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第4讲　素养提升课——破译新情境·系统实验知能
一、破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂　
新情境问题(一)　mRNA技术带来新一轮疗法革命
[科普科研材料]
　　基于mRNA技术的疗法,是将体外获得的mRNA递送到人体的特定细胞中,让其合成原本缺乏的蛋白质,从而达到预防或治疗疾病的目的。把mRNA从细胞外递送进细胞内,需借助递送系统。递送系统能保护mRNA分子,使其在血液中不被降解。纳米脂质体是目前已实现临床应用的递送系统,可以保证mRNA顺利接触靶细胞,再通过胞吞作用进入细胞。
　　研发mRNA药物遇到一个难题:外源mRNA进入细胞后会引发机体免疫反应,出现严重的炎症。两位诺贝尔生理学或医学奖获得者成功对mRNA进行化学修饰,将组成mRNA的尿苷替换为假尿苷(如图所示),修饰过的mRNA进入细胞后能有效躲避免疫系统的识别,大大降低了炎症反应,蛋白质合成量显著增加。理论上,蛋白质均能以mRNA为模板合成。因此有人认为mRNA是解锁各类疾病的“万能钥匙”,可以探索利用mRNA技术治疗蛋白质异常的疾病,达到精准治疗的目的。
[内蕴知识融通]
(1)推测用于递送mRNA的纳米脂质体中的“脂质”主要指　　　　　　。
(2)尿苷由一分子尿嘧啶和一分子核糖组成,一分子尿苷再与一分子　　组合,构成尿嘧啶核糖核苷酸。将mRNA的尿苷替换为假尿苷,其碱基排列顺序　　　　　(填“改变”或“未改变”)。mRNA进入细胞质后,会指导合成具有一定　　　　　顺序的蛋白质。
(3)材料中提到,mRNA是解锁各类疾病的“万能钥匙”。下图为用mRNA技术治疗疾病的思路,请补充图中缺少的内容。Ⅰ.　　　　　,Ⅱ.　　　　　　　。
[迁移创新训练]
1.(2024·济宁期中)研究发现用N1 甲基假尿苷替代mRNA中部分碱基U,可提高mRNA疫苗的稳定性和安全性。在翻译过程中,核糖体遇到mRNA上含有N1 甲基假尿苷的密码子时,大部分核糖体以原来的密码子翻译,但也有少部分核糖体会发生移码,即在mRNA上会向前或者向后移动一个核苷酸,并以新的密码子继续翻译。下列说法正确的是 (　　)
A.核糖体移码不会导致mRNA的碱基序列发生改变
B.核糖体移码产生的蛋白质很少,不存在免疫风险
C.N1 甲基假尿苷修饰的mRNA可能会使转录的结果发生异常
D.用N1 甲基假尿苷替代mRNA中部分碱基U,对mRNA疫苗的稳定性和安全性没有影响
2.(2025·东营模拟)拟南芥在盐胁迫条件下,会发生DNA甲基化和mRNA假尿嘧啶化修饰,产生较稳定的表型改变来应对环境变化。当后代未受到胁迫时部分植株能延续这种改变,该现象称为“胁迫跨代记忆”。研究发现,假尿嘧啶化修饰使尿嘧啶核苷酸化学结构发生改变,形成假尿嘧啶核苷酸,可提高mRNA的稳定性和翻译速率。下列叙述正确的是 (　　)
A.“胁迫跨代记忆”改变了基因的碱基排列顺序
B.甲基化修饰可抑制DNA的复制与转录过程
C.含有假尿嘧啶核苷酸的密码子不能编码氨基酸
D.可通过逆境胁迫激发表观遗传修饰来培育新品种
新情境问题(二)　基因结构及基因表达的调控
[科普科研材料]
材料一　基因的结构与遗传信息的表达
真核细胞和原核细胞基因都分为编码区和非编码区,不同的是真核生物基因的编码区是不连续的,分为内含子和外显子。原核生物转录的mRNA可直接作为翻译的模板(见图1);真核生物基因转录时,编码区中内含子和外显子都转录,但在形成成熟mRNA时,内含子转录部分被切去,并把外显子转录部分连接起来,加工成熟的mRNA作为翻译的模板(见图2)。
材料二　基因表达的调控
1.转录水平的调控
以大肠杆菌中某结构基因的表达为例。无诱导物存在时:阻遏蛋白与操纵基因结合阻止了RNA聚合酶与启动子(P)的结合,使得结构基因不能正常转录(如图1);有诱导物(乳糖)存在时:诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白结构改变,不能与操纵基因结合,则RNA聚合酶结合到启动子(P)上并启动结构基因的表达(如图2)。
2.翻译水平的调控
