2023年高考生物广东卷“线粒体DNA”题目例析及拓展

李 伟 陈佳琪 韩宝贺

(1.哈尔滨师范大学,黑龙江 哈尔滨150025;2.开鲁一中,内蒙古 通辽 028499)

“线粒体DNA”相关的试题出现在2023年高考的广东卷中,在2022年广东卷及全国甲卷中亦有呈现,引发了师生对此方面内容的关注.线粒体是细胞的“动力车间”[1],有氧呼吸在此进行,细胞生命活动所需的能量大部分由此产生[2].线粒体中含有DNA,位于线粒体的基质中,是重要的核外DNA.明确线粒体DNA存在位置、特征、遗传特性及其与疾病相关性,有助于线粒体DNA相关试题的解答.

1 2023年高考“线粒体DNA”相关题目展示及分析

例1 (广东卷)下列叙述中,能支持将线粒体用于生物进化研究的是( ).

A.线粒体基因遗传时遵循孟德尔定律

B.线粒体DNA复制时可能发生突变

C.线粒体存在于各地质年代生物细胞中

D.线粒体通过有丝分裂的方式进行增殖

答案:B

解析A选项,真核生物的核基因遵循孟德尔定律,但线粒体基因属于细胞质基因,不遵循孟德尔的遗传定律,该A错误;B选项,由于线粒体DNA裸露,易受自由基攻击,线粒体DNA突变率是核基因突变率的10倍,且修复能力差,B正确;C选项,地球上最早的生物是细菌,属于原核生物,没有线粒体,C错误;D选项,真核细胞通过有丝分裂的方式进行增殖,而线粒体不同,主要通过芽殖、缢裂的方式增殖,D错误.

故选B.

2 近十年线粒体DNA高考真题分析

2.1 试题特点分析

2013-2023 年十年间“线粒体DNA”共考查17次,题型全部为选择题,考点主要集中在线粒体中有DNA存在、线粒体DNA存在位置、线粒体DNA的功能等方面.既有单独考查线粒体DNA的题目,也有与细胞器、胚胎移植、遗传进化等内容综合考查的题目.

2.2 考题命制依据

“线粒体DNA”相关的题目,不单单考查学生对线粒体这种细胞器的掌握程度,还要求学生对DNA的功能、中心法则等内容有较深层次的理解.教材提到了真核细胞DNA的分布情况——主要存在于细胞核中,此外线粒体、叶绿体也含有少量的DNA.

高中生物学教材的编写、教师课堂教学、评估与各类生物考试命题的主要依据是国家教育部颁布的课程标准.《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》指出教学内容要阐述清楚细胞器肩负物质运输、能量转换与信息传递等生命活动[3];要阐明遗传信息主要编码在DNA分子上,通过转录形成RNA,再经过翻译指导蛋白质的合成,生物的性状主要通过蛋白质表现.课标的学业要求有:学生通过学习应能够说明细胞内各细胞器通过分工与合作,在细胞水平上完成各类生命活动;学生应能够阐清DNA的特征及DNA通过复制、转录、翻译传递和表达遗传信息的全过程.通过“线粒体DNA”的题目可以很好地评价学生是否满足课标提出的要求.

3 线粒体的结构与线粒体DNA的存在位置

线粒体为真核细胞特有,内含DNA、核糖体,可以合成与自身有关的RNA与蛋白质.

线粒体的大小形态变化多样,但它的基本结构都是由内、外双层单位膜封闭包裹形成的(如图1所示).线粒体的外膜承担使线粒体与外界分隔开的功能,内膜则向内延伸折叠形成“嵴”,增加了膜面积.内膜规则性折叠时会形成动物细胞中常见的“袋状嵴”,而当植物细胞线粒体内膜不规则内陷形成弯曲小管时,“管状嵴”就出现了.膜间隙是存在于外膜和内膜之间的空间,一般来说,膜间隙的宽度是相对稳定的.

