Question

17．科學家通過對大腸桿菌乳糖代謝的研究，弄清了原核生物基因表達調(diào)控的機制．大腸桿菌中直接編碼乳糖分都代謝所需酶類的基因叫結(jié)構(gòu)基因，包括基因lacZ、基因lacY，基因lacA，結(jié)構(gòu)基因的上游有3個對結(jié)構(gòu)基因起調(diào)控作用的核苷酸序列，其中操縱基因?qū)�結(jié)構(gòu)基因起著“開關”的作用，直接控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因能夠調(diào)節(jié)操縱基因狀態(tài)，從而對“開關”起著控制作用，下圖1是科學家提出的一種基因表達調(diào)控假設．回答下列問題：

（1）細胞中RNA聚合酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，它在基因中的結(jié)合位點是啟動子．
（2）圖1中①過程發(fā)生的場所是大腸桿菌擬核部位，完成②過程中遺傳信息的準確傳遞，主要依據(jù)
堿基互補配對原則及氨基酸的密碼子，完成①②過程需要的能量直接來自ATP，ATP中的“A”與調(diào)節(jié)基因和mRNA中的“A”不是（填“是”或“不是”）同一物質(zhì)．
（3）研究發(fā)現(xiàn)，當大腸桿菌培養(yǎng)基中的葡萄糖而沒有乳糖存在時，大腸桿菌不能合成乳糖代謝所需酶，試依據(jù)圖1解釋其原因調(diào)節(jié)基因控制合成的阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄．上述調(diào)節(jié)機制既保證了大腸桿菌能量的供應，又可以避免物質(zhì)和能量的浪費．
（4）當培養(yǎng)基中沒有葡萄糖僅有乳糖時，大腸桿菌必須合成乳糖代謝酶，上圖2表示了這一誘導過程，據(jù)圖可知，當乳糖進入大腸桿菌細胞后，乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，引起阻遏蛋白分子空間結(jié)構(gòu)改變，阻遏蛋白失去與操縱基因結(jié)合的能力，保證RNA聚合酶正常發(fā)揮功能．

Answer 1

分析 大腸桿菌乳糖操縱子包括4類基因：
①結(jié)構(gòu)基因，能通過轉(zhuǎn)錄、翻譯使細胞產(chǎn)生一定的酶系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)蛋白，這是與生物性狀的發(fā)育和表型直接相關的基因．乳糖操縱子包含3個結(jié)構(gòu)基因：lacZ、lacY、lacA．LacZ合成β-半乳糖苷酶，lacY合成透過酶，lacA合成乙酰基轉(zhuǎn)移酶．
②操縱基因O，控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄速度，位于結(jié)構(gòu)基因的附近，本身不能轉(zhuǎn)錄成mRNA．
③啟動基因P，位于操縱基因的附近，它的作用是發(fā)出信號，mRNA合成開始，該基因也不能轉(zhuǎn)錄成mRNA．
④調(diào)節(jié)基因R：可調(diào)節(jié)操縱基因的活動，調(diào)節(jié)基因能轉(zhuǎn)錄出mRNA，并合成一種蛋白，稱阻遏蛋白．

解答 解：（1）細胞中RNA聚合酶的作用是催化轉(zhuǎn)錄，其化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，它在基因中的結(jié)合位點是啟動子．
（2）圖1中①過程為轉(zhuǎn)錄，由于大腸桿菌是原核細胞，沒有成形的細胞核，所以發(fā)生的場所是大腸桿菌擬核部位．完成②過程中遺傳信息的準確傳遞，主要依據(jù)堿基互補配對原則及氨基酸的密碼子，完成①②過程需要的能量直接來自ATP，ATP中的“A”是腺苷，由腺嘌呤和核糖構(gòu)成，所以與調(diào)節(jié)基因和mRNA中的“A”腺嘌呤不是同一物質(zhì)．
（3）當大腸桿菌培養(yǎng)基中的葡萄糖而沒有乳糖存在時，調(diào)節(jié)基因控制合成的阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄，所以大腸桿菌不能合成乳糖代謝所需酶．該調(diào)節(jié)機制既保證了大腸桿菌能量的供應，又可以避免物質(zhì)和能量的浪費．
（4）當培養(yǎng)基中沒有葡萄糖僅有乳糖時，大腸桿菌必須合成乳糖代謝酶，上圖2表示了這一誘導過程，據(jù)圖可知，當乳糖進入大腸桿菌細胞后，乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，引起阻遏蛋白分子空間結(jié)構(gòu)改變，阻遏蛋白失去與操縱基因結(jié)合的能力，保證RNA聚合酶正常發(fā)揮功能．
故答案為：
（1）蛋白質(zhì)   啟動子  
（2）大腸桿菌擬核部位    堿基互補配對原則及氨基酸的密碼子   不是
（3）調(diào)節(jié)基因控制合成的阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄   避免物質(zhì)和能量的浪費
（4）操縱基因

點評 本題考查了大腸桿菌細胞中乳糖代謝基因表達的調(diào)控原理，意在考查學生的理解和應用能力，試題較難．