第3课
基因的表达
考点一 遗传信息的转录和翻译——[重点探究型]
核心知识回顾
1.RNA的结构和种类:
(1)基本单位:___________。
核糖核苷酸
(2)组成成分:
(3)结构:一般是___链,长度比DNA短;能通过_____
从细胞核转移到细胞质中。
鸟嘌呤(G)
尿嘧啶(U)
单
核孔
(4)种类及功能。
蛋白质
识别并转运氨基酸
核糖体
(5)DNA与RNA的区别:
T(胸腺嘧啶)
核糖
单链
物质组成 结构特点
五碳糖 特有碱基
DNA 脱氧核糖 ____________ 一般是双链
RNA _____ U(尿嘧啶) 通常是_____
2.遗传信息的转录:
(1)概念:以____________为
模板
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,按碱基互补配对原
则合成RNA的过程。
DNA的一条链
(2)转录过程(见下图):
解旋酶
一条链
核糖核苷酸
mRNA
DNA链
3.遗传信息的翻译:
(1)概念:游离在细胞质中的各种氨基酸,就以_____
为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。
(2)密码子。
①概念:________上3个相邻的碱基决定1个氨基酸,
每3个这样的碱基称为1个密码子。
②种类:64种,其中决定氨基酸的密码子有___种,终
止密码子有__种。
mRNA
信使RNA
61
3
(3)翻译过程(见下图):
游离的氨基酸
tRNA
核糖体
mRNA
多肽
核糖体
tRNA
mRNA
(4)产物:多肽 蛋白质
终止密码子
【特别提醒】
(1)DNA与RNA的结构比较:DNA一般为双链,RNA一般为单链,但RNA在部分区段可能出现双链结构,碱基之间以氢键相连接,如tRNA。
(2)tRNA的结构:含有几十个至上百个核糖核苷酸(碱基),不是仅由3个核糖核苷酸(碱基)构成。
(3)tRNA和氨基酸之间的对应关系:一种tRNA只能转运
一种氨基酸,但一种氨基酸可以由一种或多种tRNA转
运。
(4)密码子和氨基酸之间的对应关系。
①密码子共有64种,但其中有3种终止密码子,不编码
任何氨基酸,编码氨基酸的密码子共有61种。
②一种密码子只决定一种氨基酸,但一种氨基酸可对应一种或多种密码子。
(5)转录产物:并不只有mRNA,还有tRNA和rRNA,但只有mRNA携带遗传信息。
高考探究归纳
【高考典题示例】
(2014·江苏高考)关于基因控制蛋白质合成的过程,下列叙述正确的是 世纪金榜导学号77982131( )
A.一个含n个碱基的DNA分子,转录的mRNA分子的碱基数是n/2个
B.细菌的一个基因转录时两条DNA链可同时作为模板,提高转录效率
C.DNA聚合酶和RNA聚合酶的结合位点分别在DNA和RNA上
D.在细胞周期中,mRNA的种类和含量均不断发生变化
【解题指南】(1)隐含信息:DNA分子由具有遗传效应的片段和无遗传效应的片段组成。
(2)关键知识:转录的概念和转录的特点。
【解析】选D。本题考查DNA复制、基因转录的相关知识。不具有遗传效应的DNA片段不发生转录,不会形成mRNA,所以mRNA分子的碱基数小于n/2个,故A错误;转录是指以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则,合成RNA的过程,故B错误;RNA聚合酶的结合位点也在DNA上,故C错误;在细胞周期中,由于基因的选择性表达,mRNA的种类和含量均不断发生变化,故D正确。
【高考母题变式】
变式1 题干问题转换
A项中一个含n个碱基的DNA分子中,转录、翻译生成的
蛋白质,最多含多少个氨基酸?