图1 线粒体超微结构模式图

线粒体DNA及其转录、翻译所需的分子、核糖体在线粒体基质中存在,线粒体基质是一种胶状物质,位于线粒体内膜内,富含可溶性蛋白质[4].线粒体基质的pH和渗透压较稳定.线粒体内时刻发生着许多重要生化反应,如氨基酸降解、有氧呼吸第二阶段发生的TCA循环、有氧呼吸第三阶段发生的氧化磷酸化等,催化这些反应的酶类也存在于线粒体基质中[5].

例2(2018 年新课标全国卷Ⅰ)生物膜的结构与功能存在密切的联系,下列有关叙述错误的是( ).

A．叶绿体的类囊体膜上存在催化ATP合成的酶

B．溶酶体膜破裂后释放出的酶会造成细胞结构的破坏

C．细胞的核膜是双层膜结构,核孔是物质进出细胞核的通道

D．线粒体DNA位于线粒体外膜上,编码参与呼吸作用的酶

答案:D

4 线粒体DNA的特点及线粒体DNA的复制

线粒体是细胞的“动力工厂”,它可以通过氧化磷酸化作用进行能量转换.线粒体功能的正常发挥要依赖数以千计的核基因编码的蛋白质.除了核基因能够编码蛋白,线粒体自身也有DNA存在,可以编码RNA与蛋白质,线粒体中的酶和核糖体可以对这些蛋白质进一步翻译[6].

大部分真核细胞线粒体DNA呈双链环状,不同物种中线粒体DNA分子的大小不相同,如人类的线粒体DNA约为16 kb,酵母的约为78 kb,而高等植物拟南芥的线粒体DNA约为366 kb等.

线粒体DNA编码的蛋白是呼吸链的组成成分,线粒体DNA的异常会直接影响线粒体的功能状态,进而影响与线粒体功能相关的生命代谢过程[7].线粒体的复制受到核基因控制,复制过程中所需的DNA聚合酶、解旋酶等也均由核基因编码.线粒体DNA在细胞周期的S期及G2期进行复制,以半保留复制的方式进行.

例3(2014年新课标全国卷Ⅱ)关于核酸的叙述,错误的是( ).

A．细胞核中发生的转录过程有RNA聚合酶的参与

B．植物细胞的线粒体和叶绿体中均可发生DNA的复制

C．双链DNA分子中一条链上的磷酸和核糖是通过氢键连接的

D．用甲基绿和吡罗红染色剂可观察DNA和RNA在细胞中的分布

答案:C.

5 线粒体DNA与疾病

人类线粒体DNA包含37个基因,可以合成2种rRNA、22种tRNA、13种多肽(为呼吸链重要组分).当其发生突变,线粒体的功能受损,导致线粒体疾病的发生.帕金森综合征、脑坏死、心肌病等是常见的线粒体基因突变导致的疾病.线粒体DNA突变导致的线粒体病呈单纯的母系遗传[8].

线粒体中的许多功能蛋白复合物由线粒体基因组和核基因组编码的蛋白质亚基共同组成,因此,核DNA突变也可能导致线粒体病.线粒体内的化学反应呈链式进行(如电子传递链等),催化不同环节的酶类缺失或缺陷往往导致类似的线粒体功能障碍.不同的患者即使患病症状十分相似,病情也可能是不同基因突变导致的.分析病症的遗传规律可以区别线粒体病致病基因核——质性质.

线粒体是双层膜包被的细胞器,在细胞的能量转换过程中起关键作用,是真核细胞中不可缺少的部分,线粒体相关的知识也是整个高中生物学的重点内容.尽管线粒体含有DNA,有自身的遗传表达系统,也含有RNA、核糖体等自我复制所必须的基本组分,具有独立进行复制、转录、翻译的功能,但线粒体无法编码全部遗传信息,绝大多数的蛋白质依然由核基因编码.

往年的高考题中,“线粒体DNA”主要考查的方向为线粒体DNA的存在与线粒体DNA的功能,万变不离其宗,无论题干怎样变化,只要仔细审题、抓住重点,就能拨云见日,将难题击破.