2023届高考生物二轮复习第10讲遗传的分子基础学案

专题五　遗传的分子基础、变异与进化

第10讲　遗传的分子基础

热点一　DNA是主要的遗传物质

 [情境引领]

图1为肺炎链球菌转化实验,图2为噬菌体侵染细菌的实验。据图判断下列叙述正误。

(1)甲组培养皿中只有S型细菌,推测加热不会破坏转化物质的活性。(　×　)

提示:甲组培养皿中有S型细菌和R型细菌,推测加热不会破坏转化物质的活性。

(2)乙组培养皿中有R型细菌和S型细菌,推测转化物质是蛋白质。(　×　)

提示:乙组培养皿中有R型细菌和S型细菌,推测转化物质不是蛋白质。

(3)丙组培养皿中只有R型细菌菌落,推测转化物质是DNA。(　√　)

(4)图2中A～E依次为吸附、注入、复制、组装和释放。(　√　)

(5)艾弗里的肺炎链球菌转化实验和赫尔希、蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验,证明了DNA是主要的遗传物质。(　×　)

提示:艾弗里的肺炎链球菌转化实验和赫尔希、蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验,证明了DNA是遗传物质。

(6)分别用含32P、35S的培养基培养噬菌体,可得到被标记的噬菌体。(　×　)

提示:噬菌体必须寄生在细菌内才能繁殖,在培养基上无法生存,得不到被标记的噬菌体。

(7)在噬菌体侵染细菌实验过程中,通过搅拌使噬菌体的蛋白质和DNA分开。(　×　)

提示:在该实验中,搅拌的目的是将吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离开。

(8)在用35S标记噬菌体的侵染实验中,沉淀物中存在少量放射性可能是搅拌不充分所致。(　√　)

 [基础巩固]

1.肺炎链球菌体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验遵循相同的实验设计原则——对照原则

(1)肺炎链球菌体外转化实验中的相互对照。

(2)噬菌体侵染细菌实验中的相互对照。

2.噬菌体侵染细菌实验中上清液和沉淀物放射性分析

(1)32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌。

(2)35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌。

3.绝大多数生物的遗传物质是DNA,只有少部分生物的遗传物质是RNA。每种生物只有一种核酸是遗传物质,DNA或RNA。

 [思维拓展]

1.作为遗传物质应具备的条件有哪些?

提示:①能精确复制;②能指导蛋白质合成,从而控制生物体的性状及新陈代谢;③结构比较稳定;④能携带遗传信息。

2.肺炎链球菌体内转化实验中“加热”是否已导致DNA和蛋白质变性?其转化的实质是什么?

提示:加热杀死S型细菌的过程中,其蛋白质变性失活,但是其内部的DNA在加热结束后随温度的下降又逐渐恢复活性。转化实质为“基因重组”。

围绕探索DNA是遗传物质的实验,考查科学思维和科学探究能力

1.(2021·全国乙卷改编)在格里菲思所做的肺炎链球菌转化实验中,无毒性的R型活细菌与被加热杀死的S型细菌混合后注射到小鼠体内,从小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌。某同学根据上述实验,结合现有生物学知识所做的下列推测中,不合理的是(　D　)

A.与R型细菌相比,S型细菌的毒性可能与荚膜多糖有关

B.S型细菌的DNA能够进入R型细菌细胞指导蛋白质的合成

C.加热杀死S型细菌使其蛋白质功能丧失而DNA功能可能不受影响

D.将S型细菌的DNA经DNA酶处理后与R型细菌混合,可以得到S型细菌

解析:S型细菌与R型细菌最主要的区别是前者具有多糖类的荚膜,后者不具有多糖类的荚膜,S型细菌有毒,故推测S型细菌的毒性可能与荚膜多糖有关;加热杀死的S型细菌其蛋白质已经被破坏,而分离出的S型细菌有毒性,即具备活性蛋白,可推出S型细菌的DNA能够进入R型细菌细胞中指导蛋白质的合成;加热可使蛋白质变性,由实验结果R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌可知,S型细菌的遗传物质未受影响,即加热杀死S型细菌使其蛋白质功能丧失而其DNA功能可能不受影响;S型细菌的DNA经DNA酶处理后,被降解,失去活性,故与R型细菌混合后,无法得到S型细菌。

