高考高三生物2二轮微专题-操纵子复习

第第页二轮微专题——操纵子1．如图所示，乳糖操纵子是存在于大肠杆菌DNA上调控乳糖相关代谢过程的片段。当大肠杆菌的生存环境中无葡萄糖有乳糖时，阻遏蛋白会与乳糖结合，导致该蛋白构象发生改变而不能与操纵序列结合，使β-半乳糖苷酶基因和半乳糖苷透性酶基因能正常表达，从而促进大肠杆菌吸收并分解利用乳糖。下列相关说法错误的是（

）A．该调控过程可以使大肠杆菌更加合理地利用生存环境中的营养物质B．环境中的乳糖通过影响阻遏蛋白的表达调节乳糖代谢相关酶的合成C．若阻遏蛋白因基因突变而失活，大肠杆菌在无乳糖的环境中也能表达β-半乳糖苷酶D．环境中乳糖浓度不同时，β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透性酶表达量的比例无显著差异2．大肠杆菌乳糖操纵子包括lacZ、lacY、lacA三个结构基因（编码参与乳糖代谢的酶，其中酶a能够水解乳糖），以及操纵基因、启动子和调节基因。培养基中无乳糖存在时，调节基因表达的阻遏蛋白和操纵基因结合，导致RNA聚合酶不能与启动子结合，使结构基因无法转录；乳糖存在时，结构基因才能正常表达，调节过程如下图所示。下列说法错误的是（

