原核細(xì)胞和真核細(xì)胞基因表達(dá)過程比較及試題分析

江蘇 帖步霞

原核細(xì)胞和真核細(xì)胞基因表達(dá)過程比較及試題分析

江蘇 帖步霞

基因表達(dá)即遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程。無論是真核細(xì)胞還是原核細(xì)胞都有一套準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)制，使得細(xì)胞在特定的時間和空間產(chǎn)生相應(yīng)的特異性的蛋白質(zhì)成為可能。原核生物通過基因表達(dá)的調(diào)控可以改變它們的代謝方式以適應(yīng)環(huán)境的變化，多細(xì)胞真核生物通過基因表達(dá)的調(diào)控而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分化、形態(tài)發(fā)生和個體發(fā)育。下面結(jié)合相關(guān)試題對原核細(xì)胞、真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)與表達(dá)過程進(jìn)行比較分析。

一、原核細(xì)胞基因和真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)分析

原核細(xì)胞與真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)都包括編碼區(qū)和非編碼區(qū)（如圖所示）。但是原核基因的編碼區(qū)是連續(xù)的，全部都可以轉(zhuǎn)錄出mRNA，編碼出蛋白質(zhì)。而真核基因的編碼區(qū)是不連續(xù)的，又分為外顯子和內(nèi)含子，外顯子能夠轉(zhuǎn)錄出mRNA，編碼出蛋白質(zhì)，而內(nèi)含子則不可以。因此真核基因的非編碼序列包括非編碼區(qū)的所有序列以及編碼區(qū)里面的內(nèi)含子序列。

【例1】（原創(chuàng)）利用基因工程技術(shù)可以使大腸桿菌合成人的胰島素，下列有關(guān)說法錯誤的是 （ ）

A. 胰島B細(xì)胞和胰島A細(xì)胞中都有胰島素基因

B. 大腸桿菌合成的胰島素要經(jīng)過人為加工后才能使用

C. 可以利用反轉(zhuǎn)錄方法合成人的胰島素基因作為目的基因

D. 可以直接提取人體細(xì)胞中的胰島素基因作為目的基因

【解析】人體不同體細(xì)胞都由受精卵有絲分裂而來，核基因組成是相同的，只是基因表達(dá)具有選擇性，故A項(xiàng)正確；胰島素在人體細(xì)胞中合成后，需要內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的加工方可成熟，大腸桿菌細(xì)胞中只有核糖體一種細(xì)胞器，所以其合成的胰島素需要人為加工后才能使用，故B項(xiàng)正確；真核基因的編碼區(qū)是不連續(xù)的，因而產(chǎn)生的mRNA必須經(jīng)過加工，將內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄來的序列剪切掉，才能成為有功能的成熟mRNA，原核基因的編碼區(qū)是連續(xù)的，全部能編碼蛋白質(zhì)，所以原核細(xì)胞中沒有剪切RNA的系統(tǒng)，真核基因不能直接提取導(dǎo)入原核細(xì)胞，但是可以通過mRNA的反轉(zhuǎn)錄，形成沒有內(nèi)含子序列的基因作為目的基因，故C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯誤。

【答案】D

二、原核基因表達(dá)過程

原核生物的基因由于沒有外顯子和內(nèi)含子之分，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA不需要剪切、拼接等加工過程。原核生物在同一個DNA模板上，可以同時結(jié)合多個RNA聚合酶，轉(zhuǎn)錄出多個mRNA。由于原核細(xì)胞沒有核膜，核糖體與mRNA結(jié)合不受空間影響，在轉(zhuǎn)錄尚未完成時，翻譯即已進(jìn)行，因此原核生物基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯通常是在同一時間同一地點(diǎn)進(jìn)行的。

【例2】下圖顯示了大腸桿菌細(xì)胞中“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”的過程。4個數(shù)珠狀的構(gòu)造物來自于同一個遺傳基因。A～D表示相關(guān)物質(zhì)，據(jù)圖分析并回答下列問題：

（1）請分別回答A～D的名稱：

A_______；B_______；C_______；D_______。

（2）圖中DNA正在轉(zhuǎn)錄形成________條mRNA，DNA中調(diào)控轉(zhuǎn)錄開始的啟動子的基本組成單位是_______。

（3）圖中每個核糖體都在翻譯一條多肽鏈，最終形成的多肽鏈的氨基酸序列________(填“都相同”“都不同”或“不完全相同”)，其原因是____________________。