2.为研究搅拌时间对实验结果的影响,科研人员分别用35S和32P标记的T2噬菌体与两组未标记的大肠杆菌混合保温,一段时间后搅拌并离心,得到上清液和沉淀物。测定上清液中35S和32P分别占初始标记噬菌体的百分比和被侵染细菌的成活率,实验结果如表所示。下列叙述正确的是(　B　)

A.通过搅拌可使吸附在细菌上的噬菌体与细菌完全分离

B.进行噬菌体侵染细菌实验时,搅拌时间不能短于3 min

C.搅拌5 min时,上清液含32P的原因是大肠杆菌裂解释放噬菌体

D.32P标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌后产生的子代噬菌体都含32P

解析:由表格可知,上清液35S百分比都没有达到100%,说明通过搅拌不可能使吸附在细菌上的噬菌体与细菌完全分离;进行噬菌体侵染细菌实验时,搅拌时间短于3 min,上清液35S百分比会减小;达到4 min后,延长搅拌时间上清液35S百分比不再增大,说明搅拌时间不能短于3 min;被侵染细菌成活率为100%,说明被侵染的细菌没有裂解释放子代噬菌体;搅拌5 min时,上清液含32P的原因是有部分含32P标记的噬菌体没有侵入细菌中;DNA复制方式是半保留复制,32P标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌后产生的子代噬菌体中只有少数含32P。

以探索遗传物质实验为素材,考查科学探究能力

3.(2020·山东卷)野生型大肠杆菌可以在基本培养基上生长,发生基因突变产生的氨基酸依赖型菌株需要在基本培养基上补充相应氨基酸才能生长。将甲硫氨酸依赖型菌株M和苏氨酸依赖型菌株N单独接种在基本培养基上时,均不会产生菌落。某同学实验过程中发现,将M、N菌株混合培养一段时间,充分稀释后再涂布到基本培养基上,培养后出现许多由单个细菌形成的菌落,将这些菌落分别接种到基本培养基上,培养后均有菌落出现。该同学对这些菌落出现原因的分析,不合理的是(　B　)

A.操作过程中出现杂菌污染

B.M、N菌株互为对方提供所缺失的氨基酸

C.混合培养过程中,菌株获得了对方的遗传物质

D.混合培养过程中,菌株中已突变的基因再次发生突变

解析:若操作过程中出现杂菌污染,则基本培养基上会有杂菌生长,从而出现菌落;若M、N菌株互为对方提供所缺失的氨基酸,则M、N菌株混合培养一段时间,充分稀释后再涂布到基本培养基上,培养后会出现许多由单个细菌形成的菌落,但由于M、N菌株的遗传物质没有改变,将这些菌落分别接种到基本培养基上时,培养后不会再有菌落出现;若混合培养过程中,菌株获得了对方的遗传物质或菌株中已突变的基因再次发生突变,都会造成遗传物质改变,则混合培养一段时间,充分稀释涂布到基本培养基上培养后会有菌落出现,将这些菌落再分别接种到基本培养基上培养后,也会有菌落出现。

4.(2022·浙江6月选考)下列关于“噬菌体侵染细菌的实验”的叙述,正确的是(　C　)

A.需用同时含有32P和35S的噬菌体侵染大肠杆菌

B.搅拌是为了使大肠杆菌内的噬菌体释放出来

C.离心是为了沉淀培养液中的大肠杆菌

D.该实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA

解析:32P、35S均具有放射性,若用同时含有32P、35S 的噬菌体侵染大肠杆菌,则无法判断子代噬菌体中放射性的来源;搅拌的目的是使吸附在大肠杆菌表面的噬菌体蛋白质外壳与大肠杆菌分离;离心是为了使噬菌体的蛋白质外壳和大肠杆菌(其中含有噬菌体DNA)分层,即沉淀培养液中的大肠杆菌;该实验证明了噬菌体的遗传物质是DNA。

