第一讲 遗传的物质基础与基因工程

第一讲遗传的物质基础与基因工程专题五遗传、变异和生物进化DNA是主1.要的遗传物质直接证据：肺炎双球菌转化实验和实验，实验的思路都是设法将，单独地、直接地观察它们是否具有遗传作用遗传物质：细胞生物的遗传物质是，病毒的遗传物质是噬菌体侵染细菌DNA和其他物质分开DNADNA或RNA2.DNA分子的结构和复制结构特点稳定性：外侧是交替排列，构成骨架；内侧通过形成碱基对多样性：构成DNA的千变万化特异性：DNA分子中碱基对的特定排列顺序决定脱氧核糖和磷酸氢键碱基对的数目、比例和排列顺序复制场所：主要在内条件：原料、能量、、特点：准确复制的原因：DNA分子的为复制提供了精确的模板，保证了复制的准确进行细胞核酶模板边解旋边复制双螺旋结构碱基互补配对3.基因的结构及表达基因的概念：具有的DNA片段，是决定生物性状的结构：包括编码区和。与原核细胞相比，真核细胞基因结构特点是编码区是、遗传效应基本单位非编码区间隔的不连续的表达（1）遗传信息是指DNA分子中的排列顺序（2）细胞生物遗传信息流动方向可表示为：（3）基因对性状的控制途径：其一是通过控制酶的合成来控制代谢；其二是通过控制来直接影响性状脱氧核苷酸蛋白质分子结构4.基因工程操作工具：、DNA连接酶、运载体操作步骤：、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细胞、限制酶提取目的基因目的基因的检测和表达考点一DNA是遗传物质的经典实验分析1.设计思路与方法思路肺炎双球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验的实验思路基本相同，即将肺炎双球菌或噬菌体的DNA与其他化学成分（特别是蛋白质）分离，然后用各种成分分别单独进行转化实验或侵染实验，观察各自的遗传功能方法采用的方法有所不同。在肺炎双球菌转化实验中，采用直接分离法，即真正将S型细菌的DNA与其他成分分离，然后用每种单一成分与R型细菌混合，做体外转化实验。在噬菌体侵染细菌的实验中，采用放射性同位素标记法进行实验2.实验设计原则（1）肺炎双球菌转化实验中的相互对照S型细菌DNA糖类蛋白质脂质DNA分解物①DNA是遗传物质②其他物质不是遗传物质（2）噬菌体侵染细菌实验中的自身对照噬菌体侵染细菌后离心上清液沉淀物被35S标记了蛋白质放射性很高放射性很低被32P标记了DNA放射性很低放射性很高（3）实验结论肺炎双球菌转化实验的结论：证明DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质。噬菌体侵染细菌实验的结论：证明DNA是遗传物质，不能证明蛋白质不是遗传物质，因蛋白质没有进入细菌体内。（08·江苏卷）某研究人员模拟肺炎双球菌转化实验，进行了以下4个实验：①S型菌的DNA+DNA酶→加入R型菌→注射入小鼠②R型菌的DNA+DNA酶→加入S型菌→注射入小鼠③R型菌+DNA酶→高温加热后冷却→加入S型菌的DNA→注射入小鼠④S型菌+DNA酶→高温加热后冷却→加入R型菌的DNA→注射入小鼠以上4个实验中小鼠存活的情况依次是()A.存活，存活，存活，死亡B.存活，死亡，存活，死亡C.死亡，死亡，存活，存活D.存活，死亡，存活，存活解析①中S型菌DNA已被DNA酶分解，小鼠存活；②中可完成细胞的转化，小鼠死亡；③④高温加热后，细菌被杀灭，小鼠存活。D（09·江苏卷）科学家从烟草花叶病毒(TMV)中分离出a、b两个不同品系，它们感染植物产生的病斑形态不同。下列4组实验（见下表）中，不可能出现的结果是（）实验编号实验过程实验结果类型病斑病斑中分离出的病毒类型①a型TMV→感染植物a型a型②b型TMV→感染植物b型b型③组合病毒(a型TMV的蛋白质+b型TMV的RNA)→感染植物b型a型④组合病毒(b型TMV的蛋白质+a型TMV的RNA)→感染植物a型a型A.