第2章 第3节 第2课时 中心法则、基因的选择性表达及表观遗传(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中生物必修2（苏教版2019）

第2课时　中心法则、基因的选择性表达及表观遗传 [学习目标] 1．通过不同生物遗传信息流动情况，归纳中心法则，认同科学是在不断继承、修正或补充中发展的。 2．说明细胞分化是基因选择性表达的结果。 3．概述生物体的表观遗传现象。 知识点一　中心法则诠释了基因与生物性状的关系 新知梳理　素养奠基 1．中心法则的提出及其发展 (1)中心法则的内容 ①提出者：克里克。 ②内容阐述 过程 名称 遗传信息流向 a DNA复制 DNA→DNA b 转录 DNA→RNA c 翻译 RNA→蛋白质 (2)发展 内容 RNA自我复制 RNA逆转录 信息传递方式 RNA→RNA RNA→DNA 实例 流行性感冒病毒等 劳斯肉瘤病毒等 2.基因与性状的关系 (1)基因能通过控制蛋白质的结构直接控制生物性状；基因还能通过控制酶的合成控制代谢过程，进而间接控制生物性状。 (2)一个基因一般控制一个性状，有时多个基因控制一个性状，有时一个基因影响多种性状。 【判断正误】 1．生物遗传信息流动如图所示。(√) 2．逆转录和RNA复制普遍存在。(×) 3．基因可以通过控制酶的合成控制代谢过程，表明酶可以直接控制生物的性状。(×) 4．基因可以通过控制蛋白质的结构间接控制生物体的性状。(×) 5．一个基因影响一种性状，一种性状由一个基因控制。(×) 探究学习　素养形成 1．从中心法则的内容可以看出遗传信息的流动过程在生物学中的重要地位，这个法则反映了遗传物质的哪两大功能？ 提示：中心法则反映了遗传物质的传递与表达这两大功能。 2．下列四个试管中分别模拟的是中心法则中的某个过程。 (1)四个试管分别模拟中心法则中的哪个过程？ (2)四个试管模拟的过程分别需要什么酶？ 提示：(1)a：DNA的复制；b：转录；c：RNA的复制；d：逆转录。 (2)a：解旋酶和DNA聚合酶；b：RNA聚合酶；c：RNA聚合酶；d：逆转录酶。 3．结合中心法则，思考DNA、RNA产生的途径有哪些？ 提示：DNA产生的途径有DNA的复制及逆转录；RNA产生的途径有RNA的复制及转录。 4．如图为豌豆的圆粒和皱粒的形成机理图解，图中豌豆呈圆粒或皱粒与哪种基因和酶有关？为什么相关基因异常则为皱粒？ 提示：与豌豆的淀粉分支酶基因及其表达的产物——淀粉分支酶有关。如果淀粉分支酶基因异常，则不能合成出淀粉分支酶，也就不能合成淀粉，导致淀粉少而蔗糖多，蔗糖的吸水能力差，水分少而表现为皱粒。 【归纳总结】 1．“三步法”判断中心法则各过程 “一看”模板 “二看”原料 “三看”产物 生理过程 DNA 脱氧核苷酸 DNA DNA复制 核糖核苷酸 RNA 转录 RNA 脱氧核苷酸 DNA 逆转录 核糖核苷酸 RNA RNA复制 氨基酸 蛋白质(或多肽) 翻译 2.基因控制性状的方式 直接途径 间接途径 方式 基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物性状 基因通过控制酶的合成控制代谢过程，进而间接控制生物性状 图解 举例 敲除斑马鱼的一种tbx4基因→相关蛋白质缺失→斑马鱼没有腹鳍 白化病：酪氨酸酶基因异常→缺少酪氨酸酶→酪氨酸不能转化为黑色素→白化病 3.基因与性状的关系中的注意点 (1)体现某性状的物质并不一定是“蛋白质”，如甲状腺激素、黑色素、淀粉等。 (2)该类性状往往是通过基因控制性状的间接途径实现的，即基因酶的合成产生该非蛋白质类物质的代谢过程控制性状。 题组通关　素养案例 1．下图表示中心法则及其补充的内容，有关说法正确的是(　　) A．①②③分别表示转录、复制、翻译 B．人体的所有细胞都具有过程①②③ C．在洋葱根尖分生区细胞中只有过程① D．过程①②③④⑤均有碱基互补配对现象 解析　过程①②③分别表示DNA复制、转录、翻译，A错误；过程①只能发生在分裂的细胞中，B错误；洋葱根尖分生区细胞既可以完成过程①，也能完成过程②③，C错误；图中①②③④⑤中均有碱基互补配对的现象，D正确。 答案　D 2．如图为人体内基因对性状的控制过程，分析可知(　　) A．