RNA干扰是有效沉默或抑制目标基因表达的过程,指内源性或外源性双链RNA(dsRNA)介导的细胞内mRNA发生特异性降解,从而导致靶基因的表达沉默,产生相应的功能表型缺失的现象。
[内蕴知识融通]
(1)从真核细胞基因结构角度,分析基因突变不一定导致生物性状改变的原因是_____________________
______________________________________________________________________________________。
(2)结合转录水平的调控可知,当环境中无乳糖时,在转录水平上影响基因的表达的原理是_____________
______________________________________________________________________________________。(3)当环境中有乳糖时,大肠杆菌结构基因表达的调节过程为_____________________________________
____________________________________________________________。 β 半乳糖苷酶可以水解乳糖,使上述过程减弱,这种调节机制是　　　　　　,可使大肠杆菌避免物质和能量的浪费。
[迁移创新训练]
1.(2025·芜湖模拟)下图所示为大肠杆菌乳糖操纵子模型。结构基因表达的相关酶有利于大肠杆菌利用乳糖。当阻遏物结合到DNA上,结构基因不表达。当培养基中无乳糖时,结构基因几乎不表达;当培养基中含有乳糖时,结构基因能够表达。其调控机制如图所示,相关叙述正确的是 (　　)
A.该模型中阻遏物在翻译水平上调控结构基因的表达
B.培养基中无乳糖时,mRNAⅠ也会翻译出蛋白质
C.培养基中含有乳糖时,乳糖与阻遏物结合在DNA上
D.图中mRNAⅡ的a端为5'端,其上含有多个启动子
2.(2024·邢台二模)一个基因的转录产物在个体的不同的组织细胞、发育阶段和生理状态下,通过不同的拼接方式可以得到不同的mRNA和翻译产物,称为选择性拼接。下图为鼠降钙素基因在不同组织细胞中表达的过程,据图分析,下列叙述正确的是 (　　)
A.RNA聚合酶以基因一条链为模板转录合成多种前体RNA
B.选择性拼接过程需要酶催化磷酸二酯键和氢键的断裂和形成
C.鼠降钙素基因表达形成不同的蛋白质,是因为对翻译的调控不同
D.不同组织细胞通过选择性拼接,可以满足机体对不同代谢活动的需要
3.(2025·哈尔滨模拟)原核生物DNA的转录经常会出现提早终止现象,产生不完整的mRNA,并翻译形成很多无效的蛋白质。不完整的mRNA可能导致参与翻译的核糖体不能正常脱离并重新投入使用,从而极大地影响基因表达。针对这类问题,研究者设计了一套蛋白质翻译质量改善系统(ProQC)(如图所示),通过开关序列与其互补序列的设计,使mRNA在完整时才能打开茎环结构并完成翻译。下列叙述正确的是 (　　)
A.原核生物的DNA转录时,需要RNA聚合酶识别起始密码子
B.核糖体不能从不完整的mRNA上正常脱离,是因为该mRNA缺少终止子
C.若与开关序列互补的序列出现突变,可能导致完整的mRNA不能正常翻译
D.通过ProQC的优化,不完整的mRNA依然会翻译产生少量无效的蛋白质
二、系统实验知能——实验设计常用的“加法原理”和“减法原理”
　　高考生物实验相关题重点考查实验设计思路,“加法原理”和“减法原理”是实验设计过程中控制自变量的两种常用的原理。科学地利用这两个原理设计生物实验有助于得出可靠、真实的实验结果或结论。与常态比较,人为增加某种影响因素的称为“加法原理”,而人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。
(一)运用“加法原理”设计实验
[例1]　为验证“植物顶芽产生的生长素能够抑制侧芽生长”,选取长势良好、生长状况相同的多株幼苗,随机分成A、B、C、D四组,A组幼苗不做任何处理,其他三组均去除顶芽。然后B组幼苗切口不做任何处理;C组幼苗切口处放置不含生长素的空白琼脂块;D组幼苗切口处放置含生长素的琼脂块。四组幼苗均置于相同且适宜的条件下培养。
(1)对比A组和B组幼苗的预期结果,说明顶芽抑制了侧芽的生长。
