2015年度諾貝爾獎(jiǎng)相關(guān)生物學(xué)試題設(shè)計(jì)

王士朝

背景資料一： 2015年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

10月5日，瑞典卡羅琳醫(yī)學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予中國女藥學(xué)家屠呦呦，以及另外兩名科學(xué)家威廉·坎貝爾和大村智，分別發(fā)現(xiàn)了青蒿素和阿維菌素，可以有效治療瘧原蟲和線蟲兩大類寄生蟲引發(fā)的疾病，為人類對(duì)抗寄生蟲疾病的斗爭找到了新方法，從而提升疾病治療手段、改善人類健康。瘧疾是威脅人類生命的一大頑敵，它是一種由蚊子傳播的、因單細(xì)胞寄生蟲——瘧原蟲入侵紅細(xì)胞引起發(fā)熱并在嚴(yán)重情況下造成腦損傷和死亡的疾病。目前，每年還有45萬人被瘧疾奪去生命，其中大多數(shù)是兒童。瘧疾的傳統(tǒng)療法是使用氯喹或奎寧，但在上世紀(jì)60年代后期，這種方法成功率不斷降低，瘧疾感染率呈上升趨勢(shì)。屠呦呦當(dāng)時(shí)在中國轉(zhuǎn)向中草藥，力求從中找尋治療瘧疾的新方法，她受到中國古代醫(yī)書關(guān)于青蒿治療瘧疾的記載啟發(fā)，提煉出具有全新化學(xué)結(jié)構(gòu)和顯著抗瘧功效的新藥——青蒿素，再將其應(yīng)用于臨床，成為一種能夠在瘧疾早期階段扼殺瘧原蟲的有效藥物，這一研究成果具有重要意義。醫(yī)學(xué)上很重要的另一類寄生蟲——線蟲也正在折磨世界上1/3的人類，主要分布于撒哈拉以南的非洲地區(qū)、南亞、中美洲和南美洲，而河盲癥（盤尾絲蟲病）和淋巴絲蟲病是兩種最常見的由線蟲引發(fā)的疾病。河盲癥患者會(huì)因眼睛角膜發(fā)炎而致盲，淋巴絲蟲病則會(huì)誘發(fā)淋巴水腫等終身感染的癥狀，近百萬人因此備受折磨。日本微生物學(xué)家大村智專注于研究鏈霉菌，這一菌群生活在土壤中，能夠產(chǎn)生很多活性化合物。他用獨(dú)特的方式大批培養(yǎng)菌株并保持其特征，然后從土壤中成功分離出新菌株并成功移植到實(shí)驗(yàn)室中，再選出其中最具活性的50株作為新的生物活性化合物來源，這些菌株中的一個(gè)，后來被證明是阿維菌素的來源。威廉·坎貝爾出生在愛爾蘭，現(xiàn)在美國任教，他是寄生蟲領(lǐng)域的生物學(xué)家。坎貝爾從大村智手中收購了大批鏈霉菌菌株以探求其功效，并證明其中一個(gè)菌株對(duì)牲畜寄生蟲非常有效。這種活性物質(zhì)提純后命名為阿維菌素，此后又改進(jìn)為伊維菌素。伊維菌素最初作為獸藥，但后來發(fā)現(xiàn)它能夠治療人類的河盲癥和淋巴絲蟲病，由此在非洲、拉美地區(qū)廣泛分發(fā)使用，有效抗擊了線蟲類寄生蟲引發(fā)的疾病。阿維菌素的衍生物伊維菌素目前被運(yùn)用于全球線蟲類寄生蟲病的治療，其給人類帶來的福祉也不可估量。這一研究成果使得相關(guān)疾病瀕臨消滅，也是人類醫(yī)學(xué)史上的一大壯舉。

1. 2015年10月5日，本年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予中國科學(xué)家屠呦呦，屠呦呦獲獎(jiǎng)的理由是：“因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)青蒿素（C15H22O5，結(jié)構(gòu)式如圖1所示）——一種用于治療瘧疾的藥物，挽救了全球特別是發(fā)展中國家的數(shù)百萬人的生命”。下列敘述錯(cuò)誤的是

A. 青蒿素不可能是蛋白質(zhì)類藥物

B. 青蒿素不會(huì)引起瘧原蟲抗藥性的增強(qiáng)

C. 青蒿素的合成受基因表達(dá)的控制

D. 青蒿素可以口服

2. 中國女科學(xué)家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數(shù)百萬人的生命。在野生植物中提取青蒿素治療瘧疾，這體現(xiàn)了野生生物的

