高三生物复习学案：专题4 遗传、变异与进化1 遗传的分子基础

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核心考点整合
考点整合一：DNA是遗传物质的实验
1．肺炎双球菌转化实验
2.噬菌体侵染细菌实验
特别提示：①艾弗里实验的结果是通过观察培养皿中的菌落特征而确定的。
②S型菌DNA重组到R型菌DNA分子上，使R型菌转化为S型菌，这是一种可遗传的变异，这种变异属于基因重组。
③被32P标记的噬菌体侵染细菌实验中，上清液应无放射性，若存在放射性，其原因之一可能是培养时间过长，细菌裂解，子代噬菌体已被释放出来。原因之二是部分噬菌体并未侵入细菌内。
【例1】 （2010·广东综合）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验和赫尔希与蔡斯的噬菌体侵染细菌实验都证明了DNA是遗传物质。这两个实验在设计思路上的共同点是
A．重组DNA片段，研究其表型效应
B．诱发DNA突变，研究其表型效应
C．设法把DNA与蛋白质分开，研究各自的效应
D．应用同位素示踪技术，研究DNA在亲代与子代之间的传递
[解析] 这两个实验都没有经过重组DNA片段和诱发DNA突变；在肺炎双球菌转化实验中没有用到同位素示踪技术。
[答案] C
[知识总结] 对“DNA分子是遗传物质的证明”这一经典实验过程的理解是解题的基础。（1）实验思路：该实验设计中最关键的思路是将DNA和蛋白质分开，单独、直接地去观察DNA和蛋白质的作用。（2）实验技术：在肺炎双球菌体外转化实验过程中，运用了微生物培养技术和实验设计的基本原理。在噬菌体侵染细菌中运用了同位素示踪技术和离心技术。（3）实验应用：在体内转化实验中，利用加热处理获得的S型细菌，虽然不再具有致病性，但仍具有免疫原性，机体会产生针对S型细菌的抗体。因此，在免疫学中，常利用加热等方法对病菌进行灭活处理，以获得减毒疫苗。
【互动探究1－1】 （2009·宁夏模拟）用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，经培养、搅拌、离心、检测，上清液的放射性占15%，沉淀物的放射性占85%。上清液带有放射性的原因可能是
A．噬菌体侵染大肠杆菌后，大肠杆菌裂解释放出子代噬菌体
B．搅拌不充分，吸附在大肠杆菌上的噬菌体未与细菌分离
C．离心时间过长，上清液中析出较重的大肠杆菌
D．32P标记了噬菌体蛋白质外壳，离心后存在于上清液中
[解析] 32P标记的是噬菌体的DNA分子，在噬菌体侵染大肠杆菌的过程中，DNA分子进入大肠杆菌，经离心后处于沉淀物中。若培养时间过短，部分噬菌体的DNA还没有注入大肠杆菌内；若培养时间过长，噬菌体大量繁殖使部分大肠杆菌裂解，释放出子代噬菌体，这样上清液中就具有了放射性。
[答案] A
【互动探究1－2】 某研究人员模拟赫尔希和蔡斯关于噬菌体侵染细菌的实验，进行了以下4个实验：①用32P标记的噬菌体侵染未标记的细菌；②用未标记的噬菌体侵染35S标记的细菌；③用15N标记的噬菌体侵染未标记的细菌；④用未标记的噬菌体侵染3H标记的细菌。以上4个实验，一段时间（合适的范围内）后离心，检测到放射性的主要区域是
A．沉淀、沉淀、沉淀和上清液、沉淀和上清液
B．沉淀、沉淀、沉淀和上清液、沉淀
C．沉淀、上清液、沉淀、沉淀和上清液
D．上清液、上清液、沉淀和上清液、上清液
[解析] 用32P只能标记噬菌体的DNA，35S只能标记噬菌体的蛋白质外壳；噬菌体侵染细菌时，噬菌体的DNA进入细菌细胞内部，蛋白质外壳不能侵入细菌细胞内部。所以①中的32P会进入到细菌细胞中，最终放射性出现在沉淀物中。②④放射性标记物质在细菌细胞中，经离心后放射性也出现在沉淀物中。
[答案] B
考点整合二：DNA分子的结构和特性
1．结合图解理解DNA分子的结构及特点
从上图可看出：（1）规则的双螺旋结构。脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成了基本骨架，内侧是碱基，在碱基A与T之间有两个氢键，C与G之间有三个氢键；（2）一个DNA分子中有两个游离的磷酸基；（3）脱氧核糖与磷酸基、碱基的相连情况：在DNA分子单链一端的脱氧核糖与1个磷酸基和1个碱基相连；在DNA单链中间的脱氧核糖与2个磷酸基和1个碱基相连。
2．DNA分子结构中的碱基比例关系