（4）請?jiān)趫D中的方框中標(biāo)出轉(zhuǎn)錄的方向。

【解析】（1）大腸桿菌是原核生物，原核基因表達(dá)過程轉(zhuǎn)錄和翻譯同步進(jìn)行，A結(jié)合在DNA模板鏈上，催化轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，所以A是RNA聚合酶；RNA聚合酶催化形成的D是mRNA；原核基因轉(zhuǎn)錄的同時，便有多個核糖體結(jié)合在mRNA上進(jìn)行翻譯，所以C是核糖體，其翻譯形成的B是多肽鏈。（2）圖中有4個RNA聚合酶在催化轉(zhuǎn)錄過程，各自形成一條mRNA，所以正在轉(zhuǎn)錄形成4條mRNA；啟動子是基因的一個組成部分，基因由脫氧核苷酸構(gòu)成，故啟動子的基本單位也是脫氧核苷酸。（3）圖中正在形成的4條mRNA是由同一個遺傳基因轉(zhuǎn)錄而來，故這4條mRNA的堿基序列相同，所以由它們作為模板翻譯形成的多肽鏈的氨基酸序列相同。（4）轉(zhuǎn)錄的方向可以根據(jù)mRNA鏈的長短來判斷，催化形成的mRNA鏈比較長的RNA聚合酶移動在前方，據(jù)圖可知從左至右，mRNA的鏈越來越長，所以轉(zhuǎn)錄的方向是從左至右。

【答案】（1）RNA聚合酶 多肽鏈 核糖體 mRNA（2）4 脫氧核苷酸 （3）都相同 翻譯形成多肽鏈的模板mRNA堿基序列相同 （4）→

三、真核基因表達(dá)過程

真核生物基因表達(dá)調(diào)控的過程與原核生物有許多共同之處，但也有一定的差異性。真核生物中編碼蛋白質(zhì)的基因通常是間斷的、不連續(xù)的，由于轉(zhuǎn)錄時內(nèi)含子和外顯子序列是一起轉(zhuǎn)錄的，因而轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA必須經(jīng)過加工，將內(nèi)含子序列的轉(zhuǎn)錄部分剪切掉，將外顯子序列的轉(zhuǎn)錄部分拼接起來，才能成為有功能的成熟mRNA。真核生物由于有核膜將核質(zhì)與細(xì)胞質(zhì)分隔開來，而轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核中進(jìn)行的，翻譯是在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的。因此真核生物基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯具有時間和空間上的分隔。

【例3】（原創(chuàng)）（多選）下圖為某種細(xì)胞中基因表達(dá)過程的示意圖。甲和乙表示基因表達(dá)的相關(guān)步驟，①～⑤表示相關(guān)物質(zhì)，據(jù)圖判斷，下列描述中正確的是 （ ）

A. 圖示的是真核細(xì)胞的基因表達(dá)過程，轉(zhuǎn)錄尚未結(jié)束，翻譯即已開始

B. 甲過程①為轉(zhuǎn)錄的模板鏈，需要RNA聚合酶催化mRNA的合成

C. 乙過程mRNA上堿基發(fā)生改變，一定會改變肽鏈中氨基酸的種類

D.一個含n個堿基的基因，轉(zhuǎn)錄的mRNA分子中堿基數(shù)小于個

【解析】圖中有核膜和核孔，表明這是真核細(xì)胞的基因表達(dá)過程，轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核，翻譯在細(xì)胞質(zhì)，轉(zhuǎn)錄、翻譯具有空間和時間上的分隔，故A項(xiàng)錯誤；轉(zhuǎn)錄時遵循堿基互補(bǔ)配對原則，mRNA上的堿基和①鏈上的堿基恰好互補(bǔ)，所以①為模板鏈，轉(zhuǎn)錄需要RNA聚合酶催化，故B項(xiàng)正確；一種氨基酸可能有多種密碼子，mRNA中密碼子改變不一定會改變肽鏈中的氨基酸，故C項(xiàng)錯誤；真核基因中非編碼區(qū)序列不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，且編碼區(qū)的內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄的序列會被剪切掉，所以mRNA中的堿基數(shù)目遠(yuǎn)小于基因的一半，故D項(xiàng)正確。

【答案】BD

四、原核基因和真核基因表達(dá)過程綜合分析

有時試題中沒有說明是原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞，這就需要根據(jù)原核細(xì)胞中基因表達(dá)與真核細(xì)胞中基因表達(dá)過程的差異來進(jìn)行判斷。

【例4】（改編）（多選）下圖為某種細(xì)胞中基因表達(dá)過程的示意圖。甲和乙表示基因表達(dá)的相關(guān)步驟，據(jù)圖判斷，下列描述中正確的是 （ ）