基因1和基因2一般不会出现在人体内的同一个细胞中 B．图中①过程需RNA聚合酶的参与，②过程需tRNA的协助 C．④⑤过程的结果存在差异的根本原因是血红蛋白结构的不同 D．过程①②③表明基因通过控制酶的合成来控制生物体的所有性状 解析　同一个个体的细胞是受精卵经过有丝分裂产生的，细胞核基因相同，因此基因1和基因2一般会出现在人体内的同一个细胞中，A项错误；图中①是转录过程，需要RNA聚合酶，②是翻译过程，需要tRNA作为运载工具运输氨基酸到核糖体上，B项正确；④⑤过程的结果存在差异直接原因是血红蛋白的结构不同，C项错误；图中①②③是基因通过控制酶的合成来控制生物体性状的途径，基因还可以通过控制蛋白质的结构直接控制生物的性状，D项错误。 答案　B 知识点二　细胞分化的本质是基因选择性表达 新知梳理　素养奠基 1．基因选择性表达的概念 在同一个体不同的体细胞中，虽然基因组序列都一样，但基因的表达却是有选择性的。 2．基因选择性表达的机制 基因选择性表达的机制非常复杂，涉及多种调控方式。例如，不参与编码蛋白质的微RNA(miRNA)也能在转录后介导对mRNA的降解，一些miRNA具有组织特异性和时序性，即只在特定的组织或某个发育阶段起着调控作用。 3．基因选择性表达的意义 基因选择性表达造成了细胞分化，形成了在形态、结构和功能上不同的细胞类型。不同类型的细胞形成了组织、器官(系统)和个体，因此，细胞分化是多细胞生物个体发育的基础。 【判断正误】 1．受精卵经过细胞有丝分裂产生的子细胞含有不同的遗传物质。(×) 2．每个细胞都有复杂的基因表达调控系统，各种蛋白质只有在需要时才合成。(√) 3．基因的选择性表达只受基因的控制与影响。(×) 4．细胞分化的本质是基因表达的结果。(×) 5．一些miRNA只在特定的组织或某个发育阶段起着调控作用。(√) 探究学习　素养形成 1．科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞(有细胞核)和胰岛细胞，对这3种细胞中的DNA和mRNA进行了检测，结果如下： 检测的3 种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白mRNA 珠蛋白mRNA 胰岛素mRNA 输卵管细胞 ＋＋＋ ＋ － － 红细胞 ＋＋＋ － ＋ － 胰岛细胞 ＋＋＋ － － ＋ 注：“＋”表示检测发现相应的分子，“－”表示检测未发现相应的分子 (1)这3种细胞合成的蛋白质有何差别？ (2)3种细胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因，但只检测到其中一种基因的mRNA，这一事实说明了什么？ 提示：(1)输卵管细胞能合成卵清蛋白，不能合成珠蛋白和胰岛素；红细胞能合成珠蛋白，不能合成卵清蛋白和胰岛素；胰岛细胞能合成胰岛素，不能合成卵清蛋白和珠蛋白。 (2)同一生物体内的不同种细胞，所含有的基因没有差异，但基因的表达存在着选择性。 2．同一生物体中不同类型的细胞，核基因都是相同的，而形态、结构和功能却各不相同，这是为什么呢？ 提示：同一生物体中不同类型的细胞，是细胞发生了分化，细胞分化的根本原因是不同的基因受调控发生了选择性表达。 【归纳总结】 1．分化细胞表达的基因 如图是人体三种细胞内的部分基因及它们的活动状态： (1)分化细胞表达的基因划分为两类，如a是指所有细胞均表达的一类基因，其表达产物是维持细胞基本生命活动所必需的；如b、c、d是指不同类型细胞特异性表达的一类基因，其产物赋予不同细胞特异性的生理功能。 (2)分析A、B、C三种细胞 这三种细胞中“血红蛋白基因”均不能表达，因此这三种细胞不包括红细胞；A细胞可产生“胰岛素”，应为胰岛B细胞；B细胞可产生“生长激素”，应为垂体细胞。 2．细胞分化的“变”与“不变” (1)不变：DNA、tRNA、rRNA、细胞的数目。 (2)改变：mRNA、蛋白质的种类，细胞的形态、结构和功能。 3．细胞分化的标志 (1)分子水平：合成某种细胞特有的蛋白质，如唾液淀粉酶、胰岛素等。 (2)细胞水平：形成不同种类的细胞。 题组通关　素养案例 1．下图为来自同一人体的3种细胞，下列叙述正确的是(　　) A．