新教材生物必修2學(xué)案第2章第3節(jié)第2課時中心法則細(xì)胞分化及表觀遺傳

第2課時中心法則、細(xì)胞分化及表觀遺傳課標(biāo)內(nèi)容要求核心素養(yǎng)對接1．概述細(xì)胞分化的本質(zhì)是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果，生物的性狀主要通過蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)。2．概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象。1．生命觀念：根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能觀，理解細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)和表觀遺傳現(xiàn)象。2．科學(xué)思維：通過分類與比較，明確中心法則各生理過程的異同；構(gòu)建基因控制性狀的模型，理解基因與性狀的關(guān)系。3．社會責(zé)任：了解白化病等，關(guān)注人類健康。一、中心法則詮釋了基因與性狀的關(guān)系1．克里克提出的中心法則(1)內(nèi)容：遺傳信息可以從DNA流向DNA(DNA自我復(fù)制)，也可以從DNA流向RNA(轉(zhuǎn)錄)，進(jìn)而流向蛋白質(zhì)(翻譯)。(2)圖示：。2．積極思維：遺傳信息流是單向的嗎？(1)事實(shí)：①流行性感冒病毒等RNA病毒，在感染人體后，它們的RNA能夠自我復(fù)制并以自身為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。②勞斯肉瘤病毒等RNA病毒，能以自身RNA為模板，反向合成一段DNA，再以這段DNA為模板，互補(bǔ)合成病毒RNA。③朊病毒是一類不含核酸而僅由蛋白質(zhì)構(gòu)成的具有感染性的因子。朊病毒與正常蛋白質(zhì)接觸后能改變其折疊狀態(tài)，將其變?yōu)殡貌《?。朊病毒能引起羊瘙癢癥、瘋牛病。(2)基于以上事實(shí)，完善后的中心法則圖示：。3．基因與生物性狀的關(guān)系(1)基因控制性狀的兩種途徑①基因eq\o(→,\s\up7(控制))蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)eq\o(→,\s\up7(控制))生物體的性狀。②基因eq\o(→,\s\up7(控制))酶的合成eq\o(→,\s\up7(控制))代謝過程eq\o(→,\s\up7(控制))生物體的性狀。(2)一個基因一般控制一個性狀。但是，基因和性狀之間的關(guān)系也不總是線性的，有時多個基因控制一個性狀；有時一個基因影響多種性狀。二、細(xì)胞分化的本質(zhì)是基因選擇性表達(dá)1．在不同的體細(xì)胞中，雖然基因組序列都一樣，但基因的表達(dá)卻是有選擇性的。例如：雞的一些體細(xì)胞內(nèi)基因和mRNA的有無分析(用“＋”表示有；“－”表示無)雞的輸卵管細(xì)胞未成熟的紅細(xì)胞胰島細(xì)胞卵清蛋白基因＋＋＋mRNA＋－－珠蛋白基因＋＋＋mRNA－＋－胰島素基因＋＋＋mRNA－－＋2.基因選擇性表達(dá)的機(jī)制非常復(fù)雜，涉及多種調(diào)控方式。例如，不參與蛋白質(zhì)編碼的微RNA(簡稱miRNA)也能在轉(zhuǎn)錄后介導(dǎo)對mRNA的降解，一些miRNA具有組織特異性和時序性，即只在特定的組織或某個發(fā)育階段起著調(diào)控作用。3．細(xì)胞分化是多細(xì)胞生物個體發(fā)育的基礎(chǔ)。三、表觀遺傳及其作用機(jī)制1．表觀遺傳(epigeneticinheritance)是指生物體基因的堿基序列保持不變，而表型發(fā)生可遺傳變化的現(xiàn)象。2．作用機(jī)制(1)基因組表觀遺傳修飾具有DNA甲基化和組蛋白修飾兩種重要形式。