【原】基因的本質與表達

1.格里菲思的體內轉化實驗

(1)實驗材料：S型和R型肺炎雙球菌、小鼠。

(2)實驗過程及結果：

(3)結論：加熱殺死的S型細菌中含有某種轉化因子使R型活細菌轉化為S型活細菌。

注意：?S型細菌能讓人患肺炎，小鼠患敗血癥。

?肺炎雙球菌體內轉化實驗中“加熱”導致DNA和蛋白質變性，但DNA變性在加熱結束后隨溫度的恢復又逐漸恢復活性。

2.艾弗里的體外轉化實驗

(1)實驗目的：探究S型細菌中的“轉化因子”是DNA還是蛋白質或多糖？

(2)方法：直接分離S型細菌的DNA、莢膜多糖、蛋白質等，將它們分別與R型細菌混合培養，研究它們各自的遺傳功能。

(3)實驗過程及結果

(4)結論：DNA是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質，即DNA是遺傳物質，而蛋白質不是遺傳物質。

注意：①格里菲思的體內轉化實驗只提出“S型細菌體內有轉化因子”，并沒有具體證明哪種物質是轉化因子。艾弗里的實驗可以證明DNA是遺傳物質。

②格里菲思實驗第四組小鼠體內分離出的細菌和艾弗里S型菌的DNA＋R型活菌培養基上生存的細菌都是R型和S型都有，且R型多。因為由于轉化受到DNA的純度、兩種細菌的親緣關系、受體菌的狀態等因素的影響，所以轉化過程中并不是所有的R型細菌都轉化成S型細菌，而只是少部分R型細菌轉化成S型細菌。

③“轉化”的實質是外源DNA和受體細胞DNA之間的重組，使受體細胞獲得了新的遺傳信息。實質為基因重組。

④艾弗里實驗的不足之處是DNA純度不夠。

3.噬菌體侵染細菌實驗

①實驗材料

T₂噬菌體和大腸桿菌。

(1)噬菌體的結構及生活方式

(2)噬菌體的復制式增殖

②實驗方法

同位素標記法。該實驗中用³⁵S、³²P分別標記蛋白質和DNA。

③實驗過程及結果

(1)標記噬菌體

(2)噬菌體侵染細菌

④實驗結果分析

(1)噬菌體侵染細菌時，其DNA進入細菌細胞中，而蛋白質外殼留在外面。

(2)子代噬菌體的各種性狀是通過親代DNA遺傳的。

⑤結論

DNA是遺傳物質。

注意：①噬菌體不能用培養基直接培養，因為病毒營寄生生活，故應先培養細菌，再用細菌培養噬菌體。

②T2噬菌體增殖場所是大腸桿菌細胞內，除噬菌體的DNA作模板起指導作用外，其余的原料——脫氧核苷酸和氨基酸、合成蛋白質的場所核糖體、ATP和相關酶全由大腸桿菌提供。

③不能標記C、H、O、N等蛋白質和DNA共有的元素，否則無法將DNA和蛋白質區分開。

³⁵S(標記蛋白質)和³²P(標記DNA)不能同時標記在同一個噬菌體上，因為放射性檢測時只能檢測到放射性的存在部位，而不能確定是何種元素的放射性。

④保溫的目的：保證增殖(相應酶活性)順利進行。

攪拌的目的：使吸附在細菌上的噬菌體與細菌分離。

離心的目的：讓上清液中析出重量較輕的噬菌體顆粒，而離心管的沉淀物中留下被感染的大腸桿菌。

⑤³²P噬菌體侵染大腸桿菌時，上清液中出現少量放射性，是因為保溫時間過長，部分噬菌體增之后釋放出來；或者保溫時間過短，部分噬菌體未侵染大腸桿菌。³⁵S噬菌體侵染大腸桿菌時，沉淀出現少量放射性，是因為攪拌不充分，離心時間過短、轉速過低等原因，有少量含³⁵S的噬菌體外殼仍吸附在細菌表面，隨細菌離心到沉淀物中，使沉淀物中出現了少量的放射性。

⑥盡管艾弗里、赫爾希等人的實驗方法不同，但其最關鍵的實驗設計思路卻有共同之處：設法把DNA與蛋白質分開，單獨地、直接地去觀察DNA和蛋白質的作用。

⑦細菌或病毒作為遺傳物質探索的實驗材料的優點：(1)個體很小，結構簡單，容易看出因遺傳物質改變導致的結構和功能的變化。(2)繁殖快。

4.煙草花葉病毒感染煙草的實驗

(1)實驗過程及結果

(2)實驗結論：RNA是煙草花葉病毒的遺傳物質，蛋白質不是煙草花葉病毒的遺傳物質

5.探索遺傳物質的經典實驗總結

(1)DNA是主要的遺傳物質

真核生物與原核生物的遺傳物質是DNA，病毒的遺傳物質是DNA或RNA。生物界絕大多數生物的遺傳物質是DNA，只有極少數生物的遺傳物質是RNA，因而DNA是主要的遺傳物質。

