第4章基因的表達第1節(jié)基因指導蛋白質的合成1.P64問題探討：美國科幻電影《侏羅紀公園》曾轟動一時。影片圍繞著虛構的“侏羅紀公園”，展現(xiàn)了豐富而新奇的科學幻想:各種各祥的恐龍飛奔跳躍、相互爭斗，而這些復活的恐龍是科學家利用提取的恐龍DNA還原而來的。討論：從原理上分析，利用已滅絕生物的DNA,真的能夠使它們復活嗎?提示:“問題探討”意在引導學生思考DNA在生物體內有哪些作用，又是如何發(fā)揮作用的。一種生物的整套DNA中儲存著該種生物生長、發(fā)育等生命活動所需的全部遺傳信息，也可以說是構建生物體的藍圖。但是，從DNA到具有各種性狀的生物體，需要通過極其復雜的基因表達及調控過程才能實現(xiàn)。因此，在可預見的將來，利用DNA來使滅絕的生物復活仍是難以做到的。2.P66思考?討論：遺傳信息的轉錄過程（1）轉錄與DNA復制有什么共同之處?這對保證遺傳信息的準確轉錄有什么意義?提示:可以從所需條件、過程中的具體步驟所表現(xiàn)出的規(guī)律等角度分析。例如，轉錄與復制都需要模板、都遵循堿基互補配對原則等。其中，堿基互補配對原則能夠保證遺傳信息傳遞的準確性。（2）與DNA復制相此，轉錄所需要的原料和酶各有什么不同?提示:DNA復制所需要的原料是4種游離的脫氧核苷酸，所需要的酶是解旋酶和DNA聚合酶;轉錄所需要的原料是4種游離的核糖核苷酸，所需要的酶是RNA聚合酶。（3）轉錄咸的RNA的堿基序列，與DNA兩條單鏈的堿基序列各有哪些異同?提示:轉錄時，游離的核糖核苷酸與DNA模板鏈上的堿基互補配對。因此，轉錄成的RNA的堿基與DNA模板鏈的堿基是互補配對的關系。該RNA的堿基序列與DNA另一條鏈(非模板鏈)的堿基序列的區(qū)別是RNA鏈上的堿基U，對應在非模板鏈上的堿基是T。3.P67思考?討論：分析密碼子的特點（1）從密碼子表可以看出，像苯丙氨酸、亮氨酸這樣，絕大多數(shù)氨基酸都有幾個密碼子，這一現(xiàn)象稱作密碼子的簡并。你認為密碼子的簡并對生物體的生存發(fā)展有什么意義?提示:這是一-道開放性問題，旨在促進學生積極思考，不必對答案作統(tǒng)一要求。可以從增強密碼子容錯性的角度來解釋，當密碼子中有一個堿基改變時，由于密碼子的簡并性，可能并不會改變其對應的氨基酸;也可以從密碼子的使用頻率來考慮，當某種氨基酸使用頻率高時，幾種不同的密碼子都編碼同一種氨基酸可以保證翻譯的速度。（2）幾乎所有的生物體都共用上述密碼子。根據(jù)這一事實，你能想到什么?提示:這是一道開放性問題，答案并不唯一，旨在培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維。根據(jù)這一事實能想到地球上幾乎所有的生物都共用一套遺傳密碼，說明當今生物可能有著共同的起源，或生命在本質上是統(tǒng)一的，等等。4.P69練習與應用一、概念檢測。1.基因的表達包括遺傳信息的轉錄和翻譯兩個過程。判斷下列相關表述是否正確。(1)DNA轉錄形成的mRNA,與母鏈堿基的組成、排列順序都是相同的。(×)(2)一個密碼子只能對應一種氨基酸，一種氨基酸必然有多個密碼子。(×)2.密碼子決定了蛋白質的氨基酸種類以及翻譯的起始和終止。密碼子是指(D)A.基因上3個相鄰的堿基B.DNA上3個相鄰的堿基C.tRNA上3個相鄰的堿基D.mRNA上3個相鄰的堿基二、拓展應用紅霉索、環(huán)丙沙星、利福平等抗菌藥物能夠抑制細菌的生長，它們的抗菌機制如下表所示，請結合本節(jié)內容說明這些抗菌藥物可用于治療疾病的道理。提示：題中的三種抗生素都是通過阻止遺傳信息的傳遞和表達，來干擾細菌蛋白質的合成，進而抑制細菌生長的。具體而言，紅霉素影響翻譯過程，環(huán)丙沙星影響復制過程，利福平影響轉錄過程。第2節(jié)基因表達與性狀的關系1.P71問題探討：同一株水毛莨，裸露在空氣中的葉和浸在水中的葉，表現(xiàn)出了兩種不同的形態(tài)。討論：（1）這兩種形態(tài)的葉，其細胞的基因組成一樣嗎?提示：這兩種形態(tài)的葉，其細胞的基因組成是一樣的。（2）這兩種葉形的差異，可能是由什么因素引起的?提示:這兩種葉形的差異，可能是由葉片所處的環(huán)境因素引起的。2.P72思考?討論：分析不同類型細胞中DNA和mRNA的檢測結果（1）這3種細胞中合成的蛋白質種類有什么差別?提示:3種基因轉錄的mRNA分別出現(xiàn)在3種細胞中，表明每種細胞只合成3種蛋白質中的一-種。因此，這3種細胞中合成的蛋白質種類不完全相同，雖然有些蛋白質在所有的細胞中都合成，但也有--些特定功能的蛋白質只在特定的細胞中合成。（2）3種細胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰島素基因，但只檢測到其中一種基因的mRNA,這一亭實說明了什么?提示：這一事實說明，細胞中并不是所有的基因都表達，基因的表達存在選擇性。3.P73思考?討論2：柳穿魚花的形態(tài)結構和小鼠毛色的遺傳資料1：柳穿魚花的形態(tài)結構與Lcyc基因的表達直接相關。上圖所示的兩株柳穿魚，它們體內Lcyc基因的序列相同，只是植株A的Lcyc基因在開花時表達，植株B的Lcye基因不表達。研究表明，植株B的Lcyc基因不表達的原因是它被高度甲基化(