(2)对比B组和C组幼苗的预期结果,说明琼脂块本身对侧芽生长没有影响。
(3)对比A、B、C、D四组幼苗的预期结果,说明对侧芽生长起抑制作用的是顶芽产生的生长素。
　　[分析]　D组虽没有顶芽,但采用了实验设计的“加法原理”,通过切口处添加放置含生长素的琼脂块,验证了植物顶芽产生的生长素能够抑制侧芽生长。
(二)运用“减法原理”设计实验
[例2]　如设置A密闭装置放入绿色植物和NaOH溶液,设置B密闭装置放入绿色植物和水。证明二氧化碳是光合作用原料的实验组是A装置,A装置中NaOH溶液的作用是去除空气中二氧化碳,A和B组中有淀粉生成的装置是B。
[分析]　A装置中通过放入NaOH溶液去除空气中的二氧化碳,从而证明了二氧化碳是光合作用的原料,利用了“减法原理”。
(三)同时运用“减法原理”和“加法原理”设计实验
　　[例3]　探究胰岛素的生理作用时,选取健康、生长状况相同的多只小鼠,禁食处理后随机分成甲、乙、丙、丁四组。甲组小鼠注射10 mL生理盐水,乙、丙、丁三组分别注射10 mL胰岛素溶液,一段时间后,乙、丙、丁三组出现反应迟钝、嗜睡等低血糖症状,甲组未出现低血糖症状。
(1)乙、丙、丁三组小鼠出现低血糖症状后进行第二次注射,乙组小鼠注射10 mL生理盐水;为尽快缓解低血糖症状,给丙组小鼠注射10 mL某激素溶液、丁组小鼠注射某营养物质。丙组小鼠注射的激素是胰高血糖素,丁组小鼠注射的营养物质是葡萄糖。
(2)第二次注射后,丙、丁两组小鼠的症状都得到了缓解,缓解的机理分别是丙组小鼠注射胰高血糖素能促进非糖物质转化为葡萄糖、促进肝糖原分解成葡萄糖,升高血糖,丁组小鼠注射葡萄糖,直接升高血糖。
[分析]　乙、丙、丁三组小鼠第一次分别注射10 mL胰岛素溶液后,血糖降低从而出现反应迟钝、嗜睡等低血糖症状。第二次注射时丙组注射的激素是胰高血糖素,具有升高血糖的作用;丁组注射的营养物质是葡萄糖,直接补充血糖,使血糖浓度直接升高,症状得到缓解。两次注射就是分别运用了“减法原理”和“加法原理”巧妙设计实验。
[专题提能训练]
1.(2025·合肥期中)在科学实验中,通常运用“加法原理”或“减法原理”对自变量进行控制。下列实验中对自变量的控制运用了“加法原理”的是 (　　)
A.艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验 B.探究烟草花叶病毒的遗传物质
C.验证光是植物光合作用的必要条件 D.比较过氧化氢在不同条件下的分解
2. (2024·烟台期末)将噬菌体加入铜绿假单胞菌(PA1)菌液中,培养30 min后菌液变澄清(大部分PA1已被裂解),然后将菌液涂布在固体培养基上培养,一段时间后出现少量菌落,即为噬菌体·耐受菌(PA1r)。研究发现PA1r丢失了控制脂多糖合成的关键基因galU,噬菌体不能侵染PA1r。为验证galU基因的丢失是导致PA1r耐受噬菌体的原因,设计相关实验并预期结果。下列说法错误的是 (　　)
组别 1 2 3 4
处理方法 PA1+噬菌体 Ⅰ 敲除galU基因的PA1+噬菌体 Ⅱ
在固体培养基上培养
预期结果 较多噬菌斑 无噬菌斑 Ⅲ 较多噬菌斑
(噬菌斑:受体菌被噬菌体感染后在平板上形成的透明圈)
A.1和3、2和4形成对照,分别利用“减法”“加法”原理控制自变量
B.Ⅰ处应为“PA1r+噬菌体”,噬菌体可利用PA1r的原料合成自身的核酸
C.Ⅱ处应为“导入galU基因的PA1r+噬菌体”,Ⅲ处应为“无噬菌斑”
D.在噬菌体的感染下,没有galU基因的个体具有生存和繁殖的优势
第4讲　素养提升课
一、破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂
新情境问题(一)
[内蕴知识融通]
(1)磷脂　(2)磷酸　未改变　氨基酸　(3)基因　mRNA
[迁移创新训练]
1．选A　核糖体移码影响的是翻译过程，不会影响转录产生的mRNA的碱基序列，A正确；核糖体移码产生的蛋白质不一定少，因为移码可能改变终止密码子的位置，且蛋白质发生改变存在免疫风险，B错误；N1 甲基假尿苷修饰的mRNA导致核糖体移码，可能改变终止密码子的位置，从而使翻译结果发生异常，C错误；研究发现用N1 甲基假尿苷替代mRNA中部分碱基U，可提高mRNA疫苗的稳定性和安全性，D错误。
