原核细胞和真核细胞基因表达过程比较及试题分析

江苏 帖步霞

原核细胞和真核细胞基因表达过程比较及试题分析

江苏 帖步霞

基因表达即遗传信息的转录和翻译过程。无论是真核细胞还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达的机制，使得细胞在特定的时间和空间产生相应的特异性的蛋白质成为可能。原核生物通过基因表达的调控可以改变它们的代谢方式以适应环境的变化，多细胞真核生物通过基因表达的调控而实现细胞分化、形态发生和个体发育。下面结合相关试题对原核细胞、真核细胞基因结构与表达过程进行比较分析。

一、原核细胞基因和真核细胞基因结构分析

原核细胞与真核细胞基因结构都包括编码区和非编码区（如图所示）。但是原核基因的编码区是连续的，全部都可以转录出mRNA，编码出蛋白质。而真核基因的编码区是不连续的，又分为外显子和内含子，外显子能够转录出mRNA，编码出蛋白质，而内含子则不可以。因此真核基因的非编码序列包括非编码区的所有序列以及编码区里面的内含子序列。

【例1】（原创）利用基因工程技术可以使大肠杆菌合成人的胰岛素，下列有关说法错误的是 （ ）

A. 胰岛B细胞和胰岛A细胞中都有胰岛素基因

B. 大肠杆菌合成的胰岛素要经过人为加工后才能使用

C. 可以利用反转录方法合成人的胰岛素基因作为目的基因

D. 可以直接提取人体细胞中的胰岛素基因作为目的基因

【解析】人体不同体细胞都由受精卵有丝分裂而来，核基因组成是相同的，只是基因表达具有选择性，故A项正确；胰岛素在人体细胞中合成后，需要内质网和高尔基体的加工方可成熟，大肠杆菌细胞中只有核糖体一种细胞器，所以其合成的胰岛素需要人为加工后才能使用，故B项正确；真核基因的编码区是不连续的，因而产生的mRNA必须经过加工，将内含子转录来的序列剪切掉，才能成为有功能的成熟mRNA，原核基因的编码区是连续的，全部能编码蛋白质，所以原核细胞中没有剪切RNA的系统，真核基因不能直接提取导入原核细胞，但是可以通过mRNA的反转录，形成没有内含子序列的基因作为目的基因，故C项正确，D项错误。

【答案】D

二、原核基因表达过程

原核生物的基因由于没有外显子和内含子之分，转录产生的mRNA不需要剪切、拼接等加工过程。原核生物在同一个DNA模板上，可以同时结合多个RNA聚合酶，转录出多个mRNA。由于原核细胞没有核膜，核糖体与mRNA结合不受空间影响，在转录尚未完成时，翻译即已进行，因此原核生物基因的转录和翻译通常是在同一时间同一地点进行的。

【例2】下图显示了大肠杆菌细胞中“转录”和“翻译”的过程。4个数珠状的构造物来自于同一个遗传基因。A～D表示相关物质，据图分析并回答下列问题：

（1）请分别回答A～D的名称：

A_______；B_______；C_______；D_______。

（2）图中DNA正在转录形成________条mRNA，DNA中调控转录开始的启动子的基本组成单位是_______。

（3）图中每个核糖体都在翻译一条多肽链，最终形成的多肽链的氨基酸序列________(填“都相同”“都不同”或“不完全相同”)，其原因是____________________。

（4）请在图中的方框中标出转录的方向。

【解析】（1）大肠杆菌是原核生物，原核基因表达过程转录和翻译同步进行，A结合在DNA模板链上，催化转录的进行，所以A是RNA聚合酶；RNA聚合酶催化形成的D是mRNA；原核基因转录的同时，便有多个核糖体结合在mRNA上进行翻译，所以C是核糖体，其翻译形成的B是多肽链。（2）图中有4个RNA聚合酶在催化转录过程，各自形成一条mRNA，所以正在转录形成4条mRNA；启动子是基因的一个组成部分，基因由脱氧核苷酸构成，故启动子的基本单位也是脱氧核苷酸。（3）图中正在形成的4条mRNA是由同一个遗传基因转录而来，故这4条mRNA的碱基序列相同，所以由它们作为模板翻译形成的多肽链的氨基酸序列相同。（4）转录的方向可以根据mRNA链的长短来判断，催化形成的mRNA链比较长的RNA聚合酶移动在前方，据图可知从左至右，mRNA的链越来越长，所以转录的方向是从左至右。

【答案】（1）RNA聚合酶 多肽链 核糖体 mRNA（2）4 脱氧核苷酸 （3）都相同 翻译形成多肽链的模板mRNA碱基序列相同 （4）→

三、真核基因表达过程

真核生物基因表达调控的过程与原核生物有许多共同之处，但也有一定的差异性。真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续的，由于转录时内含子和外显子序列是一起转录的，因而转录产生的mRNA必须经过加工，将内含子序列的转录部分剪切掉，将外显子序列的转录部分拼接起来，才能成为有功能的成熟mRNA。真核生物由于有核膜将核质与细胞质分隔开来，而转录是在细胞核中进行的，翻译是在细胞质中进行的。因此真核生物基因的转录和翻译具有时间和空间上的分隔。