Lcyc基因有多個堿基連接甲基基團)了。

科學家將這兩個植株作為親本進行雜交，F(xiàn)的花與植株A的相似，F(xiàn)自交的F2中絕大部分植株的花與植株A的相似，少部分植株的花與植株B的相似。資料2：某種實驗小鼠的毛色受

-對等位基因A"和a的控制，A"為顯性基因，表現(xiàn)為黃色體毛，a為隱性基因，表現(xiàn)為黑色體毛。將純種黃色體毛的小鼠與純種黑色體毛的小鼠雜交，子一代小鼠的基因型都是A"a,卻表現(xiàn)出不同的毛色:介于黃色和黑色之間的一系列過渡類型。研究表明，在A"基因的前端(或稱手“上游”)

有一段特殊的堿基序列決定著該基因的表達水平，

這段堿基序列具有多個可發(fā)手生DNA甲基化修飾的位點。當這些位點沒有甲基化時，A"基因正常表達，小鼠表現(xiàn).為黃色;

當這些位點甲基化后，A"基因的表達就受到抑制。這段堿基序列的甲基化程度越高，AD

基因的表達受到的抑制越明顯，」小鼠體

毛的顏色就越深。（1）上述資料中，柳穿魚和小鼠性狀改變的原因是什么?提示：柳穿魚花的形態(tài)改變是因為Lcyc基因的部分堿基被高度甲基化，小鼠毛色的改變是因為A"y基因前端有一段影響AvY基因表達的特殊的堿基序列甲基化。發(fā)生在基因或基因前端的甲基化修飾均導致相關基因的表達受到抑制，進而影響性狀。（2）分析資料1,F?的花為什么與植株A的相似?在F?中，為什么有些植株的花與植株B的相似?提示：F?植株同時含有來自植株A和植株B的Lcyc基因。植株A的Lcyc基因能夠表達，表現(xiàn)為顯性;植株B的Lcyc基因由于部分堿基被甲基化，基因表達受到抑制，表現(xiàn)為隱性。因此，同時含有這兩個基因的F?中，F(xiàn)?的花與植株A的相似。F?自交后，F(xiàn)?中有少部分植株含有兩個來自植株B的Lcyc基因，由于該基因的部分堿基被甲基化，基因表達受到抑制，因此，這部分植株的花與植株B的相似。（3）資料1和資料2展示的遺傳現(xiàn)象有什么共同點?這對你認識基因和性狀的關系有什么啟示?提示：資料1和資料2展示的遺傳現(xiàn)象都表現(xiàn)為基因的堿基序列保持不變，但部分堿基發(fā)生了甲基化修飾，抑制了基因的表達，進而對表型產生影響。這種DNA甲基化修飾可以遺傳給后代，使后代出現(xiàn)同樣的表型。基因的堿基序列保持不變，性狀發(fā)生改變，這表明基因與性狀的關系并不是簡單的一對應的關系，基因的表達受到很多因素的影響，體現(xiàn)了基因與性狀之間關系的復雜性。4.P74批判性思維：你如何評價基因決定生物體的性狀這一觀點?提示:此問題旨在引導學生客觀全面地評價基因決定生物體的性狀的觀點，性狀的形成往往是內因(基因)與外因(環(huán)境)相互作用的結果，并且環(huán)境能夠通過對基因或染色體上其他成分的修飾，調控基因的表達進而影響性狀。5.P75思維訓練：遺傳學家曾做過這樣的實驗:果蠅幼蟲正常的培養(yǎng)溫度為25℃，將剛孵化的殘翅果蠅幼蟲放在31℃的環(huán)境中培養(yǎng)，得到了一些翅長接近正常的果蠅成蟲，這些翅長接近正常的果蠅在正常環(huán)境溫度下產生的后代仍然是殘翅果蠅。