实验①B.实验②C.实验③D.实验④解析烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，所以由RNA控制其性状。③中的组合病毒感染植物后，病斑类型是b型，应分离出b型病毒。答案C考点二与碱基数量有关的计算规律的总结1.关于DNA的计算（1）在双链DNA中%C%GT%A%CGTA或①知一求三：如C%=28%则G%=28%A%=T%=22%②(A+G)%=(T+C)%=…=50%③比值：……注意：④特定值，代表着DNA的特异性1GTCA,1CTGACGTA（2）设一个双链DNA分子中含有的脱氧核苷酸（或碱基）有2m个，则每条单链的数量为m个α链－A－G－C－T－T－C－C－…m┋┋┋┋┋┋┋β链－T－C－G－A－A－G－G－…m双链双链C）G（21C）G（C）G（T）A（21T）A（T）（A⑤GCCGATTAβαβαβαβαβαβα%G%C%C%G%A%T%T%A：βαβαβαβα同理%C)(G%C)(G%C）G（%C）G（%U)(A%T）A（%T）A（%TA⑥RNAβαRNAβα双双双CGTACGUACGTACGTA⑦RNAβαn1CUGAnCTGA⑧RNAα则设以α链为模板合成的RNA中n1CUCARNA注意上述⑥⑦公式是很有用的，“单双链过渡公式”需熟练推导，灵活运用。2.关于DNA复制和表达中的计算（1）DNA复制原料的计算：复制n次共需核苷酸的数量为母链的（2n-1）倍，第n次复制需核苷酸为母链的2n-1倍。（2）有关重轻链问题：利用同位素（如15N）示踪技术和密度梯度离心技术检测，DNA复制n次后，只有两个中链DNA（一条链含14N，一条链含15N），其余（2n-2）个DNA全为轻链（两条链均为14N）。（3）基因表达过程中的比例：基因碱基数∶mRNA碱基数∶氨基酸数=6∶3∶1，此比例为近似值，忽略了基因上终止密码子所对应的碱基。3.碱基比例的运用由核酸所含碱基种类及比例可以分析判断核酸的种类。（1）若有U无T，则该核酸为RNA。（2）若有T无U，且A=T，G=C，则该核酸一般为双链DNA。（3）若有T无U，且A≠T，G≠C，则该核酸为单链DNA。关于下图中DNA分子的说法，正确的是（）A.③对维持DNA分子结构的稳定性起到非常重要的作用，是限制性核酸内切酶的作用部位B.该DNA分子的特异性表现在碱基种类和（A+T）/（G+C）的比例上C.若该DNA分子中A有p个，占全部碱基的n/m（m2n），则G的个数为（pm/2n-p）个D.把此DNA分子放在含15N的培养液中复制两代，子代中含15N的DNA占3/4解析DNA分子的稳定性依赖于磷酸与脱氧核糖形成的基本骨架和通过碱基互补配对原则形成的碱基对，限制性核酸内切酶可作用于磷酸与脱氧核糖形成的磷酸二酯键，而非③处，故A项错误；DNA分子的特异性可表现在（A+T）/（G+C）的比例上，而非碱基种类，因其碱基种类都是A、T、G、C四种，故B项错误；把此DNA分子放在含15N的培养液中复制两代，子代中所有DNA分子都含15N，故D项错误；双链DNA分子中，A=T、G=C，当“DNA中A有p个，占全部碱基的n/m”时，G的个数为［p/（n/m）-2p］/2=pm/2n-p（个），故C项正确。答案C将含有两对同源染色体，其DNA分子都已用32P标记的精原细胞，放在只含31P的原料中进行减数分裂。则该细胞所产生的四个精子中，含31P和32P标记的精子所占的比例分别是（）A.50%、50%B.50%、100%C.100%、50%D.100%、100%解析精原细胞中有两对同源染色体，其DNA分子都已用32P标记，在减数分裂的间期，进行DNA分子的复制，复制的结果是形成一条链含32P、一条链含31P的DNA分子，因此减数分裂形成的每个精子中的两条DNA分子链中，一条链含32P、一条链含31P。