2023届高考生物二轮复习基因表达与中心法则学案

第三讲　基因表达与中心法则

考纲导向·明目标

KAO GANG DAO XIANG MING MU BIAO

核心考点一　遗传信息的转录和翻译

核心知识·精解读

HE XIN ZHI SHI JING JIE DU

1．转录和翻译过程图解

(1)转录：

(2)翻译：

①模型一：

②模型二：

2．DNA复制、转录和翻译的比较

3．真核细胞和原核细胞基因表达过程的判断方法

4．相关数量关系

DNA碱基数∶mRNA碱基数∶氨基酸数＝6∶3∶1。

考题解密

1．(2022·湖南高考，14)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(　D　)

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】　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，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。

变式突破

变式一　区别密码子、反密码子的不同点

1．如图是蛋白质合成示意图，下列相关描述错误的是(　A　)

A．图中核糖体移动方向是从右向左，终止密码子位于a端

B．通常决定氨基酸①的密码子又叫起始密码子

C．该过程中碱基互补配对的方式有A—U、C—G

D．图中所示蛋白质合成过程涉及3种RNA

【解析】　根据多肽链中氨基酸的连接顺序可判断，核糖体是沿着mRNA从a端向b端延伸的，即从左向右延伸，终止密码子应该位于b端，A错误；氨基酸①位于肽链的第一位，因此通常决定该氨基酸的密码子叫起始密码子，B正确；翻译过程中，mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对，遵循的碱基互补配对原则有A与U互配，C与G互配，C正确；翻译过程中涉及3种RNA，分别是mRNA、tRNA和rRNA，D正确。

变式二　借助模式图考查转录和翻译的过程

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，下列叙述中不正确的是(　B　)

A．图1细胞没有核膜围成的细胞核，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】　图1细胞没有核膜包被的成形的细胞核，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；真核生物细胞核中转录出的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。

核心考点二　中心法则及基因与性状的关系

核心知识·精解读

HE XIN ZHI SHI JING JIE DU

1．中心法则

(1)中心法则及其判定

(2)中心法则体现DNA的两大基本功能

(1)传递功能：Ⅰ过程体现了遗传信息的传递功能，它是通过DNA复制完成的，发生于亲代产生子代的生殖过程或细胞增殖过程中；Ⅳ过程表示以RNA作为遗传物质的生物亲代与子代之间遗传信息的传递功能。

(2)表达功能：Ⅱ(转录)、Ⅲ(翻译)过程共同体现了遗传信息的表达功能，发生在个体发育过程中；Ⅴ过程表示部分以RNA作为遗传物质的病毒的逆转录过程，是RNA中遗传信息表达的首要步骤。此类生物专营寄生生活，必须在宿主细胞中完成其遗传物质的信息表达，所以需先通过逆转录过程形成DNA，整合在宿主细胞染色体上的DNA中，再进行Ⅱ、Ⅲ过程。

2．基因与性状的联系

考题解密

2．(2022·浙江6月)“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(　C　)

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】　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。

变式突破

变式一　把握中心法则的过程分析

3．图甲所示为基因表达过程，图乙为中心法则，①～⑤表示生理过程。下列叙述正确的是(　D　)

A．图甲所示为染色体DNA上的基因表达过程，需要多种酶参与

B．红霉素影响核糖体在mRNA上的移动，故影响基因的转录过程

C．图甲所示过程为图乙中的①②③过程

D．图乙中涉及碱基A与U配对的过程为②③④⑤

【解析】　图甲中，转录和翻译同时进行，属于原核生物的基因表达过程，而原核生物没有染色体，A项错误；红霉素影响核糖体在mRNA上的移动，所以影响基因的翻译过程，B项错误；图乙中①是DNA复制、②是转录过程、③是翻译过程、④是RNA的复制、⑤是逆转录过程，图甲是基因控制蛋白质的合成过程，即转录和翻译，为图乙中的②③过程，C项错误；图乙中涉及碱基A与U配对的过程为②③④⑤，D项正确。