請針對高溫培養(yǎng)殘翅果蠅幼蟲得到翅長接近正常的果蠅成蟲的原因提出假說，進行解釋。（翅的發(fā)育是否經過酶催化的反應?酶與基因的關系是怎樣的?酶與溫度的關系是怎樣的?）提示:果蠅翅的發(fā)育需要經過酶催化的反應，而酶是在基因控制下合成的，酶的活性受溫度、pH等條件的影響。有些同學可能會在表觀遺傳方面思考，教師應提醒學生表觀遺傳是能夠遺傳的，而此段文字中表述的現(xiàn)象并未發(fā)生遺傳。6.P75練習與應用一、概念檢測1.個體的性狀和細胞的分化都取決于基因的表達及其調控。判斷下列相關表述是否正確。(1)基因與性狀之間是一對應的關系。(×)(2)細胞分化產生不同類型的細胞，是因為不同類型的細胞內基因的表達存在差異。(√)2.我國科學家將含有人凝血因子基因的DNA片段注射到羊的受精卵中，由該受精卵發(fā)育而成的羊，分泌的乳汁中含有人的凝血因子，可治療血友病。下列敘述錯誤的是(C)A.這項研究說明人和羊共用一套遺傳密碼B.該羊的乳腺細胞中含有人的凝血因子基因C.該羊分泌的乳汁中含有人的凝血因子基因D.該羊的后代也可能含有人的凝血因子基因二、拓展應用1.有人說，“基因是導演，蛋白質是演員，性狀是演員的表演作品。”你認為這種說法有道理嗎?為什么?請你整理總結基因、蛋白質和性狀三者之間的關系。提示：這種說法有一定的道理。基因通常是有遺傳效應的DNA片段，DNA上特定的堿基排列順序，蘊含著一定的遺傳信息，可類比成組織者(導演)，負責整部作品的呈現(xiàn)；蛋白質是生命活動的主要承擔者，具體參與細胞的各項生命活動，可類比成執(zhí)行者(演員)；而性狀則是生物體表現(xiàn)出來的形態(tài)結構、生理和行為等特征的總和，主要是由蛋白質參與完成的，可類比成呈現(xiàn)方式(作品)。當然，打比方總會有比得不合理之處，因此，只能說有一定的道理。三者之間的關系是：基因通過控制蛋白質的合成控制生物體的性狀。2.孟德爾通過豌豆雜交實驗發(fā)現(xiàn)了分離定律和自由組合定律，然而，與他同時代的一些生物學家利用某些植物做一些性狀的雜交實驗時，并沒有得出3:1和9:3:3:1的數(shù)量比;孟德爾用山柳菊也未得到與豌豆雜交實驗相同的結果。請回答下列問題。(1)為什么利用這些植物進行某些性狀的雜交實驗時，難以得出3:1和9:3:3:1的數(shù)量比?請運用所學知識對可能的原因作出推測。提示：第一，基因與性狀的關系并不是簡單的一一對應的關系，存在多對基因控制對性狀和一對基因控制多對性狀的情形；第二，核基因在染色體上呈線性排列，因此這些基因有可能位于同源染色體上，導致這些基因控制的性狀不遵循自由組合定律；第三，某些植物進行無性生殖，性狀傳遞也不遵循孟德爾遺傳規(guī)律；第四，個別性狀可能是細胞質基因控制或與母本提供的細胞質成分有關。(2)你怎樣看待科學實驗的可重復性?提示：科學實驗必須是可重復的，只有這樣才能說明實驗的現(xiàn)象和結果是一種必然規(guī)律，而不是偶然發(fā)生的。科學實驗的可重復性包括兩方面：第一，實驗樣本量足夠大，在相同實驗條件下要有足夠的重復觀察次數(shù)；第二，任何實驗結果的可靠性應經得起獨立重復實驗的考驗，重復實驗是檢查實驗結果可靠性的唯一方法。由于生物多樣性的存在，不同生物的背景條件隱蔽且不一致(如山柳菊以無性生殖為主)，導致生命世界的很多現(xiàn)象具有獨特性，不能用統(tǒng)一的定律解釋。因此，生命科學實驗的可重復性是有一定前提和條件限制的。3.某種貓的雄性個體有兩種毛色:黃色和黑色;而雌性個體有三種毛色:黃色、黑色、黑黃相間。分析這種貓的基因，發(fā)現(xiàn)控制毛色的基因是位于X染色體上的一對等位基因:……請查找資料，尋找答案。提示：這是一道開放性問題，意圖是讓學生學會查閱資料，不要求學生給出標準答案。資料顯示:哺乳動物雌雄個體的體細胞中雖然x染色體數(shù)量不同，但X染色體上的基因所表達的蛋白質的量是平衡的，這個過程稱為劑量補償。雌貓比雄貓多出1條X染色體，由于劑量補償效應，在胚胎初期，細胞中的1條X染色體就會隨機發(fā)生固縮失活，形成巴氏小體，而且發(fā)生染色體失活的細胞通過有絲分裂產生的子細胞也保留相同的染色體失活狀態(tài)。對于基因型為XBX〇的雌貓，如果體細胞中攜帶黑毛基因B的X染色體失活，XB就不能表達，而另一條X染色體上的X〇表達，那么由該細胞增殖而來的皮膚上會長出黃色體毛;同理，如果體細胞中攜帶黃毛基因O的X染色體失活，則X〇不表達，XB表達，由該細胞增殖而來的皮膚上就會長出黑色體毛。因此，基因型為XBX〇的雌貓會呈現(xiàn)黑黃相間的毛色。7.P78復習與提高一、選擇題1.已知一段雙鏈DNA中，鳥嘌呤所占的比例為20%，由這段DNA轉錄出來的mRNA中，胞嘧啶的比例是(D)

