第二节基因的结构

高三生物（第6讲）【教学内容】第三章：遗传与基因工程第一节：细胞质遗传第二节：基因的结构。【重点与难点】重点：细胞质遗传的特点和形成这些特点的原因，原核细胞和真核细胞的基因结构。难点：细胞质遗传在实践中的应用，原核细胞和真核细胞在基因结构上的区别。【延伸与拓展】第一节：细胞质遗传人们在研究细胞核内染色体上的基因传递方式时发现了遗传的三大规律。那么，细胞质内的基因（位于线粒体与叶绿体的DNA上面）传递方式及特点是怎样的呢？一、细胞质遗传的特点典型实例：紫茉莉质体的遗传紫茉莉的叶片中有两种类型质体即：叶绿体：含有叶绿素、呈绿色紫茉莉的质体白色体：无色素、白色而紫茉莉的枝条有三种：绿色、白色、花斑色（绿、白相间），它们所含有的质体如下：枝条类型绿色白色花斑色质体种类叶绿体白色体叶绿体白色体柯伦斯经过多年的杂交实验，结果如教材P43表3－1，其中“接受花粉的枝条”是母本，“提供花粉的枝条”是父本，由表中所列结果可以发现这样的规律：无论父本是何种性状，F1总是表现出母本的性状，我们把这样的遗传现象称为母系遗传，也有学者称为偏母遗传。此后的许多学者在其他生物的杂交实验中，也发现了类似现象。如藏报春、玉米、棉花、天竺葵、菜豆的叶绿体遗传；水稻、高粱的雄性不育遗传以及微生物中的链孢霉线粒体遗传。二、母系遗传的细胞学基础我们知道在卵细胞中含有大量的来自母方的细胞质，而精子中只含有响晴的来自父方的细胞质，在受精时，精子只是其细胞核部分进入了卵细胞中，而来自父方的细胞质很少甚至不能进入卵细胞。因此，由受精卵发育成的F1，其细胞质中的遗传物质几乎全部来自母方，所以在F1中，受细胞质内遗传物质控制的性状遗传――细胞质遗传总是表现妯母本的性状，即母系遗传。三、母系遗传的特点（与核遗传的区别）第一，F1表现为母系遗传，即正反交的结果不一样；第二，杂交后代的表现类型无一定的分离比例（这是由于减数分裂产生生殖细胞时，细胞质中的遗传物质是随机地不均等地分配到生殖细胞中，同时，受精卵在有丝分裂形成新个体时，细胞质也是不均等分裂）。杂交过程如下图：受精受精由上图可见：亲本产生配子时，细胞核遗传物质均等分配，而细胞质中遗传物质则不均等分配，在F1中，细胞核遗传物质一半来自父方，一半来自母方，所以正反交结果一样；细胞质的遗传物质则来自母方，所以正反交结果就不一样。四：细胞质遗传在实践中的应用（选学）水稻雄性不育系的培育过程：1.在水稻的细胞核中：R－可育，r－不育；在水稻的细胞质中：S－可育，N－不育，水稻能否可育是由细胞核和细胞质基因共同作用的结果（见下表）细胞质基因细胞核基因SNRRS(RR)雄性可育N(RR)雄性可育RrS(Rr)雄性可育N(Rr)雄性可育rrS(rr)雄性不育N(rr)雄性可育2.生产杂交种过程图解雄性不育系留种图解在上图中，N(RR)与雄性不育系S(rr)杂交产生的后代S(Rr)是可育的，故称N(RR)为恢复系；N(rr)与雄性不育系S(rr)杂交产生的后代S(rr)仍是雄性不育，故称N(rr)为保持系。在整个生产杂交种的过程中，共用到三种类型即：S(rr)、N(RR)、N(rr)，故将这种生产方法称为“三系法”。第二节：基因的结构一、原核细胞的基因结构BAAbaaBAAbaaBAbAaBAabAaaA正交反交减数分裂减数分裂P生殖细胞F1细胞核基因为Aa，细胞质基因为B细胞核为Aa，细胞质为b♀♂S(rr)╳N(RR)(雄性不育系)(恢复系)S(Rr)（杂交种、雄性可育）♀♂S(rr)╳N(rr)(雄性不育系)(保持系)S(rr)（雄性不育系）原核细胞的基因结构可下图来表示：非编码区特别是编码区上游的RNA聚合酶结合位点，可以调控DNA指导蛋白质合成的过程。原核细胞的基因转录过程如下图：二、真核细胞的基因结构与原核细胞的基因相比，不同的是：真核细胞的编码区是间隔的即编码区由可编码的部分（称外显子）和不可编码的部分（称内显子）相间排列。其转录过程与原核生物大致相同，所不同的是，它所转录出的RNA同时含有由外显子转录出的部分和内显子转录出的部分，转录结束后，需要将RNA中由内显子转录出的部分剪掉，然后将若干后由由外显子转录出的部分的RNA拼接起来，才能形成完整的mRNA。三、人类基因组研究“人类基因组”是指人体DNA所携带的全部遗传信息。包括1－22号常染色体和X、Y染色体，共24种染色体的24个DNA分子上的遗传信息，这24个DNA分子上构有30亿个碱基对，约有3－5万个基因。