对2019年全国卷Ⅰ第2题的深度剖析

山东 刘训和

遗传密码的破译是生物科学史上具有重大影响和深远意义的事件。2019 年全国卷Ⅰ高考生物第2 题以此为背景进行命题，切合《普通高等学校招生全国统一考试大纲》中“关注对科学、技术和社会发展有重大影响的、与生命科学相关的突出成就及热点问题”的要求。在理解能力层面，该题考查对“中心法则”这一核心概念的理解、掌握和应用；在实验探究能力层面，该题要求考生能构建“翻译模型”，并借助此模型，对实验结果进行比较、分析，做出正确判断，得出合理结论。

【原题展示】（2019 年，全国卷Ⅰ，第2 题）用体外实验的方法可合成多肽链。已知苯丙氨酸的密码子是UUU，若要在体外合成同位素标记的多肽链，所需的材料组合是 （ ）

①同位素标记的tRNA

② 蛋白质合成所需的酶

③同位素标记的苯丙氨酸

④ 人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸

⑤ 除去了DNA 和mRNA 的细胞裂解液

A.①②④ B.②③④ C.③④⑤ D.①③⑤

【答案】C

1.材料背景

20 世纪60 年代初，研究人员开始研究遗传密码的破译工作。

（1）丢弃细胞——制作体外无细胞翻译系统

研究人员破碎大肠杆菌细胞后，将内容物置于离心机内高速离心，大的细胞残片如细胞膜等在离心力的作用下集中在离心管底部，获得的上液清中含有mRNA、tRNA、核糖体、酶和其他小分子等物质，它们是合成蛋白质所必需的成分。当研究人员向上述细胞提取液中加入放射性同位素标记的氨基酸后，经离心，在离心管底部得到了具有放射性的多肽，这说明此体外无细胞翻译系统具有正常的翻译功能。

研究人员的目的是希望用此翻译系统来翻译他们自己合成的mRNA。M.W.Nirenberg 向上述翻译系统中加入少量的核糖核酸酶，用以降解系统内的mRNA。一个无细胞翻译系统至此制作完成，只待外源mRNA 的加入。

（2）伪造信息——人工合成mRNA

利用多核苷酸磷酸化酶，M.W.Nirenberg 在没有模板的情况下将单一类型的核苷酸合成了单一序列的RNA，如只加入U，则合成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）实验结果——UUU 编码苯丙氨酸

研究人员将poly U 放入上述无细胞翻译系统中，然后向其中加入同种被放射性同位素标记的氨基酸，经过20 次不同的实验，每次只加入1 种被放射性同位素标记的氨基酸，最终发现只有在加入苯丙氨酸后，该系统才能合成具有放射性的多肽。随后研究人员用poly A、poly C 重复上述实验，确定了AAA 编码赖氨酸，CCC 编码脯氨酸。因为poly G 的多核苷酸链会形成不稳定的三螺旋结构，故无法测定GGG 编码哪种氨基酸。

（4）改进方法——合成混合序列的mRNA

后来，化学家Har Gobind Khorana 发明了制备混合DNA 的方法，并用RNA 聚合酶来转录此DNA，用以生产mRNA。用此方法可制作重复序列的各种mRNA，如poly UC、poly UUC、poly UAUC 等。

（5）技术革新 ——诱捕三核苷酸

M.W.Nirenberg 和Philip Leder 发现只有3 个核苷酸长度的mRNA 片段能够结合到核糖体上，并且可以吸引带有特定氨基酸的tRNA 与之结合，形成一个复合体。这个复合体含有1 个mRNA 密码子、1 个核糖体和1 个氨酰-tRNA（其上的氨基酸用放射性同位素标记）。这个复合体所结合的氨基酸就是密码子所决定的氨基酸。由于用化学方法合成三核苷酸小片段（密码子）相对简单，同时诱捕三核苷酸实验比之前的解码实验更容易执行和分析，因此研究人员很快合成出64 种可能的密码子，并在第2 年破译了全部遗传密码。

2.教材分析

人教版生物教材必修2 对上述密码子的发现过程简述如下，“……尼伦伯格和马太采用了蛋白质的体外合成技术。他们在每个试管中分别加入一种氨基酸，再加入除去了DNA 和mRNA 的细胞提取液以及人工合成的RNA 多聚尿嘧啶核苷酸，结果加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链！”。此描述中包含如下要点：