）A．结构基因转录时，只能以β链为模板，表达出来的酶a会使结构基因的表达受到抑制B．过程①的碱基配对方式与②过程不完全相同，参与②过程的氨基酸都可被多种tRNA转运C．若调节基因的碱基被甲基化修饰，可能导致结构基因持续表达，造成大肠杆菌物质和能量的浪费D．据图可知，乳糖能够调节大肠杆菌中基因的选择性表达，没有发生细胞的分化3．大肠杆菌色氨酸操纵子可以控制色氨酸合成途径中酶的合成，高水平的色氨酸与阻遏蛋白结合后形成阻遏蛋白-色氨酸复合物，复合物与操纵基因紧密结合会抑制其转录，当色氨酸水平低时，阻遏蛋白以一种非活性形式存在（无活性）。调节机制如图所示，回答下列问题：(1)大肠杆菌色氨酸操纵子的基本组成单位是____________，mRNA中____________构成其基本骨架。(2)研究发现，大肠杆菌有5个与色氨酸合成有关的基因。缺乏色氨酸时，这些基因通过____________过程合成相关酶。大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效，原因之一是没有核膜的界限，__________。(3)真核生物转录的原始RNA往往含有无效的核苷酸片段，需要经相关酶切除后再与核糖体结合，否则会形成异常的mRNA。若异常mRNA合成了蛋白质，则该蛋白质的氨基酸数目_________（填“一定”或“不一定”）比正常蛋白质的多，理由是______。(4)如果合成的酶1为一条多肽链，其中共有150个肽键，则合成该肽链共需______个氨基酸，控制合成该多肽链的基因A至少应有____________个碱基。(5)研究发现，当培养基中含少量色氨酸时，大肠杆菌能合成与色氨酸合成有关的酶，结合图示分析原因是________________。4．学习以下材料，回答（1）~（4）题。乳糖操纵子在转基因动物中的应用前景乳糖操纵子只存在原核生物中，由调节基因（I）、启动子（P）、操纵基因（O）、结构基因（Z、Y、A）组成（如下图）。若诱导物（乳糖/半乳糖）不存在时，Ⅰ在其自身启动子的作用下编码阻遏蛋白，其分子构象能识别О序列并与之结合，阻止RNA聚合酶与Р的结合，使结构基因无法表达相应的酶；若诱导物存在时，诱导物能和阻遏蛋白结合，使其分子构象发生改变，无法识别О序列，RNA聚合酶与Р结合，Z、Y、A可以分别表达3种酶。玉米-豆粕饲料是畜牧养殖中重要的蛋白质饲料，但饲料中含有半乳糖苷（抗营养因子）等物质，由于畜禽动物胃肠道内缺乏半乳糖苷酶，导致半乳糖苷在肠道内积聚，进而影响营养物质的吸收。半乳糖苷经肠道微生物发酵产生的NH，等气体还使动物产生胀气，甚至腹泻。因此生产能在动物肠道内表达半乳糖苷酶的转基因动物，可提高饲料中营养物质的利用率，但外源半乳糖苷酶基因在转基因动物中出现过量表达的现象，严重影响转基因动物的健康。近期科学家结合乳糖操纵子的结构和功能，尝试将乳糖操纵子应用于转基因动物，并对其应用效果和前景进行了分析探讨。一旦乳糖操纵子成功应用于转基因动物，对降低转基因动物的健康风险，培育能有效利用半乳糖苷的动物新品种等方面都有重要的应用价值。(1)将大肠杆菌接种到含乳糖的培养基中，乳糖与阻遏蛋白结合，导致该蛋白的___________发生改变，无法识别О序列，进而启动结构基因的___________过程。由此说明，大肠杆菌可在___________水平上调控相关基因的表达。(2)乳糖操纵子介导的半乳糖苷酶能降低转基因动物的健康风险，其原因是__________。(3)若将乳糖操纵子应用于转基因动物，可为其提供技术和理论依据的研究结果包括__________。A．调节基因整合到动物染色体上易被甲基化而无法表达B．操纵基因与哺乳动物的启动子整合不影响靶基因的表达C．突变的调节基因导入小鼠细胞，无法检测到阻遏蛋白D．半乳糖苷酶基因导入小鼠细胞，半乳糖苷酶活性显著增加E．将操纵基因和酪氨酸酶基因整合的转基因小鼠，与表达阻遏蛋白的转基因小鼠杂交，饲喂子代小鼠含诱导物的水可调控其皮肤颜色(4)为了将乳糖操纵子成功应用于转基因动物，科学家还准备做下列科研工作。①修饰乳糖操纵子的I，使其甲基化程度降低。②修饰乳糖操纵子的P，使其具有组织特异性。请选择上述一项科研工作，分析其研究意义__________。5．当培养基中葡萄糖和乳糖共存时大肠杆菌首先利用葡萄糖，只有当乳糖成为主要碳源时才利用乳糖，科学家为解释这一现象，结合相关实验研究提出下图所示的主要调控机理。请据图回答问题。(1)乳糖的水解产物有_____________，组成cAMP的化学元素有_____________。(2)根据图示，结构基因转录只形成一种mRNA，后者可翻译出3种酶，这种“多基因mRNA”的形成是由于lacZ、lacY和lacA共用一个_____________。有研究发现当lacY发生突变后，大肠杆菌细胞内酶a正常、酶b的相对分子质量明显减小、酶c缺乏，出现这种现象最可能的原因是_____________。(3)科学家发现：葡萄糖供应量与大肠杆菌细胞中cAMP的含量呈负相关性，试解释这一现象_____________。当培养基中有葡萄糖和乳糖供应时，异乳糖与阻遏蛋白结合，竞争性地解除阻遏蛋白与操纵子的结合，弱启动子lacP可少量结合_____________（酶），细胞合成少量的乳糖分解酶，保持着分解乳糖的能力。在培养基中的葡萄糖全部消耗完后，细胞中cAMP含量增多，CAP－cAMP与lacP结合，_____________，迅速合成乳糖分解酶，保证了细胞的及时能量供应。(4)为探究在葡萄糖与乳糖质量比为1∶2条件下，大肠杆菌种群密度变化，研究人员利用液体培养基在适宜条件下培养大肠杆菌，每隔一段时间利用_____________法检测、计算大肠杆菌的活菌密度，请在指定坐标图中用曲线预期最可能的实验结果_____________。参考答案：1．B【详解】A、根据题意可知，当大肠杆菌的生存环境中无葡萄糖有乳糖时，阻遏蛋白会与乳糖结合，导致该蛋白构象发生改变而不能与操纵序列结合，使β-半乳糖苷酶基因和半乳糖苷透性酶基因能正常表达，从而促进大肠杆菌吸收并分解利用乳糖。乳糖代谢的这种调节机制使大肠杆菌更加合理地利用生存环境中的营养物质，A正确；B、根据题意可知，当大肠杆菌的生存环境中无葡萄糖有乳糖时，阻遏蛋白会与乳糖结合，导致该蛋白构象发生改变而不能与操纵序列结合，使β-半乳糖苷酶基因和半乳糖苷透性酶基因能正常表达，因此环境中的乳糖通过影响阻遏蛋白的结构来调节乳糖代谢相关酶的合成，B错误；C、若阻遏蛋白因基因突变而失活，则阻遏蛋白不能与操纵序列结合，使β-半乳糖苷酶基因和半乳糖苷透性酶基因能正常表达，因此大肠杆菌在无乳糖的环境中也能表达β-半乳糖苷酶，C正确；D、据图可知，阻遏蛋白不能与操纵序列结合时，lacZ和lacY片段同时转录，进而翻译形成β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透性酶，因此环境中乳糖浓度不同时，β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透性酶表达量的比例无显著差异，D正确。2．B【详解】A、结构基因转录时，启动子在结构基因的左侧，RNA聚合酶只能从左侧往右侧移动，mRNA的合成方向为5'→3'，则模板链方向为3'→5'，只能以β链为模板。表达出来的酶a会水解乳糖，培养基中无乳糖存在时，调节基因表达的阻遏蛋白和操纵基因结合，导致RNA聚合酶不能与启动子结合，使结构基因无法转录，A正确；B、过程①为转录，碱基配对方式有A-U、T-A、C-G、G-C，过程②为翻译，碱基配对方式有A-U、U-A、C-G、G-C，过程①的碱基配对方式与②过程不完全相同，色氨酸只有一种tRNA转运，B错误；C、若调节基因的碱基被甲基化修饰，可能导致结构基因持续表达，不停合成酶a水解乳糖，造成大肠杆菌物质和能量的浪费，C正确；D、据图可知，培养基中无乳糖存在时，调节基因表达的阻遏蛋白和操纵基因结合，导致RNA聚合酶不能与启动子结合，使结构基因无法转录；乳糖存在时，结构基因才能正常表达，由此可知，乳糖能够调节大肠杆菌中基因的选择性表达；大肠杆菌为单细胞生物，该过程发生基因的选择性表达，但该过程没有发生细胞的分化，D正确。3．(1脱氧核糖核苷酸