【例2】 （2010·郑州模拟）已知DNA分子中，碱基对A与T之间形成二个氢键，C与G之间形成三个氢键；在一个双链DNA分子片段中有200个碱基对，其中腺嘌呤有90个。因此在这个DNA片段中含有游离的磷酸基的数目和氢键的数目依次为
A．200和400个 B．2个和510个
C．2个和400个 D．44个和510个
[解析] 一条脱氧核苷酸链的一端游离出一个磷酸基团，DNA分子有两条脱氧核苷酸链，游离的磷酸基团的数目为2；由DNA中A＝90，则T＝90，C＝G＝110，A和T之间有2个氢键，G和C之间有3个氢键，90×2＋110×3＝510。
[答案] B
【互动探究2】 （2010·广东综合）有关DNA分子结构的叙述，错误的是
A．DNA分子由4种脱氧核苷酸组成
B．DNA单链上相邻碱基以氢键连接
C．碱基与脱氧核糖相连接
D．磷酸与脱氧核糖交替连接构成DNA链的基本骨架
[解析] DNA分子由4种脱氧核苷酸组成；DNA双链上相对应的碱基以氢键连接，单链上相邻碱基之间通过脱氧核糖和磷酸二酯键联系起来；脱氧核糖和磷酸交替排列在外侧，构成DNA的基本骨架，碱基排列在内侧，与脱氧核糖直接相连。
[答案] B
考点整合三：DNA分子的复制及转录、翻译过程分析
1．复制、转录和翻译的比较
2.DNA复制过程中的碱基数目计算（其双链DNA分子中含某种碱基a个）
（1）复制n次需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a·（2n－1）。如图所示：
（2）第n次复制，需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a·2n－1。由图示可以看出，复制的结果是形成两个一样的DNA分子，所以一个DNA分子复制n次后，得到的DNA分子数量为2n个（如图），复制（n－1）次后得到的DNA分子数为2n－1，第n次复制增加的DNA分子数为2n－2n－1＝2n－1，需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a·2n－1。
3．中心法则
中心法则中遗传信息的流动过程为：
（1）在生物生长繁殖过程中遗传信息的传递方向为：
（2）在细胞内蛋白质合成过程中，遗传信息的传递方向（如胰岛细胞中胰岛素的合成）为：
（3）含逆转录酶的RNA病毒在寄主细胞内繁殖过程中，遗传信息的传递方向为：
（4）DNA病毒（如噬菌体）在寄主细胞内繁殖过程中，遗传信息的传递方向为：
（5）RNA病毒（如烟草花叶病毒）在宿主细胞内繁殖过程中，遗传信息的传递方向为：
特别提示：DNA分子复制过程，只发生在分裂细胞中，分化了的细胞不能进行DNA分子的复制。而在所有细胞中都可进行转录、翻译过程。
【例3】 （2010·广东综合）（多选）有关蛋白质合成的叙述，正确的是
A．终止密码子不编码氨基酸
B． 每种tRNA只运转一种氨基酸
C． tRNA的反密码子携带了氨基酸序列的遗传信息
D． 核糖体可在mRNA上移动
[解析] 本题考查蛋白质的合成过程。合成蛋白质的模板是mRNA，mRNA上含有起始密码子和终止密码子，其中起始密码子具有决定翻译的开始且编码氨基酸的作用，终止密码子决定翻译的终止，但不编码氨基酸。一种tRNA只能运转一种氨基酸，但一种氨基酸可以由多种tRNA运转。通常遗传信息存在于DNA中，故C错误。
[答案] ABD
【互动探究3】 （2010·南京模拟）下图表示生物体内遗传信息的传递和表达过程，有关叙述错误的是
A．在人体不同种类的细胞中，转录出的mRNA种类和数量均不同
B．RNA能以“RNA―→互补的单链RNA―→RNA”方式完成复制
C．逆转录过程发生在某些病毒体内，需要逆转录酶的参与
D．转录和翻译过程既能发生在真核细胞中，也能发生在原核细胞中
[解析] 本题以中心法则为命题点，考查转录和翻译、RNA的复制、逆转录过程等内容，渗透了对考生基础知识理解能力的考查。在人体不同种类的细胞中，由于基因的选择性表达，使转录出的mRNA种类、数量均不相同；逆转录是在逆转录酶的参与下，以RNA为模板，需要宿主细胞提供与DNA合成有关的ATP、原料等条件，故发生在宿主细胞内。原核细胞和真核细胞中有核糖体，故均能发生转录和翻译过程。
[答案] C
高考链接
1.（2010·天津卷，2）根据下表中的已知条件，判断苏氨酸的密码子是（ ）
A．TGU B．UGA
C．ACU D．UCU
