(寒假班)人教版高中生物必修二同步讲义第04讲 基因的表达-（含详解）

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 第4讲 基因的表达【学习目标】1.通过学习基因的转录和翻译过程，明确遗传信息可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质的事实，认同生命是物质、能量和的统一体，培养学生的理解、分析、归纳、构建模型等能力，达成对生命观念、科学思维和社会责任等核心素养的提升。
2.基于地球上几乎所有的生物都共用一套遗传密码的事实，刚明生物界的统一性，认同当今生物可能有着共同的起源，次成学思维、系统观等的提升。
3.通过了解中心法则的提出和修正过程，以及表观遗传的发现等，培养学生分析问题、解决问题的能力，认同科学是不断发展的科学概念是在不断更新或修正的，人们对自然界的探究永无止境。
4.通过了解基因与性状之间关系的复杂性，认同生物学中因果关系的复杂性，学习和研究生物学需要摒弃简单机械的线性决定论的思维模式，尝试对复杂事物进行多角度、多元素的分析，提高生命观念、科学思维等素养。【基础知识】一、遗传信息的转录1．RNA的结构及种类(1)基本单位及组成①磷酸；②核糖；③碱基：A、U、G、C；④核糖核苷酸。(2)空间结构：一般是单链，且比DNA短。(3)RNA与DNA的比较比较项目DNARNA组成单位基本组成单位不同脱氧核糖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2．转录：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3. DNA复制、转录与翻译的比较项目复制转录翻译时间分裂前的间期个体发育的整个过程场所主要是细胞核主要是细胞核细胞质模板DNA的两条链DNA的一条链mRNA原料4种游离的脱氧核苷酸4种游离的核糖核苷酸21种氨基酸产物DNARNA肽链碱基配对A—T、T—A、C—G、G—CA—U、T—A、C—G、G—CA—U、U—A、C—G、G—C 三、中心法则1．提出者：克里克。2．完善后的内容①DNA的复制：遗传信息从DNA流向DNA。②转录：遗传信息从DNA流向RNA。③翻译：遗传信息从RNA流向蛋白质。④RNA的复制：遗传信息从RNA流向RNA。⑤逆转录：遗传信息从RNA流向DNA。3．生命是物质、能量和信息的统一体(1)DNA、RNA是信息的载体。(2)蛋白质是信息的表达产物。(3)ATP为信息的流动提供能量。四、基因表达产物与性状的关系1．间接途径：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。(1)途径：基因酶的合成代谢过程生物体的性状。(2)举例①豌豆的圆粒与皱粒圆粒豌豆：淀粉含量高→成熟时吸水胀大；皱粒豌豆：编码淀粉分支酶的基因被插入的DNA序列打乱→淀粉分支酶异常，活性大大降低→淀粉合成受阻，含量降低→成熟时失水皱缩。②人白化病的形成：编码酪氨酸酶的基因异常→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．直接途径：基因还能通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。(1)途径：基因蛋白质的结构生物体的性状。(2)举例囊性纤维化：编码CFTR蛋白(一种转运蛋白)的基因缺失了3个碱基→CFTR蛋白在第508位缺少苯丙氨酸→CFTR蛋白结构与功能异常→支气管中黏液增多，管腔受阻，细菌在肺部大量繁殖，最终使肺功能严重受损。五、基因的选择性表达与细胞分化1．基因类型(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。2．细胞分化的本质：基因的选择性表达。3．细胞分化的结果由于基因的选择性表达，导致来至同一个体的体细胞中mRNA和蛋白质不完全相同，从而导致细胞具有不同的形态和功能。六、表观遗传及基因与性状的对应关系1．表观遗传(1)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。(2)表观遗传现象普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中。(3)表观遗传的类型有DNA的甲基化；组蛋白的甲基化和乙酰化等。(4)实例：蜂王和工蜂。2．