資源簡介

(共64張PPT)
第16課　DNA是主要的遺傳物質
第六單元　基因的本質和表達
01
必備知識·落實基礎性
概念梳理
概念辨析
概念構建
蛋白質
DNA
蛋白質
S型細菌
光滑
有
有
R型細菌
粗糙
無
無
R型細菌無致病性，S型細菌有致病性
加熱致死的S型細菌無致病性
R型細菌轉化為S型細菌
S型細菌中含有一種“轉化因
子”
，能使R型細菌轉化為S型細菌
同位素標記技術
35S、32P
寄生在大腸桿菌中
32P－DNA進入了宿
主細胞內
35S－蛋白質外殼未
進入宿主細胞，留
在外面
DNA
RNA
蛋白質
DNA
絕大多數
×
×
×
×
×
√
×
×
×
√
×
×
×
02
關鍵能力·提升綜合性
考點1
考點2
S型細菌有致病性，能使人和小鼠患肺炎，小鼠并發敗血癥死亡；而R型細菌無致病性，不會使人和小鼠患病。并且S型細菌的菌落表面光滑，而R型細菌的菌落表面粗糙
穩定性和連續性
03
命題案例·強化創新性
AC
DNA酶
生理鹽水
B、D組未發病
B、C組發病，A、D組未發病
RNA是該病毒的遺
傳物質
酶具有專一性
核酸控制生物的性狀
6
高考贅源網
高考資源
邊的高考專家!】
概念梳理
點此進入
答案
R型細菌+S型細菌
Oo
有R型
第一組
細菌的
培養基
混
(或RNA酶、酯酶)
第二至
有R型
S型細菌
細菌的
的細胞
第四組
培養基
提取物
混合
酶
oo
長
有R型
●
S型細菌
第五組)亠細菌的
的細胞
養基
提取物
人
去除糖類、蛋白質、RNA、脂質后,細胞提取物仍然具有
分析」轉化活性
去除DNA后細胞提取物失去轉化活性
實驗
分析推測轉化因子很可能就是
結論
才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質
R型細菌+S型細菌
Oo
有R型
第一組
細菌的
培養基
混
(或RNA酶、酯酶)
第二至
有R型
S型細菌
細菌的
的細胞
第四組
培養基
提取物
混合
酶
oo
長
有R型
●
S型細菌
第五組)亠細菌的
的細胞
養基
提取物
人
去除糖類、蛋白質、RNA、脂質后,細胞提取物仍然具有
分析」轉化活性
去除DNA后細胞提取物失去轉化活性
實驗
分析推測轉化因子很可能就是
結論
才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質第16課　DNA是主要的遺傳物質
課程標準要求
學業質量水平
3.1.1　概述多數生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上
1.認識DNA分子作為遺傳物質應具備的特征，形成結構決定功能的觀念。(生命觀念)2.總結肺炎鏈球菌轉化實驗和噬菌體侵染細菌實驗的原理和過程，學習科學探究方法。(科學探究)3.分析人類對遺傳物質探究的實驗設計思路，培養探究意識。(科學思維)
一、肺炎鏈球菌的轉化實驗
1．對遺傳物質的早期推測
(1)20世紀20年代，大多數科學家認為蛋白質是生物體的遺傳物質。
(2)20世紀30年代，人們認識到DNA的重要性，但是認為蛋白質是遺傳物質的觀點仍占主導地位。
2．兩種肺炎鏈球菌的比較
類型
圖示
菌落表面形態
有無莢膜
有無致病性
S型細菌
光滑
有
有
R型細菌
粗糙
無
無
3.格里菲思的體內轉化實驗
(1)實驗a、b對比說明R型細菌無致病性，S型細菌有致病性。
(2)實驗b、c對比說明加熱致死的S型細菌無致病性。
(3)實驗b、c、d對比說明R型細菌轉化為S型細菌。
(4)綜合以上實驗得出的結論是S型細菌中含有一種“轉化因子”，能使R型細菌轉化為S型細菌。
4．艾弗里的體外轉化實驗
二、噬菌體侵染細菌的實驗
1．實驗方法：放射性同位素標記技術，即用35S、32P分別標記噬菌體的蛋白質和DNA。
2．實驗材料：T2噬菌體和大腸桿菌。
(1)T2噬菌體的結構
(2)T2噬菌體的生活方式：寄生在大腸桿菌中。
3．實驗過程
(1)標記噬菌體
(2)侵染細菌
4．實驗結果分析
分組
結果
結果分析
對比實驗(相互對照)
被32P標記的噬菌體＋細菌
32P主要分布在沉淀物中
32P－DNA進入了宿主細胞內
被35S標記的噬菌體＋細菌
35S主要分布在上清液中
35S－蛋白質外殼未進入宿主細胞，留在外面
5.結論：DNA是遺傳物質。
三、煙草花葉病毒感染煙草葉實驗及生物的遺傳物質
1．煙草花葉病毒對煙草葉細胞的感染實驗
(1)實驗過程及現象
(2)實驗結論
RNA是煙草花葉病毒的遺傳物質，而蛋白質不是。
2．探索結論
DNA是主要的遺傳物質，因為實驗證明絕大多數生物的遺傳物質是DNA，只有少部分生物的遺傳物質是RNA。
1．格里菲思和艾弗里等利用肺炎鏈球菌分別進行體內和體外轉化實驗
(1)格里菲思的肺炎鏈球菌轉化實驗直接證明了DNA是“轉化因子”。
(×)
(2)從格里菲思的第四組實驗中死亡小鼠體內分離得到的S型活細菌是由S型死細菌轉化而來的。
(×)
(3)S型細菌與R型細菌致病性差異的根本原因是發生了細胞分化。
(×)
(4)加熱致死的S型細菌與R型細菌的DNA混合注射后能使實驗小鼠死亡。(×)
(5)艾弗里的肺炎鏈球菌體外轉化實驗證明了DNA是主要的遺傳物質。
(×)
(6)艾弗里的體外轉化實驗是通過觀察菌落的形態來判斷是否發生轉化。(√)
2．赫爾希和蔡斯利用放射性同位素標記技術進行噬菌體侵染細菌的實驗
(1)噬菌體增殖需要細菌提供模板、原料和酶等。
(×)
(2)分別用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培養基培養噬菌體。(×)
(3)用1個含35S標記的T2噬菌體去侵染大腸桿菌，裂解釋放的子代噬菌體中只有2個含35S。
(×)
(4)噬菌體侵染細菌的實驗能夠證明DNA是遺傳物質。
(√)
3．DNA是主要的遺傳物質
(1)只有細胞內的核酸才是攜帶遺傳信息的物質。
(×)
(2)細胞生物遺傳物質的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。
(×)
(3)細胞核內的遺傳物質是DNA，細胞質內的遺傳物質是RNA。
(×)
　　
肺炎鏈球菌轉化實驗
關于肺炎鏈球菌的轉化實驗，有些同學仍然存在疑問，請你幫助解決：
(1)在體內轉化實驗中，如果沒有第三組實驗，能否得出格里菲思的結論？為什么？
答案：不能。因為無對照實驗，不能說明加熱致死的S型細菌中含有促使R型活細菌轉化成S型活細菌的轉化因子。
(2)完成體內轉化實驗，應該注意哪些無關變量對實驗的影響？
答案：四組實驗應選用年齡、體重相同且健康的小鼠；所用R型活菌液、S型活菌液的濃度及注射量應該相同。
(3)體外轉化實驗中導致R型細菌轉化為S型細菌的遺傳物質、原料、能量分別由哪方提供？
答案：實現轉化時遺傳物質來自S型細菌，原料和能量均來自R型細菌。
(4)請在格里菲思實驗的基礎上利用R型活細菌、加熱致死的S型細菌、小鼠等為實驗材料。設計一個實驗方案證明DNA是遺傳物質，蛋白質不是遺傳物質。簡要寫出實驗思路并預期實驗結果及結論。
答案：實驗思路：①將加熱致死的S型細菌體內物質分離，分別得到蛋白質和DNA。②將分離得到的S型細菌蛋白質和DNA分別與R型細菌混合一段時間后，再分別注射甲、乙兩組小鼠，觀察兩組小鼠的生活情況。
實驗結果及結論：甲組小鼠不死亡，乙組小鼠死亡，并在乙組小鼠體內發現S型活細菌，則證明DNA是遺傳物質，蛋白質不是遺傳物質。
1．肺炎鏈球菌兩個轉化實驗的比較
比較項目
體內轉化實驗
體外轉化實驗
科學家
格里菲思
艾弗里及其同事
細菌培養
小鼠體內
體外培養基
實驗原理
S型細菌可以使人和小鼠患肺炎，小鼠并發敗血癥，R型細菌不能夠引發上述癥狀，是無致病性的
S型細菌中有某種物質能使R型細菌轉化為
S型細菌
實驗構思
用加熱致死的S型細菌注射到小鼠體內作為對照實驗來說明確實發生了轉化
從混合物中有選擇地除去某種物質，通過轉化活性，確定這種物質是否起作用
結果觀察
小鼠是否死亡
培養基中菌落類型
實驗結論
S型細菌體內有轉化因子
S型細菌的DNA是遺傳物質，蛋白質等不是遺傳物質
聯系
①所用的材料相同，都是R型細菌與S型細菌；②體內轉化實驗是體外轉化實驗的基礎，體外轉化實驗則是體內轉化實驗的延伸；③實驗設計都遵循對照原則和單一變量原則
2.對S型細菌和R型細菌轉化的理解
(1)加熱致死的S型細菌，其蛋白質變性失活，DNA在加熱過程中，雙螺旋解開，氫鍵斷裂，但緩慢冷卻時，其結構可恢復。
(2)一般情況下，轉化率很低，形成的S型細菌很少，轉化后形成的S型細菌可以遺傳，快速繁殖形成大量的S型細菌。
考向1|
肺炎鏈球菌體內轉化實驗
1．(2020·山東德州模擬)將加熱致死的S型細菌與R型細菌混合后，注射到小鼠體內，小鼠體內S型、R型細菌含量的變化情況如圖所示。下列有關敘述不正確的是(　　)
A．實驗過程中，R型細菌內DNA發生了重組
B．曲線ab段，小鼠體內還沒形成大量的相應抗體
C．曲線bc段，絕大多數的R型細菌轉化成了S型細菌
D．cd段上升的原因可能是S型細菌降低了小鼠的免疫能力
C　解析：R型細菌轉化為S型細菌，是S型細菌的DNA進入R型細菌內，使R型細菌內DNA發生了重組，A正確；曲線ab段上升的原因是小鼠的體內還沒有形成大量的免疫R型細菌的抗體，因而R型細菌能大量繁殖，B正確；曲線bc段下降的原因是一部分R型細菌被小鼠的免疫系統消滅，且有少數R型細菌轉化成S型細菌，C錯誤；從曲線中看出，可能是S型細菌數量逐漸上升降低了小鼠的免疫能力，從而導致cd段R型細菌的數量上升，D正確。
考向2|
肺炎鏈球菌體外轉化實驗
2．(2021·重慶模擬)為研究R型肺炎鏈球菌轉化為S型肺炎鏈球菌的轉化物質是DNA還是蛋白質，進行了肺炎鏈球菌體外轉化實驗，其基本過程如圖所示：
下列敘述正確的是(　　)
A．甲組培養皿中只有S型菌落，推測加熱不會破壞轉化物質的活性
B．乙組培養皿中有R型及S型菌落，推測轉化物質是蛋白質
C．丙組培養皿中只有R型菌落，推測轉化物質是DNA
D．該實驗能證明肺炎鏈球菌的主要遺傳物質是DNA