2．选D　“胁迫跨代记忆”与DNA甲基化等修饰有关，属于表观遗传，不改变基因的碱基排列顺序，A错误；甲基化修饰可抑制DNA的转录过程，不影响DNA的复制，B错误；假尿嘧啶化修饰可以提高mRNA的稳定性(不容易被核酸酶分解)和翻译速率，故含有假尿嘧啶核苷酸的密码子仍可以编码氨基酸，C错误；在逆境下，拟南芥通过DNA甲基化修饰可应对逆境，产生较稳定的表型改变，因此可通过逆境胁迫激发表观遗传修饰培育新品种，D正确。
新情境问题(二)
[内蕴知识融通]
(1)真核细胞内，当突变点位于基因结构的非编码区或编码区的内含子部分时，转录产生的mRNA模板并不改变，生物性状不改变
(2)阻遏蛋白会与操纵基因结合，阻碍RNA聚合酶与P结合　(3)乳糖与阻遏蛋白结合，改变其构象，使之不能与操纵基因结合，使得RNA聚合酶可以与P(启动子)结合，使结构基因能够表达　负反馈调节
[迁移创新训练]
1．选B　阻遏物可阻止转录过程的进行，因此该模型中阻遏物在转录水平上调控结构基因的表达，A错误；培养基中无乳糖时，mRNAⅠ也会翻译出蛋白质，指导合成的阻遏物与结构基因的调控部位结合，阻止了结构基因的表达，B正确；培养基中含有乳糖时，乳糖与阻遏物结合，导致阻遏物构象改变脱离原来结合的DNA，进而使结构基因得以表达，C错误；图中mRNAⅡ的a端为5′端，其上含有多个起始密码子，因而能翻译出多种多肽链，D错误。
2．选D　结合图示可以看出，RNA聚合酶以基因一条链为模板转录合成一种前体RNA，A错误；通过不同的拼接方式可以得到不同的mRNA和翻译产物，选择性拼接过程需要酶催化磷酸二酯键断裂和合成，不需要氢键的断裂和形成，B错误；通过不同的拼接方式可以得到不同的mRNA和翻译产物，即鼠降钙素基因表达形成不同的蛋白质，是因为选择性拼接的结果，不是对翻译调控不同引起的，C错误；通过不同的拼接方式可以得到不同的mRNA和翻译产物，进而可以满足机体对不同代谢活动的需要，是机体正常生长、发育的需要，D正确。
3．选C　原核生物的DNA转录时，需要RNA聚合酶识别启动子，A错误；核糖体不能从不完整的mRNA上正常脱离，是因为该mRNA缺少终止密码子，B错误；若与开关序列互补的序列出现突变，可能导致开关序列不能正常发挥作用，从而导致完整的mRNA不能正常翻译，C正确；通过ProQC的优化，不完整的mRNA不会翻译产生无效的蛋白质，D错误。
二、系统实验知能——实验设计常用的“加法原理”和“减法原理”
1．选D　艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验中，用蛋白酶、RNA酶、DNA酶等处理细胞提取物，是人为的去除某种因素的影响，运用了“减法原理”，A错误；探究烟草花叶病毒的遗传物质实验中，单独用病毒的各部分分别感染宿主细胞，观察各部分的作用，运用了“减法原理”，B错误；利用绿色植物验证光是光合作用的必要条件时，以生长在正常条件下的绿色植物为对照组，以生长在无光但其他条件都与对照组相同的绿色植物作为实验组，即与常态相比，实验组人为去除了光这种影响因素，运用了“减法原理”，C错误；比较过氧化氢在不同条件下的分解实验时，通过添加FeCl3溶液、肝脏研磨液进行探究，运用了“加法原理”，D正确。
2．选B　为验证galU基因的丢失是导致PA1r耐受噬菌体的原因，可分为4组：第1组用PA1＋噬菌体处理；第2组用PA1r＋噬菌体处理；第3组用敲除galU基因后的PA1＋噬菌体处理；第4组用导入galU基因的PA1r＋噬菌体处理，然后在相同的固体培养基上培养。1和3的自变量为是否具有galU基因，2和4的自变量为是否转入galU基因，它们之间形成对照，根据实验结果能推测该基因的作用，实验过程中分别利用“减法”“加法”原理控制自变量，A正确。据上述分析可知，Ⅰ处应为“PA1r＋噬菌体”，噬菌体不能利用PA1r的原料合成自身的核酸，B错误。结合上述分析可知，Ⅱ处应为“导入galU基因的PA1r＋噬菌体”，Ⅲ处应为“无噬菌斑”，C正确。在噬菌体的感染下，没有galU基因的个体被噬菌体感染的机会下降，因而具有生存和繁殖的优势，D正确。(共41张PPT)
素养提升课——破译新情境
