山東 劉訓(xùn)和

遺傳密碼的破譯是生物科學(xué)史上具有重大影響和深遠(yuǎn)意義的事件。2019 年全國(guó)卷Ⅰ高考生物第2 題以此為背景進(jìn)行命題，切合《普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試大綱》中“關(guān)注對(duì)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)發(fā)展有重大影響的、與生命科學(xué)相關(guān)的突出成就及熱點(diǎn)問題”的要求。在理解能力層面，該題考查對(duì)“中心法則”這一核心概念的理解、掌握和應(yīng)用；在實(shí)驗(yàn)探究能力層面，該題要求考生能構(gòu)建“翻譯模型”，并借助此模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較、分析，做出正確判斷，得出合理結(jié)論。

【原題展示】（2019 年，全國(guó)卷Ⅰ，第2 題）用體外實(shí)驗(yàn)的方法可合成多肽鏈。已知苯丙氨酸的密碼子是UUU，若要在體外合成同位素標(biāo)記的多肽鏈，所需的材料組合是 （ ）

①同位素標(biāo)記的tRNA

② 蛋白質(zhì)合成所需的酶

③同位素標(biāo)記的苯丙氨酸

④ 人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸

⑤ 除去了DNA 和mRNA 的細(xì)胞裂解液

A.①②④ B.②③④ C.③④⑤ D.①③⑤

【答案】C

1.材料背景

20 世紀(jì)60 年代初，研究人員開始研究遺傳密碼的破譯工作。

（1）丟棄細(xì)胞——制作體外無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)

研究人員破碎大腸桿菌細(xì)胞后，將內(nèi)容物置于離心機(jī)內(nèi)高速離心，大的細(xì)胞殘片如細(xì)胞膜等在離心力的作用下集中在離心管底部，獲得的上液清中含有mRNA、tRNA、核糖體、酶和其他小分子等物質(zhì)，它們是合成蛋白質(zhì)所必需的成分。當(dāng)研究人員向上述細(xì)胞提取液中加入放射性同位素標(biāo)記的氨基酸后，經(jīng)離心，在離心管底部得到了具有放射性的多肽，這說明此體外無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)具有正常的翻譯功能。

研究人員的目的是希望用此翻譯系統(tǒng)來翻譯他們自己合成的mRNA。M.W.Nirenberg 向上述翻譯系統(tǒng)中加入少量的核糖核酸酶，用以降解系統(tǒng)內(nèi)的mRNA。一個(gè)無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)至此制作完成，只待外源mRNA 的加入。

（2）偽造信息——人工合成mRNA

利用多核苷酸磷酸化酶，M.W.Nirenberg 在沒有模板的情況下將單一類型的核苷酸合成了單一序列的RNA，如只加入U(xiǎn)，則合成UUUUUU……序列的RNA。H.Marshall 和M.W.Nirenberg 等人最先合成的是尿嘧啶的mRNA——UUUUUU……（poly U）。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果——UUU 編碼苯丙氨酸

研究人員將poly U 放入上述無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)中，然后向其中加入同種被放射性同位素標(biāo)記的氨基酸，經(jīng)過20 次不同的實(shí)驗(yàn)，每次只加入1 種被放射性同位素標(biāo)記的氨基酸，最終發(fā)現(xiàn)只有在加入苯丙氨酸后，該系統(tǒng)才能合成具有放射性的多肽。隨后研究人員用poly A、poly C 重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，確定了AAA 編碼賴氨酸，CCC 編碼脯氨酸。因?yàn)閜oly G 的多核苷酸鏈會(huì)形成不穩(wěn)定的三螺旋結(jié)構(gòu)，故無法測(cè)定GGG 編碼哪種氨基酸。

（4）改進(jìn)方法——合成混合序列的mRNA

后來，化學(xué)家Har Gobind Khorana 發(fā)明了制備混合DNA 的方法，并用RNA 聚合酶來轉(zhuǎn)錄此DNA，用以生產(chǎn)mRNA。用此方法可制作重復(fù)序列的各種mRNA，如poly UC、poly UUC、poly UAUC 等。

（5）技術(shù)革新 ——誘捕三核苷酸

M.W.Nirenberg 和Philip Leder 發(fā)現(xiàn)只有3 個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的mRNA 片段能夠結(jié)合到核糖體上，并且可以吸引帶有特定氨基酸的tRNA 與之結(jié)合，形成一個(gè)復(fù)合體。這個(gè)復(fù)合體含有1 個(gè)mRNA 密碼子、1 個(gè)核糖體和1 個(gè)氨酰-tRNA（其上的氨基酸用放射性同位素標(biāo)記）。這個(gè)復(fù)合體所結(jié)合的氨基酸就是密碼子所決定的氨基酸。由于用化學(xué)方法合成三核苷酸小片段（密碼子）相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)誘捕三核苷酸實(shí)驗(yàn)比之前的解碼實(shí)驗(yàn)更容易執(zhí)行和分析，因此研究人員很快合成出64 種可能的密碼子，并在第2 年破譯了全部遺傳密碼。

2.教材分析

人教版生物教材必修2 對(duì)上述密碼子的發(fā)現(xiàn)過程簡(jiǎn)述如下，“……尼倫伯格和馬太采用了蛋白質(zhì)的體外合成技術(shù)。他們?cè)诿總€(gè)試管中分別加入一種氨基酸，再加入除去了DNA 和mRNA 的細(xì)胞提取液以及人工合成的RNA 多聚尿嘧啶核苷酸，結(jié)果加入了苯丙氨酸的試管中出現(xiàn)了多聚苯丙氨酸的肽鏈！”。此描述中包含如下要點(diǎn)：