A. 圖示的是原核細(xì)胞的基因表達(dá)過程，其中甲過程為轉(zhuǎn)錄，乙過程為翻譯

B. 甲過程和乙過程消耗的原料分別是游離的脫氧核苷酸和氨基酸

C. 圖中的核糖體正在合成4條多肽鏈

D. 一個基因在短時間內(nèi)可表達(dá)出多條多肽鏈

【解析】此題沒有說明是原核還是真核細(xì)胞，但據(jù)圖可知，甲過程的模板是DNA的一條鏈，且需要RNA聚合酶的催化，所以甲表示轉(zhuǎn)錄過程，乙過程的模板是mRNA，產(chǎn)物為多肽，所以乙為翻譯過程，轉(zhuǎn)錄尚未完成，翻譯即已開始，所以該細(xì)胞為原核細(xì)胞，故A項(xiàng)正確；甲是轉(zhuǎn)錄過程，消耗的原料是游離的核糖核苷酸，故B項(xiàng)錯誤；C項(xiàng)是最容易錯選的，DNA模板鏈轉(zhuǎn)錄形成的是4條mRNA，連接在mRNA上的每個核糖體各自翻譯出一條多肽鏈，所以圖中有多條多肽鏈正在合成，故C項(xiàng)錯誤；轉(zhuǎn)錄和翻譯同步進(jìn)行，多個核糖體進(jìn)行翻譯，一個基因短時間內(nèi)可表達(dá)出多條多肽鏈，故D項(xiàng)正確。

【答案】AD

【例5】（原創(chuàng)）如圖表示某高等植物細(xì)胞中基因表達(dá)的過程，Ⅰ～Ⅵ表示細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)，甲～丁表示有關(guān)生理過程，箭頭表示物質(zhì)轉(zhuǎn)移的路徑和方向，據(jù)圖分析并回答下列問題：

（1）圖中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ代表的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)依次為________、 _________、____。

（2）圖中乙過程核糖體相對mRNA移動方向?yàn)開_______。Ⅴ是葉綠體中的小型環(huán)狀DNA，則參與過程丙的物質(zhì)Ⅵ是_______。

（3）據(jù)圖可知，該細(xì)胞基因表達(dá)過程中能發(fā)生轉(zhuǎn)錄的場所有________。

（4）若rbcs基因表達(dá)產(chǎn)物SSU由n個氨基酸組成，指導(dǎo)其合成的mRNA含有的堿基數(shù)為_______。

（5）用某種藥物處理該細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中RNA含量顯著減少，葉綠體功能_________(填“會”或“不會”)受到影響，這種現(xiàn)象說明生物的性狀受_______控制。

【解析】（1）Ⅱ是DNA作模板轉(zhuǎn)錄形成的，故為mRNA；多個Ⅲ結(jié)合在mRNA上進(jìn)行翻譯，故為核糖體；Ⅳ是翻譯的產(chǎn)物多肽鏈。（2）翻譯的多肽鏈比較長的核糖體移動在前方，所以核糖體從右至左移動。丙是轉(zhuǎn)錄過程，則物質(zhì)Ⅵ是RNA聚合酶。（3）據(jù)圖分析甲和丙都為轉(zhuǎn)錄過程，故轉(zhuǎn)錄的場所為細(xì)胞核和葉綠體。（4）mRNA上的3個相鄰堿基決定一個氨基酸，但只翻譯mRNA上起始密碼至終止密碼的堿基序列，mRNA兩端有不翻譯的堿基序列，故氨基酸為n個時，其模板mRNA堿基數(shù)（遠(yuǎn)）大于3n。（5）據(jù)圖可知細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的mRNA翻譯的產(chǎn)物SSU和LHCP，都進(jìn)入葉綠體發(fā)揮作用，故其含量顯著減少會影響葉綠體功能，這說明生物的性狀受核基因與質(zhì)基因共同控制的。

【答案】（1）mRNA 核糖體 多肽 （2）從右至左RNA聚合酶 （3）細(xì)胞核和葉綠體 （4）（遠(yuǎn)）大于3n（5）會 細(xì)胞核基因與細(xì)胞質(zhì)基因共同

總之，原核基因和真核基因表達(dá)過程作為高考命題熱點(diǎn)素材，其基本過程、所需條件以及兩者之間的差異性必須牢固掌握。學(xué)會分析相關(guān)的模式圖解，并熟練掌握有關(guān)的答題技巧，原核基因和真核基因表達(dá)的相關(guān)問題便可迎刃而解。

（作者單位：江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)）