因为来自同一人体，所以各细胞中的DNA、蛋白质种类相同 B．因为各细胞中携带的基因不同，所以形态、功能不同 C．虽然各细胞大小不同，但细胞中含量最多的化合物相同 D．虽然各细胞的生理功能不同，但吸收葡萄糖的方式相同 解析　图中3种细胞是受精卵分裂、分化的结果。细胞分化的实质是基因选择性表达，遗传物质(基因、DNA)不发生变化，但细胞的形态、功能发生稳定性差异，蛋白质的种类发生变化；虽然各细胞的大小不同，但细胞中含量最多的化合物相同，都是水；葡萄糖进入不同细胞的方式可能不同，为协助扩散或主动运输。 答案　C 2．有人把分化细胞中表达的基因形象地分为“管家基因”和“奢侈基因”。“管家基因”在所有细胞中都处于活动状态，是维持细胞基本生命活动所必需的；而“奢侈基因”只在特定组织细胞中才处于活动状态。下列属于“管家基因”指导合成的产物是(　　) A．ATP水解酶　　　　B．血红蛋白 C．胰岛素　　　　　　D．抗体 解析　ATP水解酶基因在所有细胞中都表达，属于“管家基因”，A正确；血红蛋白基因只在红细胞中表达，属于“奢侈基因”，B错误；胰岛素基因在胰岛B细胞中特异性表达，属于“奢侈基因”，C错误；抗体基因在浆细胞中特异性表达，属于“奢侈基因”，D错误。 答案　A 知识点三　表观遗传及其作用机制 新知梳理　素养奠基 1．表观遗传：是指生物体基因的碱基序列保持不变，而表型发生可遗传变化的现象。表观遗传在一定的条件下才能遗传给后代。 2．表观遗传作用机制实例 多年生花卉柳穿鱼通常是对称花型，在自然界中也发现了不对称花型的柳穿鱼。 (1)对称花型的柳穿鱼，基因Lcyc甲基化水平低，基因正常表达； (2)不对称花型的柳穿鱼，基因Lcyc发生了高度甲基化，引起基因表达水平下降，最终导致柳穿鱼的花器官由对称变成了不对称。 3．基因组表观遗传修饰的类型 (1)DNA甲基化：主要发生在基因组DNA上某些区域的胞嘧啶上，它的第5位碳原子和甲基之间通过共价键结合，被修饰为5－甲基胞嘧啶。 (2)组蛋白修饰：是指在生物体内不同酶的作用下，在核小体的组蛋白不同氨基酸中加上多种化学基团的现象。这种修饰能改变染色质状态及其开放程度，进而调控基因的表达。 4．表观遗传现象特点 在自然界中广泛存在。如蜂王和工蜂的异型分化就是一种表观遗传现象。 5．基因并不决定一切，许多现象不能简单地用基因型决定表型的遗传学理论来解释，而更可能是DNA序列信息、表观遗传信息和环境信息之间相互作用，共同调控着生物的各种生命活动。 【判断正误】 1．性状的改变完全由基因改变引起。(×) 2．表观遗传现象比较少见，不能普遍存在于生物体整个生命活动过程中。(×) 3．生物的性状都受基因控制。(×) 4．表观遗传是不可遗传的。(×) 5．吸烟会使人体细胞内DNA的甲基化水平升高。(√) 探究学习　素养形成 1．现有柳穿鱼植株A为对称花植株和植株B为不对称花植株，回答下列问题： (1)柳穿鱼植株A和植株B体内的Lcyc基因的碱基序列是否相同？为什么植株A、B的花形态结构出现差异？ (2)植株A和植株B杂交后，F1的花为什么跟植株A相似？F2中为什么有些植株的花与植株B相似？ (3)柳穿鱼植株的遗传现象有什么特点？你对基因和性状的关系有什么新的认识？ 提示：(1)柳穿鱼植株A和植株B体内的Lcyc基因的碱基序列是相同的。由于植株B体内的Lcyc基因被高度甲基化，从而抑制表达。 (2)F1体内成对的Lcyc基因，一个来自植株A，一个来自植株B，来自植株B的Lcyc基因由于甲基化不能表达，但来自植株A的Lcyc基因可正常表达，因而与F1的花与植株A相似。F1自交产生F2，发生性状分离现象，因而大部分与A相似，少部分与B相似。 (3)控制柳穿鱼花形态的基因，其碱基序列没有发生改变，但是某些碱基发生了甲基化，从而影响了基因的表达。基因控制生物的性状，基因发生修饰后，虽然碱基序列没有改变，但可以影响到生物个体的性状，并且还可以遗传给下一代。 2．如图，同一株水毛茛，裸露在空气中的叶是扁平的，而浸在水中的叶片深裂成丝状。 (1)叶片呈扁平或丝状，能否说明形状不同的叶片中基因不同？叶片不同的原因是什么？ (2)基因型相同，则表型是否相同？请用一等式表示基因型、表型和生活环境之间的关系。 提示：(1)不能，不同形状的叶片中基因是相同的。叶片不同是由生活环境引起的。 (2)不一定相同。表型＝基因型＋生活环境。 【归纳总结】 1．DNA甲基化 (1)DNA分子中的碱基被选择性地加上甲基的现象。 (2)某个基因发生足够多的甲基化后，其转录会被阻止，从而被关闭。 (3)甲基化还可以被移除，基因就会被开启。 2．组蛋白修饰 (1)组成染色体的蛋白质分为组蛋白和非组蛋白。 (2)其中组蛋白是决定染色体螺旋程度的重要因素，组蛋白常受到多种化学修饰，如甲基化、乙酰化等，被称为组蛋白修饰。 (3)组蛋白修饰可影响染色体螺旋化程度，从而抑制基因的表达。 3．表观遗传与环境因素影响出现的性状差异的区别 (1)受环境因素影响出现的性状差异在改变环境条件的情况下会发生变化。 (2)表观遗传引起的性状差异不随环境变化而改变。 题组通关　素养案例 1．黄色小鼠(AA)与黑色小鼠(aa)杂交，产生的F1(Aa)不同个体出现了不同体色。研究表明，不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同，但A基因上二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化(如图)现象出现，甲基化不影响基因DNA复制。有关分析错误的是(　　) A．F1个体体色的差异与A基因甲基化程度有关 B．甲基化可能影响RNA聚合酶与该基因的结合 C．碱基甲基化会影响碱基互补配对过程 D．基因甲基化修饰可以遗传给子代 解析　不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同，A基因上的二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化现象，显然体色差异与A基因甲基化程度有关，A正确；RNA聚合酶与该基因的启动子结合可以启动转录，启动子部位甲基化可能会导致RNA聚合酶不能与该基因结合，B正确；碱基甲基化不影响DNA复制过程，而DNA复制过程有碱基互补配对，故碱基甲基化不影响碱基互补配对过程，C错误；DNA进行半保留复制，故基因甲基化修饰可以遗传给子代，D正确。 答案　C 2．在甲基转移酶的催化下，DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基导致DNA甲基化，进而使染色质高度螺旋化，因此失去转录活性。下列相关叙述错误的是(　　) A．DNA甲基化，会导致基因碱基序列的改变 B．DNA甲基化，会导致mRNA合成受阻 C．DNA甲基化，可能会影响生物的性状 D．DNA甲基化，可能会影响细胞分化 解析　DNA甲基化会导致DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基，这不会导致基因碱基序列的改变。 答案　A [科技情境] 美国宇航局(NASA)为了研究太空环境对人基因的影响，利用双胞胎“宇航员Scott·Kelly与Mark·Kelly”做了一个“天地隔离实验”。受试者是同卵双生，有着几乎完全相同的基因组。其中，弟弟Scott被送进国际空间站为期340天，发现其身高增加了5 cm(在此之前，兄弟二人身高相同)。为了进一步了解太空环境对人体的影响，研究人员对结束任务的Scott继续进行了长达一年的监测，并对比了他与哥哥Mark的DNA差异。发现尽管兄弟二人的DNA依然相同。但分析显示Scott细胞内甲基化水平明显差异化，或升高或降低。总体而言进入太空后基因表达达到了一个前所未有的高峰。 探究： (1)上述资料中，弟弟Scott性状改变的原因是什么？是否可以遗传？ (2)上述现象是否只有在太空中才能发生？请举例说明。 提示：(1)环境导致其基因发生甲基化，进而影响基因表达，表型发生差异。可以遗传。 (2)表观遗传普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的生命活动过程中。例如同卵双胞胎所具有的微小差异、一个蜂群中蜂王和工蜂的差异等。 [课堂小结] 1．生命观念：根据结构和功能观，理解细胞分化的实质和表观遗传现象。 2．科学思维：构建基因控制性状的模型，理解基因与性状的关系。 3．社会责任：了解白化病，关注人类健康。 学科网（北京）股份有限公司 $$