提示:n/6个。DNA碱基数和氨基酸数的关系是:
DNA碱基数∶氨基酸数=6∶1。
变式2 图形转换
下图表示人体内胰岛素合成时基因表达过程中的某个
阶段,若该基因是呼吸酶合成基因,则该过程的模板
链_______(填“一定”或“不一定”)是③。原因是
______________________________________________
_____。
不一定
转录是以DNA的一条链为模板,可能是③链也可能是
④链
【备考方法规律】
转录和翻译过程中相关数量的计算方法
(1)理顺相关数量关系:DNA碱基数∶mRNA碱基数∶氨基酸数=6∶3∶1。
(2)关注计算中“最多”和“最少”问题。
①mRNA上碱基数目与蛋白质中氨基酸的数目关系:翻
译时,mRNA上的___________不决定氨基酸,因此准确
地说,mRNA上的碱基数目是蛋白质中_______数目的3
倍还要多一些。
②DNA上的碱基数目与蛋白质中氨基酸的数目关系:基
因或DNA上的碱基数目比对应的蛋白质中_______数目
终止密码子
氨基酸
氨基酸
的6倍还要多一些。
③不能忽略“最多”或“最少”等字:如mRNA上有n个
碱基,转录产生它的基因中至少有___个碱基,该mRNA
指导合成的蛋白质中最多有____个氨基酸。
(3)基因中碱基与蛋白质相对分子质量之间的计算。
若基因中有n个碱基,氨基酸的平均相对分子质量为a,
2n
n/3
则合成含m条多肽链的蛋白质的相对分子质量
;若改为n个碱基对,则公式为
。
高考角度全练
角度1 DNA与RNA的区别
1.(2013·全国卷Ⅱ)关于DNA和RNA的叙述,正确的是
( )
A.DNA有氢键,RNA没有氢键
B.一种病毒同时含有DNA和RNA
C.原核细胞中既有DNA,也有RNA
D.叶绿体、线粒体和核糖体都含有DNA和RNA
【解析】选C。本题考查核酸的基本内容。DNA通常为双链,两条链间以氢键连接;RNA通常为单链,但也有双链区域,如tRNA的三叶草结构,双链区域也含氢键,A错误。病毒是非细胞生物,只含有DNA或者RNA,B错误。细胞生物同时含有DNA和RNA,C正确。线粒体、叶绿体为半自主性细胞器,具有DNA和RNA,核糖体中只含rRNA,无DNA,D错误。
【方法技巧】单链DNA、双链DNA与RNA的判断技巧
(1)从结构上判断DNA和RNA:
①含有碱基T或脱氧核糖⇒DNA。
②含有碱基U或核糖⇒RNA。
(2)判断单链DNA和双链DNA:
①若 ⇒双链DNA。
②若嘌呤数≠嘧啶数⇒单链DNA。
(3)DNA和RNA合成的判断:
用放射性同位素标记T或U可判断DNA和RNA的合成。若大量消耗T,可推断正发生DNA的合成;若大量利用U,可推断正进行RNA的合成。
角度2 复制、转录、翻译过程分析
2.(2016·全国卷Ⅱ)某种物质可插入DNA分子两条链的碱基对之间,使DNA双链不能解开。若在细胞正常生长的培养液中加入适量的该物质,下列相关叙述错误的是( )
A.随后细胞中的DNA复制发生障碍
B.随后细胞中的RNA转录发生障碍
C.该物质可将细胞周期阻断在分裂中期
D.可推测该物质对癌细胞的增殖有抑制作用
【解题指南】(1)题干关键信息:某物质使DNA双链不
能解开。
(2)解题关键:DNA复制、转录时需要解开双链。
【解析】选C。本题主要考查DNA复制与转录过程。A
项,DNA复制过程中需要将双链解开,解开后的每一条
单链成为模板参与复制,加入该物质后DNA双链不能解
开,复制过程受阻,故正确。B项,RNA的转录需要DNA
的一条链为模板,DNA不能解旋,转录不能进行,故正确。C项,DNA的复制和转录发生在细胞周期的间期,阻断DNA复制和转录,细胞将停留在间期,故错误。D项,癌细胞具有不断增殖的能力,加入该物质后阻断了DNA的复制,癌细胞的增殖受到抑制,故正确。
3.(2015·全国卷Ⅰ)人或动物PrP基因编码一种蛋白(PrPc),该蛋白无致病性。PrPc的空间结构改变后成为PrPsc(朊粒),就具有了致病性。PrPsc可以诱导更多PrPc转变为PrPsc,实现朊粒的增殖可以引起疯牛病。据此判断下列叙述正确的是( )
世纪金榜导学号77982132
A.朊粒侵入机体后可整合到宿主的基因组中
B.朊粒的增殖方式与肺炎双球菌的增殖方式相同
C.蛋白质空间结构的改变可以使其功能发生变化
D.PrPc转变为PrPsc的过程属于遗传信息的翻译过程