系统实验知能
第4讲
一、破译新情境——抽象、理性的
学科情境要读懂
[科普科研材料]
基于mRNA技术的疗法,是将体外获得的mRNA递送到人体的特定细胞中,让其合成原本缺乏的蛋白质,从而达到预防或治疗疾病的目的。把mRNA从细胞外递送进细胞内,需借助递送系统。递送系统能保护mRNA分子,使其在血液中不被降解。纳米脂质体是目前已实现临床应用的递送系统,可以保证mRNA顺利接触靶细胞,再通过胞吞作用进入细胞。
新情境问题(一)　mRNA技术带来新一轮疗法革命
研发mRNA药物遇到一个难题:外源mRNA进入细胞后会引发机体免疫反应,出现严重的炎症。两位诺贝尔生理学或医学奖获得者成功对mRNA进行化学修饰,将组成mRNA的尿苷替换为假尿苷(如图所示),修饰过的mRNA进入细胞后能有效躲避免疫系统的识别,大大降低了炎症反应,蛋白质合成量显著增加。理论上,蛋白质均能以mRNA为模板合成。因此有人认为mRNA是解锁各类疾病的“万能钥匙”,可以探索利用mRNA技术治疗蛋白质异常的疾病,达到精准治疗的目的。
[内蕴知识融通]
(1)推测用于递送mRNA的纳米脂质体中的“脂质”主要指_____。
(2)尿苷由一分子尿嘧啶和一分子核糖组成,一分子尿苷再与一分子_____组合,构成尿嘧啶核糖核苷酸。将mRNA的尿苷替换为假尿苷,其碱基排列顺序________ (填“改变”或“未改变”)。mRNA进入细胞质后,会指导合成具有一定________顺序的蛋白质。
磷脂
磷酸
未改变
氨基酸
(3)材料中提到,mRNA是解锁各类疾病的“万能钥匙”。下图为用mRNA技术治疗疾病的思路,请补充图中缺少的内容。Ⅰ.______,Ⅱ._______ 。
基因
mRNA
[迁移创新训练]
1.(2024·济宁期中)研究发现用N1-甲基假尿苷替代mRNA中部分碱基U,可提高mRNA疫苗的稳定性和安全性。在翻译过程中,核糖体遇到mRNA上含有N1-甲基假尿苷的密码子时,大部分核糖体以原来的密码子翻译,但也有少部分核糖体会发生移码,即在mRNA上会向前或者向后移动一个核苷酸,并以新的密码子继续翻译。下列说法正确的是(　　)
A.核糖体移码不会导致mRNA的碱基序列发生改变
B.核糖体移码产生的蛋白质很少,不存在免疫风险
C.N1-甲基假尿苷修饰的mRNA可能会使转录的结果发生异常
D.用N1-甲基假尿苷替代mRNA中部分碱基U,对mRNA疫苗的稳定性和安全性没有影响
√
解析:核糖体移码影响的是翻译过程,不会影响转录产生的mRNA的碱基序列,A正确;核糖体移码产生的蛋白质不一定少,因为移码可能改变终止密码子的位置,且蛋白质发生改变存在免疫风险,B错误;N1-甲基假尿苷修饰的mRNA导致核糖体移码,可能改变终止密码子的位置,从而使翻译结果发生异常,C错误;研究发现用N1-甲基假尿苷替代mRNA中部分碱基U,可提高mRNA疫苗的稳定性和安全性,D错误。
2.(2025·东营模拟)拟南芥在盐胁迫条件下,会发生DNA甲基化和mRNA假尿嘧啶化修饰,产生较稳定的表型改变来应对环境变化。当后代未受到胁迫时部分植株能延续这种改变,该现象称为“胁迫跨代记忆”。研究发现,假尿嘧啶化修饰使尿嘧啶核苷酸化学结构发生改变,形成假尿嘧啶核苷酸,可提高mRNA的稳定性和翻译速率。下列叙述正确的是 (　　)
A.“胁迫跨代记忆”改变了基因的碱基排列顺序
B.甲基化修饰可抑制DNA的复制与转录过程
C.含有假尿嘧啶核苷酸的密码子不能编码氨基酸
D.可通过逆境胁迫激发表观遗传修饰来培育新品种
√
解析: “胁迫跨代记忆”与DNA甲基化等修饰有关,属于表观遗传,不改变基因的碱基排列顺序,A错误;甲基化修饰可抑制DNA的转录过程,不影响DNA的复制,B错误;假尿嘧啶化修饰可以提高mRNA的稳定性(不容易被核酸酶分解)和翻译速率,故含有假尿嘧啶核苷酸的密码子仍可以编码氨基酸,C错误;在逆境下,拟南芥通过DNA甲基化修饰可应对逆境,产生较稳定的表型改变,因此可通过逆境胁迫激发表观遗传修饰培育新品种,D正确。
[科普科研材料]
材料一　基因的结构与遗传信息的表达
