【考前必看】以端粒和端粒酶為背景的一組高中生物學(xué)試題解析

PAGEPAGE1以端粒和端粒酶為背景的一組高中生物學(xué)試題解析（注：本文修訂版發(fā)表于《生物學(xué)教學(xué)》 2010年第3期）汪久佳（江蘇省南京市江寧高級(jí)中學(xué)， 211100)徐英 （江蘇省蘇州市第四中學(xué)， 215003）摘要：本文對(duì)2009年諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域——端粒和端粒酶有關(guān)的一組高中生物學(xué)試題作了解析。關(guān)鍵詞：諾貝爾獎(jiǎng) 端粒和端粒酶 試題解析由于發(fā)現(xiàn)端粒和端粒酶保護(hù)染色體的機(jī)理，美國 3位科學(xué)家ElizabethBlackburn、Greider和JackSzostak被授予2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。端粒是真核細(xì)胞內(nèi)染色體末端的DNA重復(fù)片斷，經(jīng)常被比做鞋帶兩端防止磨損的塑料套。在新細(xì)胞中，細(xì)胞每分裂一次，端粒就縮短一次，當(dāng)端粒不能再縮短時(shí)， 細(xì)胞就無法繼續(xù)分裂而死亡。 端粒酶是一種核糖核蛋白復(fù)合物，具有逆轉(zhuǎn)錄酶的性質(zhì)， 其含有引物特異識(shí)別位點(diǎn)， 能以自身RNA為模板合成端粒DNA并加到染色體末端，使端粒延長，從而延長細(xì)胞的壽命甚至使其永生。端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)對(duì)癌癥和衰老的研究具有重要意義。人教版高中教材《 生物必修分子與細(xì)胞》在第6章第3節(jié)《細(xì)胞的衰老和凋亡》中提到了有關(guān)細(xì)胞衰老的端粒學(xué)說， 在生物試題中也常常以端粒和端粒酶作為命題背景。 筆梳理了與端粒、端粒酶相關(guān)的高中生物學(xué)試題并解析如下：1、選擇題例1 控制細(xì)胞分裂次數(shù)的時(shí)鐘是位于染色體兩端的一種特殊結(jié)構(gòu)（端粒） ，它隨著細(xì)分裂而變短。癌細(xì)胞中，存在延長染色體端粒的酶，正常人的生殖細(xì)胞中也有。據(jù)此你認(rèn)為體細(xì)胞不能無限分裂的原因是 ( )A．缺少合成端粒酶的氨基酸 B．缺少控制端粒酶合成的基因C．控制端粒酶合成的基因發(fā)生突變 D．控制端粒酶合成的基因沒有表【解析】考查細(xì)胞分裂和細(xì)胞分化。 體細(xì)胞不能無限分裂，因?yàn)榧?xì)胞中沒有端粒酶，但正常人的生殖細(xì)胞中有，說明體細(xì)胞中存在控制端粒酶合成的基因，只是沒有表達(dá)。答案： D例2 在多莉羊問世以后，許多人懷疑多莉可能不是來自成年羊的體細(xì)胞，而是來自實(shí)驗(yàn)污染的胚胎細(xì)胞。那么支持多莉來自體細(xì)胞而不是胚胎細(xì)胞的證據(jù)應(yīng)該是 ( )A．多莉的DNA指紋 B．多莉DNA的熔解溫度C．多莉的端粒長度 D．多莉的生物鐘【解析】體細(xì)胞端粒長度會(huì)隨著細(xì)胞分裂而變短， 胚胎細(xì)胞時(shí)則會(huì)重建，可以用來判斷細(xì)年齡。答案：C2、材料分析題例3 閱讀、分析下列材料，并結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)回答問題：細(xì)胞衰老是一種正常的生命現(xiàn)象。 科學(xué)家提出的端粒學(xué)說闡述了細(xì)胞衰老的某些可能的機(jī)制。