(2)不同生物的遺傳物質

注意：①

②常見的RNA病毒有：艾滋病病毒(HIV逆轉錄)、流感病毒（如禽流感，豬流感，

甲型H1N1病毒）、登革熱病毒、甲肝病毒、煙草花葉病毒等。

　DNA的結構、復制及基因的本質

1.DNA雙螺旋模型構建者：沃森和克里克。

2.DNA雙螺旋結構的形成

3.DNA的雙螺旋結構內容

(1)DNA由兩條脫氧核苷酸鏈組成，這些鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構。

(2)外側：脫氧核糖和磷酸交替連接構成主鏈基本骨架。

(3)內側：兩鏈上堿基通過氫鍵連接成堿基對。堿基互補配對遵循以下原則：A===T(兩個氫鍵)、G≡C(三個氫鍵)。

4.DNA分子的結構特點

注意：①DNA雙螺旋模型是一個物理模型。

②DNA初步水解產物是4種脫氧核苷酸，徹底水解產物是磷酸、脫氧核糖和4種含氮堿基。

③相鄰的堿基在DNA分子的一條單鏈中通過“—脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖—”相連接，在DNA的雙鏈之間通過“氫鍵”相連接。

④除DNA末端的兩個脫氧核糖外，其余每個脫氧核糖都連接著2個磷酸。每個DNA片段中，游離的磷酸基團有2個。

⑤DNA分子的特異性是由堿基對的排列順序決定的，而不是由配對方式決定的，配對方式只有四種：A—T、C—G、T—A、G—C。

⑥雙螺旋結構并不是固定不變的，復制和轉錄過程中會發生解旋。

⑦并非所有的DNA分子均具“雙鏈”，有的DNA分子為單鏈。原核細胞及真核細胞細胞器中的DNA分子為“雙鏈環狀”。　

⑧不要誤認為DNA分子中“嘌呤一定等于嘧啶”，一條鏈中嘌呤不一定等于嘧啶，單鏈DNA分子中嘌呤也不一定等于嘧啶。不要誤認為嘌呤＝嘧啶時一定為雙鏈DNA分子。

5.DNA中有關堿基數量的計算

解題時先畫出簡圖，根據堿基互補配對原則推知規律

規律1：在雙鏈DNA分子中，互補堿基兩兩相等，A＝T，C＝G，A＋G＝C＋T，即嘌呤堿基總數等于嘧啶堿基總數。

規律2：在雙鏈DNA分子中，互補的兩堿基之和(如A＋T或C＋G)占全部堿基的比例等于其任何一條單鏈中這兩種堿基之和占該單鏈中堿基數的比例。(單雙鏈轉化公式)

規律3：DNA分子一條鏈中(A＋G)/(C＋T)的比值的倒數等于互補鏈中該種堿基的比值，在整個DNA分子中該比值等于1。(不配對的堿基之和比例在兩條單鏈中互為倒數)

規律4：DNA分子一條鏈中(A＋T)/(C＋G)的比值等于其互補鏈和整個DNA分子中該種比例的比值。(配對的堿基之和的比值在兩條單鏈和雙鏈中比值都相等)

規律5：不同生物的DNA分子中互補配對的堿基之和的比值不同，即(A＋T)/(C＋G)的值不同。該比值體現了不同生物DNA分子的特異性。

規律6：若＝b%，則＝%。

規律7：若已知A占雙鏈的比例＝c%，則A₁/單鏈的比例無法確定，但最大值可求出為2c%，最小值為0。

6.DNA分子的復制

(1)概念、時間、場所

(2)過程

(3)特點：邊解旋邊復制(過程上)、半保留復制(結果上)。

(4)準確復制的原因和意義

①DNA具有獨特的雙螺旋結構，為復制提供精確的模板，堿基互補配對原則，保證了復制能準確進行。

②DNA分子通過復制，將遺傳信息從親代傳給了子代，保持了遺傳信息的連續性。

注意：①因為DNA復制需要能量，影響細胞呼吸(ATP供給)的所有因素都可能影響DNA復制。

②體內DNA復制的引物一般為一小段RNA 。

③DNA聚合酶只能從引物的3＇端開始延伸DNA鏈，因此DNA的合成方向總是從5＇端到3＇端。所以具有雙向復制的特點。

④在真核生物中，DNA復制一般是多起點復制。在原核生物中，DNA復制一般是一個起點。無論是真核生物還是原核生物，DNA復制大多數都是雙向進行的。如圖所示為真核生物DNA的多起點、雙向復制：