基因与性状间的对应关系(1)基因控制生物体的性状(2)生物体的性状还受环境条件的影响。(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。【考点剖析】考点一　遗传信息的转录1．下列哪项是DNA和RNA共同具有的(　　)A．双螺旋结构   B．脱氧核糖C．尿嘧啶   D．腺嘌呤答案　D解析　具有双螺旋结构的是DNA，RNA一般不具有；脱氧核糖是DNA中特有的五碳糖；尿嘧啶是RNA中特有的碱基；腺嘌呤是DNA和RNA共同具有的碱基。2．下列关于真核细胞中转录的叙述，错误的是(　　)A．tRNA、rRNA和mRNA都由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答案　C解析　真核细胞中的RNA主要在细胞核内合成，线粒体和叶绿体中的DNA也能进行转录合成RNA，C错误。3．如图为真核生物细胞核内转录过程的示意图，下列说法正确的是(　　)A．①链的碱基A与②链的碱基T互补配对B．②是以4种核糖核苷酸为原料合成的C．如果③表示酶分子，则它的名称是DNA聚合酶D．转录完成后，②需要通过两层生物膜才能与核糖体结合答案　B解析　图中①链为模板链，②链为RNA，①链中的碱基A与②链中的碱基U互补配对；③表示RNA聚合酶；转录完成后，②通过核孔进入细胞质，穿过0层膜。考点二　遗传信息的翻译4．下列关于通过翻译形成蛋白质的说法，错误的是(　　)A．以细胞质中游离的氨基酸为原料B．以核糖体RNA作为遗传信息模板C．以转运RNA为氨基酸运输的工具D．合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质答案　B解析　翻译的原料是细胞质中游离的氨基酸，A正确；翻译的模板是信使RNA，B错误；翻译过程中需要tRNA转运氨基酸，C正确；翻译过程能合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质，D正确。5．如图为真核细胞中某生理过程示意图，下列与该过程有关的说法正确的是(　　)A．图示过程在内质网、线粒体和叶绿体中都能够进行B．转运肽链起始端氨基酸的tRNA中含有起始密码子C．转运肽链最末端氨基酸的tRNA能识别终止密码子D．一条mRNA可以结合多个核糖体同时合成多条肽链答案　D解析　题图所示过程为翻译过程，场所为核糖体，在线粒体和叶绿体中含有少量核糖体，而在内质网中不含有核糖体，A错误；密码子是指mRNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基，而在转运肽链起始端氨基酸的tRNA中含有的是识别起始密码子的反密码子，B错误；终止密码子只表示翻译的终止，一般不决定氨基酸，因此一般没有反密码子与之对应，C错误；一条mRNA可以结合多个核糖体同时合成多条肽链，这样可以使少量的mRNA短时间内合成大量的蛋白质，D正确。6．真核生物中，基因、遗传信息、密码子和反密码子分别是指(　　)①蛋白质中氨基酸的排列顺序　②核苷酸的排列顺序　③DNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基　④转运RNA上识别密码子的3个相邻的碱基　⑤信使RNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基　⑥通常是有遗传效应的DNA片段A．⑤①④③  B．⑥②⑤④　C．⑥⑤①②  D．②⑥③④答案　B解析　真核生物中，基因通常是有遗传效应的DNA片段；遗传信息是核苷酸的排列顺序，密码子是位于mRNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基；反密码子是转运RNA上识别密码子的3个相邻的碱基。综上所述，B正确。7．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．图中只含有tRNA和mRNA B．甲硫氨酸处于图中a的位置C．tRNA中含有氢键 D．该过程需要RNA聚合酶答案　C解析　图中含有rRNA、tRNA和mRNA；核糖体移动方向为从左向右，因此左侧的b为tRNA携带的甲硫氨酸；tRNA的局部也有碱基互补配对形成氢键；RNA聚合酶为催化转录的一种酶，该过程为翻译，不需要RNA聚合酶。考点三　中心法则8．下列关于DNA复制、转录和逆转录的叙述，错误的是(　　)A．逆转录和DNA复制的产物都是DNAB．