（1）体外蛋白质合成系统的制作过程中去除了DNA 和mRNA；

（2）实验时在体系中加入了人工合成的mRNA（UUUUU……）和苯丙氨酸；

（3）实验结果为合成了多聚苯丙氨酸的肽链；

（4）实验结论为UUU 编码苯丙氨酸。

3.命题分析

（1）全国卷Ⅰ的命题思维多为“知果求因”，意在考查考生的科学思维素养。本题题干中明确表述的实验结果是“在体外合成同位素标记的多肽链”，已知条件是“苯丙氨酸的密码子是UUU”，因此需要添加的物质是③同位素标记的苯丙氨酸及④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸。

（2）体外无细胞翻译系统内存在氨基酸吗？为什么还要再加入放射性同位素标记的苯丙氨酸？

体外无细胞翻译系统内存在多种氨基酸，包括苯丙氨酸，加入poly U 后，不加放射性同位素标记的苯丙氨酸，此系统也能翻译出苯丙氨酸的肽链。那么，为什么还要再加入被放射性同位素标记的苯丙氨酸呢？这主要是为了方便产物的检测。在此体系中新加入放射性同位素标记的苯丙氨酸后，经离心，在离心管的底部检测到合成的放射性多肽，这样才能确定加入poly U 后新合成了放射性多肽，这样的设计更加科学合理。

（3）是否需要向体外无细胞翻译系统中加入放射性同位素标记的tRNA？

不需要，一是因为tRNA 只参与氨基酸的运输，不会进入到多肽链中；二是体外蛋白质合成系统中本来已经含有tRNA；三是若加入放射性同位素标记的tRNA，离心后离心管的底部也会出现放射性，无法区分放射性是来自苯丙氨酸的肽链还是tRNA，对实验结果造成干扰。

（4）是否需要加入合成蛋白质所需的酶？

不需要，体外无细胞翻译系统本身含有翻译所需要的多种酶。如在蛋白质合成过程中，肽键的形成是在核糖体的大亚基内，核糖体的大亚基内有肽酰转移酶活性位点，其作用是催化肽键的形成。肽酰转移酶催化位于核糖体A 位的氨酰-tRNA 末端氨基酸的氨基与P 位肽酰-tRNA上氨基酸的羧基形成肽键，结果是A 位的氨酰-tRNA 上的多肽链延长了一个氨基酸，而P 位的氨酰-tRNA 形成脱氨酰-tRNA。因此，体外翻译系统中不需要加入酶，所以题目中②的表述是错误的。

（5）体外翻译系统为什么要除去DNA 和mRNA?

这一问出现在人教版生物教材必修2 旁栏的思考题中。为保证加入的人工合成的mRNA 为唯一的mRNA，在制作体外翻译系统时要去除DNA 和mRNA。除去原有的mRNA 是为了防止原有mRNA 的翻译产物干扰实验结果；除去DNA 是为了防止DNA 转录出新的mRNA。因此，细胞裂解液除去DNA 和mRNA 是必需的，只有这样才能保证翻译产物——放射性多肽链为外源mRNA 的翻译产物。

4.易错点分析

此题的易错点有两个：（1）是否需要加入酶；（2）是否需要除去DNA 和mRNA。考生容易出错的原因是对体外无细胞翻译系统的组成成分、功能和用途模糊不清。同时，这一部分内容属于选学内容，在教学过程中教师对这部分内容没有引起重视，大多没有讲授。

5.知识延伸

体外无细胞翻译系统通常包含了细胞提取物的核糖体、各种tRNA、各种氨酰-tRNA 合成酶等酶类、蛋白质合成所需要的起始因子和延伸因子以及终止释放因子、GTP、ATP、氨基酸、能量供应系统及无机离子等成分。常见的无细胞翻译系统有大肠杆菌无细胞翻译系统、兔网织红细胞无细胞翻译系统、麦胚无细胞翻译系统和由某些肿瘤细胞制备成的无细胞翻译系统等。

6.启示

高考全国卷Ⅰ的命题多基于教材，所以在备考时教师要回归教材并做好深度挖掘的工作，特别要注重对教材上的图、图解及旁栏思考的研究。教材中的图及图解具有形象鲜活、信息丰富的特点，最能吸引命题人的眼球。多年的高考试题证明，高考对教材中的图及图解的考查密度远远高于其他方面。掌握全国卷Ⅰ的命题特点和命题规律，洞悉命题人的命题思维，合理猜测命题人的所想所思，是提高备考准确性和效度的关键。