端粒是染色體末端的一種特殊結(jié)構(gòu)， 其DNA末端含有由簡單的串聯(lián)重復(fù)序列 (如圖中的－TTAGGG－)組成的單鏈突出段，它們?cè)诩?xì)胞分裂時(shí)不能被完全復(fù)制，因而隨分裂次數(shù)的增加而縮短，除非有端粒酶的存在。端粒酶由 RNA和蛋白質(zhì)組成，其 RNA含有與端粒DNA重復(fù)序列互補(bǔ)的一個(gè)片段 (如下圖中的－AAUCCC－)，是合成端粒DNA的模板其蛋白質(zhì)催化端粒 DNA的合成，催化的一種機(jī)制如下圖。研究表明：如果細(xì)胞中不存在端粒酶的活性，染色體將隨每次分裂而變得越來越短， 而且由于細(xì)胞的后代因必需基因的丟失最終死亡。培養(yǎng)中少數(shù)變得長生不老的癌細(xì)胞表現(xiàn)出有活性的端粒酶和穩(wěn)定長度的端粒。圖中聚合過程需要 種脫氧核苷酸。端粒酶中，蛋白質(zhì)成分的功能類于 (酶)。正常體細(xì)胞中不存在端粒酶的活性，你認(rèn)為新復(fù)制出的 DNA 與親代DNA 完全相嗎? 。體外培養(yǎng)正常成纖維細(xì)胞，細(xì)胞中的端粒長度與細(xì)胞增殖能力呈 關(guān)系。從材料分析可知，正常體細(xì)胞不斷走向衰老的生理原因是 。依據(jù)端粒學(xué)說請(qǐng)?zhí)岢鲆环N可以抗腫瘤藥物的作用機(jī)制。 ?！窘馕觥勘绢}需要學(xué)生根據(jù)提供的新材料， 在理解新信息和基礎(chǔ)上分析具體問題， 結(jié)合已的關(guān)于逆轉(zhuǎn)錄酶的功能、 復(fù)制的結(jié)果等已有知識(shí)，做出新的判斷，得出與新材料相應(yīng)的結(jié)論。本題呈現(xiàn)的方式除了文字，還有圖表，考查學(xué)生的識(shí)圖能力、判斷能力、推理能力和分析表達(dá)等多種能力，有較好的區(qū)分度。 題（中正常的情況下聚合需要 4種脫氧核苷酸但題中顯示是 TAG三種堿基，所以圖中聚合需要 3種脫氧核苷酸，題（2）可根據(jù)題干中信息“研究表明：如果細(xì)胞中不存在端粒酶的活性， 染色體將隨每次分裂而變得越來越短，而且由于細(xì)胞的后代因必需基因的丟失，最終死亡。 ”判斷新復(fù)制出的 與親代不完全相同。細(xì)胞中的端粒長度與細(xì)胞增殖能力呈正相關(guān)關(guān)系， 而正常細(xì)胞的衰老就是因?yàn)槎肆Ｃ富钚缘膯适?。題（具有一定的開放性，只要是圍繞抑制端粒酶的生成和活性提出合理機(jī)制的均正確。關(guān)于細(xì)胞衰老機(jī)制的學(xué)說還有幾種， 可以進(jìn)一步要求學(xué)生預(yù)期一種不支持端粒學(xué)說的結(jié)果。解答這類要求學(xué)生利用新舊知識(shí)解決新問題的試題， 不僅要求學(xué)生具備一定獲取新信息的能力，同時(shí)對(duì)舊知識(shí)的準(zhǔn)確掌握也是必備的基礎(chǔ)和前提?！敬鸢福? 逆轉(zhuǎn)錄酶 （不完全相同 正相關(guān) （3）端粒酶活性的喪失（4）抑制端粒酶基因的表達(dá)（或剔除端粒酶基因， 或抑制端粒酶的活性。（只要合理即可）例4 閱讀、分析下列材料，并結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)回答問題：細(xì)胞衰老可能與端粒截短有關(guān)，每條染色體的兩端都有一段特殊序列的 DNA即端粒人體細(xì)胞分裂的次數(shù)與特異性染色體端粒的長短有關(guān)。 隨著每一次分裂，端粒的長度都要縮短一些，一旦達(dá)到關(guān)鍵長度，細(xì)胞增殖就結(jié)束。然而，人的骨髓細(xì)胞和癌細(xì)胞，在端粒酶的作用下，會(huì)伸長已縮短的染色體末端。 