(2)DNA甲基化主要發(fā)生在基因組DNA上某些區(qū)域的胞嘧啶上，它的第5位碳原子和甲基之間通過共價鍵結(jié)合，被修飾為5-甲基胞嘧啶。(3)組蛋白修飾是指在生物體內(nèi)不同酶的作用下，在核小體的組蛋白不同氨基酸中加上多種化學(xué)基團(tuán)的現(xiàn)象。這種修飾能改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)及其開放程度，進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)。3．表觀遺傳現(xiàn)象實(shí)例(1)柳穿魚花型改變的表觀遺傳現(xiàn)象①對稱花型的柳穿魚，基因Lcyc甲基化水平低，基因正常表達(dá)。②不對稱花型的柳穿魚，基因Lcyc發(fā)生了高度甲基化，引起基因表達(dá)水平下降，最終導(dǎo)致柳穿魚的花器官由對稱變成了不對稱。(2)蜂王與工蜂的異型分化的表觀遺傳現(xiàn)象①營養(yǎng)條件：在一個蜂群中，所有剛孵化出來的幼蟲都能取食蜂王漿。3天后，只有為數(shù)極少的幼蟲能繼續(xù)取食蜂王漿，發(fā)育為蜂王；絕大多數(shù)幼蟲只能取食花粉和花蜜，發(fā)育為工蜂。②作用機(jī)制：一些研究表明，Dnmt3蛋白是一種DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，它是Dnmt3基因的表達(dá)產(chǎn)物，能在沒有被甲基化的DNA區(qū)域添加甲基基團(tuán)。敲除Dnmt3基因后，蜜蜂幼蟲發(fā)育為蜂王，這跟取食蜂王漿有相同的效果。這提示蜂王漿的作用之一應(yīng)該與改變重要基因的甲基化特征有關(guān)。判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)1．遺傳信息流從DNA到RNA再到蛋白質(zhì)是單向的。 ()2．白化病是酪氨酸酶活性降低造成的。 ()3．某些性狀由多個基因共同決定，有的基因可能影響多個性狀。 ()4．兩個個體的身高相同，二者的基因型可能相同，也可能不同。 ()5．人體肌細(xì)胞與幼紅細(xì)胞中基因、mRNA、蛋白質(zhì)均不同。 ()6．胰島B細(xì)胞有胰島素基因而無抗體基因，故可以產(chǎn)生胰島素而不能產(chǎn)生抗體。 ()7．ATP合成酶基因在不同細(xì)胞中選擇性表達(dá)。 ()8．同卵雙胞胎具有的微小差異與表觀遺傳有關(guān)。 ()[答案]1．×提示：有些RNA病毒侵染宿主細(xì)胞后，能以自身RNA為模板，反向合成一段DNA。2．×提示：白化病是病人體內(nèi)不能合成酪氨酸酶造成的。3．√4.√5．×提示：基因相同，mRNA和蛋白質(zhì)不完全相同。6．×提示：人體的每個細(xì)胞的基因相同，表達(dá)有差異。7．×提示：ATP合成酶基因在不同細(xì)胞中都表達(dá)。8．√中心法則詮釋了基因與生物性狀的關(guān)系1．中心法則的內(nèi)容及應(yīng)用(1)細(xì)胞生物及噬菌體等DNA病毒的中心法則(2)煙草花葉病毒等大部分RNA病毒的中心法則(3)HIV等逆轉(zhuǎn)錄病毒的中心法則(4)高度分化的細(xì)胞內(nèi)中心法則的表達(dá)式DNAeq\o(→,\s\up7(轉(zhuǎn)錄))RNAeq\o(→,\s\up7(翻譯))蛋白質(zhì)(5)能分裂的細(xì)胞內(nèi)中心法則的表達(dá)式(1)逆轉(zhuǎn)錄需要逆轉(zhuǎn)錄酶。(2)逆轉(zhuǎn)錄和RNA復(fù)制只有在某些病毒復(fù)制時才能進(jìn)行。(3)哺乳動物成熟的紅細(xì)胞中無遺傳信息的傳遞。2．中心法則體現(xiàn)了DNA的兩大基本功能(1)傳遞遺傳信息：通過DNA復(fù)制完成的，發(fā)生于親代產(chǎn)生子代的生殖過程或細(xì)胞增殖過程中。(2)表觀遺傳信息：通過轉(zhuǎn)錄和翻譯完成的，發(fā)生在個體發(fā)育過程中。3．中心法則與基因表達(dá)的關(guān)系4．