（1）體外蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)的制作過程中去除了DNA 和mRNA；

（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)在體系中加入了人工合成的mRNA（UUUUU……）和苯丙氨酸；

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果為合成了多聚苯丙氨酸的肽鏈；

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論為UUU 編碼苯丙氨酸。

3.命題分析

（1）全國(guó)卷Ⅰ的命題思維多為“知果求因”，意在考查考生的科學(xué)思維素養(yǎng)。本題題干中明確表述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是“在體外合成同位素標(biāo)記的多肽鏈”，已知條件是“苯丙氨酸的密碼子是UUU”，因此需要添加的物質(zhì)是③同位素標(biāo)記的苯丙氨酸及④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸。

（2）體外無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)內(nèi)存在氨基酸嗎？為什么還要再加入放射性同位素標(biāo)記的苯丙氨酸？

體外無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)內(nèi)存在多種氨基酸，包括苯丙氨酸，加入poly U 后，不加放射性同位素標(biāo)記的苯丙氨酸，此系統(tǒng)也能翻譯出苯丙氨酸的肽鏈。那么，為什么還要再加入被放射性同位素標(biāo)記的苯丙氨酸呢？這主要是為了方便產(chǎn)物的檢測(cè)。在此體系中新加入放射性同位素標(biāo)記的苯丙氨酸后，經(jīng)離心，在離心管的底部檢測(cè)到合成的放射性多肽，這樣才能確定加入poly U 后新合成了放射性多肽，這樣的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

（3）是否需要向體外無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)中加入放射性同位素標(biāo)記的tRNA？

不需要，一是因?yàn)閠RNA 只參與氨基酸的運(yùn)輸，不會(huì)進(jìn)入到多肽鏈中；二是體外蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)中本來已經(jīng)含有tRNA；三是若加入放射性同位素標(biāo)記的tRNA，離心后離心管的底部也會(huì)出現(xiàn)放射性，無法區(qū)分放射性是來自苯丙氨酸的肽鏈還是tRNA，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾。

（4）是否需要加入合成蛋白質(zhì)所需的酶？

不需要，體外無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)本身含有翻譯所需要的多種酶。如在蛋白質(zhì)合成過程中，肽鍵的形成是在核糖體的大亞基內(nèi)，核糖體的大亞基內(nèi)有肽酰轉(zhuǎn)移酶活性位點(diǎn)，其作用是催化肽鍵的形成。肽酰轉(zhuǎn)移酶催化位于核糖體A 位的氨酰-tRNA 末端氨基酸的氨基與P 位肽酰-tRNA上氨基酸的羧基形成肽鍵，結(jié)果是A 位的氨酰-tRNA 上的多肽鏈延長(zhǎng)了一個(gè)氨基酸，而P 位的氨酰-tRNA 形成脫氨酰-tRNA。因此，體外翻譯系統(tǒng)中不需要加入酶，所以題目中②的表述是錯(cuò)誤的。

（5）體外翻譯系統(tǒng)為什么要除去DNA 和mRNA?

這一問出現(xiàn)在人教版生物教材必修2 旁欄的思考題中。為保證加入的人工合成的mRNA 為唯一的mRNA，在制作體外翻譯系統(tǒng)時(shí)要去除DNA 和mRNA。除去原有的mRNA 是為了防止原有mRNA 的翻譯產(chǎn)物干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果；除去DNA 是為了防止DNA 轉(zhuǎn)錄出新的mRNA。因此，細(xì)胞裂解液除去DNA 和mRNA 是必需的，只有這樣才能保證翻譯產(chǎn)物——放射性多肽鏈為外源mRNA 的翻譯產(chǎn)物。

4.易錯(cuò)點(diǎn)分析

此題的易錯(cuò)點(diǎn)有兩個(gè)：（1）是否需要加入酶；（2）是否需要除去DNA 和mRNA?？忌菀壮鲥e(cuò)的原因是對(duì)體外無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)的組成成分、功能和用途模糊不清。同時(shí)，這一部分內(nèi)容屬于選學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)過程中教師對(duì)這部分內(nèi)容沒有引起重視，大多沒有講授。

5.知識(shí)延伸

體外無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)通常包含了細(xì)胞提取物的核糖體、各種tRNA、各種氨酰-tRNA 合成酶等酶類、蛋白質(zhì)合成所需要的起始因子和延伸因子以及終止釋放因子、GTP、ATP、氨基酸、能量供應(yīng)系統(tǒng)及無機(jī)離子等成分。常見的無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)有大腸桿菌無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)、兔網(wǎng)織紅細(xì)胞無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)、麥胚無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)和由某些腫瘤細(xì)胞制備成的無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)等。

6.啟示

高考全國(guó)卷Ⅰ的命題多基于教材，所以在備考時(shí)教師要回歸教材并做好深度挖掘的工作，特別要注重對(duì)教材上的圖、圖解及旁欄思考的研究。教材中的圖及圖解具有形象鮮活、信息豐富的特點(diǎn)，最能吸引命題人的眼球。多年的高考試題證明，高考對(duì)教材中的圖及圖解的考查密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方面。掌握全國(guó)卷Ⅰ的命題特點(diǎn)和命題規(guī)律，洞悉命題人的命題思維，合理猜測(cè)命題人的所想所思，是提高備考準(zhǔn)確性和效度的關(guān)鍵。