变式二　掌握基因表达与细胞分化的关系

4．(2022·沈阳模拟)miRNA是真核细胞中参与基因转录后调控的小分子RNA，在生物的生长发育过程中发挥重要作用。研究发现水稻细胞内的miRNA393直接作用于生长素受体基因OsTIR1、OsAFB2的mRNA，抑制它们的表达。以下结论正确的是(　D　)

A．miRNA393通过控制蛋白质的结构直接控制生物的性状

B．miRNA393增多可导致水稻对生长素的敏感程度升高

C．miRNA393通过影响RNA聚合酶的功能调控生物性状

D．miRNA393和mRNA结合形成的双链RNA中，嘌呤数和嘧啶数相等

【解析】　miRNA393作用的对象是mRNA，而不是控制蛋白质的结构，A错误；miRNA393直接作用于生长素受体基因OsTIR1、OsAFB2的mRNA，抑制它们的表达，因此miRNA393增多会使生长素的受体减少，进一步导致生长素的敏感性减弱，B错误；miRNA393直接作用于生长素受体基因OsTIR1和OsAFB2的mRNA，抑制它们的表达，而不是影响RNA聚合酶的功能，C错误；miRNA393和mRNA结合形成的双链RNA中，A与U配对，G与C配对，则嘌呤数和嘧啶数相等，D正确。

变式三　理解基因与遗传信息及性状之间的关系

5．(2022·大连市模拟)下列关于基因、染色体、性状之间的关系的叙述中，正确的是(　D　)

A．性状与基因之间存在一一对应的关系

B．真核生物的基因都位于染色体上，呈线性排列

C．每条染色体上有许多个DNA分子，每个DNA分子上有许多基因，每个基因中有许多脱氧核苷酸

D．染色体结构变异可能会使基因的数目或排列顺序发生改变

【解析】　性状与基因之间并不都存在一一对应的线性关系，有的性状受多个基因控制，有的基因同时控制多个性状，A错误；真核生物的基因主要位于细胞核中的染色体上，也有部分基因位于线粒体、叶绿体中的DNA上，B错误；每条染色体含有1个或2个DNA分子，C错误；染色体结构变异可能会使基因的数目或排列顺序发生改变，D正确。

变式四　归纳总结基因表达与遗传、变异的关系

6．(2022·潍坊模拟)白斑综合征病毒严重危害对虾养殖业，该病毒经由吸附蛋白与细胞膜上受体蛋白的特异性结合而入侵宿主细胞。科研人员通过引入5-溴尿嘧啶(5-BU)诱变剂提高对虾抗病能力。5-BU能产生两种互变异构体，一种是普通的酮式，一种是较为稀有的烯醇式。酮式可与A互补配对，烯醇式可与G互补配对。下列叙述正确的是(　B　)

A．5-BU处理组对虾体细胞中的碱基数目会明显减少

B．5-BU处理组对虾体细胞DNA中的值可能发生变化

C．5-BU诱变剂是通过干扰吸附蛋白基因表达来阻断病毒的吸附

D．宜选用健壮的成体对虾作为实验材料进行诱变实验

【解析】　5-BU能产生两种互变异构体，一种是普通的酮式，一种是较为稀有的烯醇式。酮式：5-BU可以代替T与A互补配对，烯醇式：5-BU可代替C与G互补配对，5-BU处理组对虾体细胞中的碱基数目不会改变，但的值可能发生变化，A错误，B正确；5-BU诱发突变的机制是诱发DNA链发生碱基种类替换，干扰DNA分子复制，C错误；成体对虾的DNA分子复制减弱，本实验最好选择幼体对虾作为实验材料进行诱变实验，D错误。

素养提升

　原核生物中，大多数基因表达的调控是通过操纵子机制实现的。如大肠杆菌中，结构基因E、D、C、B、A直接编码色氨酸合成所需酶类，这些基因的上游有若干对这些基因起调控作用的序列，其中操纵基因对这些基因起着“开关”的作用，直接控制它们的表达，调节基因能够对“开关”起着控制作用。图1表示环境中没有色氨酸时，阻遏蛋白无活性，操纵子开启；图2表示有色氨酸时，阻遏蛋白与之结合到操纵基因上，操纵子关闭。请回答下列问题：