體現(xiàn)生物性狀的物質(zhì)(1)蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者。部分結(jié)構(gòu)蛋白直接參與生物體、細(xì)胞的結(jié)構(gòu)組成，基因可通過控制結(jié)構(gòu)蛋白的合成直接控制生物性狀。(2)體現(xiàn)生物性狀的部分物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)不是蛋白質(zhì)，如甲狀腺激素、色素、淀粉等，該類性狀往往是通過基因控制酶的合成來實(shí)現(xiàn)的，即基因eq\o(→,\s\up7(控制))酶的合成eq\o(→,\s\up7(控制))產(chǎn)生該非蛋白質(zhì)類物質(zhì)的代謝過程eq\o(→,\s\up7(進(jìn)而))控制生物性狀。合作探究：下圖為一組模擬實(shí)驗(yàn)，假設(shè)實(shí)驗(yàn)?zāi)苷＿M(jìn)行且五支試管中都有產(chǎn)物生成，請分析此圖解中A～E試管所模擬的過程分別是什么？提示：A—DNA復(fù)制；B—轉(zhuǎn)錄；C—RNA復(fù)制；D—逆轉(zhuǎn)錄；E—翻譯。1．下圖表示生物界的中心法則，有關(guān)敘述正確的是()A．健康的人體內(nèi)可以發(fā)生圖中所有過程B．煙草花葉病毒侵入宿主細(xì)胞后發(fā)生①→②→③→④的過程C．⑤過程需要逆轉(zhuǎn)錄酶的參與D．該圖揭示了遺傳信息傳遞的一般規(guī)律D[分析題圖可知，健康的人體內(nèi)可以發(fā)生圖中①DNA復(fù)制、②轉(zhuǎn)錄和③翻譯過程，A項(xiàng)錯誤；煙草花葉病毒是RNA病毒，侵入宿主細(xì)胞后發(fā)生⑤RNA復(fù)制和⑥翻譯過程，B項(xiàng)錯誤；④過程需要逆轉(zhuǎn)錄酶的參與，C項(xiàng)錯誤。]中心法則各生理過程快速確定的三大依據(jù)2．(多選)人體內(nèi)苯丙酮酸過多可引起苯丙酮尿癥，如圖表示人體內(nèi)苯丙氨酸的代謝途徑，據(jù)圖分析正確的是()A．基因1不正常而缺乏酶1可能引起苯丙酮尿癥B．由苯丙氨酸合成黑色素需要多個基因控制C．該圖說明基因可通過控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接控制生物體的性狀D．基因2突變而缺乏酶2將導(dǎo)致人患白化病ABD[由題圖可知，基因1不正常而缺乏酶1，則苯丙氨酸只能在細(xì)胞中代謝生成苯丙酮酸，導(dǎo)致苯丙酮尿癥，A正確；由苯丙氨酸合成黑色素需要酶1、酶2的作用即需要基因1、基因2的控制，B正確；題圖體現(xiàn)了基因通過控制酶的合成來控制生物代謝過程，進(jìn)而控制生物體的性狀，C錯誤；基因2突變，導(dǎo)致酶2不能合成，從而不能形成黑色素，使人患白化病，D正確。]細(xì)胞分化與表觀遺傳1．基因選擇性表達(dá)的結(jié)果(1)細(xì)胞形態(tài)的改變：如肌細(xì)胞的梭形、哺乳動物成熟紅細(xì)胞的圓餅狀、神經(jīng)細(xì)胞的突起狀等。(2)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化：細(xì)胞器的種類和數(shù)量發(fā)生變化。(3)細(xì)胞功能的特化：執(zhí)行特定的功能，如運(yùn)動功能、反射功能、免疫功能等。(4)特殊分子的合成：如合成唾液淀粉酶、抗體、胰島素、血紅蛋白和肌動蛋白等。2．表觀遺傳機(jī)制(1)基因組表觀遺傳修飾具有DNA甲基化和組蛋白修飾兩種重要形式。DNA甲基化主要發(fā)生在基因組DNA上某些區(qū)域的胞嘧啶上，它的第5位碳原子和甲基之間通過共價鍵結(jié)合，被修飾為5-甲基胞嘧啶。組蛋白修飾是指在生物體內(nèi)不同酶的作用下，在核小體的組蛋白不同氨基酸中加上多種化學(xué)基團(tuán)的現(xiàn)象。這種修飾能改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)及其開放程度，進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)。