 [技法点拨]

遗传物质探索的3种方法

热点二　DNA分子的结构和复制

 [情境引领]

如图为真核生物DNA的结构示意图,据图判断下列叙述正误。

(1)图中④是组成DNA的基本单位之一——胞嘧啶脱氧核苷酸。(　×　)

提示:④是由①磷酸、②脱氧核糖和③胞嘧啶组成,但不是胞嘧啶脱氧核苷酸,因为①磷酸不属于该核苷酸。

(2)DNA分子中每个脱氧核糖都连接两个磷酸,每个碱基都连接一个脱氧核糖。(　×　)

提示:DNA双链每条链各有一端的脱氧核糖只连接一个磷酸。

(3)腺嘌呤和胸腺嘧啶含量高的DNA分子结构更稳定。(　×　)

提示:A、T之间形成两个氢键,G、C之间形成三个氢键,因此鸟嘌呤和胞嘧啶含量高的DNA分子结构更稳定。

(4)解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、限制酶都能作用于DNA分子,它们的作用部位都是相同的。(　×　)

提示:解旋酶作用于DNA中的氢键,DNA聚合酶、DNA连接酶、限制酶作用于磷酸二酯键。

(5)若图中亲代DNA用15N标记,置于14N培养液中连续复制3次,含14N的DNA占3/4。(　×　)

提示:连续复制3次后子代DNA都含14N。

 [基础巩固]

1.DNA的结构

组成DNA的两条链是反向平行的,为了明确表示DNA的方向,通常将DNA的羟基(—OH)末端称为3′-端,而磷酸基团的末端是 5′-端。

2.DNA的复制

 [思维拓展]

1.DNA分子杂交技术可以用来比较不同种生物DNA分子的差异。当两种生物的DNA分子的单链具有互补的碱基序列时,互补的碱基序列就会结合在一起,形成杂合双链区;在没有互补碱基序列的部位,仍然是两条游离的单链(如图)。形成杂合双链区的部位越多,说明这两种生物的亲缘关系越近。请分析原因。

提示:形成杂合双链区的部位越多,DNA碱基序列的一致性越高,说明在生物进化的过程中,DNA碱基序列发生的变化越小,因此亲缘关系越近。

2.通常DNA分子复制从一个复制起点开始,有单向复制和双向复制,如图所示。

放射性越高的3H-胸腺嘧啶脱氧核糖核苷(3H-脱氧胸苷),在放射性自显影技术的图像上,感光还原的银颗粒密度越高(已知复制起点处感光还原的银颗粒密度较低)。请利用放射性自显影技术、低放射性3H-脱氧胸苷和高放射性3H-脱氧胸苷,设计实验以确定大肠杆菌DNA复制的方向,简要写出实验思路并预测实验结果和得出结论。

提示:实验思路

复制开始时,首先用含低放射性3H-脱氧胸苷的培养基培养大肠杆菌,一段时间后转移到含有高放射性3H-脱氧胸苷的培养基中继续培养,用放射性自显影技术观察复制起点和复制起点两侧银颗粒密度情况。

预期实验结果和结论

若复制起点处银颗粒密度低,复制起点的一侧银颗粒密度高,则DNA分子复制为单向复制;若复制起点处银颗粒密度低,复制起点的两侧银颗粒密度高,则DNA分子复制为双向复制。

围绕DNA的结构和复制考查理解能力

1.(2022·广东卷)λ噬菌体的线性双链DNA两端各有一段单链序列。这种噬菌体在侵染大肠杆菌后其DNA会自连环化(如图所示),该线性分子两端能够相连的主要原因是(　C　)