核糖和磷酸交替连接(2)转录和翻译（表达）

转录和翻译同时发生(3)不一定

未切除的核苷酸片段可能会有终止密码子，引起终止密码子提前出现(4)151

906(5)培养基中含少量色氨酸时，阻遏蛋白以非活性形式存在，不能与操纵基因结合抑制其转录，操纵基因能正常表达合成与色氨酸合成有关的酶【详解】（1）大肠杆菌色氨酸操纵子是DNA的一段序列，故基本组成单位是脱氧核糖核苷酸，mRNA是单链结构，基本骨架是核糖和磷酸交替连接。（2）大肠杆菌是原核生物，没有以核膜为界限的细胞核，细胞内的转录和翻译过程同时进行。当缺乏色氨酸时，阻遏蛋白以一种非活性形式存在（无活性），RNA聚合酶可以结合到启动子上，细胞内5个与色氨酸合成有关的基因开始转录和翻译过程合成出酶1、酶2、酶3、酶4和酶5，催化色氨酸的合成。（3）若异常mRNA未切除的核苷酸片段中含有终止密码子，核糖体移动到终止密码子所在位置时，翻译会提前停止，得到的蛋白质的氨基酸数目比正常蛋白质的氨基酸数目少，若没有终止密码子，得到的蛋白质的氨基酸数目比正常蛋白质的氨基酸数目多，故若异常mRNA合成了蛋白质，则该蛋白质的氨基酸数目不一定比正常蛋白质的多。（4）如果合成的一条多肽链中共有150个肽键，根据氨基酸数=肽键数+链数，氨基酸为150+1=151个；根据基因中碱基数：mRNA中碱基数：多肽中氨基酸数=6:3:1，该基因转录形成的mRNA至少有151×3=453个碱基，控制合成该肽链的基因至少应有碱基数为151×6=906个。（5）培养基中含少量色氨酸时，阻遏蛋白以一种非活性形式存在（无活性），不能与操纵基因结合抑制其转录，操纵基因能正常表达合成与色氨酸合成有关的酶，细胞中色氨酸的合成增加，增加色氨酸的浓度，是一种负反馈调节。4．(1)空间结构

