第4讲　素养提升课——破译新情境•系统实验知能

第4讲 素养提升课——破译新情境•系统实验知能 目录 一、 二、 破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂 系统实验知能——假说—演绎法及其应用 一、破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂 新情境问题(一)　遗传信息表达类材料多维解读 [科普科研材料] 材料一　20世纪40年代，科学家发现剪去两株不同伞藻的伞帽并将细胞核互换，伞藻会长出与细胞核对应的新伞帽，且在刚除去细胞核而未移植新核之前，细胞质中仍能进行一段时间的蛋白质合成。1955年，科学家用RNA酶水解洋葱根尖细胞和变形虫细胞中的RNA，发现蛋白质合成停止；若加入RNA则重新开始蛋白质的合成。 材料二　研究发现细胞中存在端粒酶，该酶由RNA和结合蛋白组成，具有逆转录酶的活性。另有研究表明，细胞核中的DNA可以通过某种途径直接转移到细胞质中的核糖体上，不需要通过RNA也可以控制蛋白质的合成。 材料三　研究发现，组蛋白(染色体的基本组成单位)上某些位点的氨基酸残基发生修饰，如甲基化、乙酰化或磷酸化等，能招募特定种类的蛋白质与之结合，决定特定基因的表达是打开还是关闭，从而使亲子代均表现出一定的表型。根据上述发现，研究人员得出了“组蛋白修饰是表观遗传的重要机制”的结论。启动子是位于基因上游的一段有特殊序列的DNA片段，当其被RNA聚合酶识别和结合后能驱动基因转录。某些组蛋白去乙酰化会引起启动子序列中的DNA发生甲基化，从而导致“基因沉默”。 [内蕴知识解读] (1)材料一的科学实验的结果表明细胞内核酸与蛋白质合成存在的关系是______________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________。 (2)材料二中显示的遗传信息流向分别是____________和____________。 (3)请根据表观遗传的概念，结合材料三中的描述，概括得出“组蛋白修饰是表观遗传的重要机制”这一结论的依据____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________。 (4)材料三中引起“基因沉默”的原因是______________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________。 答案：(1)没有RNA时，蛋白质的合成不能进行。细胞核中的DNA不是蛋白质合成的直接模板，需要靠RNA联系　(2)RNA→DNA　DNA→蛋白质　(3)组蛋白发生修饰后决定特定基因的表达是打开还是关闭，而基因的碱基序列保持不变；亲子代均表现一定的表型，说明基因表达和表型发生了可遗传变化　(4)组蛋白去乙酰化引起启动子序列中的DNA发生甲基化，影响了RNA聚合酶与启动子的识别与结合，导致基因不能转录，最终无法翻译出相应的蛋白质，表现为“基因沉默” [迁移创新训练] 1．(2024·武汉模拟)miRNA是一类广泛存在于真核细胞中的微小RNA。该RNA的前体经剪接加工最终与其他蛋白质形成沉默复合物，该复合物可通过与靶基因的mRNA结合来介导mRNA的降解，从而调控生物性状。下列分析正确的是(　 ) A．miRNA基因的表达过程包括转录和翻译两个阶段 B．原核细胞不存在RNA剪接过程，因而不存在RNA-蛋白质复合物 C．miRNA含有的碱基越多，其沉默复合物作用的靶基因的种类越少 D．沉默复合物将基因沉默的原理是通过碱基互补配对抑制靶基因的转录 √ 解析：miRNA基因不翻译成蛋白质，miRNA基因的表达过程不包括翻译阶段，A错误； 原核细胞含有核糖体，核糖体的组成成分是rRNA和蛋白质，且在翻译的时候也会存在RNA-蛋白质复合物，B错误； 根据碱基互补配对原则，miRNA含有的碱基越多，能够配对的靶基因的mRNA序列越少，则其沉默复合物作用的靶基因的种类越少，C正确； miRNA与其他蛋白质形成沉默复合物，然后与靶基因的mRNA结合来介导mRNA的降解，从而调控生物性状，所以沉默复合物将基因沉默的原理是通过碱基互补配对抑制靶基因的翻译，D错误。 