A.单链序列脱氧核苷酸数量相等

B.分子骨架同为脱氧核糖与磷酸

C.单链序列的碱基能够互补配对

D.自连环化后两条单链方向相同

解析:单链序列脱氧核苷酸数量相等和分子骨架同为脱氧核糖与磷酸都不是该线性DNA分子两端能够相连的原因;据图可知,单链序列的碱基能够互补配对,这是该线性DNA分子两端能够相连的主要原因;该线性DNA分子自连环化后两条单链方向相反。

2.(2022·山东淄博一模)大多数真核生物的DNA在复制时会出现多个复制泡,每个复制泡的两端有2个复制叉,复制叉的延伸方向如图所示。已知复制时DNA聚合酶只能沿模板链的3′→5′方向移动,下列说法错误的是(　D　)

A.图中DNA的复制为双向半保留复制

B.多起点复制加快了DNA的复制速度

C.复制泡3的DNA复制早于复制泡1

D.子链的延伸方向与复制叉的推进方向相同

解析:由题图复制泡的走向可知,DNA复制时以每条链为模板,沿模板链的3′→5′方向移动,图中DNA的复制为多起点不连续双向半保留复制;多起点复制加快了DNA的复制速度;根据复制泡的大小可以看出,复制泡3的DNA复制早于复制泡1;DNA聚合酶只能沿模板链的3′→5′方向移动,两条子链的延伸方向相反,其中一条子链与复制叉的推进方向相反。

 [易错提醒]

细胞中关于DNA的复制4个易错点

　(1)DNA分子一般为“双螺旋结构”,但也有些DNA分子呈“单链”结构,在此类DNA分子中嘌呤与嘧啶可能相等也可能不相等。

(2)DNA的复制场所除细胞核外,还包括叶绿体、线粒体、原核细胞的拟核及质粒。哺乳动物成熟红细胞中无细胞核和细胞器,不能进行DNA的复制。需特别注意的是DNA病毒虽有DNA分子,但其不能独立完成DNA分子的复制——病毒的DNA复制必须借助宿主细胞完成,在其DNA复制时,病毒只提供“模板链”,其他一切条件(包括场所、原料、酶、能量)均由宿主细胞提供。

(3)DNA聚合酶需借助母链模板,依据碱基互补配对原则,将单个脱氧核苷酸连接成“链”;DNA连接酶是将多个复制起点所复制出的“DNA片段”“缝合”起来形成磷酸二酯键,即连接“片段”。

(4)DNA的复制并不是只能从头开始,它可以是从多个起点开始的,但多起点并非同时进行。

DNA分子结构复制相关的计算

3.(2021·山东卷)利用农杆菌转化法,将含有基因修饰系统的T—DNA插入水稻细胞M的某条染色体上,在该修饰系统的作用下,一个DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,脱氨基过程在细胞M中只发生一次。将细胞M培育成植株N。下列说法错误的是(　D　)

A.N的每一个细胞中都含有T—DNA

B.N自交,子一代中含T—DNA的植株占3/4

C.M经n(n≥1)次有丝分裂后,脱氨基位点为A—U的细胞占1/2n

D.M经3次有丝分裂后,含T—DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占1/2

解析:N是由M细胞形成的,在形成过程中没有DNA的丢失,由于T—DNA插入水稻细胞M的某条染色体上,所以M细胞含有T—DNA,因此N的每一个细胞中都含有T—DNA;N植株的一条染色体中含有T—DNA,可以记为+,因此N植株关于是否含有T—DNA的基因型记为+-,如果自交,则子代中相关的基因型为++∶+-∶--=1∶2∶1,有3/4的植株含T—DNA;M中只有1个DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,所以复制n次后,产生的子细胞有2n个,但脱氨基位点为A—U的细胞只有1个,所以这种细胞的比例为1/2n;如果M经3次有丝分裂后,形成子细胞有8个,由于M细胞DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,所以是G和U配对,所以复制3次后,有4个细胞脱氨基位点为C—G,3个细胞脱氨基位点为A—T,1个细胞脱氨基位点为U—A,因此含T—DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占3/8。

