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17.科学家通过对大肠杆菌乳糖代谢的研究,弄清了原核生物基因表达调控的机制.大肠杆菌中直接编码乳糖分都代谢所需酶类的基因叫结构基因,包括基因lacZ、基因lacY,基因lacA,结构基因的上游有3个对结构基因起调控作用的核苷酸序列,其中操纵基因对结构基因起着“开关”的作用,直接控制结构基因的转录,调节基因能够调节操纵基因状态,从而对“开关”起着控制作用,下图1是科学家提出的一种基因表达调控假设.回答下列问题:

(1)细胞中RNA聚合酶的化学本质是蛋白质,它在基因中的结合位点是启动子.
(2)图1中①过程发生的场所是大肠杆菌拟核部位,完成②过程中遗传信息的准确传递,主要依据
碱基互补配对原则及氨基酸的密码子,完成①②过程需要的能量直接来自ATP,ATP中的“A”与调节基因和mRNA中的“A”不是(填“是”或“不是”)同一物质.
(3)研究发现,当大肠杆菌培养基中的葡萄糖而没有乳糖存在时,大肠杆菌不能合成乳糖代谢所需酶,试依据图1解释其原因调节基因控制合成的阻遏蛋白与操纵基因结合,使结构基因不能转录.上述调节机制既保证了大肠杆菌能量的供应,又可以避免物质和能量的浪费.
(4)当培养基中没有葡萄糖仅有乳糖时,大肠杆菌必须合成乳糖代谢酶,上图2表示了这一诱导过程,据图可知,当乳糖进入大肠杆菌细胞后,乳糖与阻遏蛋白结合,引起阻遏蛋白分子空间结构改变,阻遏蛋白失去与操纵基因结合的能力,保证RNA聚合酶正常发挥功能.

分析 大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因:
①结构基因,能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白,这是与生物性状的发育和表型直接相关的基因.乳糖操纵子包含3个结构基因:lacZ、lacY、lacA.LacZ合成β-半乳糖苷酶,lacY合成透过酶,lacA合成乙酰基转移酶.
②操纵基因O,控制结构基因的转录速度,位于结构基因的附近,本身不能转录成mRNA.
③启动基因P,位于操纵基因的附近,它的作用是发出信号,mRNA合成开始,该基因也不能转录成mRNA.
④调节基因R:可调节操纵基因的活动,调节基因能转录出mRNA,并合成一种蛋白,称阻遏蛋白.

解答 解:(1)细胞中RNA聚合酶的作用是催化转录,其化学本质是蛋白质,它在基因中的结合位点是启动子.
(2)图1中①过程为转录,由于大肠杆菌是原核细胞,没有成形的细胞核,所以发生的场所是大肠杆菌拟核部位.完成②过程中遗传信息的准确传递,主要依据碱基互补配对原则及氨基酸的密码子,完成①②过程需要的能量直接来自ATP,ATP中的“A”是腺苷,由腺嘌呤和核糖构成,所以与调节基因和mRNA中的“A”腺嘌呤不是同一物质.
(3)当大肠杆菌培养基中的葡萄糖而没有乳糖存在时,调节基因控制合成的阻遏蛋白与操纵基因结合,使结构基因不能转录,所以大肠杆菌不能合成乳糖代谢所需酶.该调节机制既保证了大肠杆菌能量的供应,又可以避免物质和能量的浪费.
(4)当培养基中没有葡萄糖仅有乳糖时,大肠杆菌必须合成乳糖代谢酶,上图2表示了这一诱导过程,据图可知,当乳糖进入大肠杆菌细胞后,乳糖与阻遏蛋白结合,引起阻遏蛋白分子空间结构改变,阻遏蛋白失去与操纵基因结合的能力,保证RNA聚合酶正常发挥功能.
故答案为:
(1)蛋白质   启动子  
(2)大肠杆菌拟核部位    碱基互补配对原则及氨基酸的密码子   不是
(3)调节基因控制合成的阻遏蛋白与操纵基因结合,使结构基因不能转录   避免物质和能量的浪费
(4)操纵基因

点评 本题考查了大肠杆菌细胞中乳糖代谢基因表达的调控原理,意在考查学生的理解和应用能力,试题较难.

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