“人类基因组计划”就是分析测定人类基因组的核苷酸序列，其主要任务是绘制出人类基因组的4张图：遗传图(基因在染色体上的位点)、物理图(测量出基因的距离)、序列图(测定基因的碱基排列次序)、转录图(测定基因转录形成RNA时的碱基配对)。参与这项计划的有六个国家：中国、美国、英国、法国、德国和日本。研究人类基因组的意义是：各种疾病、尤其是各种病的诊断；进一步了解基因表达的调控机制；细胞的生长、分化和个体发育的机制及生物进化；推动生物高新技术的发展，并产生巨大的经济意义。【例题精讲】例1．小鼠的海拉细胞有氯霉素抗性，通过显微操作，将对氯霉素无抗性的小鼠体细胞的核取出，注入去核的海拉细胞中，然后将这一新组合的细胞放到含有氯霉素的培养基中，发现它能够持续分裂。试分析：（1）控制氯霉素抗性的遗传物质位于细胞的＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。（2）上述遗传方式称＿＿＿＿＿＿＿，它的特点是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。解析：本题主要考查细胞质遗传的本质及表现出的特点由题意可知，小鼠细胞对氯霉素有、无抗性属于一对性状，控制这一相对性状的遗传物质可能位于核中，也有可能位于细胞质中。本题中将对氯霉素有抗性的海拉细胞的细胞质与氯霉素无抗性的细胞的细胞核重组成一新细胞，它在含有氯霉素的培养基中仍然持续分裂，说明它对氯霉素具有抗性，由此可分析得出决定细胞有无抗性的遗传物质在细胞质中，这种性状的遗传应属于细胞质遗传。至于细胞质遗传的特点也就迎刃而解了。因此，本题的答案是：（1）细胞质中。（2）细胞质遗传；母系遗传、杂交后代不出现一定的分离比。例2．人的一种凝血因子基因有186000个碱基对，能够编码2552个氨基酸。（1）试计算在凝血因子中，外显子的基因对占全部基因对的比例；（2）从此比例中可以得出什么结论？非编码区编码区非编码区（编码区上游）（编码区下游）与DNA聚合酶结合的位点在编码区上游，RNA聚合酶与RNA结合位点结合。转录：以DNA的一条链为模板合成mRNA。RNA聚合酶与RNA结合位点分离，并从DNA模板链上脱落，转录结束。向编码区移动向编码区下游移动解析：本题主要考查真核细胞的基因结构和中心法则的有关知识。由2552个氨基酸可推知，这些氨基酸需要mRNA上的2552╳3个碱基来编码，进而可以推导出基因中参与编码的碱基对数为为7656，而这就是外显子所含有的碱基对数；因此，外显子的比例为：（7656∕186000）╳100%＝4%；在整个基因中，外显子的碱基对数只占4%，说明在真核细胞中，基因结构的复杂性。因此本题的答案是：（1）4%；（2）在原核细胞中，编码碱基（外显子）所占比例很小，说明真核细胞中基因结构的复杂性。【练习题】（1）下列哪组细胞器在遗传上有一定的自主性（）A.细胞核、叶绿体B.细胞核、线粒体C.核糖体、叶绿体D.叶绿体、线粒体（2）下列与细胞质基因无关的性状为（）A.紫茉莉的花B.高粱的雄性不育C.藏报春花的绿叶D.酵母菌的菌落（3）在形成卵细胞的减数分裂中细胞质的遗传物质分配特点是（）①有规律分配②随机分配③均等分配④不均等分配A.①③B.②③C.②④D.①④（4）一玉米雄性不育植株用恢复系（基因纯合）花粉授粉，F1的基因型和表现型分别是（）A.S(Rr)、雄性可育B.N(RR)、雄性可育C.N(Rr)、雄性不育D.S(rr)、雄性不育（5）一对相对性状甲性状和乙性状为细胞质遗传，下列四种遗传符合细胞质遗传的特点的是（）A.♀甲╳♂乙→F1呈甲性状B.♀甲╳♂乙→F1呈乙性状C.♀乙╳♂甲→F1呈甲性状D.♀乙╳♂甲→F1呈乙性状（6）基因是由（）A.编码区和非编码区组成B.外显子和内含子两部分组成C.RNA聚合酶结合位点、外显子、内含子组成D.RNA聚合酶结合位点、外显子组成（7）真核细胞的一个基因只能编码一种蛋白质，以下说法正确的是（）A.它的编码区有一个外显子和一个内含子B.它的编码区一个外显子和多个内含子C.它的编码区有多个外显子和一个内含子D.它的编码区含有多个外显子和内含子（8）下列哪项是原核生物表达调控的特征（）A.翻译的模板是转录后经加工的mRNAB.转录完毕后再进行翻译C.转录和翻译同时进行D.基因表达调控的结果是产生了细胞的分化（9）基因的重要功能是（）A.储存、传递遗传信息B.表达遗传信息C.能产生突变决定生物性状D.A.B.C.三项（10）含有细胞质基因的是（）①染色体②核糖体③线粒体④叶绿体⑤质粒A.①B.③④C.②③④D.③④⑤答案：1.D2.A3.C4.A5.C6.A7.D8.C9.D10.D