真核细胞和原核细胞基因都分为编码区和非编码区,不同的是真核生物基因的编码区是不连续的,分为内含子和外显子。原核生物转录的mRNA可直接作为翻译的模板(见图1);真核生物基因转录时,编码区中内含子和外显子都转录,但在形成成熟mRNA时,内含子转录部分被切去,并把外显子转录部分连接起来,加工成熟的mRNA作为翻译的模板(见图2)。
新情境问题(二)　基因结构及基因表达的调控
材料二　基因表达的调控
1.转录水平的调控
以大肠杆菌中某结构基因的表达为例。无诱导物存在时:阻遏蛋白与操纵基因结合阻止了RNA聚合酶与启动子(P)的结合,使得结构基因不能正常转录(如图1);有诱导物(乳糖)存在时:诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白结构改变,不能与操纵基因结合,则RNA聚合酶结合到启动子(P)上并启动结构基因的表达(如图2)。
2.翻译水平的调控
RNA干扰是有效沉默或抑制目标基因表达的过程,指内源性或外源性双链RNA(dsRNA)介导的细胞内mRNA发生特异性降解,从而导致靶基因的表达沉默,产生相应的功能表型缺失的现象。
[内蕴知识融通]
(1)从真核细胞基因结构角度,分析基因突变不一定导致生物性状改变的原因是___________________________________________________
_________________________________________________________。
(2)结合转录水平的调控可知,当环境中无乳糖时,在转录水平上影响基因的表达的原理是_________________________________________
__________。
真核细胞内,当突变点位于基因结构的非编码区或编码区的内含子部分时,转录产生的mRNA模板并不改变,生物性状不改变
阻遏蛋白会与操纵基因结合,阻碍RNA聚合酶
与P结合
(3)当环境中有乳糖时,大肠杆菌结构基因表达的调节过程为___
__________________________________________________________
____________________________________________。
β-半乳糖苷酶可以水解乳糖,使上述过程减弱,这种调节机制是
__________,可使大肠杆菌避免物质和能量的浪费。
乳糖与阻遏蛋白结合,改变其构象,使之不能与操纵基因结合,使得RNA聚合酶可以与P(启动子)结合,使结构基因能够表达
负反馈调节
[迁移创新训练]
1.(2025·芜湖模拟)下图所示为大肠杆菌乳糖操纵子模型。结构基因表达的相关酶有利于大肠杆菌利用乳糖。当阻遏物结合到DNA上,结构基因不表达。当培养基中无乳糖时,结构基因几乎不表达;当培养基中含有乳糖时,结构基因能够表达。其调控机制如图所示,相关叙述正确的是(　　)
A.该模型中阻遏物在翻译水平上调控结构基因的表达
B.培养基中无乳糖时,mRNAⅠ也会翻译出蛋白质
C.培养基中含有乳糖时,乳糖与阻遏物结合在DNA上
D.图中mRNAⅡ的a端为5'端,其上含有多个启动子
√
解析:阻遏物可阻止转录过程的进行,因此该模型中阻遏物在转录水平上调控结构基因的表达,A错误;培养基中无乳糖时,mRNAⅠ也会翻译出蛋白质,指导合成的阻遏物与结构基因的调控部位结合,阻止了结构基因的表达,B正确;培养基中含有乳糖时,乳糖与阻遏物结合,导致阻遏物构象改变脱离原来结合的DNA,进而使结构基因得以表达,C错误;图中mRNAⅡ的a端为5'端,其上含有多个起始密码子,因而能翻译出多种多肽链,D错误。
2.(2024·邢台二模)一个基因的转录产物在个体的不同的组织细胞、发育阶段和生理状态下,通过不同的拼接方式可以得到不同的mRNA和翻译产物,称为选择性拼接。下图为鼠降钙素基因在不同组织细胞中表达的过程,据图分析,下列叙述正确的是 (　　)
A.RNA聚合酶以基因一条链为模板转录合成多种前体RNA
B.选择性拼接过程需要酶催化磷酸二酯键和氢键的断裂和形成
C.鼠降钙素基因表达形成不同的蛋白质,是因为对翻译的调控不同
D.不同组织细胞通过选择性拼接,可以满足机体对不同代谢活动的需要
√