2．(2024·襄阳一模)已知组蛋白乙酰化与去乙酰化分别是由HAT(组蛋白乙酰化转移酶)和HDAC(去乙酰化转移酶)催化的，组蛋白的乙酰化促进转录，而去乙酰化则抑制转录。染色质上的组蛋白被乙酰化后成为活性染色质、去乙酰化后成为非活性染色质，如图。下列相关推测不合理的是(　 ) A．染色质中的组蛋白乙酰化与去乙酰化不属于可逆反应 B．HDAC复合物使组蛋白去乙酰化伴随着对基因转录的抑制 C．激活因子、抑制因子可能改变了组蛋白的空间结构 D．活性染色质更便于DNA聚合酶与DNA的结合 √ 解析：催化乙酰化与去乙酰化的酶不同，反应条件不同，故不是可逆反应，A正确； HDAC催化去乙酰化，而去乙酰化则抑制转录，B正确； 激活因子、抑制因子使组蛋白乙酰化与去乙酰化，可能改变了组蛋白的空间结构，C正确； 在HAT复合物作用下染色质具有转录活性，更便于RNA聚合酶与DNA的结合，D错误。 新情境问题(二)　基因结构及基因表达的调控 [科普科研材料] 材料一　基因的结构与遗传信息的表达 真核细胞和原核细胞基因都分为编码区和非编码区，不同的是真核生物基因的编码区是不连续的，分为内含子和外显子。原核生物转录的mRNA可直接作为翻译的模板(见图1)；真核生物基因转录时，编码区中内含子和外显子都转录，但在形成成熟mRNA时，内含子转录部分被切去，并把外显子转录部分连接起来，加工成熟的mRNA作为翻译的模板(见图2)。 材料二　基因表达的调控 1．转录水平的调控 以大肠杆菌中某结构基因的表达为例。无诱导物存在时：阻遏蛋白与操纵基因结合阻止了RNA聚合酶与启动子(P)的结合，使得结构基因不能正常转录(如图1)；有诱导物(乳糖)存在时：诱导物与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白结构改变，不能与操纵基因结合，则RNA聚合酶结合到启动子(P)上并启动结构基因的表达(如图2)。 21 2．翻译水平的调控 RNA干扰是有效沉默或抑制目标基因表达的过程，指内源性或外源性双链RNA(dsRNA)介导的细胞内mRNA发生特异性降解，从而导致靶基因的表达沉默，产生相应的功能表型缺失的现象。 [内蕴知识解读] (1)从真核细胞基因结构角度，分析基因突变不一定导致生物性状改变的原因是________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________。 (2)结合转录水平的调控可知，当环境中无乳糖时，在转录水平上影响基因的表达的原理是______________________________________ ____________________________________________________________。 (3)当环境中有乳糖时，大肠杆菌结构基因表达的调节过程为____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________。 β-半乳糖苷酶可以水解乳糖，使上述过程减弱，这种调节机制是____________，可使大肠杆菌避免物质和能量的浪费。 答案：(1)真核细胞内，当突变点位于基因结构的非编码区或编码区的内含子部分时，转录产生的mRNA模板并不改变，生物性状不改变　(2)阻遏蛋白会与操纵基因结合，阻碍RNA聚合酶与P结合　(3)乳糖与阻遏蛋白结合，改变其构象，使之不能与操纵基因结合，使得RNA聚合酶可以与P(启动子)结合，使结构基因能够表达　反馈调节 [迁移创新训练] 1．(2024·佛山一模)用鸡卵清蛋白成熟的mRNA与鸡卵清蛋白基因的DNA单链杂交，结果如图所示。对于造成此结果的原因，下列分析最合理的是(　 ) A．图中的DNA单链内部存在碱基互补配对 B．图中的DNA单链不是鸡卵清蛋白mRNA的模板链 C．鸡卵清蛋白基因的转录过程是不连续、跳跃式的 D．