转录

分子(2)乳糖操纵子可使转基因动物中半乳糖苷酶基因根据机体需求选择是否表达，避免出现过量表达。(3)BDE(4)①提高I的表达量，避免乳糖操纵子失效。②可使半乳糖苷酶基因在特定组织中表达，避免细胞中物质和能量的浪费。【详解】（1）根据题干信息“Ⅰ在其自身启动子的作用下编码阻遏蛋白，其分子构象能识别О序列并与之结合，阻止RNA聚合酶与Р的结合，使结构基因无法表达相应的酶”，所以当乳糖与阻遏蛋白结合，导致该蛋白的构象发生改变，进而启动结构基因的转录过程；这是在分子水平上调控基因表达。（2）根据题干信息可以得出，当乳糖/半乳糖不存在时，结构基因无法表达，而当诱导物存在时，基因可以表达，所以乳糖操纵子可使转基因动物中半乳糖苷酶基因根据机体需求选择是否表达，避免出现过量表达。（3）A、如果调节基因整合到动物染色体上易被甲基化而无法表达，则不能用于转基因动物的培育，所以不能为其提供技术和理论研究，A错误；B、操纵基因与哺乳动物的启动子整合不影响靶基因的表达，所以如果该染色体上的基因能够表达，可以培育转基因动物，能为其提供技术和理论研究，B正确；C、突变的调节基因导入小鼠细胞，无法检测到阻遏蛋白，说明基因没有表达，不能为其提供技术和理论研究，C错误；D、半乳糖苷酶基因导入小鼠细胞，半乳糖苷酶活性显著增加，可以为将动物用于转基因动物提供技术和理论的研究，D正确；E、将操纵基因和酪氨酸酶基因整合的转基因小鼠，与表达阻遏蛋白的转基因小鼠杂交，饲喂子代小鼠含诱导物的水可调控其皮肤颜色，说明相应的基因顺利表达，可以为将动物用于转基因动物提供技术和理论的研究，E正确。故选BDE。（4）Ⅰ在其自身启动子的作用下编码阻遏蛋白，如果修饰乳糖操纵子的I，使其甲基化程度降低，则可以提高I的表达量，可以避免乳糖操纵子失效。RNA聚合酶与Р结合，Z、Y、A可以分别表达3种酶，如果修饰乳糖操纵子的P，使其具有组织特异性，则可以使半乳糖苷酶基因在特定组织中表达，避免细胞中物质和能量的浪费。。5．(1)葡萄糖和半乳糖

C、H、O、N、P(2)

启动子和终止子

lacY内部发生了无义突变，使mRNA上提前出现终止密码子，合成出正常的酶a和氨基酸数目减少的酶b；同时由于核糖体从提前出现的终止密码处脱离，导致下游的mRNA序列不能翻译，不能合成酶c(3)葡萄糖充足时，细胞内ATP多，经转化、结合形成的CAP－cAMP多；由于CAP－cAMP既能抑制cAMP的合成，又能促进cAMP的分解，最终导致细胞中cAMP迅速减少

RNA聚合酶

促进结构基因的转录（或表达）(4)稀释涂布平板

【详解】（1）乳糖是二糖，可水解形成一分子葡萄糖和一分子半乳糖。cAMP（环状一磷酸腺苷酸）是ATP