解析:结合图示可以看出,RNA聚合酶以基因一条链为模板转录合成一种前体RNA,A错误;通过不同的拼接方式可以得到不同的mRNA和翻译产物,选择性拼接过程需要酶催化磷酸二酯键断裂和合成,不需要氢键的断裂和形成,B错误;通过不同的拼接方式可以得到不同的mRNA和翻译产物,即鼠降钙素基因表达形成不同的蛋白质,是因为选择性拼接的结果,不是对翻译调控不同引起的,C错误;通过不同的拼接方式可以得到不同的mRNA和翻译产物,进而可以满足机体对不同代谢活动的需要,是机体正常生长、发育的需要,D正确。
3.(2025·哈尔滨模拟)原核生物DNA的转录经常会出现提早终止现象,产生不完整的mRNA,并翻译形成很多无效的蛋白质。不完整的mRNA可能导致参与翻译的核糖体不能正常脱离并重新投入使用,从而极大地影响基因表达。针对这类问题,研究者设计了一套蛋白质翻译质量改善系统(ProQC)(如图所示),通过开关序列与其互补序列的设计,使mRNA在完整时才能打开茎环结构并完成翻译。下列叙述正确的是 (　　)
A.原核生物的DNA转录时,需要RNA聚合酶识别起始密码子
B.核糖体不能从不完整的mRNA上正常脱离,是因为该mRNA缺少终止子
C.若与开关序列互补的序列出现突变,可能导致完整的mRNA不能正常翻译
D.通过ProQC的优化,不完整的mRNA依然会翻译产生少量无效的蛋白质
√
解析:原核生物的DNA转录时,需要RNA聚合酶识别启动子,A错误;核糖体不能从不完整的mRNA上正常脱离,是因为该mRNA缺少终止密码子,B错误;若与开关序列互补的序列出现突变,可能导致开关序列不能正常发挥作用,从而导致完整的mRNA不能正常翻译,C正确;通过ProQC的优化,不完整的mRNA不会翻译产生无效的蛋白质,D错误。
二、系统实验知能——实验设计常用的“加法原理”和“减法原理”
高考生物实验相关题重点考查实验设计思路,“加法原理”和“减法原理”是实验设计过程中控制自变量的两种常用的原理。科学地利用这两个原理设计生物实验有助于得出可靠、真实的实验结果或结论。与常态比较,人为增加某种影响因素的称为“加法原理”,而人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。
(一)运用“加法原理”设计实验
[例1]　为验证“植物顶芽产生的生长素能够抑制侧芽生长”,选取长势良好、生长状况相同的多株幼苗,随机分成A、B、C、D四组,A组幼苗不做任何处理,其他三组均去除顶芽。然后B组幼苗切口不做任何处理;C组幼苗切口处放置不含生长素的空白琼脂块;D组幼苗切口处放置含生长素的琼脂块。四组幼苗均置于相同且适宜的条件下培养。
(1)对比A组和B组幼苗的预期结果,说明______________________。
(2)对比B组和C组幼苗的预期结果,说明______________________
_________。
(3)对比A、B、C、D四组幼苗的预期结果,说明_______________
____________________________。
[分析]　D组虽没有顶芽,但采用了实验设计的“加法原理”,通过切口处添加放置含生长素的琼脂块,验证了植物顶芽产生的生长素能够抑制侧芽生长。
顶芽抑制了侧芽的生长
琼脂块本身对侧芽生长
没有影响
对侧芽生长起抑制作用的是顶芽产生的生长素
(二)运用“减法原理”设计实验
[例2]　如设置A密闭装置放入绿色植物和NaOH溶液,设置B密闭装置放入绿色植物和水。证明二氧化碳是光合作用原料的实验组是____装置,A装置中NaOH溶液的作用是___________________,A和B组中有淀粉生成的装置是___。
　　[分析]　A装置中通过放入NaOH溶液去除空气中的二氧化碳,从而证明了二氧化碳是光合作用的原料,利用了“减法原理”。
A
去除空气中二氧化碳
B
(三)同时运用“减法原理”和“加法原理”设计实验
[例3]　探究胰岛素的生理作用时,选取健康、生长状况相同的多只小鼠,禁食处理后随机分成甲、乙、丙、丁四组。甲组小鼠注射10 mL生理盐水,乙、丙、丁三组分别注射10 mL胰岛素溶液,一段时间后,乙、丙、丁三组出现反应迟钝、嗜睡等低血糖症状,甲组未出现低血糖症状。
(1)乙、丙、丁三组小鼠出现低血糖症状后进行第二次注射,乙组小鼠注射10 mL生理盐水;为尽快缓解低血糖症状,给丙组小鼠注射10 mL某激素溶液、丁组小鼠注射某营养物质。丙组小鼠注射的激素是______________,丁组小鼠注射的营养物质是_______。