A. 直接使用價(jià)值 B. 間接使用價(jià)值

C. 潛在使用價(jià)值 D. A與B的總和

3. 青蒿素是從植物黃花蒿的組織細(xì)胞中所提取的一種代謝產(chǎn)物，其作用方式目前尚不明確，推測(cè)可能是作用于瘧原蟲的食物泡膜，從而阻斷了營養(yǎng)攝取的最早階段，使瘧原蟲較快出現(xiàn)氨基酸饑餓，迅速形成自噬泡，并不斷排出蟲體外，使瘧原蟲損失大量胞漿而死亡。從上述的論述中，不能得出的是

A. 瘧原蟲對(duì)外界食物的獲取方式主要是胞吞，體現(xiàn)了細(xì)胞膜的流動(dòng)性特點(diǎn)

B. 細(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞代謝的主要場(chǎng)所，如果大量流失，甚至?xí){到細(xì)胞生存

C. 瘧原蟲寄生在寄主體內(nèi)，從生態(tài)系統(tǒng)的成分上來看，可以視為分解者

D. 利用植物組織培養(yǎng)的方式，可以實(shí)現(xiàn)青蒿素的大規(guī)模生產(chǎn)

4. 青蒿中青蒿素的含量很低，且受地域性種植影響較大。研究人員已經(jīng)弄清了青蒿細(xì)胞中青蒿素的合成途徑（如圖2實(shí)線框內(nèi)所示），并且發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞也能夠產(chǎn)生青蒿素合成的中間產(chǎn)物FPP（如圖虛線框內(nèi)所示）。請(qǐng)回答問題：

（1）在FPP合成酶基因表達(dá)過程中，完成過程①需要

酶催化，完成過程②需要的物質(zhì)有 、 、

等，結(jié)構(gòu)有 。

（2）根據(jù)圖示代謝過程，科學(xué)家在設(shè)計(jì)培育能生產(chǎn)青蒿素的酵母細(xì)胞過程中，需要向酵母細(xì)胞中導(dǎo)入 、

等基因。此過程構(gòu)建的基因表達(dá)載體應(yīng)該含有RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，以驅(qū)動(dòng)目的基因的 ，該部位稱為啟動(dòng)子。

（3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酵母細(xì)胞導(dǎo)入相關(guān)基因后，這些基因能正常表達(dá)，但酵母合成的青蒿素仍很少，根據(jù)圖解分析原因可能是 ，為提高酵母菌合成的青蒿素的產(chǎn)量，請(qǐng)?zhí)岢鲆粋€(gè)合理的思路 。

（4）利用酵母細(xì)胞生產(chǎn)青蒿素與從植物體內(nèi)直接提取相比較，明顯的優(yōu)勢(shì)有 、 、 等。

（5）在FPP合成酶基因表達(dá)過程中，mRNA通過

進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，該分子的作用是作為 的模板。

5. 利用雌雄同株的野生型青蒿（二倍體，體細(xì)胞染色體數(shù)為18），通過傳統(tǒng)育種和現(xiàn)代生物技術(shù)可培育高青蒿素含量的植株。請(qǐng)回答以下相關(guān)問題：

（1）假設(shè)野生型青蒿白青稈（A）對(duì)紫紅稈（a）為顯性，稀裂葉（B）對(duì)分裂葉（b）為顯性，兩對(duì)性狀獨(dú)立遺傳，則野生型青蒿最多有 種基因型；若F1代中白青稈、稀裂葉植株所占比例為3/8，則其雜交親本的基因型組合為

，該F1代中紫紅稈、分裂葉植株所占比例為 。

（2）四倍體青蒿中青蒿素含量通常高于野生型青蒿，低溫處理野生型青蒿正在有絲分裂的細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致染色體不分離，從而獲得四倍體細(xì)胞并發(fā)育成植株。推測(cè)低溫處理導(dǎo)致細(xì)胞染色體不分離的原因是 。四倍體青蒿與野生型青蒿雜交后代體細(xì)胞的染色體數(shù)為 。

6. 我國山西的青蒿資源非常豐富，本研究為開發(fā)利用青蒿資源提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

【實(shí)驗(yàn)一】

研究目的：比較同一植株不同生長期葉片中青蒿素含量的差異

材料準(zhǔn)備：5～9月期間，分別采集成苗期、生長盛期、花期和果期的青蒿葉，干燥后粉碎備用。

（1）根據(jù)研究目的，下列屬于實(shí)驗(yàn)時(shí)需控制的因素是

。（多選）

A. 采摘時(shí)葉片中含水量

B. 采集葉片時(shí)的氣溫

C. 葉片的著生位置

D. 葉片干燥的程度

（2）將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖。

該坐標(biāo)圖的橫坐標(biāo)名稱是

，縱坐標(biāo)名稱是 。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的研究結(jié)果，選擇 期的青蒿作為繼續(xù)研究的實(shí)驗(yàn)材料。