圖中顯示多起點復制，但多起點并非同時進行，其意義在于提高復制速率。

⑤DNA復制、“剪切”與“水解”中的四種酶

(1)DNA聚合酶：需借助母鏈模板，依據堿基互補配對原則，將單個脫氧核苷酸連接成“鏈”；

(2)DNA連接酶：將多個復制起點所復制出的“DNA片段”“縫合”起來形成磷酸二酯鍵，即連接“片段”；

(3)限制性內切酶：用于切斷DNA雙鏈中主鏈上的“3，5－磷酸二酯鍵”；

(4)DNA水解酶：用于將DNA分子水解為脫氧核苷酸。

⑥不要將DNA分子中堿基對之間氫鍵的形成與斷裂條件混淆，氫鍵可由解旋酶催化斷裂，同時需要ATP供能，也可加熱斷裂(體外)；而氫鍵是自動形成的，不需要酶和能量。

⑦不要誤認為DNA復制“只發生于”細胞核中。細胞生物中凡存在DNA分子的場所均可進行DNA分子的復制，其場所除細胞核外，還包括葉綠體、線粒體、原核細胞的擬核及質粒。DNA病毒雖有DNA分子，但其不能獨立完成DNA分子的復制——病毒的DNA復制必須借助寄主細胞完成，在其DNA復制時，病毒只提供“模板鏈”，其他一切條件（包括場所、原料、酶、能量）均由寄主細胞提供。

7.DNA分子復制中的相關計算

DNA分子的復制為半保留復制，一個DNA分子復制n次，則有：

(1)DNA分子數

①子代DNA分子數＝2ⁿ個；

②含有親代DNA鏈的子代DNA分子數＝2個；

③不含親代DNA鏈的子代DNA分子數＝(2ⁿ－2)個。

(2)脫氧核苷酸鏈數

①子代DNA分子中脫氧核苷酸鏈數＝2 ^n＋1條；

②親代脫氧核苷酸鏈數＝2條；

③新合成的脫氧核苷酸鏈數＝(2^n＋1－2)條。

(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，經過n次復制需要消耗該脫氧核苷酸數為m·(2ⁿ－1)個 ；

②第n次復制需該脫氧核苷酸數＝m·(2ⁿ－2^n－1)＝m·2^n－1個。

注意：①注意“DNA復制了n次”和“第n次復制”的區別，前者包括所有的復制，但后者只包括第n次的復制。

②注意堿基的單位是“對”還是“個”。

③注意在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分子都只有兩個。

④注意看清試題中問的是“DNA分子數”還是“鏈數”，是“含”還是“只含”等關鍵詞，以免掉進陷阱。

8. 基因的概念及基因和染色體的關系

注意：①針對遺傳物質為DNA的生物而言，基因是指“有遺傳效應的DNA片段”，但就RNA病毒而言，其基因為“有遺傳效應的RNA片段”。

②并非所有DNA片段都是基因，基因不是連續分布在DNA上的，而是由堿基序列將不同的基因分隔開的。　

③特殊情況下，在外界因素和生物內部因素的作用下，可能造成堿基配對發生差錯，引起基因突變。

　基因的表達

1.RNA的結構與種類

(1)單體及組成

①若c為U，則單體為尿嘧啶核糖核苷酸；其組成中不含氮元素的是a磷酸和b核糖(填字母及名稱)。

②構成DNA的單體與RNA的單體的區別在于圖中的b、c(填字母)。

(2)結構

一般是單鏈，比DNA短。

(3)合成

①真核細胞：主要在細胞核內合成，通過核孔進入細胞質。

②原核細胞：主要在擬核中合成。

(4)種類

①圖示中的e為tRNA，其功能為轉運氨基酸，識別密碼子。

②另外兩種RNA分別為rRNA、mRNA，其中作為蛋白質合成模板的是mRNA，構成核糖體組成成分的是rRNA。

2.RNA功能

3.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(見下圖)