4.(2022·河北二模)现有一果蝇的精原细胞,测得其染色体DNA有m对碱基,其中腺嘌呤a个。将该精原细胞所有染色体DNA用32P充分标记后,放入无放射性培养液中培养,细胞能正常进行分裂。下列叙述正确的是(　B　)

A.若该精原细胞进行一次减数分裂,则子细胞中,每个细胞有16个DNA含32P

B.若该精原细胞进行有丝分裂,则到第二次分裂中期共消耗游离的胞嘧啶3(m-a)个

C.若该精原细胞产生8个子细胞,则分裂过程中细胞最多存在2个染色体组

D.若该精原细胞产生的4个子细胞中都检测到32P,则进行的一定是减数分裂过程

解析:若该精原细胞进行一次减数分裂,DNA复制一次,细胞分裂两次,则子细胞中,每个细胞有4个DNA含32P;由题可知,该DNA分子中T=A=a个,C=G=(2m-2a)÷2=(m-a)个。若该精原细胞进行有丝分裂,到第二次分裂中期,DNA共复制了2次,共消耗游离的胞嘧啶(22-1)×(m-a)=3(m-a)个;若该精原细胞产生8个子细胞,说明该精原细胞至少经历了一次有丝分裂,有丝分裂后期染色体数加倍,此时染色体组数是精原细胞的2倍,即4个染色体组,故若该精原细胞产生8个 子细胞,则分裂过程中细胞最多存在4个染色体组;因为DNA半保留复制的特点,若该精原细胞产生的4个子细胞中都检测到32P,则进行的不一定是减数分裂过程,也可能是有丝分裂过程。

热点三　遗传信息的表达以及基因对性状的控制

 [情境引领]

图1与图2表示细胞内的两种生理过程,图3为中心法则图解,a～e表示相关生理过程。据图判断下列叙述正误。

(1)图1表示转录,该过程发生时模板与产物间有氢键的形成与断裂。(　√　)

(2)图2表示翻译,该过程发生时起始密码子决定的是a氨基酸。(　√　)

(3)图1所示过程与图2所示过程中发生的碱基配对方式不完全相同。(　√　)

(4)图1所示过程中酶的移动方向与图2所示过程中核糖体的移动方向不同。(　×　)

提示:图1所示过程中酶的移动方向是从左向右,图2所示过程中核糖体的移动方向也是从左向右。

(5)图3中d过程只能在细胞分裂时进行。(　×　)

提示:图3中d过程表示翻译,不发生分裂的细胞中也能进行。

(6)图3中能发生碱基互补配对的只有a、b、c。(　×　)

提示:中心法则各过程都可发生碱基互补配对。

(7)图3中c和e过程都只能发生在RNA病毒中,且都用到逆转录酶。(　×　)

提示:c过程用到RNA复制酶,e过程用到逆转录酶,且两过程都发生在宿主细胞内,病毒无细胞结构。

(8)图3中的中心法则所有过程均需在细胞内发生。(　√　)

 [基础巩固]

翻译过程中多聚核糖体模式图解读

(1)图甲表示真核细胞的翻译过程,图中①是mRNA,⑥是核糖体,②③④⑤表示正在合成的4条多肽链,翻译的方向是自右向左。

(2)图乙表示原核细胞的转录和翻译过程,图中①是DNA模板链,②③④⑤表示正在合成的4条mRNA,在核糖体上同时进行翻译过程。

(3)细胞核中发生的转录过程有RNA聚合酶的参与,没有专门的解旋酶。

(4)转录产物除了mRNA外,还有tRNA和rRNA,但携带遗传信息的只有mRNA。

(5)在翻译过程中,一条mRNA上可同时结合多个核糖体,可同时合成多条相同的多肽链,加快翻译速度,但不能缩短每条肽链的合成时间。

 [思维拓展]

1.转录时,整个DNA分子都转录吗?同一DNA分子在不同细胞内转录的产物相同吗?简要说出理由。

提示:转录是以基因为单位进行的,并不是整个DNA分子都转录。不同细胞内基因选择性表达,所以同一DNA分子在不同细胞内转录的基因不完全相同,所以产生的RNA也不完全相同。

2.某种致癌的RNA病毒是逆转录病毒,其体内有逆转录酶,该酶是怎样产生的?