【實(shí)驗(yàn)二】

材料準(zhǔn)備：采集青蒿不同組織如根、莖、老葉（葉齡21d）、新葉（葉齡7d），共采集3次，每次在同一地方隨機(jī)采樣。所有樣品均采用烘干和自然干燥2種方式干燥，粉碎后備用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：青蒿素含量（mg/g）

第1次采集：

根：1.02（曬干），0.74（烘干）；

莖：0.09（曬干），0.04（烘干）；

老葉：3.91（曬干），2.66（烘干）；

新葉：4.57（曬干），3.49（烘干）。

第2次采集：

根：1.05（曬干），0.72（烘干）；

莖：0.11（曬干），0.09（烘干）；

老葉：4.02（曬干），2.71（烘干）；

新葉：4.65（曬干），3.69（烘干）。

第3次采集：

根：1.14（曬干），0.79（烘干）；

莖：0.10（曬干），0.02（烘干）；

老葉：4.05（曬干），2.95（烘干）；

新葉：4.58（曬干），3.59（烘干）。

（4）本實(shí)驗(yàn)的研究目的是 。

（5）根據(jù)研究目的，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，用于記錄上述數(shù)據(jù)。（不用抄錄數(shù)據(jù)）

背景資料二：2015年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

2015年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉，瑞典、美國、土耳其三位科學(xué)家Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar獲獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)理由是“DNA修復(fù)的機(jī)制研究”。Aziz Sancar繪制出了核苷酸切除修復(fù)機(jī)制，細(xì)胞利用切除修復(fù)機(jī)制來修復(fù)UV造成的DNA損傷。天生缺失這種機(jī)制的人暴露在太陽光下，可導(dǎo)致皮膚癌的發(fā)生。細(xì)胞還可利用此機(jī)制修復(fù)致突變物或其他物質(zhì)引起的DNA損傷。Paul Modrich證明了細(xì)胞在有絲分裂時(shí)如何去修復(fù)錯(cuò)誤的DNA，這種機(jī)制就是錯(cuò)配修復(fù)。錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制使DNA復(fù)制出錯(cuò)幾率下降了一千倍。如果先天缺失錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制可導(dǎo)致癌癥的發(fā)生，例如遺傳性結(jié)腸癌的發(fā)生。

7. 2015年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了研究DNA修復(fù)細(xì)胞機(jī)制的三位科學(xué)家，細(xì)胞通過DNA損傷修復(fù)可使DNA在復(fù)制過程中受到損傷的結(jié)構(gòu)大部分得以恢復(fù)。圖4為其中的一種方式——切除修復(fù)過程示意圖。下列有關(guān)敘述不正確的是

A. 圖示過程的完成需要限制酶、解旋酶、DNA聚合酶、DNA連接酶等的共同作用

B. 圖中二聚體的形成可能受物理、化學(xué)等因素的作用所致

C. 圖示過程涉及到堿基互補(bǔ)配對(duì)原則

D. DNA損傷修復(fù)降低了突變率，保持了DNA分子的相對(duì)穩(wěn)定性

8. 圖5是受損的DNA分子在人體內(nèi)的自動(dòng)切除、修復(fù)示意圖，以下說法錯(cuò)誤的是

A. 酶1作用的化學(xué)鍵是磷酸二酯鍵

B. 該修復(fù)過程遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則

C. 圖中的結(jié)構(gòu)缺陷可能是多種原因引起的堿基錯(cuò)配或修飾

D. 酶4應(yīng)該是DNA聚合酶

9. 納米科技是跨世紀(jì)新科技，將激光束的寬度聚焦到納米范圍內(nèi)，可對(duì)人體細(xì)胞內(nèi)的DNA分子進(jìn)行超微型基因修復(fù)，把尚令人類無奈的癌癥、遺傳疾病徹底根除，這種對(duì)DNA進(jìn)行修復(fù)屬于

A. 基因突變 B. 基因重組

C. 基因互換 D. 染色體變異

10. 基因治療的基本原理是用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將目的基因?qū)嘶颊呤荏w細(xì)胞，對(duì)DNA分子進(jìn)行糾正或修復(fù)，從而達(dá)到治療疾病的目的，這種對(duì)DNA的修復(fù)屬于

A. 基因轉(zhuǎn)換 B. 基因突變

C. 基因重組 D. 基因遺傳

11. P53基因能編碼一個(gè)由393個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)可與DNA發(fā)生特異性結(jié)合以阻止損傷的DNA復(fù)制，促使DNA自我修復(fù)；如修復(fù)失敗則引起細(xì)胞出現(xiàn)“自殺”現(xiàn)象。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是