C　解析：甲組中培養一段時間后可發現有極少的R型細菌轉化成S型細菌，因此甲組培養皿中不僅有S型菌落也有R型菌落，A錯誤；乙組培養皿中加入了蛋白酶，故在乙組的轉化中已經排除了蛋白質的干擾，應當推測蛋白質不是轉化物質，B錯誤；丙組培養皿中加入了DNA酶，DNA被水解后R型細菌便不發生轉化，故可推測是DNA參與了R型細菌的轉化，C正確；該實驗只能證明肺炎鏈球菌的遺傳物質是DNA，不能證明DNA是其主要的遺傳物質，D錯誤。
(1)S型細菌和R型細菌的區別在生命特征上的具體表現是S型細菌有致病性，能使人和小鼠患肺炎，小鼠并發敗血癥死亡；而R型細菌無致病性，不會使人和小鼠患病。并且S型細菌的菌落表面光滑，而R型細菌的菌落表面粗糙。
(2)遺傳物質在親子代之間應具有的特點是穩定性和連續性。
考向3|
肺炎鏈球菌轉化過程及機理的拓展分析
3．(2020·山東濟南模擬)肺炎鏈球菌轉化實驗中，S型細菌的部分DNA片段進入R型細菌內，并整合到R型細菌的DNA分子上，使這種R型細菌轉化為能合成有莢膜多糖的S型細菌。下列敘述中正確的是(　　)
A．R型細菌轉化為S型細菌后的DNA中，嘌呤堿基總比例會改變
B．整合到R型細菌內的DNA分子片段，表達產物都是莢膜多糖
C．進入R型細菌的DNA片段上，可有多個RNA聚合酶結合位點
D．S型細菌轉錄的mRNA上，可由多個核糖體共同合成一條肽鏈
C　解析：R型細菌和S型細菌的DNA都是雙鏈結構，堿基的配對遵循堿基互補配對原則，因此R型細菌轉化為S型細菌后的DNA中，嘌呤堿基總比例不會改變，依然是50%，A錯誤；整合到R型細菌內的DNA分子片段可能含有多個基因，表達產物不都是莢膜多糖，B錯誤；基因是有遺傳效應的DNA片段，即一個DNA分子中有多個基因，每個基因都具有RNA聚合酶的結合位點，因此進入R型細菌的DNA片段上，可有多個RNA聚合酶結合位點，C正確；S型細菌轉錄的mRNA上，可由多個核糖體同時合成多條相同的肽鏈，而不是一條，D錯誤。
　　　　噬菌體侵染細菌實驗的分析
噬菌斑(下圖1中的白色區域)是在長滿大腸桿菌(黑色)的培養基上，由一個T2噬菌體侵染細菌后不斷裂解細菌產生的一個不長細菌的透明小圓區，它是檢測噬菌體數量的重要方法之一。現有噬菌體在感染大腸桿菌后形成噬菌斑數量的變化曲線如圖2。
(1)曲線a～b段，噬菌斑數量為什么沒有變化？
答案：細菌內正旺盛地進行噬菌體DNA的復制和有關蛋白質的合成，還沒有裂解釋放噬菌體。
(2)限制b～d段噬菌斑數量快速增加的原因是什么？
答案：絕大部分細菌已經被裂解。
(3)有同學認為在曲線b～c段所對應的時間內噬菌體共繁殖了10代，你認為這種說法是否正確？
答案：不正確。曲線b～c段所對應的時間內噬菌斑數從100個增加到1
000個，只能說明噬菌體數量的增加，不能說明其繁殖了幾代。
1．關注噬菌體侵染細菌實驗的2個關鍵環節——“保溫”與“攪拌”
(1)侵染時間要合適——若保溫時間過短或過長會使32P組的上清液中出現放射性。原因是部分噬菌體未侵染或子代噬菌體被釋放出來。
(2)“攪拌”要充分——如果攪拌不充分，35S組部分噬菌體與大腸桿菌沒有分離，噬菌體與細菌共存于沉淀物中，會造成沉淀物中出現放射性。
2．噬菌體侵染細菌的實驗中應注意的3個關鍵點
(1)病毒營寄生生活，T2噬菌體只能侵染大腸桿菌，而不能侵染其他細菌。
(2)該實驗中，在沉淀物中放射性較高時，在上清液中放射性并不是0；在上清液中放射性較高時，在沉淀物中放射性也不是0。
(3)標記噬菌體時應先標記細菌，用噬菌體侵染被標記的細菌，這樣來標記噬菌體。因為噬菌體是沒有細胞結構的病毒，必須依賴活細胞生存。
3．噬菌體侵染細菌實驗和肺炎鏈球菌體外轉化實驗的比較
比較項目
噬菌體侵染細菌實驗
肺炎鏈球菌體外轉化實驗
處理方法
放射性同位素標記技術：分別標記DNA和蛋白質的特殊元素
分別用蛋白酶、RNA酶、酯酶和DNA酶處理S型細菌的細胞提取物
檢測結果的方式
檢測放射性位置
觀察菌落類型
結論
DNA是遺傳物質
DNA是遺傳物質，蛋白質等不是遺傳物質
考向1|
噬菌體侵染細菌實驗的分析
1．下面是噬菌體侵染細菌實驗的部分實驗步驟示意圖，有關敘述正確的是(　　)
A．被標記的噬菌體是直接接種在含有35S的培養基中獲得的
B．培養時間過長會影響上清液中放射性物質的含量
C．培養時間過短會影響上清液中放射性物質的含量
D．攪拌不充分會影響上清液中放射性物質的含量
D　解析：病毒必須寄生在活細胞中，不能用培養基直接培養，A錯誤；培養時間的長短會影響32P標記的實驗結果，不影響35S標記的實驗結果，因此B、C錯誤；攪拌不充分會使噬菌體的蛋白質外殼吸附在大腸桿菌表面，使沉淀物中有少量放射性，D正確。
考向2|
噬菌體侵染細菌實驗的拓展分析
2．(2020·山東淄博模擬)朊病毒是一種不含核酸的病原微生物，其本質是具有感染性的蛋白質。有人用同位素標記法做了下圖所示實驗(組成牛腦組織細胞的元素無放射性)，驗證了朊病毒的“侵染因子”是蛋白質。在實驗得到的上清液和沉淀物中，放射性最強的是(　　)
A．上清液a
B．沉淀物b
C．上清液c
D．沉淀物d
D　解析：由于朊病毒不含核酸只含蛋白質，蛋白質中P含量極低，故上清液a和沉淀物b中幾乎不能檢測到放射性32P；朊病毒的蛋白質中含有S元素，如果添加35S標記的(NH4)SO4，連續培養一段時間后，朊病毒的蛋白質中含有35S，大部分35S標記的朊病毒進入牛腦組織細胞中，只有少量可能沒侵入牛腦組織細胞，故離心后放射性主要位于沉淀物d中，少量位于上清液c中，故選D。
【方法規律】“二看法”判斷子代噬菌體標記情況
學習探索情境
　　人類揭示遺傳物質本質的過程歷經近30年，從格里菲思的肺炎鏈球菌體內轉化實驗，到艾弗里及其同事的肺炎鏈球菌體外轉化實驗，再到赫爾希與蔡斯的噬菌體侵染細菌實驗；從肺炎鏈球菌到噬菌體；從微生物培養技術到同位素標記技術，充分表明科學知識是科學家基于證據，運用科學方法，經過巧妙的實驗設計，經嚴密的邏輯推理獲得的。
命題生長點1
實驗材料、實驗方法、實驗技術的拓展運用
(多選)科學家利用基因型為hr(噬菌斑透明且大)和h＋r＋(噬菌斑混濁且小)的兩種T2噬菌體同時侵染未被標記的大腸桿菌，大腸桿菌裂解后分離得到了hr、hr＋、h＋r和h＋r＋4種子代噬菌體，以下敘述正確的是(AC)
A．可以用32P對噬菌體的DNA進行標記
B．T2噬菌體復制的模板、原料和酶均來自大腸桿菌
C．兩種噬菌體的DNA在大腸桿菌內可能發生了基因重組
D．大腸桿菌裂解后，hr、hr＋、h＋r和h＋r＋的比例為1∶1∶1∶1
解析：DNA分子中含有P元素，可以用32P對噬菌體的DNA進行標記，A正確；T2噬菌體復制的模板來自親代噬菌體，原料和酶均來自大腸桿菌，B錯誤；hr和h＋r＋的兩種T2噬菌體可得到hr、hr＋、h＋r和h＋r＋4種子代噬菌體，說明兩種噬菌體的DNA在大腸桿菌內可能發生了基因重組，C正確；hr和h＋r＋的兩種T2噬菌體同時侵染未被標記的大腸桿菌，大腸桿菌裂解后分離得到的hr、hr＋、h＋r和h＋r＋4種子代噬菌體，由于不屬于有性生殖，并且兩種噬菌體的數量未知，交換的比例未知等，其比例不一定為1∶1∶1∶1，D錯誤。
命題生長點2
生物遺傳物質的探究實驗分析
某研究小組在南極冰層中發現一種全新的病毒，為探究該病毒的遺傳物質是DNA還是RNA，做了如下實驗。回答下列問題：
(1)材料用具：該病毒核酸提取物、DNA酶、RNA酶、小白鼠及等滲生理鹽水、注射器等。
(2)實驗步驟
①取健康且生長狀況基本一致的小白鼠若干，隨機均分成四組，編號分別為A、B、C、D。
②將下表補充完整，并將配制溶液分別注射入小白鼠體內。
組別
A
B
C
D
注射溶液
該病毒核酸提取物和RNA酶
該病毒核酸提取物和DNA酶
該病毒核酸提取物
生理鹽水
③相同條件下培養一段時間后，觀察比較各組小白鼠的發病情況。
(3)結果預測及結論
①A、C組發病，B、D組未發病，說明DNA是該病毒的遺傳物質；
②B、C組發病，A、D組未發病，說明RNA是該病毒的遺傳物質。
(4)從注射的物質看，該探究實驗所依據的生物學原理是酶具有專一性；從實驗現象預測和相關判斷看，該實驗依據的生物學原理是核酸控制生物的性狀。
(5)若該病毒的遺物物質為DNA，則其徹底水解產物有6種。
解析：(2)因為探究的是遺傳物質是DNA還是RNA，相應的酶能水解特定核酸，故應在B組中加入核酸提取物和DNA酶，而D組做空白對照，應加入等量的生理鹽水。(3)如果A、C組發病，B、D組未發病，說明DNA是該病毒的遺傳物質，因為DNA酶將DNA水解。如果B、C組發病，A、D組未發病，說明RNA是該病毒的遺傳物質，因為RNA酶將RNA水解。(4)酶具有專一性，遺傳物質控制生物的性狀。(5)若該病毒的遺傳物質為DNA，則其徹底水解產物有脫氧核糖、磷酸和4種含氮堿基，共6種。
實驗分析
實驗材料
以細菌、病毒作為研究模型，具有材料簡單、生長周期短、操作方便等優點
實驗方法
(1)肺炎鏈球菌體內轉化實驗體系；(2)肺炎鏈球菌的體外轉化實驗體系：該體系簡化了實驗過程，為鑒定轉化因子打下基礎
實驗技術
(1)微生物培養技術；(2)同位素標記技術
遺傳物質探究實驗的思路和方法
(1)探究思路
①若探究哪種物質是遺傳物質——設法將物質分開，單獨看作用。
②若探究未知病毒的遺傳物質是DNA還是RNA——利用酶的專一性。
(2)探究方法
①減法原理：艾弗里的體外轉化實驗。
②分離提純法：可將物質分離提純，單獨觀察其作用，缺點是物質純度不能保證100%。
③同位素標記法：噬菌體侵染細菌的實驗。
④病毒重組法：煙草花葉病毒的遺傳物質驗證實驗。
⑤酶解法：利用酶的專一性，如加入DNA水解酶，將DNA水解，觀察起控制作用的物質是否還有控制作用。若“是”，其遺傳物質不是DNA；若“否”，其遺傳物質可能是DNA。
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-(共63張PPT)
第17課　DNA的結構、復制和基因的本質
第六單元　基因的本質和表達
01
必備知識·落實基礎性
概念梳理
概念辨析
概念構建
沃森和克里克
脫氧核苷酸鏈
反向平行
脫氧核糖
磷酸
氫鍵
多樣性
特異性