鸡卵清蛋白mRNA成熟前需要经过剪切加工 √ 解析：图中表示的是mRNA与DNA单链进行的碱基互补配对，并无DNA单链内部的碱基互补配对，A错误； 由题图可知，mRNA大部分可与DNA单链完成碱基互补配对，则该DNA单链是鸡卵清蛋mRNA的模板链，而成熟的mRNA最可能经过了剪切，所以mRNA比模板链短，且DNA链中有未配对的片段，B错误，D正确； 鸡卵清蛋白基因的转录过程不是跳跃式的，转录是连续的，只是因为转录完成后进行了剪切，才出现了如图的结果，C错误。 2．下图表示大肠杆菌色氨酸合成过程中基因的转录调节机制，其中阻遏蛋白是由远离色氨酸操纵子的调节基因(trpR)编码的一种蛋白质。下列叙述正确的是(　 ) A．trpR与色氨酸操纵子可能位于同一条染色体上 B．RNA聚合酶与色氨酸操纵子识别结合的过程遵循碱基互补配对原则 C．图中调节机制体现了微生物在利用环境资源和对生存环境适应的灵活性 D．色氨酸是色氨酸操纵子经过转录、翻译后的直接产物 解析：大肠杆菌是原核生物，其DNA没有和蛋白质形成染色体，A错误。 √ RNA聚合酶不含碱基，其与色氨酸操纵子识别结合的过程不遵循碱基互补配对原则，B错误。 色氨酸操纵子的激活与否根据生存环境中有无色氨酸而定，当生存环境中有足够的色氨酸时，该操纵子自动关闭；缺乏色氨酸时，操纵子被打开，该负反馈调节机制体现了微生物在利用环境资源和对生存环境适应的灵活性，C正确。 色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成，但色氨酸不是多肽链，不是转录、翻译的直接产物，D错误。 二、系统实验知能——实验设计常用的 “加法原理”和“减法原理” 高考生物实验相关题重点考查实验设计思路，“加法原理”和“减法原理”是实验设计过程中控制自变量的两种常用的原理。科学地利用这两个原理设计生物实验有助于得出可靠、真实的实验结果或结论。与常态比较，人为增加某种影响因素的称为“加法原理”，而人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。 (一)运用“加法原理”设计实验 [例1]　为验证“植物顶芽产生的生长素能够抑制侧芽生长”，选取长势良好、生长状况相同的多株幼苗，随机分成A、B、C、D四组，A组幼苗不作任何处理，其他三组均去除顶芽。然后B组幼苗切口不作任何处理；C组幼苗切口处放置不含生长素的空白琼脂块；D组幼苗切口处放置含生长素的琼脂块。四组幼苗均置于相同且适宜的条件下培养。 (1)对比A组和B组幼苗的预期结果，说明 。 (2)对比B组和C组幼苗的预期结果，说明_________________________ _____。 (3)对比A、B、C、D四组幼苗的预期结果，说明__________________ 。 顶芽抑制了侧芽的生长 琼脂块本身对侧芽生长没有 影响 对侧芽生长起抑制 作用的是顶芽产生的生长素 [分析]　D组虽没有顶芽，但采用了实验设计的“加法原理”，通过切口处添加放置含生长素的琼脂块，验证了植物顶芽产生的生长素能够抑制侧芽生长。 (二)运用“减法原理”设计实验 [例2]　如设置A密闭装置放入绿色植物和NaOH溶液，设置B密闭装置放入绿色植物和水。证明二氧化碳是光合作用原料的实验组是 ___装置，A装置中NaOH溶液的作用是 ，A和B组中有淀粉生成的装置是 。 A 去除空气中二氧化碳 B [分析]　A装置中通过放入NaOH溶液去除空气中的二氧化碳，从而证明了二氧化碳是光合作用的原料，利用了“减法原理”。 (三)同时运用“减法原理”和“加法原理”设计实验 [例3]　探究胰岛素的生理作用时，选取健康、生长状况相同的多只小鼠，禁食处理后随机分成甲、乙、丙、丁四组。甲组小鼠注射10 mL生理盐水，乙、丙、丁三组分别注射10 mL胰岛素溶液，一段时间后，乙、丙、丁三组出现反应迟钝、嗜睡等低血糖症状，甲组未出现低血糖症状。 (1)乙、丙、丁三组小鼠出现低血糖症状后进行第二次注射，乙组小鼠注射10 mL生理盐水；为尽快缓解低血糖症状，给丙组小鼠注射10 mL某激素溶液、丁组小鼠注射某营养物质，问：丙组小鼠注射的激素是 ，丁组小鼠注射的营养物质是 糖。 (2)第二次注射后，丙、丁两组小鼠的症状都得到了缓解，缓解的机理分别是丙组小鼠_______________________________________________ ，丁组小鼠 。 胰高血糖素 葡萄 胰高血糖素能促进非糖物质转化为葡萄糖、促进肝糖 原分解成葡萄糖，升高血糖 注射葡萄糖，直接升高血糖 [分析]　乙、丙、丁三组小鼠第一次分别注射10 mL胰岛素溶液后，血糖降低从而出现反应迟钝、嗜睡等低血糖症状。第二次注射后丙组注射的激素是胰高血糖素，具有升高血糖的作用；丁组注射的营养物质是葡萄糖，直接补充血糖，使血糖浓度直接升高，症状得到缓解。两次注射就是分别运用了“减法原理”和“加法原理”巧妙设计实验。 [专题提能训练] 1．(2024·合肥期中)在科学实验中，通常运用“加法原理”或“减法原理”对自变量进行控制。下列实验中对自变量的控制运用“加法原理”的是(　 ) A．艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验 B．探究烟草花叶病毒的遗传物质 C．验证光是植物光合作用的必要条件 D．比较过氧化氢在不同条件下的分解 √ 解析：艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验中，用蛋白酶、RNA酶、DNA酶等处理细胞提取物，是人为的去除某种因素的影响，运用了“减法原理”，A错误； 探究烟草花叶病毒的遗传物质实验中，单独用病毒的各部分分别感染宿主细胞，观察各部分的作用，运用了“减法原理”，B错误； 利用绿色植物验证光是光合作用的必要条件时，以生长在正常条件下的绿色植物为对照组，以生长在无光但其他都与对照组相同条件下的绿色植物作为实验组，即与常态相比，实验组人为去除了光这种影响因素，运用了“减法原理”，C错误； 比较过氧化氢在不同条件下的分解实验时，通过添加FeCl3溶液、肝脏研磨液进行探究，运用了“加法原理”，D正确。 2．为了探究烟草花叶病毒(TMV)的遗传物质，某实验小组进行了如下图所示实验。下列说法正确的是(　 ) A．实验1为空白对照组，以消除无关变量对实验结果的影响，增强实验的可信度 B．根据实验1、2、3的实验现象可得出结论：烟草花叶病毒的遗传物质是RNA C．实验4是利用“加法原理”设计的一个补充实验组，可以进一步验证实验结论 D．该实验与格里菲思的肺炎链球菌的转化实验都是设法将核酸和蛋白质分开后分别研究各自的效应 √ 解析：没有做出处理的为空白对照，实验2为空白对照组，以消除无关变量对实验结果的影响，增强实验的可信度，A错误； 实验1、2、3的实验现象显示TMV的RNA能引起烟草花叶病，蛋白质不能，因而能得出：烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，B正确； 实验4是利用“减法原理”设计的一个补充实验组，可以进一步验证实验结论，得出RNA是遗传物质的结论，C错误； 格里菲思的肺炎链球菌的体内转化实验并未将核酸和蛋白质分开，D错误。 3．[多选]对照实验中，控制自变量时，与常态相比，人为增加某种影响因素，称为“加法原理”，反之为“减法原理”。艾弗里及其同事用肺炎链球菌做实验，结果如下表。下列叙述错误的是(　 ) 实验组号 接种菌型 加入不同处理的S型细菌细胞提取物 培养皿长菌情况 ① R 不作处理 R型、S型 ② R 蛋白酶 ？ ③ R RNA酶 R型、S型 ④ R 酯酶 R型、S型 ⑤ R DNA酶 R型 A. ②培养皿中只出现R型细菌 B．该实验控制自变量采用了“加法原理”，因为不同组中加入了不同的酶 C．该实验说明S型细菌的细胞提取物中含转化因子，而转化因子很可能就是DNA D．①～⑤说明DNA是主要的遗传物质 √ √ √ 解析：蛋白酶能将蛋白质水解，但蛋白质不是转化因子，因此有部分R型细菌转化为S型细菌，②培养皿中会出现R型细菌和S型细菌，A错误； 该实验控制自变量采用了“减法原理”，因为不同组中加入了不同的酶，去除了相应物质，B错误； 该实验说明S型细菌的细胞提取物中含转化因子，而转化因子很可能就是DNA，C正确； ①～⑤能说明DNA是遗传物质，但不能说明DNA是主要的遗传物质，D错误。 $$