解析：本题借助氨基酸密码子的推断考查转录和翻译过程中的碱基配对关系，意在考查考生的逻辑推理能力。密码子为mRNA上决定氨基酸的三个相邻碱基，因此根据转录和翻译过程中的碱基配对关系，由DNA信息链上的碱基T、G可推知mRNA上相应位置上的碱基分别是A．C，由tRNA上反密码子最后一个碱基A可推知mRNA上相应位置上的碱基为U；因此苏氨酸的密码子为ACU。
答案：C
2．（2010·山东卷，7）蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期，然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期，其染色体的放射性标记分布情况是
A．每条染色体的两条单体都被标记
B．每条染色体中都只有一条单体被标记
C．只有半数的染色体中一条单体被标记
D．每条染色体的两条单体都不被标记
解析：本题考查DNA复制的有关知识，意在考查考生对DNA半保留复制特点的理解和运用能力。蚕豆根尖细胞的染色体上的DNA分子原来不含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷，在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期后，复制形成的所有DNA分子中一条链含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷，一条链不含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷；在不含放射性标记的培养基中继续培养至分裂中期，DNA分子一半含放射性，一半不含放射性，B选项正确。
答案：B
3．（2010·上海卷，25）若1个35S标记的大肠杆菌被1个32P标记的噬菌体侵染，裂解后释放的所有噬菌体
A．一定有35S，可能有32P
B．只有35S
C．一定有32P，可能有35S
D．只有32P
解析：本题考查噬菌体侵染细菌的实验，意在考查考生的推理分析能力。噬菌体侵染细菌时，以亲代噬菌体的DNA为模板，以大肠杆菌的成分为原料，合成子代噬菌体的DNA和蛋白质，故子代噬菌体中部分含32P标记，全部含35S标记。
答案：A
4．（2010·北京卷，30）科学家以大肠杆菌为实验对象，运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验，实验内容及结果见下表。
请分析并回答：
（1）要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌B，必须经过________代培养，且培养液中的_______________是唯一氮源。
（2）综合分析本实验的DNA离心结果，第________组结果对得到结论起到了关键作用，但需把它与第________组和第________组的结果进行比较，才能说明DNA分子的复制方式是________。
多
15N/15NH4Cl
3
1
2
半保留复制
（3）分析讨论：
①若子Ⅰ代DNA的离心结果为“轻”和“重”两条密度带，则“重带”DNA来自________，据此可判断DNA分子的复制方式不是________复制。
②若将子Ⅰ代DNA双链分开后再离心，其结果________（选填“能”或“不能”）判断DNA的复制方式。
B
半保留
不能
③若在同等条件下将子Ⅱ代继续培养，子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置________，放射性强度发生变化的是________带。
④若某次实验的结果中，子Ⅰ代DNA的“中带”比以往实验结果的“中带”略宽，可能的原因是新合成DNA单链中的N尚有少部分为________。
没有变化
轻
15N
解析：本题主要考查DNA分子复制的相关知识，意在考查学生对同位素示踪技术与密度梯度离心方法的掌握情况。经过一代培养后，只能是标记DNA分子的一条单链，所以要想对所有的DNA分子全部标记，要进行多代培养；在探究DNA分子的复制方式为半保留复制的实验中，“重带”应为两个单链均被15N标记，“轻带”为两个单链均被14N标记，“中带”为一个单链被14N标记，另一个单链被15N标记。
5．（2010·江苏卷，34）铁蛋白是细胞内储存多余Fe3＋的蛋白，铁蛋白合成的调节与游离的Fe3＋、铁调节蛋白、铁应答元件等有关。铁应答元件是位于铁蛋白mRNA起始密码上游的特异性序列，能与铁调节蛋白发生特异性组合，阻遏铁蛋白的合成。当Fe3＋浓度高时，铁调节蛋白由于结合Fe3＋而丧失与铁应答元件的结合能力，核糖体能与铁蛋白mRNA一端结合，沿mRNA移动，遇到起始密码后开始翻译（如图所示）。回答下列问题：