穩定性
磷酸
脫氧核糖
堿基互補配對
半保留復制
同位素標記技術和密度梯度離心技術
DNA以半保留的方式復制
全部重帶
全部中帶
DNA的復制是以半保留的方式進行的
親代DNA
子代DNA
細胞核
葉綠體
擬核
邊解旋邊復制
半保留復制
兩個完全相同
DNA獨特的雙螺旋結構
堿基互補配對
遺傳效應
4種堿基
小于
√
×
×
×
×
×
×
×
×
02
關鍵能力·提升綜合性
考點1
考點2
03
命題案例·強化創新性
B
BC
高考贅源網
高考資源
邊的高考專家!】
概念梳理
點此進入
答案
磷酸-P
A:腺嘌呤
氮T
5′4
C、H、O
磷酸
堿基C:胞嘧啶
五碳糖→
3′2′
G:鳥嘌呤
和堿基
脫氧核苷酸
聚
3,5′-磷酸二酯鍵
條脫氧核苷酸鏈
形兩條鏈
A、T間形成個氫鍵
外:基本骨架
成之間
C、G間形成個氫鍵
內:堿基對
AeT
氫鍵
螺旋化
△G:
DNA雙鏈平面結構
DNA雙螺旋結構
磷酸-P
A:腺嘌呤
氮T
5′4
C、H、O
磷酸
堿基C:胞嘧啶
五碳糖→
3′2′
G:鳥嘌呤
和堿基
脫氧核苷酸
聚
3,5′-磷酸二酯鍵
條脫氧核苷酸鏈
形兩條鏈
A、T間形成個氫鍵
外:基本骨架
成之間
C、G間形成個氫鍵
內:堿基對
AeT
氫鍵
螺旋化
△G:
DNA雙鏈平面結構
DNA雙螺旋結構
大腸桿菌在含有1NHCl
培養液中生長若干代
使DNA雙鏈充分標記
轉入含14NH4Cl的培養液
(a)立即(b)繁殖
(c)繁殖兩
取出
代后取出
提取DNA,進行
密度梯度離
輕帶、
重帶
CG
親代D
解旋〔需要細胞提供
需要酶的作用
結果:把兩條螺旋的雙鏈解開
聚合酶
模板:解開后的兩條母鏈
C
T
合成」原料:游離的四種
子鏈|酶
等
母鏈
G
C
C
G
原則:堿基互補配對原則
G
C
聚合酶
重新螺旋:每條新鏈與其對應的模板
鏈盤繞成
染色體
染色體是DNA
每條染色體上含有
主要載體
DNA分子
DNAK是主要的遺傳物質
基因是
的DNA片段
一每個DNA分子含有
基因
基因在染色體匚基因K口是遺傳物質的結構和功能單位
基因的
每個基因中含有脫氧核苷酸
□脫氧核苷酸
代表遺傳信第17課　DNA的結構、復制和基因的本質
課程標準要求
學業質量水平
3.1.1　概述多數生物的基因是DNA
分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA
分子上3.1.2　概述DNA
分子是由四種脫氧核苷酸構成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結構，堿基的排列順序編碼了遺傳信息3.1.3　概述DNA
分子通過半保留方式進行復制
1.通過搜集DNA結構模型構建過程的資料并進行交流和討論，運用結構與功能觀，分析DNA的結構與其蘊藏遺傳信息的功能是相適應的。(生命觀念)2.通過模型構建，理解DNA的化學組成、平面結構以及立體結構。(科學思維)3.結合DNA雙螺旋結構模型，運用結構與功能觀和物質與能量觀，闡明DNA分子通過復制，傳遞遺傳信息。(生命觀念)4.分析DNA復制過程，歸納DNA復制過程中相關數量計算，提高邏輯分析和計算能力。(科學思維)
一、DNA的結構
1．DNA雙螺旋結構模型的構建者：沃森和克里克。
2．DNA雙螺旋結構的形成
3．DNA的雙螺旋結構
(1)空間結構：DNA由兩條脫氧核苷酸鏈組成，這兩條鏈按反向平行的方式盤旋成雙螺旋結構。
(2)整體骨架：脫氧核糖和磷酸交替連接構成。
(3)堿基互補配對：兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對。
4．DNA的結構特點
(1)多樣性：具有n個堿基對的DNA共有4n種堿基對排列順序。
(2)特異性：如每種DNA分子都有其特定的堿基對排列順序。
(3)穩定性：DNA分子中磷酸與脫氧核糖交替連接順序不變，堿基之間嚴格按照堿基互補配對的原則進行。
二、DNA的復制
1．方式推測：DNA分子復制方式為半保留復制。
2．實驗證據
(1)實驗方法：同位素標記技術和密度梯度離心技術。
(2)實驗原理：含15N的雙鏈DNA密度大，含14N的雙鏈DNA密度小，一條鏈含14N、一條鏈含15N的雙鏈DNA密度居中。
(3)實驗假設：DNA以半保留的方式復制。
(4)實驗預期：離心后應出現3條DNA帶。重帶(密度最大)：兩條鏈都為15N標記的親代雙鏈DNA；中帶(密度居中)：一條鏈為14N標記，另一條鏈為15N標記的子代雙鏈DNA；輕帶(密度最小)：兩條鏈都為14N標記的子代雙鏈DNA。
(5)實驗過程
(6)過程分析
①立即取出，提取DNA→離心→全部重帶。
②繁殖一代后取出，提取DNA→離心→全部中帶。
③繁殖兩代后取出，提取DNA→離心→1/2輕帶、1/2中帶。
(7)實驗結論：DNA的復制是以半保留的方式進行的。
3．復制過程
(1)概念：以親代DNA為模板合成子代DNA的過程。
(2)時間：細胞分裂前的間期。
(3)圖解
(4)場所：真核生物在細胞核、線粒體和葉綠體；原核生物在擬核和細胞質。
(5)特點：邊解旋邊復制。
(6)方式：半保留復制。
(7)結果：形成兩個完全相同的DNA分子。
(8)意義：DNA通過復制，將遺傳信息從親代細胞傳遞給子代細胞，從而保持了遺傳信息的連續性。
(9)保障：DNA獨特的雙螺旋結構，為復制提供了精確的模板；通過堿基互補配對，保證了復制能夠準確地進行。
三、基因的本質
1．對于絕大多數生物，基因是有遺傳效應的DNA片段；對于極少數生物，基因是有遺傳效應的RNA片段。
2．染色體、DNA、基因和脫氧核苷酸的關系
3．基因與堿基的關系
遺傳信息蘊藏在4種堿基的排列順序之中，構成基因的堿基數小于(填“大于”“小于”或“等于”)DNA分子的堿基總數。
1．DNA具有雙螺旋結構
(1)沃森和克里克研究DNA分子的結構時，運用了構建物理模型的方法。
(√)
(2)雙鏈DNA分子中一條鏈上的磷酸和核糖是通過氫鍵連接的。
(×)
(3)DNA分子的多樣性和特異性主要與它的空間結構密切相關。
(×)
2．DNA的復制是以半保留的方式進行的
(1)DNA復制時，嚴格遵循A—U、C—G的堿基互補配對原則，并且新合成的DNA分子中兩條鏈均是新合成的。
(×)
(2)DNA復制時，解旋酶與DNA聚合酶不能同時發揮作用。
(×)
(3)DNA分子復制過程中的解旋在細胞核中進行，復制在細胞質中進行。
(×)
3．基因通常是有遺傳效應的DNA片段
(1)真核細胞的基因只存在于細胞核中，而核酸并非僅存在于細胞核中。
(×)
(2)等位基因位于同一個DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈上。
(×)
(3)細胞中組成一個基因的嘌呤堿基與嘧啶堿基數量不一定相等。
(×)
　　　　DNA的結構及相關計算
某小組在搭建DNA分子模型的實驗中，預備了如下實驗材料：4種堿基塑料片共20個，其中4個C，6個G，3個A，7個T，脫氧核糖塑料片30個，磷酸塑料片50個，脫氧核糖和磷酸之間的連接物若干，代表氫鍵的連接物若干，脫氧核糖和堿基之間的連接物若干。
(1)用這些實驗材料可搭建多長的DNA序列？
答案：含7個堿基對長度的DNA序列。
(2)需要氫鍵連接物多少個？
答案：A和T之間需要2個連接物，C和G之間需要3個連接物，共需要氫鍵連接物為3×2＋4×3＝18個。
(3)需要脫氧核糖和磷酸之間的連接物多少個？一個磷酸或脫氧核糖連接幾個連接物？
答案：26個。一個磷酸連接1或2個連接物；一個脫氧核糖連接2或3個連接物。
1．解讀兩種DNA結構模型
(1)由圖1可解讀以下信息
(2)圖2是圖1的簡化形式，其中①是磷酸二酯鍵，②是氫鍵。解旋酶作用于②部位，限制性內切核酸酶和DNA連接酶作用于①部位。
(3)利用數字“五、四、三、二、一”巧記DNA結構
2．“歸納法”求解DNA分子中的堿基數量的計算規律
(1)在DNA雙鏈中嘌呤總數與嘧啶總數相同，即A＋G＝T＋C。
(2)互補堿基之和的比例在任意一條鏈及整個DNA分子中都相同，即若在一條鏈中＝m，在互補鏈及整個DNA分子中＝m。
(3)非互補堿基之和的比例在兩條互補鏈中互為倒數，在整個DNA分子中為1，即若在DNA一條鏈中＝a，則在其互補鏈中＝，而在整個DNA分子中＝1。
(4)某種堿基在DNA分子中所占比例，等于這種堿基在DNA每條鏈中所占比例和的平均數。
考向1|
DNA分子結構分析
1．20世紀90年代，Cuenoud等發現DNA也有酶催化活性，他們根據共有序列設計并合成了由47個核苷酸組成的單鏈DNA?E47，它可以催化兩個DNA片段之間的連接。下列有關敘述正確的是(　　)
A．在DNA?E47中，嘌呤堿基數一定等于嘧啶堿基數
B．在DNA?E47中，堿基數＝脫氧核苷酸數＝脫氧核糖數
C．DNA?E47作用的底物和DNA聚合酶作用的底物是相同的
D．在DNA?E47中，每個脫氧核糖上均連有一個磷酸和一個含氮堿基
B　解析：單鏈DNA中嘌呤堿基數不一定等于嘧啶堿基數，A錯誤；DNA?E47催化DNA片段間的連接，DNA聚合酶則催化單個脫氧核苷酸的連接，C錯誤；在脫氧核苷酸鏈中的脫氧核糖可連有兩個(或一個)磷酸和一個含氮堿基，D錯誤。
【易錯提醒】DNA結構的五點提醒
(1)DNA分子中并不是所有的脫氧核糖都連接兩個磷酸基團，在每條鏈的3′端的脫氧核糖只連接了一個磷酸基團。
(2)DNA分子的特異性是由堿基對的排列方式決定的，而不是由堿基配對方式決定的。
(3)DNA分子中能體現特異性的堿基比例是兩互補堿基的和(如A＋T)，而不是任意兩不互補堿基的和(如A＋G)。
(4)并不是所有的DNA分子都是雙鏈結構，有少數的DNA分子是單鏈的，還有部分DNA是雙鏈環狀結構，如原核細胞的擬核DNA、質粒、真核細胞的線粒體DNA和葉綠體DNA等。
(5)在單鏈DNA分子中嘌呤數不一定等于嘧啶數。
考向2|
DNA分子結構的相關計算
2．下列有關雙鏈DNA分子的敘述，正確的是(　　)
A．若DNA分子一條鏈中的堿基A所占比例為a，則另一條鏈的堿基C所占比例為1/(2－a)