(2)基因并不決定一切，許多現(xiàn)象不能簡單地用基因型決定表型的遺傳學(xué)理論來解釋，而更可能是DNA序列信息、表觀遺傳信息和環(huán)境信息之間相互作用，共同調(diào)控著生物的各種生命活動。合作探究：1．如圖是人體三種細(xì)胞內(nèi)的部分基因及它們的活動狀態(tài)。(1)在所有細(xì)胞中均表達(dá)的基因稱為管家基因，在特定的細(xì)胞中表達(dá)的基因稱為奢侈基因。a、b、c、d屬于管家基因的是哪一個？屬于奢侈基因的是哪些基因？提示：(1)a；b、c、d。(2)若用胰島素基因作探針檢測A、B、C三類細(xì)胞的DNA分子，則其雜交帶狀況如何？若將探針改作檢測胰島素基因的mRNA，其雜交帶狀況如何？提示：A、B、C三類細(xì)胞中均含胰島素基因，但該基因只有在A細(xì)胞中才能轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，故用胰島素基因作探針，三類細(xì)胞均可形成雜交帶，但改為檢測胰島素基因的mRNA，則只有A細(xì)胞能產(chǎn)生雜交帶。2．表觀遺傳改變的和沒改變的分別是什么？提示：改變的是基因表達(dá)和表型發(fā)生可遺傳變化，沒改變的是基因的堿基序列。1．(多選)將某人的胰島A細(xì)胞和胰島B細(xì)胞中的總mRNA提取出來(A－mRNA、B－mRNA)，以此為模板，在體外分別獲得相應(yīng)的單鏈DNA(A－cDNA、B—cDNA)。下列敘述正確的是()A．A－mRNA與B－mRNA的不同與細(xì)胞分化有關(guān)B．獲得相應(yīng)單鏈DNA的過程需要逆轉(zhuǎn)錄酶C．A－cDNA中不含編碼胰島素的核酸序列D．B－mRNA中指導(dǎo)呼吸酶合成的mRNA不能與A－cDNA形成雜交鏈ABC[人體胰島A細(xì)胞和胰島B細(xì)胞具有相同的遺傳信息，但遺傳信息的執(zhí)行情況不同，即發(fā)生了基因的選擇性表達(dá)，故可以說A－mRNA與B－mRNA的不同與細(xì)胞分化有關(guān)，A正確；以RNA為模板合成DNA的過程稱為逆轉(zhuǎn)錄，此過程需要逆轉(zhuǎn)錄酶的參與，B正確；胰島A細(xì)胞也含有胰島素基因，只是該基因不表達(dá)，即A－mRNA中不含指導(dǎo)胰島素合成的mRNA，故A－cDNA中不含編碼胰島素的核酸序列，C正確；胰島A細(xì)胞和胰島B細(xì)胞中均含有呼吸酶，即A－mRNA和B－mRNA中均含有指導(dǎo)呼吸酶合成的mRNA，故B－mRNA中指導(dǎo)呼吸酶合成的mRNA可以與A－cDNA形成雜交鏈，D錯誤。]2．脊椎動物的一些基因活性與其周圍特定胞嘧啶的甲基化有關(guān)，甲基化使基因失活，相應(yīng)的非甲基化能活化基因的表達(dá)，以下推測正確的是()A．肝細(xì)胞和胰島B細(xì)胞的呼吸酶基因均處于甲基化狀態(tài)B．肝細(xì)胞和胰島B細(xì)胞的胰島素基因均處于非甲基化狀態(tài)C．肝細(xì)胞的呼吸酶基因和胰島素基因均處于非甲基化狀態(tài)D．胰島B細(xì)胞的呼吸酶基因和胰島素基因均處于非甲基化狀態(tài)D[分析題意可知，相應(yīng)的非甲基化能活化基因的表達(dá)，肝細(xì)胞和胰島B細(xì)胞中均存在呼吸酶，表明呼吸酶基因均處于非甲基化狀態(tài)，肝細(xì)胞的胰島素基因處于甲基化狀態(tài)，胰島B細(xì)胞的胰島素基因處于非甲基化狀態(tài)，A、B、C錯誤，D正確。][課堂小結(jié)]知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建核心語句背誦1．基因能通過控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接控制生物性狀。2.基因還能通過控制酶的合成控制代謝過程，進(jìn)而間接控制生物性狀。3.細(xì)胞分化的本質(zhì)是基因的選擇性表達(dá)，細(xì)胞分化是多細(xì)胞生物個體發(fā)育的基礎(chǔ)。