(2)第二次注射后,丙、丁两组小鼠的症状都得到了缓解,缓解的机理分别是丙组小鼠_______________________________________
________________________________________,丁组小鼠________
__________________。
胰高血糖素
葡萄糖
注射胰高血糖素能促进非糖物质转化为葡萄糖、促进肝糖原分解成葡萄糖,升高血糖
注射葡
萄糖,直接升高血糖
[分析]　乙、丙、丁三组小鼠第一次分别注射10 mL胰岛素溶液后,血糖降低从而出现反应迟钝、嗜睡等低血糖症状。第二次注射时丙组注射的激素是胰高血糖素,具有升高血糖的作用;丁组注射的营养物质是葡萄糖,直接补充血糖,使血糖浓度直接升高,症状得到缓解。两次注射就是分别运用了“减法原理”和“加法原理”巧妙设计实验。
[专题提能训练]
1.(2025·合肥期中)在科学实验中,通常运用“加法原理”或“减法原理”对自变量进行控制。下列实验中对自变量的控制运用了“加法原理”的是(　　)
A.艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验
B.探究烟草花叶病毒的遗传物质
C.验证光是植物光合作用的必要条件
D.比较过氧化氢在不同条件下的分解
√
解析:艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验中,用蛋白酶、RNA酶、DNA酶等处理细胞提取物,是人为的去除某种因素的影响,运用了“减法原理”,A错误;探究烟草花叶病毒的遗传物质实验中,单独用病毒的各部分分别感染宿主细胞,观察各部分的作用,运用了“减法原理”,B错误;利用绿色植物验证光是光合作用的必要条件时,以生长在正常条件下的绿色植物为对照组,以生长在无光但其他条件都与对照组相同的绿色植物作为实验组,即与常态相比,实验组人为去除了光这种影响因素,运用了“减法原理”,C错误;比较过氧化氢在不同条件下的分解实验时,通过添加FeCl3溶液、肝脏研磨液进行探究,运用了“加法原理”,D正确。
2. (2024·烟台期末)将噬菌体加入铜绿假单胞菌(PA1)菌液中,培养30 min后菌液变澄清(大部分PA1已被裂解),然后将菌液涂布在固体培养基上培养,一段时间后出现少量菌落,即为噬菌体·耐受菌(PA1r)。研究发现PA1r丢失了控制脂多糖合成的关键基因galU,噬菌体不能侵染PA1r。为验证galU基因的丢失是导致PA1r耐受噬菌体的原因,设计相关实验并预期结果。下列说法错误的是(　　)
组别 1 2 3 4
处理方法 PA1+噬菌体 Ⅰ 敲除galU基因的PA1+噬菌体 Ⅱ
在固体培养基上培养
预期结果 较多噬菌斑 无噬菌斑 Ⅲ 较多噬菌斑
(噬菌斑:受体菌被噬菌体感染后在平板上形成的透明圈)
A.1和3、2和4形成对照,分别利用“减法”“加法”原理控制自变量
B.Ⅰ处应为“PA1r+噬菌体”,噬菌体可利用PA1r的原料合成自身的核酸
C.Ⅱ处应为“导入galU基因的PA1r+噬菌体”,Ⅲ处应为“无噬菌斑”
D.在噬菌体的感染下,没有galU基因的个体具有生存和繁殖的优势
√
解析:为验证galU基因的丢失是导致PA1r耐受噬菌体的原因,可分为4组:第1组用PA1+噬菌体处理;第2组用PA1r+噬菌体处理;第3组用敲除galU基因后的PA1+噬菌体处理;第4组用导入galU基因的PA1r+噬菌体处理,然后在相同的固体培养基上培养。1和3的自变量为是否具有galU基因,2和4的自变量为是否转入galU基因,它们之间形成对照,根据实验结果能推测该基因的作用,实验过程中分别利用“减法”“加法”原理控制自变量,
A正确。据上述分析可知,Ⅰ处应为“PA1r+噬菌体”,噬菌体不能利用PA1r的原料合成自身的核酸,B错误。结合上述分析可知,Ⅱ处应为“导入galU基因的PA1r+噬菌体”,Ⅲ处应为“无噬菌斑”,C正确。在噬菌体的感染下,没有galU基因的个体被噬菌体感染的机会下降,因而具有生存和繁殖的优势,D正确。

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