B．如果一條鏈上(A＋T)∶(G＋C)＝m，則另一條鏈上該比值也為m
C．如果一條鏈上的A∶T∶G∶C＝2∶2∶3∶3，則另一條鏈上該比值為3∶3∶2∶2
D．由50個堿基對組成的DNA分子片段中至少含有氫鍵的數量為150個
B　解析：若DNA分子一條鏈中的堿基A所占比例為a，據此無法計算出另一條鏈的堿基C所占比例，A錯誤；如果一條鏈上(A＋T)∶(G＋C)＝m，根據堿基互補配對原則，則另一條鏈上該比值也為m，B正確；如果一條鏈上的A∶T∶G∶C＝2∶2∶3∶3，則另一條鏈上該比值為2∶2∶3∶3，C錯誤；由50個堿基對組成的DNA分子片段中至少含有氫鍵的數量為50×2＝100(個)，最多含有氫鍵的數量為50×3＝150(個)，D錯誤。
　　
DNA的復制及相關計算
人體細胞中最長的DNA分子可達36
mm，已知DNA分子復制速度約為4
μm/min，但此DNA分子復制過程僅需40
min左右即完成。
(1)由上面信息可推出DNA復制還有什么特點？
答案：根據題意知，長為36
mm的DNA分子進行復制，如果只從一個位點復制需要的時間是36×1
000÷4＝9
000
(min)，而實際復制過程中只需要40
min左右即完成，由此可以推出該DNA分子復制時具有多個起點，多個起點同時分段復制。
(2)已知放射性越高的3H－胸腺嘧啶脫氧核糖核苷(3H－脫氧胸苷)，在放射性自顯影技術的圖像上，感光還原的銀顆粒密度越高。請利用放射性自顯影技術，設計實驗以證明DNA復制是多起點同時復制，簡要寫出實驗思路并預測實驗結果。
答案：實驗思路：首先用不含放射性的脫氧胸苷培養基培養細胞，一段時間后轉移到含有高放射性3H－脫氧胸苷的培養基中繼續培養，用放射性自顯影技術觀察銀顆粒密度情況。預期實驗結果：在一條DNA中出現多處高密度感光還原的銀顆粒區域。
1．利用數字“1、2、3、4”巧記DNA的復制
2．關于DNA復制的三點提醒
(1)DNA復制的場所并非只在細胞核，線粒體、葉綠體、原核細胞中都可以進行DNA復制，因而說DNA復制的主要場所是細胞核。
(2)DNA水解酶不參與DNA復制。DNA水解酶可以催化DNA分子水解成脫氧核苷酸。
(3)細胞內DNA復制時解旋酶催化解旋，PCR時高溫使氫鍵斷裂，導致解旋。
3．DNA分子復制中相關計算公式
若將一個被15N標記的DNA轉移到含14N的培養基中培養(復制)若干代，其結果分析如下：
(1)子代DNA分子數：2n個。
①無論復制多少次，含15N的DNA分子始終是
2個。
②含14N的有2n個，只含14N的有(2n－2)個，做題時應看準是“含”還是“只含”。
(2)子代DNA分子的總鏈數：2n×2＝2n＋1條。
①無論復制多少次，含15N的鏈始終是2條。
②含14N的鏈數是(2n＋1－2)條。做題時應看準是“DNA分子數”還是“鏈數”。
(3)消耗的脫氧核苷酸數
①若一親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個，則經過n次復制需要消耗游離的該脫氧核苷酸為m×(2n－1)個。
②若進行第n次復制，則需消耗該脫氧核苷酸數為m×2n－1個。
考向1|
DNA復制過程的分析
1．在DNA復制開始時，將大腸桿菌放在含低劑量3H標記的脫氧胸苷(3H?dT)的培養基中，3H?dT可摻入正在復制的DNA分子中，使其帶有放射性標記。幾分鐘后，將大腸桿菌轉移到含高劑量3H?dT的培養基中培養一段時間。收集、裂解細胞，抽取其中的DNA進行放射性自顯影檢測，結果如圖所示。據圖可以作出的推測是(　　)
A．復制起始區在高放射性區域
B．DNA復制為半保留復制
C．DNA復制從起始點向兩個方向延伸
D．DNA復制的方向為a→c
C　解析：根據放射性自顯影結果可知，中間低放射性區域是復制開始時在含低劑量3H標記的脫氧胸苷(3H?dT)的培養基中進行復制的結果，A錯誤；兩側高放射性區域是將大腸桿菌轉移到含高劑量3H?dT的培養基中進行復制的結果，因此可判斷DNA復制從起始點(中間)向兩個方向延伸，C正確，D錯誤；該實驗不能證明DNA復制為半保留復制，B錯誤。
考向2|
DNA復制的相關計算
2．(2021·安徽合肥模擬)下圖為某DNA分子片段，假設該DNA分子中有5
000對堿基，A＋T占堿基總數的34%，若該DNA分子在含14N的培養基中連續復制2次，下列敘述正確的是(　　)
A．復制時作用于③處的酶為DNA聚合酶
B．DNA分子復制2次需游離的胞嘧啶脫氧核苷酸9
900個
C．④處指的是腺嘌呤核糖核苷酸
D．子代中含15N的DNA分子占1/2
B　解析：復制時作用于③處的酶為DNA解旋酶，A錯誤；由題意知，DNA分子中A＋T占堿基總數的34%，則C＋G占66%，DNA分子中G＝C＝5
000×2×66%÷2＝3
300(個)，該DNA分子復制2次增加3個DNA分子，需要游離的胞嘧啶脫氧核苷酸3
300×3＝9
900(個)，B正確；DNA分子的基本單位是脫氧核糖核苷酸，所以④處指的是腺嘌呤脫氧核糖核苷酸，C錯誤；由題圖可知，該DNA分子中的兩條鏈一條含有15N，一條含有14N，若該DNA分子在含14N的培養基中連續復制
2次，則形成的4個DNA分子中，只有一個含有15N，即占1/4，D錯誤。
考向3|
DNA分子的半保留復制
3．DNA的復制方式可以通過設想來進行預測，可能的情況是全保留復制、半保留復制、分散復制三種。究竟是哪種復制方式呢？下面設計實驗來證明DNA的復制方式。
實驗步驟：
a．在氮源為14N的培養基中生長的大腸桿菌，其DNA分子均為14N?DNA(對照)。
b．在氮源為15N的培養基中生長的大腸桿菌，其DNA分子均為15N?DNA(親代)。
c．將親代含15N的大腸桿菌轉移到氮源為14N的培養基中，再連續繁殖兩代(Ⅰ和Ⅱ)，用密度梯度離心法分離，不同相對分子質量的DNA分子將分布在試管中的不同位置上。
實驗預測：
(1)如果與對照(14N/14N)相比，子代Ⅰ能分辨出兩條DNA帶：一條__________帶和一條__________帶，則可以排除____________________。
(2)如果子代Ⅰ只有一條中密度帶，則可以排除__________，但不能肯定是________________。
(3)如果子代Ⅰ只有一條中密度帶，再繼續做子代ⅡDNA密度鑒定：若子代Ⅱ可以分出________和____________，則可以排除分散復制，同時肯定半保留復制；如果子代Ⅱ不能分出________密度兩條帶，則排除__________，同時確定為________。
解析：由題圖可知，深色為親代DNA的脫氧核苷酸鏈(母鏈)，淺色為新形成的子代DNA的脫氧核苷酸鏈(子鏈)。因此全保留復制后得到的兩個DNA分子，一個是原來的兩條母鏈重新形成的親代DNA分子，一個是兩條子鏈形成的子代DNA分子；半保留復制后得到的每個子代DNA分子的一條鏈為母鏈，一條鏈為子鏈；分散復制后得到的每個子代DNA分子的單鏈都是由母鏈片段和子鏈片段間隔連接而成的。
答案：(1)輕(14N/14N)　重(15N/15N)　半保留復制和分散復制　(2)全保留復制　半保留復制還是分散復制　(3)一條中密度帶　一條輕密度帶　中、輕　半保留復制　分散復制
學習探索情境
　　在沃森和克里克發表DNA雙螺旋結構模型后，科學家曾提出三個用于解釋DNA復制方式的模型，分別為半保留復制、全保留復制和分散復制模型。1958年，梅塞爾森和斯塔爾以大腸桿菌為實驗材料，運用同位素標記技術，證明了DNA復制方式為半保留復制。1956年，美國生物學家亞瑟·科恩伯格首次分離出DNA聚合酶，并構建了DNA體外合成體系，并揭示參與DNA合成的4種必要成分：DNA聚合酶、DNA模板、RNA引物和dNTP前體物。體外合成技術重要特點和優勢：(1)沒有宿主細胞的生理調控系統，反應條件更容易控制，可以方便地進行反應條件的優化；(2)不存在副反應和宿主細胞本身的代謝需求，能夠達到更高的產品得率和產品純度；(3)可以使用高負載量的酶，用于提高反應速率；(4)寬泛的反應條件(如高溫、有機相催化體系)、底物的自由選擇，解決了底物或中間產物的毒性問題；(5)具有相當大的工業化潛力。
命題生長點1
DNA復制的相關計算
用15N標記了兩條鏈含有100個堿基對的DNA分子，其中有胞嘧啶60個，該DNA分子在含14N的培養基中連續復制3次。下列有關說法中錯誤的是(B)
A．該DNA分子含有的氫鍵數目是260個
B．該DNA分子復制3次共需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸160個
C．子代DNA分子中含15N的單鏈與含14N的單鏈之比為1∶7
D．子代DNA分子中含15N的DNA分子與含14N的DNA分子之比為1∶4
B　解析：該DNA分子有100個堿基對，其中胞嘧啶有60個，則C和G各有60個，A和T各有40個，又知C、G之間有3個氫鍵，A、T之間有2個氫鍵，因此氫鍵數目為60×3＋40×2＝260(個)，A項正確；該DNA分子第一次復制需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸(A)40個，第二次復制需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸80個，第三次復制需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸160個，則復制3次共需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸的數目為40＋80＋160＝280(個)，B項錯誤；該DNA分子復制3次共產生8個DNA分子，16條DNA單鏈，其中2條單鏈含15N，含15N的單鏈與含14N的單鏈之比為2∶14，即1∶7，C項正確；該DNA分子復制3次共產生8個DNA分子，其中2個DNA分子含有15N，8個DNA分子都含有14N，故二者之比為1∶4，D項正確。
命題生長點2
DNA復制與細胞分裂中染色體標記的問題分析