【解题指南】(1)题干关键词:PrPc无致病性、PrPsc有致病性。
(2)关键知识:蛋白质的结构和功能及基因控制蛋白质的合成。
【解析】选C。A项,基因是有遗传效应的DNA片段,而
朊粒为蛋白质,不能整合到宿主细胞的基因组中,故
错误;B项,朊粒通过诱导正常的蛋白质转变为
PrPsc(朊粒)而实现朊粒的增殖,而肺炎双球菌的增殖
方式是二分裂,故错误;C项,“PrPc的空间结构改变
后成为PrPsc(朊粒),就具有了致病性”,说明蛋白质
的空间结构改变导致其功能发生了变化,故正确;
D项,PrPc转变为PrPsc的过程是在某些因素的作用下导致的蛋白质空间结构的变化,遗传信息存在于基因上,它通过转录和翻译两个过程才能形成相应的蛋白质,故错误。
【知识总结】DNA复制、转录和翻译的比较
比较
项目 DNA复制 转 录 翻 译
场所 真核细胞主要在
细胞核中 真核细胞主要
在细胞核中 细胞质中的
核糖体
模板 DNA的两条单链 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
比较
项目 DNA复制 转 录 翻 译
条件 ATP、酶(解旋
酶、DNA聚合酶) 酶(RNA聚合
酶)、ATP 酶、ATP、tRNA
产物 2个双链DNA 一个单链
RNA(mRNA、
tRNA、rRNA) 多肽链
特点 ①半保留复制
②边解旋边复制
③多起点复制 边解旋边转
录,DNA双链
全保留 一条mRNA上可相
继结合多个核糖
体,同时合成多
条肽链
角度3 基因表达的综合分析
4.(2017·广州模拟)如图为人体胰岛素基因控制合成胰岛素的过程示意图。据图回答:
世纪金榜导学号77982133
(1)该图表示的过程发生在人体的________细胞中,饭后半小时,上图所示过程会__________(填“增强”或“减弱”)。
(2)图中①表示的过程称为________,催化该过程的酶是________。②表示的物质是________。
(3)图中天冬氨酸的密码子是________,胰岛素基因中
决定“…… ……”的模板链的碱基序列为
____________________。
(4)已知胰岛素由两条多肽链共51个氨基酸组成,指导
其合成的②的碱基数远大于153,主要原因是_______
________________。一个②上结合多个核糖体的意义
是_____________________________________。
【解析】(1)胰岛素是由人的胰岛B细胞合成分泌的。
饭后半小时血液中被消化产生或吸收的葡萄糖增多,
此时胰岛素分泌增加。
(2)图中①表示转录过程,需要RNA聚合酶的催化,转
录形成的产物②是mRNA。
(3)密码子在mRNA上,天冬氨酸的密码子是GAC,由
mRNA上碱基序列可知胰岛素基因中决定
“…… ……”的模板链的碱基序列是
-CCACTGACC-。
(4)51个氨基酸组成的胰岛素分子,指导其合成的mRNA
中碱基数至少为153,实际却远大于153,因为mRNA上
含有终止密码子等不翻译的序列。一个mRNA上结合多
个核糖体能在短时间内合成大量的蛋白质,具有高效
性。
答案:(1)胰岛B 增强 (2)转录 RNA聚合酶 mRNA
(3)GAC -CCACTGACC-
(4)mRNA上存在终止密码子等不翻译的序列 在短时间内合成大量的蛋白质(答案合理即可)
【知识总结】DNA复制、转录、翻译三者的联系
【加固训练】
1.(2017·襄樊模拟)美国科学家安德鲁·菲尔和克雷格·梅洛发现了RNA干扰现象,这是一个有关控制基因信息流程的关键机制。下列有关RNA的叙述中,错误的是( )
A.有的RNA具有生物催化作用
B.tRNA、rRNA和mRNA都是基因转录的产物
C.mRNA上有多少个密码子就有多少个tRNA与之对应
D.分化后的不同形态的细胞中mRNA的种类和数量有所不同
【解析】选C。有的RNA是酶,具有生物催化作用;RNA(包括tRNA、rRNA和mRNA)是基因转录的产物;mRNA上的终止密码子没有与之对应的tRNA;细胞分化形成不同形态的细胞是基因选择性表达的结果,因此它们中的mRNA种类和数量有所不同。
2.(2015·江苏高考)下图是起始甲硫氨酸和相邻氨基酸形成肽键的示意图,下列叙述正确的是( )
A.图中结构含有核糖体RNA