转录需要RNA聚合酶，逆转录需要逆转录酶C．细胞中的DNA复制和逆转录都以DNA为模板D．DNA复制和逆转录所需要的原料都是脱氧核苷酸答案　C解析　DNA复制以DNA的两条链为模板；逆转录以RNA为模板。9．下图表示遗传信息的流动方向，其中①～⑤表示生理过程。请据图回答下列问题：(1)①过程称为________，需要____________的催化。(2)在真核细胞中，①和⑤两个过程发生的主要场所是__________________。其中⑤过程需要的基本条件包括模板、原料、________________。(3)④过程所需的转运工具是__________，发生的场所是__________。(4)上述遗传信息的流动过程被称为________________，其中原核细胞中存在的过程有____________(填图中的数字)。答案　(1)转录　RNA聚合酶　(2)细胞核　能量、酶　(3)tRNA　核糖体　(4)中心法则　⑤①④解析　题图中①为转录，②为逆转录，③为RNA复制，④为翻译，⑤为DNA的复制。(1)转录所需的酶为RNA聚合酶。(2)在真核细胞中，DNA复制和转录的主要场所是细胞核，此外叶绿体和线粒体中也因含有少量DNA而能发生DNA的复制和转录。DNA复制需要模板、原料、能量和酶等。(3)翻译的转运工具为tRNA，翻译过程发生在核糖体上。(4)遗传信息流动的过程被称为中心法则，其中②③只发生在极少数RNA病毒中，⑤①④均可发生于原核细胞中。考点四　基因表达产物与性状的关系10．(2020·山东高二模拟)下列有关基因控制生物性状的实例分析，属于直接通过控制结构蛋白合成来控制生物体性状的是(　　)A．白化病　B．苯丙酮尿症　C．囊性纤维化　D．豌豆粒形答案　C解析　白化病、苯丙酮尿症、豌豆粒形都是基因通过控制酶的合成来控制代谢，进而控制生物体的性状，故A、B、D不符合题意；囊性纤维化属于基因直接通过控制结构蛋白合成来控制生物体的性状，C项符合题意。11．白化病和黑尿病都是因为酶缺陷引起的分子遗传病，前者不能由酪氨酸合成黑色素，后者不能将尿黑酸转变为乙酰乙酸，排出的尿液中因含有尿黑酸，遇空气后氧化变黑。如图表示人体内与之相关的一系列生化过程，据图分析下列叙述不正确的是(　　)A．若一个皮肤角质层细胞控制酶B合成的基因异常，不会导致白化病B．若一个胚胎干细胞控制酶D合成的基因异常，可能会导致黑尿病C．白化病和黑尿病说明基因是通过控制蛋白质的结构直接控制生物体性状的D．图中代谢过程可说明一个基因可影响多个性状，一个性状也可受多个基因控制答案　C解析　白化病和黑尿病是基因通过控制酶的合成来控制代谢过程的，进而间接控制生物体性状的，而非直接控制，C项错误。考点五　基因的选择性表达与细胞分化12．(2019·广西南宁三中高一期中)下列关于细胞分化的描述正确的是(　　)A．老年人体内没有细胞分化B．细胞分化的方向是可逆转的C．细胞分化使细胞功能趋向专门化D．细胞分化增加了细胞的数量和种类答案　C解析　老年人体内也有细胞分化，A错误；细胞分化的方向是不可逆转的，B错误；细胞分化使细胞功能趋向专门化，如胰岛B细胞可以分泌胰岛素，C正确；细胞分化增加了细胞的种类，未增加细胞的数量，D错误。13．细胞分化过程中，一般不会出现的是(　　)A．DNA上的基因发生改变 B．mRNA种类发生改变C．蛋白质的种类发生改变 D．细胞的功能发生改变答案　A解析　细胞分化的本质是基因的选择性表达，该过程中DNA上的基因不会发生改变；细胞分化后，细胞中蛋白质和mRNA的种类会发生改变；细胞分化后，细胞的形态、结构和功能会发生稳定性差异。14．(2020·福建漳州华安一中高一下月考)下列哪个案例能说明人体细胞已经发生分化(　　)A．进行ATP的合成   B．进行呼吸酶的合成C．合成血红蛋白   D．存在血红蛋白基因答案　C解析　细胞分化的本质是基因的选择性表达，所有细胞都存在血红蛋白基因，D不符合题意；ATP是细胞的直接能量来源，而ATP主要来自细胞的呼吸作用，因此只要是活细胞都要进行呼吸酶和ATP的合成，A、B不符合题意；能合成血红蛋白的细胞是已经分化的红细胞，C符合题意。考点六　表观遗传及基因与性状的对应关系15．下列有关表观遗传的叙述，不正确的是(　　)A．生物表观遗传中基因表达发生改变B．生物表观遗传中表型发生改变C．生物表观遗传中基因的碱基序列发生改变D．生物表观遗传现象可以遗传给下一代答案　C解析　生物表观遗传是指基因的碱基序列保持不变，但基因的表达和表型发生可遗传的变化现象。