(多選)蠶豆根尖細胞(2n＝12)在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養基中完成一個細胞周期，然后在不含放射性標記的培養液中繼續分裂至中期，其染色體的放射性標記分布情況是(BC)
A．每條染色體的兩條單體都被標記
B．每條染色體中都只有一條單體被標記
C．每條染色體都被標記
D．每條染色體的兩條單體都不被標記
解析：DNA復制是半保留復制，蠶豆根尖細胞在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸(3H?T)培養基中完成一個細胞周期，每一個DNA分子都有一條脫氧核苷酸鏈含3H標記，然后在不含放射性標記的培養液中培養至中期，DNA分子復制后形成的兩個DNA分子通過著絲粒連接，其中一個DNA分子的一條鏈含3H標記，如下圖：
故每條染色體都被標記，且每條染色體都只有一條單體被標記。
準確把握DNA復制的相關計算問題
(1)復制次數：“DNA復制了n次”和“第n次復制”的區別：前者包括所有的復制，后者只包括最后一次復制。
(2)堿基數目：堿基的數目單位是“對”還是“個”。
(3)復制模板：在DNA復制過程中，無論復制了幾次，含有親代脫氧核苷酸單鏈的DNA分子都只有兩條。
(4)關鍵詞語：看清是“DNA分子數”還是“鏈數”，“含”還是“只含”等關鍵詞。
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12
-(共72張PPT)
第18課　基因的表達
第六單元　基因的本質和表達
01
必備知識·落實基礎性
概念梳理
概念辨析
概念構建
脫氧核糖
T(胸腺嘧啶)
雙鏈
核糖
U(尿嘧啶)
單鏈
核糖核苷酸
蛋白質
識別并轉運氨基酸
核糖體
細胞核
葉綠體
線粒體
DNA的一條鏈
4種核糖核苷酸
ATP
RNA聚合酶
信使RNA、核糖體RNA、轉運RNA
mRNA
mRNA
62
3
克里克
蛋白質的結構
酶的合成
代謝過程
保持不變
基因表達和表型
可遺傳
組蛋白
乙酰化
甲基化
√
×
×
×
√
√
×
√
√
×
×
×
√
02
關鍵能力·提升綜合性
考點1
考點2
考點3
一種密碼子只能決定一種氨基酸，但一種氨基酸可以由多種密碼子來決定
03
命題案例·強化創新性
D
答案：A
高考贅源網
高考資源
邊的高考專家!】
概念梳理
點此進入
答案
解旋:雙鏈解開,暴露堿基
原則:堿基互補配對原則(A
A、C-G
寫配對模板:,解開的DNA雙鏈中的一條鏈
接:RNA聚合酶
課:形成一個RNA分子
釋放合成的RNA從模板鏈上釋放,
DNA雙鏈恢復雙螺旋
游離的4種核糖核苷酸
起始
與mRNA結合
識別mRNA上的密碼子,并將攜帶的氨
運輸」基酸置于特定位置
核糖體沿
移動讀取下一個密碼子,由
延伸對應RNA運輸相應的氨基酸加到延伸中的肽
鏈上(一個mRNA可以結合多個核糖體)
當核糖體到達mRNA上的
歸:停止
時,合成
脫離肽鏈合成后從核糖體與mRNA的復合物上
脫離
概念辨析
概念枸建
DNA(基因)
mRNA
蛋白質
G
c
A
CGU
精氨酸
DNA堿基數
mRNA堿基數
氨基酸數
6
點此進入
解析答案
GGU
G
gc
GGA
mrna
mrnA
mrNa
RNA復制酶基因病毒RNA
酶
5
酶酶
mRNA
多種病毒蛋白—>組裝成子代病毒
SARS-CoV-2的增殖過程
病毒RNA
,酶
mRNA
5酶多種病毒蛋白
酶
5
組裝成子代病毒
EBOV的增殖過程
DNA
DNA一核膜
mRNA
mrna
2
核糖體
核糖體
多肽鏈
多肽鏈
細胞甲
細胞乙第18課　基因的表達
課程標準要求
學業質量水平
3.1.4　概述DNA
分子上的遺傳信息通過RNA
指導蛋白質的合成，
細胞分化的本質是基因選擇性表達的結果，生物的性狀主要通過蛋白質表現3.1.5　概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現象
1.結合DNA雙螺旋結構模型，闡明DNA分子轉錄、翻譯的過程。(生命觀念)2.運用中心法則，闡明DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質合成的過程。(科學思維)3.結合實例分析基因表達的異常情況。(社會責任)
一、基因指導蛋白質的合成
1．RNA的結構與分類
(1)RNA與DNA的區別
種類
物質組成
結構特點
五碳糖
特有堿基
DNA
脫氧核糖
T(胸腺嘧啶)
一般是雙鏈
RNA
核糖
U(尿嘧啶)
通常是單鏈
(2)基本單位：核糖核苷酸。
(3)種類及功能
2．轉錄
(1)場所：主要是細胞核，在葉綠體、線粒體中也能發生轉錄過程。
(2)條件
(3)過程
(4)產物：信使RNA、核糖體RNA、轉運RNA。
3．翻譯
(1)概念：游離在細胞質中的各種氨基酸，以mRNA為模板合成具有一定氨基酸順序的蛋白質的過程。
(2)密碼子
①概念：mRNA上3個相鄰的堿基決定1個氨基酸，每3個這樣的堿基稱為1個密碼子。
②種類：64種，其中決定氨基酸的密碼子有62種，終止密碼子有3種。
(3)翻譯過程
(4)過程圖示
二、中心法則
1．提出者：克里克。
2．補充后的內容圖解
三、基因表達與性狀的關系
1．直接控制途徑(用文字和箭頭表示)
基因蛋白質的結構生物體的性狀
2．間接控制途徑(用文字和箭頭表示)
基因酶的合成代謝過程
3．基因控制性狀的實例(連線)
提示：①③⑤⑥—b　②④—a
4．基因與性狀之間不是一一對應的關系
(1)可以是一對基因同時影響多對性狀，如控制豌豆粒形的基因也決定其甜度。
(2)也可以是多對基因同時控制一種性狀，如玉米葉綠素的合成與50個基因有關。
(3)生物體的性狀表現還與環境條件有關。
5．表觀遺傳
(1)概念：生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達和表型發生可遺傳變化的現象，叫作表觀遺傳。
(2)現象：DNA甲基化、構成染色體的組蛋白發生甲基化、乙酰化等修飾會影響基因的表達。
(3)吸煙與人體健康的關系：吸煙會使人體細胞內DNA的甲基化水平升高，對染色體上的組蛋白也會產生影響。
1．基因指導蛋白質的合成
(1)rRNA能參與蛋白質的合成。
(√)
(2)轉錄是以DNA分子的兩條鏈為模板完成的。
(×)
(3)轉錄和翻譯都可在細胞核中發生。
(×)
(4)轉錄和翻譯過程都存在T—A、A—U、G—C的堿基配對方式。
(×)
(5)細胞中有多種tRNA，一種tRNA只能轉運一種氨基酸。
(√)
(6)基因B1和由其突變而來的B2在指導蛋白質合成時使用同一套遺傳密碼。
(√)
2．中心法則反映了遺傳信息的傳遞規律
(1)中心法則沒有體現遺傳信息的表達功能。
(×)
(2)線粒體中的DNA能控制某些蛋白質的合成。
(√)
(3)線粒體和葉綠體中遺傳信息的傳遞遵循中心法則。
(√)
(4)DNA病毒中沒有RNA，其遺傳信息的傳遞不遵循中心法則。(×)
3．基因通過不同途徑調控生物體的性狀
(1)豌豆粒形的形成機理體現了基因通過控制蛋白質的結構直接控制生物體的性狀。
(×)
(2)白化病是酪氨酸酶活性降低造成的。
(×)
(3)某些性狀由多個基因共同決定，有的基因可能影響多個性狀。(√)
　　遺傳信息的轉錄和翻譯過程分析
當某些基因轉錄形成的mRNA分子難與模板鏈分離時，會形成RNA－DNA雜交體，這時非模板鏈、RNA－DNA雜交體共同構成R環結構。研究表明R環結構會影響DNA復制、轉錄和基因的穩定性等。下圖是原核細胞DNA相關過程的示意圖。請回答下列問題：
(1)1代表什么過程？2代表什么過程？
答案：1代表DNA復制；2代表轉錄過程。
(2)酶C是什么酶？與酶A相比，酶C除能催化核苷酸之間形成磷酸二酯鍵外，還具什么功能？
答案：酶C是RNA聚合酶。RNA聚合酶催化核苷酸之間形成磷酸二酯鍵，也能催化氫鍵斷裂。
(3)R環中的堿基互補配對方式是什么？若R環區域中，
DNA非轉錄模板鏈共20個堿基，其中含6個堿基A，則R環中含有T—A堿基對多少個？
答案：R環中的堿基互補配對方式是A—U，T—A，G—C；6個。
(4)原核生物的擬核基因表達速度往往比真核生物的核基因表達速度快很多，原因是什么？
答案：原核生物沒有核膜，基因表達時轉錄和翻譯可以同步進行，真核生物有核膜，基因表達時先完成轉錄，再完成翻譯。
1．界定遺傳信息、密碼子(遺傳密碼)、反密碼子
2．辨析氨基酸與密碼子、反密碼子的數量關系
(1)每種氨基酸對應一種或幾種密碼子(即密碼子的簡并性)，可由一種或幾種tRNA轉運。
(2)一般情況下除終止密碼子外，一種密碼子只能決定一種氨基酸；一種tRNA只能轉運一種氨基酸。
(3)密碼子有64種(3種終止密碼子；62種決定氨基酸的密碼子，UGA作為終止密碼子，也可編碼硒代半胱氨酸)。
3．DNA復制、轉錄和翻譯的比較(以真核生物為例)
項目
復制
轉錄
翻譯
場所
主要在細胞核
主要在細胞核
在細胞質(核糖體)
模板
DNA的兩條鏈
DNA的一條鏈
mRNA
原料
4種脫氧核苷酸
4種核糖核苷酸
21種氨基酸
原則
T—A；A—T；G—C；C—G
T—A；A—U；G—C；C—G
U—A；A—U；G—C；C—G
結果
兩個子代DNA分子
mRNA、tRNA、rRNA
蛋白質
模板去向
子代DNA中
恢復雙螺旋
降解
信息傳遞
DNA→DNA
DNA→RNA
mRNA→蛋白質
意義
傳遞遺傳信息
表達遺傳信息
4.基因表達中的相關計算
(1)DNA模板鏈中A＋T(或C＋G)與mRNA中A＋U(或C＋G)相等，則(A＋T)總%＝(A＋U)mRNA%。
(2)相關數量關系：基因堿基數∶mRNA堿基數∶氨基酸數＝6∶3∶1(忽略終止密碼子)。
注意：①在基因片段中，有的片段起調控作用，不轉錄。
②轉錄出的mRNA有終止密碼子，終止密碼子不對應氨基酸，并且合成的肽鏈在加工過程中可能會剪掉部分氨基酸。
所以mRNA上的堿基數目比蛋白質中氨基酸數目的3倍多。基因或DNA上的堿基數目比蛋白質中氨基酸數目的6倍多。
(3)關注計算中“最多”和“最少”問題
