：(1)细胞核　－CUUGCCAGC－　(2)不会　一个mRNA分子可相继结合多个核糖体，同时合成多条肽链　(3)生理状况相同的雌蜂幼虫　注射适量的DNMT3siRNA　A组发育成工蜂，B组发育成蜂王

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