A. 與P53蛋白質(zhì)的合成有關(guān)的細(xì)胞器是核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體

B. 細(xì)胞分裂過程中若DNA受損，P53蛋白質(zhì)可使間期時(shí)間延長

C. 癌細(xì)胞的形成可能與P53基因突變有關(guān)

D. 細(xì)胞出現(xiàn)“自殺”現(xiàn)象屬于細(xì)胞凋亡

12.著色性干皮癥是一種常染色體隱性遺傳病，起因?yàn)镈NA損傷，患者體內(nèi)缺乏DNA修復(fù)酶，DNA損傷后不能修補(bǔ)從而引起突變。這說明一些基因

A. 通過控制酶的合成，從而直接控制生物性狀

B. 通過控制蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，從而直接控制生物性狀

C. 通過控制酶的合成來控制代謝過程，從而控制生物性狀

D. 可以直接控制生物性狀，發(fā)生突變后生物性狀隨之改變

13. P53蛋白對(duì)細(xì)胞分裂起監(jiān)視作用。P53蛋白可判斷DNA損傷的程度，如果損傷較小，該蛋白就促使細(xì)胞自我修復(fù)（過程如圖所示）；若DNA損傷較大，該蛋白則誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是

A. P53蛋白可使DNA受損的細(xì)胞分裂間期延長

B. P53蛋白可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的基因選擇性表達(dá)

C. 抑制P53蛋白基因的表達(dá)，細(xì)胞將不能分裂

D. 若P53蛋白基因突變，則可能導(dǎo)致細(xì)胞癌變

14.“今又生”是我國為數(shù)不多的首創(chuàng)基因治療藥物之一，其本質(zhì)是利用腺病毒和人P53基因（抑癌基因）拼裝得到的重組病毒。人的P53蛋白可對(duì)癌變前的DNA損傷進(jìn)行修復(fù)，使其恢復(fù)正常，或誘導(dǎo)其進(jìn)入休眠狀態(tài)或細(xì)胞凋亡，阻止細(xì)胞癌變。“今又生”的載體采用第一代人5型腺病毒，其致病力很弱，其基因不整合到宿主細(xì)胞的基因組中，無遺傳毒性；載體經(jīng)基因工程改造后，只對(duì)細(xì)胞實(shí)施一次感染，不能復(fù)制，不能污染。請(qǐng)回答下列問題：

（1）在“今又生”的生產(chǎn)中，為了獲得更高的安全性能，在載體一般應(yīng)具備的條件中，科學(xué)家選擇性地放棄了一般載體都應(yīng)該具有的 。檢測(cè)P53基因的表達(dá)產(chǎn)物，還可以采用 技術(shù)。

（2）如果要獲取人類基因組中抑癌基因P53，可以采取的方法通常包括 和通過化學(xué)方法人工合成。目的基因的大量擴(kuò)增則可以采用 ，該技術(shù)中需使用的一種特殊的酶是 。

（3）在研究中如果要獲得胚胎干細(xì)胞進(jìn)行研究，則胚胎干細(xì)胞可來源于囊胚期的 或胎兒的原始性腺，也可以通過 技術(shù)得到重組細(xì)胞后再進(jìn)行相應(yīng)處理獲得。在哺乳動(dòng)物早期發(fā)育過程中，囊胚的后一個(gè)階段是 。

參考答案

1. B 解析：從圖示看，青蒿素的元素組成只有C、H、O，而不含N元素，因此青蒿素不可能是蛋白質(zhì)，故A項(xiàng)正確；青蒿素治療瘧疾，其實(shí)是對(duì)瘧原蟲的選擇作用，可能會(huì)引起瘧原蟲抗藥性的增強(qiáng)，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；青蒿素盡管不是蛋白質(zhì)，但其合成需多種酶參與，因此其合成仍受基因表達(dá)的控制，故C項(xiàng)正確；根據(jù)圖示可知，青蒿素是小分子物質(zhì)，可以口服，故D項(xiàng)正確。

2. A 3. C 4.（1）RNA聚合 氨基酸 ATP tRNA 核糖體 （2）ADS酶基因 CYP71AV1酶基因 轉(zhuǎn)錄 （3）酵母細(xì)胞中部分FPP用于合成固醇 通過基因改造降低FRG9酶活性

（4）青蒿素產(chǎn)量高 成本低 適合各地生產(chǎn) （5）核孔 合成FPP合成酶 5.（1）9 AaBb×aaBb、AaBb×Aabb 1/8 （2）低溫抑制紡錘體形成27 6.（1）CD （2）生長期 青蒿素含量（mg/g） （3）生長盛期 （4）不同組織中青蒿素含量的比較以及不同干燥方法對(duì)青蒿素含量的影響 （5）青蒿素含量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表（mg/g）

7.A 8.D 9.A 10.C 11.A 12.C 13.C 14.（1）復(fù)制原點(diǎn) 抗原-抗體雜交法 （2）從基因文庫 PCR Taq酶 （3）內(nèi)細(xì)胞團(tuán) 核移植 原腸胚

責(zé)任編輯 李平安