因此，這些染色體就能快速地進(jìn)行細(xì)胞分裂而不會(huì)達(dá)到關(guān)鍵長度，細(xì)胞就持續(xù)增殖。細(xì)胞衰老可能是在端粒 A序列截短后，端粒內(nèi)正常基因的DNA序列受到損傷，結(jié)果使細(xì)胞活動(dòng)漸趨異常。移植會(huì)加速供體細(xì)胞的衰老過程。移植細(xì)胞的端粒較正常骨髓細(xì)胞的短， 如果將端粒酶插入到供體細(xì)胞中， 供體組織就能活得長久些，這一過程對(duì)器官移植及治療 HIV非常有利，例如,在病人患病早期將形成的細(xì)胞從病人體內(nèi)取出 ,用端粒酶培養(yǎng)使端粒伸長,當(dāng)病人血細(xì)胞數(shù)量下降時(shí) ,再放入到病人體內(nèi)。請(qǐng)指出端粒酶、端粒長度和細(xì)胞分裂次數(shù)的關(guān)系： 知識(shí)，指出癌基因使細(xì)胞無限增殖的可能途徑：請(qǐng)利用上述材料描述兩種延緩細(xì)胞衰老的方法： ； 請(qǐng)指出一種用端粒酶治療 HIV的途徑：【解析】本題將端粒、端粒酶與細(xì)胞增殖、細(xì)胞癌變、細(xì)胞衰老、疾病治療等知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來，較好地實(shí)現(xiàn)了學(xué)科內(nèi)綜合。如題（ 的解答要將癌基因與細(xì)胞無限增殖之間通過端酶發(fā)生聯(lián)系，這里涉及基因控制酶的合成進(jìn)而影響代謝過程。題（ 開放性較強(qiáng)，要延緩細(xì)胞衰老，就要保持端粒的長度，進(jìn)而從端粒酶角度尋找解決問題的辦法。題 (4)可在題所給材料的最后一句話找到答題的基本思路。（端粒酶可使端粒伸長，于是細(xì)胞可繼續(xù)分裂癌基因指導(dǎo)合成端粒酶，端粒酶使已縮短的染色體末端伸長（即修復(fù)端粒） ，從而使色體不會(huì)達(dá)到“關(guān)鍵長度” ，細(xì)胞就持續(xù)增殖①利用基因工程對(duì)產(chǎn)生端粒酶基因進(jìn)行修飾，使之在部分或全部細(xì)胞中表達(dá)高活性的端粒酶②用脂質(zhì)體包裹高活性端粒酶導(dǎo)入到某些細(xì)胞中去， 延緩其細(xì)胞衰老③蛋白質(zhì)工程飾已有的端粒酶使其保持高活性④使用酶激活劑等（開放式答題，只要一種合理即可）從被HIV數(shù)量下降時(shí)，將之輸回到患者體內(nèi)（答案合理即可）3、實(shí)驗(yàn)探究題例5 端粒酶是與染色體末端結(jié)構(gòu)相關(guān)的一種細(xì)胞組分。表中數(shù)據(jù)顯示細(xì)胞癌變可能與端酶的活性有關(guān)，請(qǐng)完成下面的探究實(shí)驗(yàn)：細(xì)胞類型增殖代數(shù)端粒酶活性正常體細(xì)胞50~60無癌細(xì)胞無限有實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯慷肆Ｃ概c細(xì)胞癌變的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)材料：癌細(xì)胞，端粒酶抑制劑，細(xì)胞培養(yǎng)液等。實(shí)驗(yàn)步驟：① 。② 。③ 。結(jié)果預(yù)測(cè)及分析： 。【解析】該實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，該類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般步驟是：提出問題，做出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，得