16．在甲基转移酶的催化下，DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基导致DNA甲基化，进而使染色质高度螺旋化，因此失去转录活性。下列相关叙述不正确的是(　　)A．DNA甲基化，会导致基因碱基序列的改变B．DNA甲基化，会导致mRNA合成受阻C．DNA甲基化，可能会影响生物体的性状D．DNA甲基化，可能会影响细胞分化答案　A解析　DNA甲基化是DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基，不会导致基因碱基序列的改变，A错误。17．下列关于基因对性状控制的叙述，错误的是(　　)A．白化病患者缺乏酪氨酸酶，体现了基因通过控制酶的合成间接控制生物体的性状B．同一株水毛茛在空气和水中的叶形不同，体现性状由基因和环境共同决定C．原发性高血压与多对基因表达产物有关，体现基因与基因共同作用控制性状D．抗生素阻止细菌内tRNA和mRNA的结合，体现基因表达产物通过影响转录而影响性状答案　D解析　抗生素阻止细菌内tRNA和mRNA的结合，体现基因表达产物通过影响翻译的过程而影响性状，D错误。18．基因型为AA和Aa的玉米，在有光条件下发育成绿色幼苗，在无光条件下发育成白化幼苗；基因型为aa的玉米，无论有无光照均发育成白化幼苗，由此可见(　　)A．性状完全由基因决定，与环境无关B．性状完全由环境决定，与基因无关C．性状不仅受基因的控制，还会受到环境的影响D．无光条件下，基因决定性状；有光条件下，环境决定性状答案　C解析　基因型为AA和Aa的玉米，在有光条件下发育成绿色幼苗，在无光条件下发育成白化幼苗，这说明性状不仅受基因的控制，也会受到环境的影响，A、B、D项错误，C项正确。19．下图为生物体内遗传信息的传递与表达过程，请据图回答下列问题：(1)比较图一与图二，所需要的条件除模板有所不同之外，________和________也不同。图二过程进行时碱基之间遵循________________原则。(2)与图一中A链相比，C链特有的化学组成是________和__________。(3)基因中由于碱基缺失导致一种转运蛋白异常，使个体患上囊性纤维化，体现了基因控制性状的方式是________________________________________________________________。答案　(1)酶　原料　碱基互补配对　(2)核糖　尿嘧啶　(3)基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状解析　(1)图一是基因表达过程中的转录，模板是DNA的一条链，原料是4种核糖核苷酸，还需要RNA聚合酶；图二是DNA的复制过程，模板是DNA的双链，需要DNA聚合酶等，原料为游离的脱氧核苷酸；所以所需要的条件中模板、酶和原料等不同。图二过程进行时碱基之间遵循碱基互补配对原则。(2)图一中C链(RNA)与A链(DNA)相比，C链特有的化学组成是核糖和尿嘧啶。20．肠道病毒EV71为单股正链RNA(＋RNA)病毒，是引起手足口病的主要病原体之一。下面为该病毒在宿主细胞内增殖的示意图。据图回答下列问题：(1)图中物质M的合成场所是___________。催化①、②过程的物质N是___________。(2)假定病毒基因组＋RNA含有7 500个碱基，其中A和U占碱基总数的40%。以病毒基因组＋RNA为模板合成一条子代＋RNA的过程共需要碱基G和C______个。(3)图中＋RNA有三方面的功能，分别是_______________________________________。答案　(1)宿主细胞的核糖体　RNA复制酶　(2)9 000　(3)翻译的模板；复制的模板；EV71病毒的重要组成成分解析　(1)病毒只有在宿主细胞中才能生存繁殖，图中物质M(多肽)的合成场所是宿主细胞的核糖体。催化①、②过程的物质N是RNA复制酶。(2)欲合成一条子代＋RNA，必须先合成一条－RNA，＋RNA、－RNA碱基互补且等长，根据＋RNA中(A＋U)＝40%，得出(G＋C)＝60%，因而合成一条子代＋RNA需要G＋C＝7 500×60%×2＝9 000(个)；(3)由题图可知，＋RNA的功能至少有三个：EV71病毒的重要组成成分，翻译的模板，复制的模板(另外还有携带遗传信息)。21．艾滋病是一种免疫缺陷病，由HIV引起，死亡率极高。