注意：①轉錄是以DNA的一條鏈為模板。

②轉錄時，只有需要轉錄的那部分解旋。

③轉錄的基本單位是基因。

④基因的上游具有結合RNA聚合酶的區域，叫做啟動子。啟動子是一段具有特定序列的DNA，具有和RNA聚合酶特異性結合的位點，決定了基因轉錄的起始位點。

4.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61種，終止密碼子有3種。

(3)翻譯過程

(4)產物：多肽蛋白質

注意：①注意區分“啟動子“和起始密碼子”，“終止子”和“終止密碼子”。

②翻譯過程中，核糖體沿著mRNA移動，mRNA不移動。

③多聚核糖體解讀

⑴數量關系：一個mRNA可同時結合多個核糖體，形成多聚核糖體。

⑵意義：少量的mRNA分子可以迅速合成出大量的蛋白質。

⑶核糖體移動的方向：判斷依據是多肽鏈的長短，長的翻譯在前。

⑷結果：合成的僅是多肽鏈，要形成蛋白質往往還需要運送至內質網、高爾基體等結構中進一步加工。

多聚核糖體中，每個核糖體合成的多肽鏈都相同。

④mRNA用完后，被分解成單個核苷酸。

⑤參與轉錄的產物有三種RNA，但只有mRNA攜帶遺傳信息，并且三種RNA都參與翻譯過程，只是分工不同。

⑥決定氨基酸的三個堿基應為mRNA上的密碼子，查密碼子表也以此為依據。數密碼子個數的規則：①從左向右；②每相鄰的3個堿基構成1個密碼子；③不能重疊數。

⑦真核生物轉錄和翻譯不能同時發生，原核生物由于沒有核膜的阻斷，所以可以邊轉錄邊翻譯。

⑧辨析氨基酸與密碼子、反密碼子的數量關系

⑴每種氨基酸對應一種或幾種密碼子(即密碼子簡并性)，可由一種或幾種tRNA轉運。

⑵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。

⑶密碼子有64種(3種終止密碼子；61種決定氨基酸的密碼子)；反密碼子理論上有61種。不同生物共用一套遺傳密碼。　　　

⑨密碼子簡并性的意義：⑴增強容錯性：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，因而有利于蛋白質或性狀的穩定。

    ⑵保證翻譯速度：當某種氨基酸使用頻率高時，幾種不同的密碼子都編碼一種氨基酸可以保證翻譯的速度。

（5）基因表達中相關計算

(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)DNA(基因)、mRNA上堿基數目與氨基酸數目之間的關系，如下圖所示：　　　

可見，蛋白質中氨基酸數目＝mRNA堿基數目＝DNA(或基因)堿基數目。(未考慮終止密碼)

注意：基因表達過程中，蛋白質的氨基酸的數目＝mRNA的堿基數目＝基因中的堿基數目。這個比例關系都是最大值，原因如下：

①DNA中有的片段無遺傳效應，即基因間區不能轉錄出mRNA。

②真核生物基因中存在不編碼氨基酸的編碼區內的內含子或非編碼區。

③轉錄出的mRNA中有終止密碼子，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切掉部分氨基酸，所以基因或DNA上堿基數目比蛋白質中氨基酸數目的6倍多。

5.DNA復制、轉錄和翻譯的比較(以真核生物為例)

注意：①并非所有細胞均可進行復制、轉錄與翻譯

⑴只有分生組織細胞才能進行“復制(當然也進行轉錄與翻譯)”。

⑵高度分化的細胞只進行轉錄、翻譯，不進行復制。

⑶哺乳動物成熟紅細胞“復制、轉錄、翻譯”均不進行。

②轉錄和翻譯并非均能同時進行

(1)凡轉錄、翻譯有核膜隔開或具“時空差異”的應為真核細胞“核基因”指導的轉錄、翻譯。

(2)原核細胞基因的轉錄、翻譯可“同時”進行。

(3)真核細胞的線粒體、葉綠體中也有DNA及核糖體，其轉錄翻譯也存在“同時進行”的局面。

6.中心法則

(1)提出者：克里克。

(2)補充后的內容圖解：

①DNA的復制；②轉錄；③翻譯；④RNA的復制；⑤RNA逆轉錄。

(3)分別寫出下列生物中心法則表達式

(4)請寫出洋蔥表皮細胞內遺傳信息傳遞式

DNARNA蛋白質。

(5)請寫出洋蔥根尖分生區細胞內的遺傳信息傳遞式

RNA蛋白質。

注意：① RNA的自我復制和逆轉錄只發生在RNA病毒在宿主細胞內的增殖過程中。

②RNA的自我復制和逆轉錄都需要酶，由RNA病毒提供。

7.基因控制性狀的途徑

8.基因與性狀的對應關系

(1)一般而言，一個基因決定一種性狀。

(2)生物體的一種性狀有時受多個基因的影響，如玉米葉綠素的形成至少與50多個不同基因有關。

(3)有些基因可影響多種性狀，如，基因1可影響B和C性狀。

(4)生物的性狀是基因和環境共同作用的結果。基因型相同，表現型可能不同，基因型不同，表現型也可能相同。