不能忽略“最多”或“最少”等字(忽略終止密碼子)：如mRNA上有n個堿基，轉錄產生它的基因中至少有2n個堿基，該mRNA指導合成的蛋白質中最多有n/3個氨基酸。
考向1|
遺傳信息的轉錄過程
1．(2020·全國卷Ⅲ)關于真核生物的遺傳信息及其傳遞的敘述，錯誤的是(　　)
A．遺傳信息可以從DNA流向RNA，也可以從RNA流向蛋白質
B．細胞中以DNA的一條單鏈為模板轉錄出的RNA均可編碼多肽
C．細胞中DNA分子的堿基總數與所有基因的堿基數之和不相等
D．染色體DNA分子中的一條單鏈可以轉錄出不同的
RNA分子
B　解析：遺傳信息的表達過程包括DNA轉錄成mRNA，mRNA進行翻譯合成蛋白質，A正確；以DNA的一條單鏈為模板可以轉錄出mRNA、tRNA、rRNA等，mRNA可以編碼多肽，而tRNA的功能是轉運氨基酸，rRNA是構成核糖體的組成物質，B錯誤；基因是有遺傳效應的DNA片段，而DNA分子上還含有不具有遺傳效應的片段，因此DNA分子的堿基總數大于所有基因的堿基數之和，C正確；染色體DNA分子上含有多個基因，由于基因的選擇性表達，一條單鏈可以轉錄出不同的RNA分子，D正確。
考向2|
翻譯過程
2．(2019·海南卷)下列關于蛋白質合成的敘述錯誤的是(　　)
A．蛋白質合成通常從起始密碼子開始到終止密碼子結束
B．攜帶肽鏈的tRNA會先后占據核糖體的2個tRNA
結合位點
C．攜帶氨基酸的tRNA都與核糖體的同一個tRNA結合位點結合
D．最先進入核糖體的攜帶氨基酸的tRNA在肽鍵形成時脫掉氨基酸
C　解析：蛋白質合成中，翻譯的模板是mRNA，從起始密碼子開始到終止密碼子結束，A正確；核糖體同時占據2個密碼子位點，攜帶肽鏈的tRNA會先后占據核糖體的2個tRNA結合位點，通過反密碼子與密碼子進行互補配對，B正確，C錯誤；最先進入核糖體的攜帶氨基酸的tRNA在肽鍵形成時脫掉氨基酸，繼續運輸其他氨基酸，D正確。
考向3|
遺傳信息、密碼子和反密碼子的區分
3．(2020·全國卷Ⅲ)細胞內有些tRNA分子的反密碼子中含有稀有堿基次黃嘌呤(I)，含有I的反密碼子在與mRNA中的密碼子互補配對時，存在下圖所示的配對方式(Gly表示甘氨酸)。下列說法錯誤的是(　　)
A．一種反密碼子可以識別不同的密碼子
B．密碼子與反密碼子的堿基之間通過氫鍵結合
C．tRNA分子由兩條鏈組成，mRNA分子由單鏈組成
D．mRNA中的堿基改變不一定造成所編碼氨基酸的改變
C　解析：分析題圖可知，I與U、C、A均能配對，因此含I的反密碼子可以識別多種不同的密碼子，A正確；密碼子與反密碼子的配對遵循堿基互補配對原則，堿基對之間通過氫鍵結合，B正確；由題圖可知，tRNA分子由單鏈RNA經過折疊后形成三葉草形，C錯誤；由于密碼子的簡并性，mRNA中堿基的改變不一定造成所編碼氨基酸的改變，從題圖三種密碼子均編碼甘氨酸也可以看出，D正確。
密碼子與氨基酸之間的對應關系是一種密碼子只能決定一種氨基酸，但一種氨基酸可以由多種密碼子來決定。
考向4|
結合信息考查基因的表達過程
4．抗生素P能有效抑制細胞內蛋白質的合成，原因是其具有與tRNA結構中“結合氨基酸部位”類似的結構。在進行試管內翻譯時，將足量抗生素P加到反應試管內，可能會觀察到的現象是(　　)
A．試管內翻譯的最終產物為不完整蛋白質
B．攜帶氨基酸的tRNA無法與mRNA進行堿基互補配對
C．mRNA無法與核糖體結合
D．抗生素P與游離的核糖核苷酸結合
A　解析：由題干信息可知，試管中加入抗生素P后，試管中游離的氨基酸與抗生素P結合后，就不能和tRNA結合，可能導致試管內翻譯的蛋白質不完整；抗生素P不會影響攜帶氨基酸的tRNA與mRNA進行堿基互補配對，也不會影響核糖體與mRNA結合。綜上所述，A項正確。
　　中心法則的書寫和過程判斷
1．利用圖示分類剖析中心法則
圖示中1、8為轉錄過程；2、5、9為翻譯過程；3、10為DNA復制過程；4、6為RNA復制過程；7為逆轉錄過程。
2．不同類型生物遺傳信息的傳遞
(1)能分裂的細胞生物及噬菌體等DNA病毒遺傳信息的傳遞
(2)具有RNA復制功能的RNA病毒(如煙草花葉病毒)遺傳信息的傳遞
(3)具有逆轉錄功能的RNA病毒(如艾滋病病毒)遺傳信息的傳遞
(4)高度分化的細胞遺傳信息的傳遞
3．中心法則各生理過程確認的三大依據
1．圖甲所示為基因表達的過程，圖乙為中心法則，①～⑤表示生理過程。下列敘述正確的是(　　)
　
甲　　　　　　　
　　　　乙
A．圖甲所示過程需要多種酶參與，是染色體DNA上的基因表達過程
B．圖乙所示過程均需要核苷酸為原料
C．圖甲所示過程為圖乙中的①②③過程
D．圖乙中涉及堿基A與U之間配對的過程為②③④⑤
D　解析：圖甲為邊轉錄邊翻譯過程，為原核生物所特有的，原核生物無染色體，A錯誤；圖乙中①為DNA的復制，②為轉錄，③為翻譯，④為RNA復制，⑤為逆轉錄，③過程需要氨基酸為原料，B錯誤；圖甲所示過程為圖乙中的②③過程，C錯誤；①為DNA的復制，無堿基A與U之間的配對，D正確。
2．新型冠狀病毒(SARS
?CoV?2)和埃博拉病毒(EBOV)是威脅人類健康的高致病性RNA病毒。兩種病毒侵入宿主細胞后的增殖過程如下圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A．兩種病毒的遺傳物質均為單鏈RNA，變異性較強
B．兩種病毒均需至少復制兩次才能獲得子代病毒RNA
C．兩種病毒首次RNA復制所需的酶均在侵入宿主細胞后合成
D．SARS?CoV?2的RNA可直接作翻譯模板，EBOV的RNA需復制后才能作翻譯模板
C　解析：題圖中顯示兩種病毒的遺傳物質均為單鏈RNA，單鏈結構穩定性差，因此變異性較強，A正確；由題圖可以看出，兩種病毒均需至少復制兩次才能獲得子代病毒RNA，B正確；SARS?CoV?2病毒RNA復制所需的酶是在宿主細胞內合成的，而EBOV病毒的RNA復制酶在侵入宿主細胞之前就已存在，C錯誤；圖中顯示SARS?CoV?2的RNA可直接作翻譯模板，合成RNA復制酶，而EBOV的RNA需復制后才能作翻譯模板，D正確。
　　基因表達與性狀的關系
周期性共濟失調是一種由常染色體上的基因(用A或a表示)控制的遺傳病，致病基因導致細胞膜上正常鈣離子通道蛋白結構異常，從而使正常鈣離子通道的數量不足，造成細胞功能異常。該致病基因純合會導致胚胎致死。患者發病的分子機理如圖所示。請回答下列問題：
(1)圖中①②分別表示什么生理過程？
答案：圖中①過程表示轉錄，②過程表示翻譯。
(2)結構C的形成與什么結構有關？
答案：結構C為核糖體，核仁與核糖體的形成有關。
(3)圖中所揭示的基因控制性狀的方式是什么？
答案：圖中的基因所編碼的通道蛋白屬于結構蛋白，因此圖中所揭示的基因控制性狀的方式是基因通過控制蛋白質的結構直接控制生物體的性狀。
(4)若不發生基因突變，是否可能產生異常鈣離子通道蛋白？
答案：可能，表觀遺傳。
1．基因與性狀的關系整合
(1)一個基因一種性狀(多數性狀受單基因控制)
(2)一個基因多種性狀(如基因間相互作用)
(3)多個基因一種性狀(如身高、體重等)
2．基因與性狀的關系示意圖
3．性狀是基因和環境共同作用的結果
(1)生物體的性狀不完全由基因決定，環境對性狀也有著重要影響。如后天的營養和體育鍛煉等對人的身高也有重要作用。
(2)基因與基因、基因與基因表達產物、基因與環境之間存在著復雜的相互作用，形成了一個錯綜復雜的網絡，精細地調控著生物體的性狀。
考向1|
基因對性狀的控制
1．(多選)下圖為豌豆種子圓粒性狀的產生機制，請據圖判斷下列敘述錯誤的是(　　)
A．淀粉分支酶基因R是豌豆種子細胞中具有遺傳效應的DNA片段
B．b過程能發生堿基互補配對的是堿基A與T，C與G
C．當R中插入一小段DNA序列后，豌豆不能合成淀粉分支酶，而使蔗糖增多，其發生的變異是基因重組
D．此圖解說明基因通過控制酶的合成來控制代謝過程進而控制生物體性狀
BC　解析：基因的本質是具有遺傳效應的DNA片段；b過程為翻譯，發生互補配對的物質是mRNA上的密碼子對應的堿基與tRNA上的反密碼子相對應的堿基，兩種RNA上均沒有堿基T；當R中插入一小段DNA序列后，導致R基因的結構發生改變，豌豆不能合成淀粉分支酶而使蔗糖增多，影響了細胞代謝，屬于基因突變。
考向2|
表觀遺傳
2．真核生物細胞內存在著種類繁多、長度為21～23個核苷酸的小分子RNA(簡稱miRNA)，它們能與相關基因轉錄形成的mRNA互補，形成局部雙鏈。這些miRNA抑制基因表達的機制是(　　)
A．阻斷rRNA裝配成核糖體
B．妨礙雙鏈DNA分子的解旋
C．干擾核糖體與mRNA結合
D．影響RNA分子的遠距離轉運
C　解析：根據題意，miRNA與rRNA裝配成核糖體無關，A錯誤；miRNA并沒有與雙鏈DNA分子互補，故不會妨礙雙鏈DNA分子的解旋，B錯誤；
miRNA是與相關基因轉錄出來的mRNA互補，則mRNA就無法與核糖體結合，C正確；miRNA只是阻止了mRNA發揮作用，不會影響RNA分子的遠距離轉運，D錯誤。
學習探索情境
　　真核細胞細胞核內的基因，其編碼蛋白質的堿基序列被很多稱為內含子的不能編碼蛋白質的堿基序列分隔開，在轉錄時，先形成了不成熟的前體mRNA，然后需要經過5′端的加帽、3′端的多聚腺苷酸化、去除內含子、堿基甲基化等加工過程。去掉內含子對應的轉錄片段，再把其他片段連接起來，才形成成熟的mRNA，才能指導核糖體翻譯形成蛋白質。
命題生長點1
基因表達中的有關計算
已知一個由2條肽鏈組成的蛋白質分子，共有肽鍵198個，控制翻譯該蛋白質分子的mRNA中A和U共占25%，則控制轉錄該mRNA的DNA分子中，C與G應該共有(不考慮終止密碼子)(D)
A．600個
B．700個
C．800個
D．900個
解析：根據由2條肽鏈組成的蛋白質分子共有肽鍵198個可知，該蛋白質由200個氨基酸組成，則翻譯形成該蛋白質的mRNA分子中含有600個堿基，轉錄該mRNA的DNA分子含有1
200個堿基。mRNA中A和U共占25%，可知A＋U＝150(個)，則轉錄形成該mRNA的DNA模板鏈上T＋A＝150(個)，DNA分子中非模板鏈上A＋T＝150(個)，整個DNA分子中A＋T＝300(個)，則該DNA分子中C＋G＝1