提示:逆转录酶是在宿主细胞内利用宿主细胞提供的原料、能量等合成的。

以基因的表达为载体考查科学思维能力

1.(2022·湖南卷)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;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,而是与rRNA分子结合,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,抑制翻译过程,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;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。

2.(不定项)(2021·湖南卷)细胞内不同基因的表达效率存在差异,如图所示。下列相关叙述正确的是(　ABC　)

A.细胞能在转录和翻译水平上调控基因表达,图中基因A的表达效率高于基因B

B.真核生物核基因表达的①和②过程分别发生在细胞核和细胞质中

C.人的mRNA、rRNA和tRNA都是以DNA为模板进行转录的产物

D.②过程中,rRNA中含有与mRNA上密码子互补配对的反密码子

解析:由题图可知,基因A表达过程中产生的mRNA和蛋白质都多于基因B表达过程产生的mRNA和蛋白质,因此基因A的表达效率高于基因B的表达效率;真核生物的细胞核具有核膜,将核基因的转录和翻译过程分开,转录发生在细胞核,翻译发生在细胞质的核糖体上;人的mRNA、rRNA和tRNA都属于RNA,都是以DNA为模板转录形成的;②为翻译,该过程中tRNA中含有与mRNA上密码子互补配对的反密码子。

考查中心法则及基因控制性状的途径

3.新型冠状病毒(以下简称新冠病毒)是一种单股正链RNA(+RNA)病毒,下面为该病毒在宿主细胞内增殖的示意图,下列叙述中不正确的是(　C　)

A.+RNA既是新冠病毒的遗传物质,也能起到mRNA的作用

B.图中①②指的都是RNA复制过程

C.图中的M酶包括逆转录酶和RNA复制酶

D.翻译的场所是宿主细胞的核糖体,一条+RNA模板能翻译出多条肽链

解析:+RNA既是新冠病毒的遗传物质,也能作为翻译的模板,起到mRNA的作用;题图中①②都表示RNA复制过程,需要RNA聚合酶,即M酶表示RNA聚合酶;病毒没有细胞结构,翻译必须借助宿主细胞的核糖体,一条+RNA模板能与多个核糖体结合翻译出多条相同的肽链。

4.(2022·辽宁大连二模)在人类胚胎发育的不同时期,红细胞中的ε-珠蛋白基因(基因1)和γ-珠蛋白基因(基因2)的表达情况不同,具体如图所示。下列相关叙述错误的是(　C　)

注:图中代表“—CH3”。

A.两种珠蛋白基因在不同时期进行了选择性表达

B.启动子甲基化可能影响RNA聚合酶对其的识别

C.a链为这两种珠蛋白基因转录的模板链

D.甲基化修饰是一种表观遗传调控方式

解析:据图可知,胚胎发育早期,ε-珠蛋白基因表达,γ-珠蛋白基因不表达,而胚胎发育中期,ε-珠蛋白基因不表达,γ-珠蛋白基因表达,说明两种珠蛋白基因在不同时期进行了选择性表达;启动子是RNA聚合酶识别和结合的序列,因此启动子甲基化可能影响RNA聚合酶对其的识别;在转录过程中,DNA模板被转录方向是从3′端向5′端;RNA链的合成方向是从5′端向3′端,因此转录的模板是b链;甲基化修饰不影响基因中碱基序列,影响的是基因的转录,因此是一种表观遗传调控方式。