B.甲硫氨酸处于图中ⓐ的位置
C.密码子位于tRNA的环状结构上
D.mRNA上碱基改变即可改变肽链中氨基酸的种类
【解析】选A。本题主要考查翻译过程。图中结构包括核糖体、mRNA、tRNA,核糖体由RNA和蛋白质构成,故A项正确。ⓐ是起始甲硫氨酸后相邻位置的氨基酸,故B项错误。tRNA的环状结构上有反密码子,密码子位于mRNA上,故C项错误。由于密码子的简并性,mRNA上碱基改变,肽链中氨基酸的种类不一定改变,故D项错误。
考点二 中心法则及基因与性状的关系——[基础夯实型]
核心知识回顾
1.中心法则的内容与发展:
(1)总表达式:
①DNA的复制;
②_____;
③翻译;
④__________;
⑤逆转录。
转录
RNA的复制
(2)写出下列各类生物遗传信息的传递过程(中心法则):
生物种类 遗传信息的传递过程
病毒类生物 DNA病毒:____________________
RNA病毒:___________________
逆转录病毒:______________________
细胞类生物 ____________________
2.基因控制生物体性状的方式:
(1)直接控制途径:
基因 __________ 生物体性状。
(2)间接控制途径:
基因 _________ _________ 生物体性状。
蛋白质结构
酶的合成
细胞代谢
【思维诊断】
(1)叶绿体中遗传信息的传递遵循中心法则。 ( )
分析:叶绿体中含有DNA,DNA中遗传信息的传递遵循
中心法则。
√
(2)DNA病毒中没有RNA,其遗传信息的传递不遵循中心
法则。 ( )
分析:DNA病毒中的DNA在受体细胞中复制、转录、翻
译,也遵循中心法则。
×
(3)原核生物的tRNA合成无需基因指导。 ( )
分析:mRNA、tRNA、rRNA都是在基因的指导下合成
的。
(4)线粒体中的DNA能控制某些蛋白质的合成。 ( )
分析:DNA中的遗传信息能控制蛋白质的合成,所以存
在于线粒体中的DNA也具有控制某些蛋白质合成的功
能。
×
√
(5)镰刀型细胞贫血症是通过控制蛋白质的结构直接控
制生物体性状的。 ( )
分析:镰刀型细胞贫血症是由于某个氨基酸改变引起
的,因此是通过控制蛋白质的结构直接控制生物体性
状的。
√
(6)基因与性状是一一对应的关系。 ( )
分析:一个基因可决定多个性状,有的性状由多个基
因决定。
×
高考角度全练
角度1 对中心法则的理解
1.(2016·海南高考)某种RNA病毒在增殖过程中,其遗传物质需要经过某种转变后整合到真核宿主的基因组中。物质Y与脱氧核苷酸结构相似,可抑制该病毒的增殖,但不抑制宿主细胞的增殖,那么Y抑制该病毒增殖的机制是( )
A.抑制该病毒RNA的转录过程
B.抑制该病毒蛋白质的翻译过程
C.抑制该RNA病毒的反转录过程
D.抑制该病毒RNA的自我复制过程
【解析】选C。本题主要考查中心法则。RNA病毒反转录生成DNA,需要的原料是4种脱氧核苷酸,物质Y与脱氧核苷酸结构相似,会混入反转录生成的DNA中,致使反转录生成的DNA不能整合到真核宿主的基因组中,影响病毒RNA及蛋白质的合成,从而抑制该病毒增殖,故只有C项正确。
2.(2015·重庆高考)结合下图分析,下列叙述错误的是( )
A.生物的遗传信息储存在DNA或RNA的核苷酸序列中
B.核苷酸序列不同的基因可表达出相同的蛋白质
C.遗传信息传递到蛋白质是表现型实现的基础
D.编码蛋白质的基因含遗传信息相同的两条单链
【解题指南】(1)图示信息:DNA可复制及转录、翻译产生蛋白质,RNA可复制及逆转录产生DNA。
(2)关键知识:遗传信息的概念、密码子的简并性和蛋白质的功能。
【解析】选D。本题考查遗传的物质基础和遗传信息的
表达。A项,生物的遗传物质是DNA或RNA,即遗传信息
储存在DNA或RNA的核苷酸序列中,故该叙述正确。
B项,因为密码子的简并性,转录形成的mRNA碱基序列
不同,最终翻译出的蛋白质可能相同,故该叙述正
确。C项,蛋白质是生命活动的主要承担者,即生物的
表现型是通过蛋白质体现的,故该叙述正确。D项,遗
传信息是由碱基序列决定的,DNA上基因两条链的碱基互补配对,含遗传信息不同,故该叙述错误。
【知识总结】不同生物遗传信息传递的途径