4.表觀遺傳是指生物體基因的堿基序列保持不變，而表型發(fā)生可遺傳變化的現(xiàn)象。5.基因組表觀遺傳修飾具有DNA甲基化和組蛋白修飾兩種重要形式。6.基因并不決定一切，許多現(xiàn)象不能簡單地用基因型決定表觀的遺傳學(xué)理論來解釋，而更可能是DNA序列信息、表觀遺傳信息和環(huán)境信息之間相互作用，共同調(diào)控著生物的各種生命活動。1．結(jié)合下圖分析，下列敘述錯誤的是()A．生物的遺傳信息儲存在DNA或RNA的核苷酸序列中B．核苷酸序列不同的基因可表達(dá)出相同的蛋白質(zhì)C．遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)是表型實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)D．編碼蛋白質(zhì)的基因含遺傳信息相同的兩條單鏈D[生物的遺傳物質(zhì)是DNA或RNA，即遺傳信息儲存在DNA或RNA的核苷酸序列中，A項(xiàng)正確；因?yàn)槊艽a子的簡并性，轉(zhuǎn)錄形成的mRNA堿基序列不同，最終翻譯出的蛋白質(zhì)可能相同，B項(xiàng)正確；蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，即生物的表型是通過蛋白質(zhì)體現(xiàn)的，C項(xiàng)正確；遺傳信息是由堿基序列決定的，DNA兩條單鏈的堿基互補(bǔ)配對，所含遺傳信息不同，D項(xiàng)錯誤。]2．下列關(guān)于基因與性狀的關(guān)系的敘述，錯誤的是()A．基因與生物性狀都是一一對應(yīng)的關(guān)系B．基因可通過控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接控制性狀C．基因可通過控制酶的合成來控制代謝進(jìn)而控制性狀D．生物性狀既受基因的控制，也受環(huán)境條件的影響A[一個性狀可以受到多個基因的影響，一個基因也可以影響多個性狀。]3．關(guān)于表觀遺傳的理解，下列說法正確的是()A．DNA的甲基化與環(huán)境因素?zé)o關(guān)B．DNA的甲基化影響基因的翻譯過程C．表觀遺傳現(xiàn)象不符合孟德爾遺傳定律D．DNA的甲基化導(dǎo)致基因的堿基序列改變C[環(huán)境因素會影響DNA的甲基化，A項(xiàng)錯誤；DNA的甲基化影響基因的轉(zhuǎn)錄過程，B項(xiàng)錯誤；表觀遺傳現(xiàn)象不符合孟德爾遺傳定律，C項(xiàng)正確；DNA的甲基化不會導(dǎo)致基因的堿基序列改變，D項(xiàng)錯誤。]4．下列有關(guān)細(xì)胞分化的分析，錯誤的是()A．在個體發(fā)育過程中，有序的細(xì)胞分化能夠增加細(xì)胞的類型B．從細(xì)胞器水平分析，細(xì)胞分化是細(xì)胞器的種類、數(shù)目改變的結(jié)果C．細(xì)胞分化使各種細(xì)胞的遺傳物質(zhì)有所差異，導(dǎo)致細(xì)胞的形態(tài)和功能各不相同D．從蛋白質(zhì)角度分析，細(xì)胞分化是蛋白質(zhì)種類、數(shù)量改變的結(jié)果，這是細(xì)胞分化的直接原因C[細(xì)胞分化的過程中，細(xì)胞會在形態(tài)、結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生穩(wěn)定性差異，故能夠增加細(xì)胞的類型，A正確；細(xì)胞分化的過程中，細(xì)胞的功能會出現(xiàn)差異，細(xì)胞器的種類、數(shù)目均會發(fā)生改變，B正確；細(xì)胞分化的過程中，各種細(xì)胞的核遺傳物質(zhì)不發(fā)生改變，C錯誤；細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是基因的選擇性表達(dá)，故蛋白質(zhì)種類、數(shù)量的改變是細(xì)胞分化的直接原因，D