200－300＝900(個)。
命題生長點2
真核細胞和原核細胞基因表達的區別
下圖所示為甲、乙兩類細胞內遺傳信息的傳遞過程，下列相關敘述正確的是(A)
A．細胞甲可表示大腸桿菌細胞內遺傳信息的傳遞過程
B．細胞甲中多個核糖體共同完成一條多肽鏈的翻譯
C．細胞乙中①和②過程都有T－A堿基配對現象
D．細胞乙中核糖體從mRNA的3′端向5′端移動
解析：細胞甲中轉錄與翻譯過程同時進行，是原核生物細胞，A正確；細胞甲中多個核糖體同時與一條mRNA結合，可以在短時間內大量合成相同的多條多肽鏈，B錯誤；細胞乙中①為DNA轉錄成RNA的過程，②為翻譯過程，存在密碼子與反密碼子的配對，是RNA與RNA的配對，只有在轉錄中有T－A堿基配對現象，C錯誤；一條mRNA可同時結合多個核糖體，核糖體上合成的肽鏈越短說明翻譯用時越少，細胞乙中核糖體從mRNA的5′端向3′端移動，D錯誤。
“三步法”解答關于基因表達中的計算題
第一步：作圖。通常只需畫出下圖甲，但當涉及轉錄、逆轉錄、翻譯時還要畫出圖乙。
第二步：轉換。即根據第一步畫出的圖，把題干給出的條件轉換成數學等式。
第三步：計算。即根據題干的要求，結合第二步中的數學等式，求出相應的數值。
“三步法”判斷真、原核細胞的DNA復制、轉錄及翻譯
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高頻考點進階課4　同位素標記法在生物實驗中的應用
第六單元　基因的本質和表達
01
類型1同位素標記法在經典實驗中的應用
典題引領
素養建構
素能訓練
02
類型2　同位素標記法在DNA相關實驗中的應用
典題引領
素養建構
素能訓練
高考贅源網
高考資源
邊的高考專家!】
典題引領
素養建構
素能訓練
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解析答案同位素標記法在生物實驗中的應用
　　　　同位素標記法在經典實驗中的應用
(2020·浙江紹興模擬)對下列生物學實驗結果進行分析與討論：
(1)某研究小組進行“探究DNA的復制過程”的活動，結果如圖所示。其中培養大腸桿菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl。a、b、c表示離心管編號，條帶表示大腸桿菌DNA離心后在離心管中的分布位置。
本活動運用了__________和__________技術。c管的結果表明該管中的大腸桿菌的DNA是_______________________(填“15N/15N?DNA、14N/14N?DNA”或“14N/15N?DNA、14N/14N?DNA”或“14N/15N?DNA、15N/15N?DNA”)，實驗結果說明DNA的復制方式是________________。
(2)在細胞分裂間期，線粒體的數目增多，其增多的方式有3種假設：Ⅰ.細胞利用磷脂、蛋白質等重新合成；Ⅱ.細胞利用其他生物膜裝配形成；Ⅲ.線粒體分裂增殖形成。有人通過放射性標記實驗，對上述假設進行了探究，方法如下：首先將一種鏈孢霉營養缺陷型突變株(自身不能合成膽堿)在加有3H標記的膽堿(磷脂的前體)培養基(培養生物的人工營養基質)中培養，然后轉入另一種培養基中繼續培養，定期取樣，檢測細胞中線粒體的放射性。結果如下：
標記后細胞增殖的代數
1
2
3
4
測得的相對放射性
2.0
1.0
0.5
0.25
①實驗中采用鏈孢霉營養缺陷型突變株的目的是__________________________________________。
②實驗中所用的“另一種培養基”在配制成分上的要求是_________________________________________________________。
③通過上述實驗，初步判斷3種假設中成立的是________(在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中選擇)。
解析：(1)由題意“培養大腸桿菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl”和“條帶表示大腸桿菌DNA離心后在離心管中的分布位置”可知，本活動運用了同位素標記技術和密度梯度離心技術。分析題圖可知，a管中的DNA密度最大，表明該管中的大腸桿菌是在含15NH4Cl的培養液中培養的，其DNA都是15N/15N?DNA；b管中的DNA密度介于最大和最小之間，表明該管中的大腸桿菌的DNA都是14N/15N?DNA；c管中的DNA密度一半介于最大和最小之間，一半最小，表明該管中的大腸桿菌的DNA一半是14N/15N?DNA，一半是14N/14N?DNA。實驗結果說明DNA的復制方式是半保留復制。(2)①與野生型相比，實驗中所用鏈孢霉營養缺陷型突變株要加膽堿才能繁殖，說明鏈孢霉營養缺陷型突變株的代謝特點是自身不能合成膽堿，所以采用鏈孢霉營養缺陷型突變株的目的是排除細胞內自身合成的膽堿對實驗的干擾。②實驗中所用的“另一種培養基”與前一種培養基相比，能讓鏈孢霉營養缺陷型突變株在其上培養，從結果來看檢測的是標記后細胞增殖的代數與測得的相對放射性的關系，所以“另一種培養基”配制成分應與前一步驟的培養基相同，只是膽堿沒有3H標記。③題表結果顯示，隨著細胞增殖代數的增加，測得的細胞中線粒體的相對放射性成倍減少，初步判斷3種假設中成立的是“Ⅲ.線粒體分裂增殖形成”。
答案：(1)同位素標記技術　密度梯度(超速)離心　14N/15N?DNA、14N/14N?DNA　半保留復制　(2)①排除細胞內自身合成的膽堿對實驗的干擾　②成分與前一步驟的培養基相同，只是膽堿沒有3H標記　③Ⅲ
1．同位素標記法在高中生物學實驗中的應用
同位素標記法是利用放射性同位素作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法，生物學上經常使用的同位素是組成細胞的主要元素，即H、N、C、S、P和O等的同位素。注意，1H、16O和14N沒有放射性。
(1)探究光合作用中元素(原子)的轉移：①美國科學家魯賓和卡門用18O分別標記H2O和CO2，證明光合作用釋放的氧氣全部來自水。②卡爾文等用14C
標記的CO2供小球藻進行光合作用，追蹤檢測其放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中轉化成有機物中碳的途徑。
(2)證明DNA是遺傳物質：赫爾希和蔡斯分別用放射性同位素標記蛋白質和DNA的特征元素，即用32P標記噬菌體的DNA，用35S標記噬菌體的蛋白質，證明DNA是噬菌體的遺傳物質。
(3)研究分泌蛋白的合成和運輸：用3H標記亮氨酸，研究分泌蛋白在細胞中的合成、運輸與分泌途徑，證明分泌蛋白的合成及運輸方向為核糖體→內質網→高爾基體→細胞膜，從而證明了細胞內的各種生物膜在功能上是緊密聯系的。
(4)證明DNA分子進行半保留復制：用含有15N標記的NH4Cl培養液培養大腸桿菌，讓大腸桿菌繁殖幾代，再將大腸桿菌轉移到含14N的普通培養液中培養，然后在不同時刻收集大腸桿菌并提取DNA，再通過密度梯度離心來區別親代與子代DNA，從而證明DNA的復制是以半保留的方式進行的。
(5)研究生長素的極性運輸：證明植物生長素的極性運輸時，用同位素14C標記莖形態學上端的生長素(吲哚乙酸)，可在莖的形態學下端檢測到放射性同位素14C，而標記莖形態學下端的生長素，在莖的形態學上端檢測不到放射性同位素14C，說明植物生長素只能從形態學上端運輸到形態學下端。
(6)基因工程：在目的基因的檢測與鑒定中，采用了DNA分子雜交技術。將轉基因生物的基因組DNA提取出來，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素作標記，以此為探針使之與基因組DNA雜交，如果顯示出雜交帶，就表明目的基因已導入受體細胞中。另外，還可采用同樣方法檢測目的基因是否轉錄出了mRNA，不同的是從轉基因生物中提取的是mRNA。
(7)基因診斷：基因診斷是用放射性同位素(如32P)、熒光分子等標記的DNA分子作探針，依據DNA分子雜交原理，鑒定被檢測樣本上的遺傳信息，從而達到檢測疾病的目的。
(8)示蹤原子不僅用于科學研究，還用于疾病的診斷和治療。例如，射線能破壞甲狀腺細胞，使甲狀腺腫大得到緩解。因此，碘的放射性同位素就可用于治療甲狀腺腫大。
2．與熒光標記法的區別
熒光標記法常用綠色熒光蛋白(GFP)為目標蛋白，通過轉基因技術一起構建到載體上，可跟蹤和判斷生物細胞的分子變化。同位素標記法和熒光標記法的區別：同位素標記法通常采用放射性同位素標記物質中的分子、原子，熒光標記法通常是借助熒光分子來標記蛋白質。一個是元素標記，另一個是分子標記。
(1)常用的熒光蛋白有綠色和紅色兩種
①綠色熒光蛋白(GFP)常用的是來源于發光水母的一種功能獨特的蛋白質，藍光或近紫外光照射，發出綠色熒光。
②紅色熒光蛋白來源于珊瑚蟲，是一種與綠色熒光蛋白同源的熒光蛋白，在紫外光的照射下可發出紅色熒光。
(2)教材中用到的熒光標記法
①“人鼠細胞融合實驗”：這一實驗很有力地證明了細胞膜的結構特點是具有一定的流動性。
②熒光標記可用于觀察細胞分裂。
③熒光標記顯示基因在染色體上的位置：通過現代分子生物學技術，運用熒光標記的手段，可以很直觀地觀察到某一基因在染色體上的位置。
1．(2020·江蘇卷)同位素可用于追蹤物質的運行和變化規律。在生物科學史中，下列科學研究未采用同位素標記法的是(　　)
A．卡爾文(M.Calvin)等探明CO2中的碳在光合作用中的轉化途徑
B．赫爾希(A.D.Hershey)等利用T2噬菌體侵染大腸桿菌證明DNA是遺傳物質
C．梅塞爾森(M.Meselson)等證明DNA進行半保留復制
D．溫特(F.W.Went)證明胚芽鞘產生促進生長的化學物質