如图所示为HIV的增殖过程，据图分析回答下列问题：(1)图中进行②过程所需的原料是_________________，进行③过程的场所是_________。(2)前病毒是指整合到宿主细胞染色体上的病毒DNA，它会随着宿主DNA的复制而复制，则HIV的前病毒复制时以____________为模板。(3)若HIV的蛋白质衣壳中有一段氨基酸序列为“—丝氨酸—谷氨酸—组氨酸—”，转运丝氨酸、谷氨酸和组氨酸的tRNA上的反密码子分别为AGA、CUU、GUG，则前病毒中决定该氨基酸序列的模板链碱基序列为______________。若该病毒的遗传物质中有尿嘧啶128个，占总碱基数的32%，其逆转录生成的双链DNA分子中，A占总碱基数的30%，则该DNA分子中含鸟嘌呤的个数是________个。(4)已知HIV携带的整合酶由a个氨基酸组成，指导整合酶合成的mRNA的碱基数远多于3a，主要的原因是______________________________________________________________。答案　(1)四种核糖核苷酸　(宿主细胞的)核糖体　(2)DNA的两条链　(3)AGACTTGTG　160　(4)mRNA上存在不编码氨基酸的碱基序列解析　(1)图中②转录形成RNA，所需的原料是RNA的基本单位——四种核糖核苷酸，进行③翻译过程的场所是宿主细胞的核糖体。(3)若HIV的蛋白质衣壳中有一段氨基酸序列为“—丝氨酸—谷氨酸—组氨酸—”，转运丝氨酸、谷氨酸和组氨酸的tRNA上的反密码子分别为AGA、CUU、GUG。根据碱基互补配对原则，则前病毒中决定该氨基酸序列的模板链碱基序列为AGACTTGTG。若该病毒的遗传物质RNA中有尿嘧啶128个，占总碱基数的32%，说明RNA中含有的碱基为128÷32%＝400(个)，RNA逆转录生成的双链DNA分子中碱基有800个，A占总碱基数的30%，由于A＋G＝50%，则该DNA分子中含鸟嘌呤G为800×(50%－30%)＝160(个)。22．下图为蛋白质合成过程示意图，请据图回答有关问题：(1)图1中基因表达的最后阶段是在[　　]__________中完成的。(2)图2为该细胞中多聚核糖体合成肽链的过程，对此过程的错误理解是________。A．X在MN上的移动方向是从左到右，所用原料是氨基酸B．该过程表明一个mRNA分子上，可以同时进行多条肽链的合成C．合成MN时需要解旋酶和DNA聚合酶D．该过程直接合成的T1、T2、T3三条肽链中氨基酸的顺序相同(3)一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体叫作多聚核糖体，形成这种多聚核糖体的意义在于________________________________________________________________________。在原核细胞中分离的多聚核糖体常与DNA结合在一起，这说明___________________。(4)苯丙酮尿症是由于控制某种酶的基因异常而引起的，这说明基因和性状的关系是__________________________________________________________________________。答案　(1)⑤　核糖体　(2)C　(3)少量的mRNA分子就可以迅速合成出大量的蛋白质　原核细胞中的转录和翻译是同时、同地点进行的　(4)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　(1)基因的表达包括转录与翻译两个阶段，最后一个阶段翻译是在⑤核糖体中完成的。(2)由肽链的长度T1＜T2＜T3，可知X在MN上以氨基酸为原料从左到右进行翻译，A正确；一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成，因此少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质，B正确；合成MN时需要RNA聚合酶，C错误；该过程都是以同一条mRNA为模板直接合成的，因此3条肽链中氨基酸的顺序相同，D正确。(3)通常，一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成，因此少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。多聚核糖体是指一个mRNA上相继结合多个核糖体进行翻译，而多聚核糖体与DNA结合在一起，说明转录和翻译是同时进行的，同地点发生的。