A.10%B.20%C.40%D.無法確定

2.一條肽鏈有500個氨基酸，則作為合成該肽鏈模板的mRNA和用來轉錄mRNA的DNA的堿基至少有(D)

A.500個和1000個B.1000個和2

000個C.1500個和1500個D.1500個和3000個

3.基因指導蛋白質合成的過程包括轉錄和翻譯，下列相關敘述錯誤的是(C)

A.轉錄和翻譯都遵循堿基互補配對原則B.轉錄以核糖核苷酸為原料，翻譯以氨基酸為原料

C.遺傳信息既可以從DNA流向蛋白質，也可以從蛋白質流向DNA

D.在真核細胞中，染色體上基因的轉錄和翻譯是在細胞內的不同區(qū)室中進行的

4.基于對基因與生物體性狀關系的理解，判斷下列表述正確的是(A)

A.生物體的性狀主要是由基因決定的B.每種性狀都是由一個特定的基因決定的C.基因都是通過控制酶的合成來控制性狀的D.基因的堿基序列相同，該基因決定的性狀一定相同

5.人體的神經細胞和肌細胞的形態(tài)、結構和功能不同，是因為這兩種細胞內(C)

A.tRNA不同B.rRNA不同C.mRNA不同D.DNA上的遺傳信息不同二、非選擇題1.我國科學家發(fā)現(xiàn)在體外實驗條件下，某兩種蛋白質可以形成含鐵的桿狀多聚體，這種多聚體能識別外界磁場并自動順應磁場方向排列。編碼這兩種蛋白質的基因，在家鴿的視網(wǎng)膜中共同表達。請回答下列問題。

(1)家鴿視網(wǎng)膜細胞表達這兩種蛋白質的基本過程是。

提示：在視網(wǎng)膜細胞的細胞核中，編碼這兩種蛋白質的基因分別轉錄出相應的mRNA，mRNA通過核孔進人細胞質，在核糖體上翻譯出蛋白質。

(2)家鴿的所有細胞是否都含有這兩個基因并進行表達(答“是”或“否")，

判斷的理由是。

提示：否。家鴿的所有細胞均由受精卵發(fā)育而來，因此所有的細胞都含有這兩個基因，但這兩個基因只在部分細胞(如視網(wǎng)膜細胞)中特異性表達，不會在所有細胞中都表達。

(3)如果這兩個基因失去功能，家鴿的行為可能發(fā)生的變化是。。要驗證你的推測，請設計實驗來驗證，寫出你的實驗思路:提示：無法合成有功能的含鐵的桿狀蛋白質多聚體，可能導致家鴿無法“導航”，失去方向感。以A、B分別代表編碼這兩種蛋白質的基因。先設法去除家鴿的這兩個基因(基因敲除)，組別為①去除A基因，②去除B基因，③同時去除A基因和B基因，④不去除基因的家