D考点三有关基因的结构和功能的知识整合1.基因的结构层次及其与DNA、染色体的关系2.基因的功能及其联系（1）基因的功能通过复制传递遗传信息通过转录和翻译表达遗传信息（2）基因功能和联系3.基因与细胞分裂、细胞分化的关系（1）细胞分裂间期可发生DNA复制、转录和翻译过程，DNA复制只发生在细胞分裂过程中。（2）细胞分化的实质是基因的选择性表达，可发生转录和翻译过程。4.基因与性状的关系（1）基因控制生物的性状5.DNA、mRNA的碱基与合成的蛋白质中氨基酸的数量关系（1）基因中碱基数∶mRNA中碱基数∶氨基酸数=6∶3∶1。（2）上述比例关系是建立在基因中全部碱基都参与指导蛋白质合成基础之上的，实际合成出的氨基酸数要小于基因中碱基数的六分之一。其原因是：①基因中存在非编码区；②真核生物的编码区中有内含子；③编码区内含有与转录出的mRNA上的终止密码子相对应的碱基序列；④若考虑整个DNA分子，则还有连接相邻基因的无遗传效应的DNA片段。（09·上海卷）某条多肽的相对分子质量为2778，若氨基酸的平均相对分子质量为110,如考虑终止密码子，则编码该多肽的基因长度至少是（）A.75对碱基B.78对碱基C.90对碱基D.93对碱基解析设该多肽由n个氨基酸组成，则110n-（n-1）×18=2778,得n=30，则编码该多肽的基因的长度至少为（3n+3）个碱基对，即93对碱基。D（09·宁夏、辽宁理综）多数真核生物基因中编码蛋白质的序列被一些不编码蛋白质的序列隔开，每一个不编码蛋白质的序列称为一个内含子。这类基因经转录、加工形成的mRNA中只含有编码蛋白质的序列。某同学为检测某基因中是否存在内含子，进行了下面的实验：步骤①：获取该基因的双链DNA片段及其mRNA；步骤②：加热DNA双链使之成为单链，并与步骤①所获得的mRNA按照碱基互补配对原则形成双链分子；步骤③：制片、染色、电镜观察，可观察到图中结果。请回答：（1）图中凸环形成的原因是，说明该基因有个内含子。（2）如果先将步骤①所获得的mRNA逆转录得到DNA单链，然后该DNA单链与步骤②中的单链DNA之一按照碱基配对原则形成双链分子，理论上也能观察到凸环，其原因是逆转录得到的DNA单链中不含有序列。（3）DNA与mRNA形成的双链分子中碱基配对类型有种，分别是。解析由于mRNA中只含有编码蛋白质的序列，不含有与内含子对应的序列，因此当DNA单链与mRNA按照碱基互补配对原则形成双链时，DNA链上的内含子序列因不能与mRNA互补配对而形成凸环。每个凸环代表一个内含子，据图可知有7个内含子。由于mRNA中只含有编码蛋白质的序列，不含有与内含子对应的序列，因此当逆转录形成的DNA单链与步骤②中的单链DNA之一进行碱基互补配对时，仍能观察到凸环。DNA与mRNA形成的双链分子时，碱基配对类型包括A—U、T—A、C—G三种。答案（1）DNA中有内含子序列，mRNA中没有其对应序列，变性后形成的DNA单链之一与mRNA形成双链分子时，该单链DNA中无法与mRNA配对的序列能形成凸环7（2）内含子（3）3A—U、T—A、C—G考点四基因工程的几个关键问题1.基因工程中，切取目的基因和运载体必须使用同一种限制性核酸内切酶，获得相同的黏性末端，以利于目的基因与运载体结合。2.限制性核酸内切酶和DNA连接酶都作用于磷酸二酯键，不同的是限制性核酸内切酶打开此键，而DNA连接酶使其重新形成。3.目的基因与运载体结合时，可出现三种情况：目的基因与目的基因连接，运载体与运载体连接，目的基因与运载体连接，只有最后一种是基因工程中所需要的。4.目的基因的检测与表达：目的基因的检测是根据运载体上的标志性基因所控制的生物性状（如抗四环素基因使受体细胞能在含有四环素培养基上生长）是否表现来判断。5.目的基因能否得到表达，决定于导入受体细胞后，该受体细胞中的RNA聚合酶能否识别该目的基因编码区上游非编码区内的RNA聚合