(1)在大肠杆菌中①②过程能同时发生，其原因是__大肠杆菌无核膜包被的细胞核__。

(2)启动子是一段特殊结构的DNA片段，它是__RNA聚合酶识别与结合__的部位，当培养基中存在色氨酸时，色氨酸与阻遏蛋白结合，使其__空间结构__发生改变，从而功能被激活，被激活的阻遏蛋白与__操纵基因__结合，使得RNA聚合酶的移动停止，结构基因__不表达__(填“表达”或“不表达”)。

(3)研究发现，当敲除调节基因后，无论有无色氨酸，色氨酸合成酶的合成速率都达不到100%，敲除前后相关酶的合成量与色氨酸的浓度关系如图3所示。

①随着研究的深入，发现色氨酸合成酶相关基因转录后形成的mRNA的__5′__端有一段“前导序列”。“前导序列”包含具有一定反向重复特征的4个区域，其中富含色氨酸密码子，所以在翻译的初期需要消耗较多的色氨酸。当细胞中色氨酸含量较低时，核糖体在mRNA上移动速度较慢并停止于1区，此时2、3区配对，操纵基因继续转录；当色氨酸充足时，核糖体覆盖于1－2区，则3、4区配对形成一个阻止mRNA继续合成的茎—环结构(图4)，阻止操纵基因的转录。推测“前导序列”的作用是__调控相应细胞内色氨酸的浓度变化，进一步调控色氨酸合成酶相关基因的转录__。

②由上述研究分析可知，图2中阻遏蛋白的抑制作用是__不完全的__(填“完全的”或“不完全的”)，细胞通过阻遏蛋白和“前导序列”精密、高效地进行基因表达调控，其意义是__避免物质和能量的浪费__。

③“前导序列”在代谢过程中起到了一种“RNA开关”的功能，这种调控机制在癌症治疗领域也有广阔的应用前景，其原理是__将这种“RNA”开关类似的调控序列导入人的癌细胞中，令其在营养充分时也不能正常表达基因，从而抑制生长__。

【解析】　(1)大肠杆菌无核膜包被的细胞核，是原核生物，其①转录和②翻译能同时发生。(2)分析图1和图2可知，启动子是一段特殊结构的DNA片段，它是RNA聚合酶识别与结合的部位，当培养基中存在色氨酸时，色氨酸与阻遏蛋白结合，使其空间结构发生改变，从而功能被激活，被激活的阻遏蛋白与操纵基因结合，使得RNA聚合酶的移动停止，导致结构基因不表达。(3)①随着研究的深入，研究者发现，色氨酸合成酶相关基因转录后形成的mRNA的5′端有一段“前导序列”。“前导序列”包含具有一定反向重复特征的4个区域，其中富含色氨酸密码子，所以在翻译的初期需要消耗较多的色氨酸。当细胞中色氨酸含量较低时，核糖体在mRNA上移动速度较慢并停止于1区，此时2、3区配对，操纵基因继续转录；由图4看出，当色氨酸充足时，核糖体覆盖于1－2区，则3、4区配对形成一个阻止mRNA继续合成的茎—环结构，阻止操纵基因的转录。由此推测“前导序列”的作用是调控相应细胞内色氨酸的浓度变化，进一步调控色氨酸合成酶相关基因的转录。②比较图3曲线可知，敲除调节基因前色氨酸酶合成量大于敲除后色氨酸酶合成量，说明抑制蛋白没有完全抑制色氨酸合成酶相关基因的表达。“前导序列”在控制大肠杆菌代谢的过程中起到了一种“RNA开关”的功能，其意义是能够响应外界代谢产物含量的变化，避免物质和能量的浪费。③“前导序列”在代谢过程中起到了一种“RNA开关”功能，这种调控机制在癌症治疗领域也有广阔的应用前景，其原理是：将这种“RNA”开关类似的调控序列导入人的癌细胞中，令其在营养充分时也不能正常表达基因，从而抑制生长。