【例3】（原创）（多选）下图为某种细胞中基因表达过程的示意图。甲和乙表示基因表达的相关步骤，①～⑤表示相关物质，据图判断，下列描述中正确的是 （ ）

A. 图示的是真核细胞的基因表达过程，转录尚未结束，翻译即已开始

B. 甲过程①为转录的模板链，需要RNA聚合酶催化mRNA的合成

C. 乙过程mRNA上碱基发生改变，一定会改变肽链中氨基酸的种类

D.一个含n个碱基的基因，转录的mRNA分子中碱基数小于个

【解析】图中有核膜和核孔，表明这是真核细胞的基因表达过程，转录在细胞核，翻译在细胞质，转录、翻译具有空间和时间上的分隔，故A项错误；转录时遵循碱基互补配对原则，mRNA上的碱基和①链上的碱基恰好互补，所以①为模板链，转录需要RNA聚合酶催化，故B项正确；一种氨基酸可能有多种密码子，mRNA中密码子改变不一定会改变肽链中的氨基酸，故C项错误；真核基因中非编码区序列不进行转录，且编码区的内含子转录的序列会被剪切掉，所以mRNA中的碱基数目远小于基因的一半，故D项正确。

【答案】BD

四、原核基因和真核基因表达过程综合分析

有时试题中没有说明是原核细胞还是真核细胞，这就需要根据原核细胞中基因表达与真核细胞中基因表达过程的差异来进行判断。

【例4】（改编）（多选）下图为某种细胞中基因表达过程的示意图。甲和乙表示基因表达的相关步骤，据图判断，下列描述中正确的是 （ ）

A. 图示的是原核细胞的基因表达过程，其中甲过程为转录，乙过程为翻译

B. 甲过程和乙过程消耗的原料分别是游离的脱氧核苷酸和氨基酸

C. 图中的核糖体正在合成4条多肽链

D. 一个基因在短时间内可表达出多条多肽链

【解析】此题没有说明是原核还是真核细胞，但据图可知，甲过程的模板是DNA的一条链，且需要RNA聚合酶的催化，所以甲表示转录过程，乙过程的模板是mRNA，产物为多肽，所以乙为翻译过程，转录尚未完成，翻译即已开始，所以该细胞为原核细胞，故A项正确；甲是转录过程，消耗的原料是游离的核糖核苷酸，故B项错误；C项是最容易错选的，DNA模板链转录形成的是4条mRNA，连接在mRNA上的每个核糖体各自翻译出一条多肽链，所以图中有多条多肽链正在合成，故C项错误；转录和翻译同步进行，多个核糖体进行翻译，一个基因短时间内可表达出多条多肽链，故D项正确。

【答案】AD

【例5】（原创）如图表示某高等植物细胞中基因表达的过程，Ⅰ～Ⅵ表示细胞内的物质或结构，甲～丁表示有关生理过程，箭头表示物质转移的路径和方向，据图分析并回答下列问题：

（1）图中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ代表的物质或结构依次为________、 _________、____。

（2）图中乙过程核糖体相对mRNA移动方向为________。Ⅴ是叶绿体中的小型环状DNA，则参与过程丙的物质Ⅵ是_______。

（3）据图可知，该细胞基因表达过程中能发生转录的场所有________。

（4）若rbcs基因表达产物SSU由n个氨基酸组成，指导其合成的mRNA含有的碱基数为_______。

（5）用某种药物处理该细胞后发现，细胞质基质中RNA含量显著减少，叶绿体功能_________(填“会”或“不会”)受到影响，这种现象说明生物的性状受_______控制。

【解析】（1）Ⅱ是DNA作模板转录形成的，故为mRNA；多个Ⅲ结合在mRNA上进行翻译，故为核糖体；Ⅳ是翻译的产物多肽链。（2）翻译的多肽链比较长的核糖体移动在前方，所以核糖体从右至左移动。丙是转录过程，则物质Ⅵ是RNA聚合酶。（3）据图分析甲和丙都为转录过程，故转录的场所为细胞核和叶绿体。（4）mRNA上的3个相邻碱基决定一个氨基酸，但只翻译mRNA上起始密码至终止密码的碱基序列，mRNA两端有不翻译的碱基序列，故氨基酸为n个时，其模板mRNA碱基数（远）大于3n。（5）据图可知细胞质基质中的mRNA翻译的产物SSU和LHCP，都进入叶绿体发挥作用，故其含量显著减少会影响叶绿体功能，这说明生物的性状受核基因与质基因共同控制的。

【答案】（1）mRNA 核糖体 多肽 （2）从右至左RNA聚合酶 （3）细胞核和叶绿体 （4）（远）大于3n（5）会 细胞核基因与细胞质基因共同

总之，原核基因和真核基因表达过程作为高考命题热点素材，其基本过程、所需条件以及两者之间的差异性必须牢固掌握。学会分析相关的模式图解，并熟练掌握有关的答题技巧，原核基因和真核基因表达的相关问题便可迎刃而解。

（作者单位：江苏省苏州实验中学）