(1)动植物只有DNA复制、转录、翻译三条途径,但具体到不同细胞情况不尽相同,如根尖分生区细胞等分裂旺盛的组织细胞中三条途径都有;叶肉细胞等高度分化的细胞无DNA复制途径,只有转录和翻译两条途径;哺乳动物成熟的红细胞无信息传递。
(2)DNA病毒只有DNA复制、转录、翻译三条途径,但这三个过程发生在宿主细胞内。
(3)RNA复制和逆转录只发生在RNA病毒侵染宿主细胞过程中,是后来发现的,是对中心法则的补充和完善。
3.(2015·安徽高考)Qβ噬菌体的遗传物质(QβRNA)是一条单链RNA,当噬菌体侵染大肠杆菌后,QβRNA立即作为模板翻译出成熟蛋白、外壳蛋白和RNA复制酶(如图所示),然后利用该复制酶复制QβRNA。下列叙述正确的是 世纪金榜导学号77982134( )
A.QβRNA的复制需经历一个逆转录过程
B.QβRNA的复制需经历形成双链RNA的过程
C.一条QβRNA模板只能翻译出一条肽链
D.QβRNA复制后,复制酶基因才能进行表达
【解题指南】(1)题干关键信息:“一条单链RNA”
“QβRNA立即作为模板翻译出成熟蛋白”“然后利用该复制酶复制QβRNA”。
(2)图示信息:噬菌体的遗传物质QβRNA作为模板的翻译过程。
【解析】选B。本题主要考查中心法则的有关知识。
QβRNA复制的产物为RNA,而逆转录的产物为DNA,故A
项错误。QβRNA的复制要遵循碱基互补配对原则,以
QβRNA为模板,产物RNA与模板之间会形成双链RNA,
故B项正确。题图中一条QβRNA作为模板翻译出了成熟
蛋白、外壳蛋白和RNA复制酶等三种蛋白质,每个蛋白
质至少是由一条肽链形成的,故C项错误。由题干信息
“当噬菌体侵染大肠杆菌后”“QβRNA立即作为模板翻译出……RNA复制酶,然后……复制QβRNA”可知,复制酶基因表达在先,QβRNA复制在后,故D项错误。
【方法技巧】三看法”判断中心法则的过程
角度2 基因对性状的控制
4.(2017·洛阳模拟)下列有关人体细胞中基因与性状关系的叙述,错误的是( )
A.基因分布于细胞核、线粒体中,只有核中的基因能决定性状
B.环境也能影响性状表现,性状是基因与环境共同作用的结果
C.有些性状是由多个基因共同决定的,有的基因可决定和影响多种性状
D.一条染色体上分布有许多基因,可决定和影响人体的多种性状表现
【解析】选A。基因分布于人体的细胞核、线粒体中,核基因和线粒体基因均能控制生物性状,A错误。性状是由环境和基因共同决定的,B正确。性状可由一个或多个基因共同决定,有些基因可决定和影响多种性状,C正确。一条染色体上含一个或两个DNA,一个DNA上含有多种基因,可决定和影响人体的多种性状表现,D正确。
【知识总结】基因与性状的关系
(1)一般而言,一个基因决定一种性状。
(2)生物体的一种性状有时受多个基因的影响,如玉米
叶绿素的形成至少与50多个不同的基因有关。
(3)有时一个基因可影响多种性状,如A B C,
基因1可影响B和C的性状。
(4)生物体的性状是基因和环境共同作用的结果。基因型相同,表现型可能不同;基因型不同,表现型可能相同。
【加固训练】
(2014·江苏高考)研究发现,人类免疫缺陷病毒(HIV)携带的RNA在宿主细胞内不能直接作为合成蛋白质的模板。依据中心法则(下图),下列相关叙述错误的是
( )
A.合成子代病毒蛋白质外壳的完整过程至少要经过④②③环节
B.侵染细胞时,病毒中的蛋白质不会进入宿主细胞
C.通过④形成的DNA可以整合到宿主细胞的染色体DNA上
D.科学家可以研发特异性抑制逆转录酶的药物来治疗艾滋病
【解题指南】(1)题干关键信息:人类免疫缺陷病毒(HIV)携带的RNA在宿主细胞内不能直接作为合成蛋白质的模板。
(2)图示信息:②是转录,③是翻译,④是逆转录。
(3)关键知识:人类免疫缺陷病毒(HIV)寄生在人的T淋巴细胞中。
【解析】选B。本题考查中心法则的信息传递。人类免
疫缺陷病毒(HIV)主要攻击人体的T淋巴细胞,在侵染
过程中HIV整体进入T淋巴细胞内,然后释放出RNA,故
B选项是错误的。HIV属于逆转录病毒的一种,它的遗
传物质RNA先经逆转录形成DNA,然后形成的DNA整合到
患者细胞的基因组中,再通过病毒DNA的转录形成HIV
的RNA,最后通过翻译,形成HIV的蛋白质,并组装成
大量的子代HIV,由被感染的细胞裂解释放出来;根据题图中的中心法则可知病毒DNA是通过逆转录过程合成的,故可以研发抑制逆转录酶的药物来治疗艾滋病。故A、C、D选项均正确。