（1）图中甘氨酸的密码子是________，铁蛋白基因中决定“”的模板链碱基序列为__________________________。
（2）Fe3＋浓度低时，铁调节蛋白与铁应答元件结合干扰了________________________________，从而抑制了翻译的起始；Fe3＋浓度高时，铁调节蛋白由于结合Fe3＋而丧失与铁应答元件的结合能力，铁蛋白mRNA能够翻译。这种调节机制既可以避免________对细胞的毒性影响，又可以减少____________________。
GGU
…CCACTGACC…（…CCAGTCACC…）
核糖体在mRNA上的结合与移动
Fe3＋
细胞内物质和能量的浪费
（3）若铁蛋白由n个氨基酸组成，指导其合成的mRNA的碱基数远大于3n，主要原因是__________________________________________________。
（4）若要改造铁蛋白分子，将图中色氨酸变成亮氨酸（密码子为UUA．UUG、CUU、CUC．CUA．CUG），可以通过改变DNA模板链上的一个碱基来实现，即由________。
mRNA两端存在不翻译的序列
C―→A
解析：本题主要以转录与翻译为知识载体，考查考生获取信息、处理信息和推理、应用能力。转运甘氨酸的转运RNA末端的三个碱基为CCA，所以甘氨酸的密码子为GGU；模板链与信使RNA是互补的。
项目
1928年英国格里菲思（体内转化实验）
1944年美国艾弗里（体外转化实验）
过程结果
分析
R型细菌无毒性、S型细菌有毒性；S型细菌内存在着使R型细菌转化为S型细菌的物质
S型细菌的DNA使R型细菌发生转化；S型细菌的其他物质不能使R型细菌发生转化
结论
加热杀死的S型细菌体内有“转化因子”
S型细菌体内的DNA是“转化因子”，DNA是生物的遗传物质
步骤
①标记
细菌＋含35S的培养基―→含35S的细菌
细菌＋含32P的培养基―→含32P的细菌
②标记
噬菌体
噬菌体＋含35S的细菌―→含35S的噬菌体
噬菌体＋含32P的细菌―→含32P的噬菌体
③噬菌
体侵染
细菌
含35S的噬菌体＋细菌―→上清液放射性高，沉淀物放射性很低，新形成的噬菌体没有检测到35S
含32P的噬菌体＋细菌―→上清液放射性低，沉淀物放射性很高，新形成的噬菌体检测到32P
分析
35S标记的蛋白质外壳并未进入宿主细胞内，而是留在细胞外；32P标记的DNA进入了宿主细胞内
结论
子代噬菌体的各种性状，是通过亲代的DNA遗传的，DNA是噬菌体的遗传物质
规律
公式
1
互补碱基两两相等
A＝T，C＝G
2
两不互补的碱基之和比值相等
（A＋G）/（T＋C）＝（A＋C）/（T＋G）＝1
3
任意两不互补的碱基之和占碱基总量的50%
（A＋C）/（A＋C＋T＋G）＝（T＋G）/（A＋C＋T＋G）＝50%
4
单链和互补链碱基比例关系
一条链上（A＋T）/（C＋G）＝a，（A＋C）/（T＋G）＝b，则该链的互补链上相应比例应分别为a和1/b
5
双链DNA中互补的碱基之和相等
A1＋T1（或C1＋G1）＝A2＋T2（或C2＋G2）
项目
复制
转录
翻译
场所
主要在细胞核中（线粒体、叶绿体）
主要在细胞核中（线粒体、叶绿体）
细胞质中的核糖体上
模板
DNA的两条链
DNA的一条链
mRNA
原料
4种脱氧核苷酸
4种核糖核苷酸
氨基酸
条件
酶（解旋酶，DNA聚合酶等）和能量
酶（RNA聚合酶等）和能量
特定的酶、能量和tRNA
原则
A－T；G－C
A－U；G－C；
T－A
A－U；G－C
产生
形成2条DNA双链
一条单链RNA分子（mRNA）
具有一定氨基酸排列顺序的多肽——蛋白质
特点
边解旋边复制，半保留复制
边解旋边转录；转录后DNA仍保留原来双链结构
一个mRNA分子上可连续结合多个核糖体，提高合成蛋白质的速度
传递
方向
DNA→DNA
DNA→mRNA
mRNA→蛋白质（性状）
DNA双链
T
G
mRNA
tRNA反密码子
A
氨基酸
苏氨酸
组别
1组
2组
3组
4组
培养液中
唯一氮源
14NH4Cl
15NH4Cl
14NH4Cl
14NH4Cl
繁殖代数
多代
多代
一代
两代
培养产物
A
B
B的子Ⅰ代
B的子Ⅱ代
操作
提取DNA并离心
离心结果
仅为轻带
（14N/14N）
仅为重带
（15N/15N）
仅为中带
（15N/14N）
1/2轻带
（14N/14N）
1/2中带
（15N/14N）