D　解析：卡爾文等探明CO2中的碳在光合作用中的轉化途徑時，用14C標記了CO2中的碳，A不符合題意；赫爾希等利用T2噬菌體侵染大腸桿菌證明DNA是遺傳物質的實驗中，采用35S、32P分別標記T2噬菌體，B不符合題意；梅塞爾森等證明DNA進行半保留復制時，利用15N標記DNA，C不符合題意；溫特證明胚芽鞘產生促進生長的化學物質時并沒有采用同位素標記法，D符合題意。
2．有人以豌豆完整植株為材料研究植物側芽的生長受生長素(IAA)及其他物質的共同影響，進行了以下實驗：實驗一：分組進行去除頂芽、去頂并在切口涂抹IAA處理后，定時測定側芽長度，見圖1；實驗二：用14CO2飼喂葉片，測定去頂8
h時側芽附近14C放射性強度和IAA含量，見圖2。據圖分析，下列說法錯誤的是(　　)
A．實驗一中，去頂32
h時Ⅲ組側芽長度明顯小于Ⅱ組，原因可能是人工涂抹的IAA起到抑制作用
B．實驗二中，a、b兩組側芽附近14C放射性強度差異明顯，說明去頂后往側芽分配的光合產物增加
C．去頂8
h時Ⅰ組和Ⅱ組側芽附近的IAA濃度關系為Ⅰ組等于Ⅱ組
D．去頂8
h時Ⅱ組側芽長度明顯大于Ⅰ組可能原因是生長素濃度降低，抑制生長的效果被解除
D　解析：實驗一中，去頂32
h時，Ⅲ組側芽長度明顯小于Ⅱ組，其原因是人工涂抹IAA后，導致側芽部位生長素濃度過高，起到抑制作用，A正確；實驗二中，14CO2進入葉綠體后，首先能檢測到含14C的有機物是C3，該物質被還原成糖類需要光反應提供ATP和NADPH，a、b兩組側芽附近14C信號強度差異明顯，說明去頂后往側芽分配的光合產物增加，B正確；由實驗二可知，去頂8
h時，Ⅰ組和Ⅱ組側芽附近的IAA濃度應該是Ⅰ組等于Ⅱ組，C正確；去頂8
h時Ⅱ組側芽長度明顯大于Ⅰ組，據實驗二可知，Ⅱ組去頂后IAA的含量并沒有降低，去頂后往側芽分配的光合產物增多，促進側芽的生長，D錯誤。
3．(多選)在體外用14C標記半胱氨酸?tRNA復合物中的半胱氨酸(Cys)，得到
Cys?tRNACys，再用無機催化劑鎳將其中的半胱氨酸還原成丙氨酸(Ala)，得到
Ala?tRNACys(見下圖，tRNA不變)。如果該
Ala?tRNACys參與翻譯過程，那么下列說法正確的是(　　)
A．在一個mRNA
分子上可以同時合成多條被14C標記的多肽鏈
B．反密碼子與密碼子的配對由tRNA上結合的氨基酸決定
C．新合成的肽鏈中，原來Cys的位置會被替換為14C
標記的Ala
D．新合成的肽鏈中，原來Ala的位置會被替換為14C
標記的Cys
AC　解析：多聚核糖體是指一條mRNA上同時結合多個核糖體，可同時合成多條被14C標記的多肽鏈，A正確；反密碼子與密碼子按堿基互補配對原則進行配對，與tRNA攜帶的氨基酸無關，B錯誤；由于該tRNA攜帶的氨基酸由Cys替換成Ala，則新合成的肽鏈中，原來Cys的位置會被替換成Ala，C正確；該tRNA本應運輸Cys，則Ala的位置不會替換為Cys，D錯誤。
　　　　同位素標記法在DNA相關實驗中的應用
根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型，有些病毒對人類健康會造成很大危害，通常一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。
假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換，請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型，簡要寫出：(1)實驗思路；(2)預期實驗結果及結論即可。(要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組)
解析：(1)由于DNA和RNA有各自的特有堿基，DNA特有堿基為T，RNA特有堿基為U，在用放射性同位素標記堿基U的培養基中培養宿主細胞，使宿主細胞含有放射性。再用病毒去侵染含放射性的宿主細胞，看子代病毒是否含有放射性，為甲組；在用放射性同位素標記堿基T的培養基中培養宿主細胞，使宿主細胞含有放射性。再用病毒去侵染含放射性的宿主細胞，看子代病毒是否含有放射性，為乙組。(2)若甲組收集的病毒有放射性，乙組無，即為RNA病毒；反之為DNA病毒。
答案：(1)實驗思路：甲組：將宿主細胞培養在含有放射性標記尿嘧啶的培養基中，之后接種新病毒，培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。乙組：將宿主細胞培養在含有放射性標記胸腺嘧啶的培養基中，之后接種新病毒，培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。(2)結果及結論：若甲組收集的病毒有放射性，乙組無，即為RNA病毒；若乙組收集的病毒有放射性，甲組無，即為DNA病毒。
細胞分裂與DNA復制
(1)有絲分裂與DNA復制的關系
如果用15N標記細胞中的核DNA分子，然后將細胞放在正常環境(含14N)中培養，讓其進行兩次有絲分裂，結果染色體中的DNA標記情況如圖所示：
這樣來看，最后形成的4個子細胞有3種情況：第1種情況是4個細胞都是；第2種情況是2個細胞是，1個細胞是，1個細胞是；第3種情況是2個細胞是，2個細胞是。
(2)減數分裂與DNA復制的關系
如果用15N標記細胞中的核DNA分子，然后將細胞放在正常環境(含14N)中培養，讓其進行減數分裂，結果染色體中的DNA標記情況如圖所示：
由圖可以看出，減數分裂過程中細胞雖然連續分裂2次，但DNA只復制1次，所以4個子細胞均為，細胞中所有DNA分子均呈雜合狀態。
(3)解題步驟
第一步
畫出含一條染色體的細胞圖，下方畫出該條染色體上的1個DNA分子，用豎實線表示含同位素標記
第二步
畫出復制一次，分裂一次的子細胞染色體圖，下方畫出染色體上的DNA鏈，未被標記的新鏈用豎虛線表示
第三步
再畫出第二次復制(分裂)后的細胞的染色體組成和DNA鏈的情況
第四步
若繼續推測后期情況，可想象著絲粒分裂，染色單體分開的局面，并進而推測子細胞染色體的情況
1．水稻體細胞中含24條染色體，現有一水稻根尖分生區細胞，此細胞中的DNA雙鏈均被15N標記。將其放入含14N的培養基中進行培養，下列有關敘述錯誤是(　　)
A．細胞有絲分裂一次，被15N標記的子細胞占所有子細胞的比例為100%
B．細胞有絲分裂兩次，被15N標記的子細胞占所有子細胞的比例為50%或100%
C．細胞有絲分裂n次(n＞6)，被15N標記的子細胞最多有48個
D．細胞有絲分裂n次(n＞6)，被15N標記的子細胞最少有2個
B　解析：以一條染色體分析標記物情況如下圖：
由以上分析可知，細胞有絲分裂一次，全部子細胞均會被15N標記；細胞有絲分裂兩次，因著絲粒分裂時，含15N的子染色體是隨機拉向細胞的一極，有可能出現15N全被拉向同一極，或拉向兩極，因而，被15N標記的子細胞占所有子細胞比例可能為50%或75%或100%；同理，細胞有絲分裂n次(n＞6)，被15N標記的子細胞最多有48個，若每次分裂時15N均全被拉向細胞一極，則可能出現只有2個細胞被15N標記，綜上所述，選B項。
2．取1個含有1對同源染色體的精原細胞，用15N標記細胞核中的DNA，然后放在含14N的培養基中培養，讓其連續進行兩次有絲分裂，形成4個細胞，這4個細胞中含15N的細胞個數可能是(　　)
A．2
B．3
C．4
D．前三項都可能
D　解析：繪制圖示如下：
這樣來看，最后形成的4個子細胞有3種情況：第1種情況是4個細胞都是；第2種情況是2個細胞是，1個細胞是，1個細胞是；第3種情況是2個細胞是，2個細胞是。
3．同位素標記法在遺傳學的研究中發揮了重要作用。請根據所學知識回答下列問題：
(1)現提供3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸、尿嘧啶核糖核苷酸以及亮氨酸，若要研究抗體的合成與轉運，應選擇____________；若要驗證抗體合成所需的直接模板，應選擇____________________。
(2)為探究T2噬菌體的遺傳物質，用放射性同位素標記的T2噬菌體侵染未被標記的大腸桿菌，經短時間保溫培養、攪拌離心，檢測到上清液中的放射性很低。此組實驗標記的元素是________，離心的目的是_____________。
(3)科學家將15N標記的DNA分子(15N15N?DNA)放到含14N的培養液中培養，讓其復制3次。將親代DNA和每次復制產物置于試管進行離心，結果如圖。其中代表復制2次后的分層結果是________(填字母)，理由是_______________________________________。
解析：(1)抗體的化學本質是蛋白質，其基本組成單位是氨基酸，因此若要研究抗體的合成與轉運，應選擇3H標記的亮氨酸；抗體是蛋白質，其合成的直接模板是mRNA，若要驗證抗體合成所需的直接模板，應選擇3H標記的尿嘧啶核糖核苷酸。(2)噬菌體侵染細菌的實驗分兩組，一組噬菌體用35S對其蛋白質外殼進行標記，另一組用32P對噬菌體的核酸進行標記。噬菌體在侵染細菌時，只是把遺傳物質DNA注入細菌，因此如果標記的是蛋白質，則上清液放射性高，沉淀物放射性很低；如果標記的是DNA，則上清液放射性很低，沉淀物放射性高。綜上所述，此組實驗中標記的是DNA，即DNA中的P元素。此實驗過程中，離心的目的是讓上清液中析出質量較輕的T2噬菌體顆粒，沉淀物中留下被侵染的大腸桿菌。(3)由于DNA分子的復制方式是半保留復制，一個用15N標記的DNA在含14N的培養液中培養，復制1次后，每個DNA分子的一條鏈含15N，一條鏈含14N，離心后對應圖中的b，復制2次后，產生4個DNA分子，其中含15N和14N的DNA分子為2個，只含14N的DNA分子為2個，離心后對應圖中的c。
答案：(1)3H標記的亮氨酸　3H標記的尿嘧啶核糖核苷酸　(2)P　讓上清液中析出質量較輕的T2噬菌體顆粒，沉淀物中留下被侵染的大腸桿菌　(3)c　DNA復制方式為半保留復制，15N15N?DNA分子復制2次后，子代中1/2為15N14N?DNA，1/2為14N14N?DNA，離心結果與c相符
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