新教材生物蘇教版必修第二冊學案2.3.2中心法則細胞分化和表觀遺傳

第二課時中心法則、細胞分化和表觀遺傳新課程標準學業(yè)質量目標3.1.4概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質的合成,細胞分化的實質是基因選擇性表達的結果,生物的性狀主要通過蛋白質表現(xiàn)3.1.5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)象合格考試1.通過實例分析,歸納基因表達產物與性狀的關系。(科學思維)2.通過對實驗結果的分析,理解細胞分化的實質。(科學思維)等級考試1.通過分類和比較,明確中心法則各生物過程的異同。(科學思維)2.基于生物學事實和證據(jù),構建基因控制性狀的模型,理解基因與性狀的關系。(科學思維)3.運用結構與功能觀,理解表觀遺傳產生的原因。(生命觀念)一、中心法則詮釋了基因與生物性狀的關系1.中心法則的提出及發(fā)展(1)提出者:克里克。(2)中心法則內容:根據(jù)圖示,完成下表:項目序號生理過程遺傳信息傳遞過程最初提出①DNA復制DNA流向DNA②轉錄DNA流向RNA③翻譯RNA流向蛋白質發(fā)展補充④RNA復制RNA流向RNA⑤逆轉錄RNA流向DNA2.基因表達產物與性狀的關系(1)基因控制性狀的兩種途徑:①基因酶的合成代謝過程生物性狀。②基因蛋白質的結構生物性狀。(2)基因與性狀的關系:判一判:結合基因與性狀的對應關系,判斷下列說法的正誤:①生物的大多數(shù)性狀受核基因控制。 (√)②一個基因只能控制一種性狀。 (×)提示:一個基因可以影響多個性狀。③有些性狀是由多個基因決定的。 (√)④基因型相同的個體表型一定相同。 (×)提示:基因型相同的個體表型不一定相同,生物性狀也受環(huán)境影響。⑤表型相同的個體基因型不一定相同。 (√)在人體細胞中,是否能發(fā)生上述中心法則的5個過程?舉例說明。提示:不能。人體中的RNA不能進行復制。二、細胞分化的本質是基因的選擇性表達1.生物體多種性狀的形成,都是以細胞分化為基礎的。2.基因選擇性表達的實例:選一選:下列基因中能在所有細胞中都表達的基因有:①②⑤,只在某類細胞中特異性表達的基因有:③④。①核糖體蛋白基因②ATP合成酶基因③卵清蛋白基因④胰島素基因⑤呼吸酶基因3.細胞分化的實質:基因的選擇性表達。三、表觀遺傳1.表觀遺傳的概念: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.基因組表觀遺傳修飾的兩種形式:DNA甲基化和組蛋白修飾。柳穿魚的花器官由對稱變成了不對稱的原因是什么?提示:由于基因Lcyc發(fā)生了高度甲基化,引起基因表達水平下降所致。知識點一中心法則1.不同生物中心法則的體現(xiàn):生物種類舉例遺傳信息的傳遞過程DNA病毒T2噬菌體RNA病毒不含逆轉錄酶煙草花葉病毒含逆轉錄酶艾滋病病毒細胞生物具有分裂能力的細胞高度分化的細胞DNARNA蛋白質2.中心法則與基因表達的關系:3.中心法則五個過程的比較:過程模板原料酶堿基配對方式產物實例DNA的復制DNA的每一條母鏈脫氧核苷酸解旋酶、DNA聚合酶A-T、T-A、G-C、C-GDNA以DNA作遺傳物質的生物轉錄DNA的一條鏈核糖核苷酸RNA聚合酶A-U、T-A、G-C、C-GRNA除病毒外幾乎所有生物翻譯信使RNA21種氨基酸A-U、U-A、G-C、C-G多肽除病毒外的細胞生物RNA的復制RNA核糖核苷酸RNA復制酶A-U、U-A、G-C、C-GRNA以RNA作遺傳物質的生物RNA的逆轉錄RNA脫氧核苷酸逆轉錄酶A-T、U-A、G-C、C-GDNA某些RNA病毒等特別提醒:①在一種生物或細胞內不能發(fā)生中心法則的所有過程。②DNA復制只發(fā)生在細胞分裂前的間期,而轉錄和翻譯則可以發(fā)生在任何時期。③在病毒體內不會發(fā)生RNA復制和逆轉錄過程,該過程是在被病毒寄生的宿主細胞內進行的。如圖是4種遺傳信息的流動過程,對應的敘述不正確的是 ()A.甲可表示胰島細胞中胰島素合成過程中的遺傳信息的傳遞方向B.乙可表示逆轉錄病毒在宿主細胞內繁殖時的遺傳信息傳遞方向C.丙可表示DNA病毒(如噬菌體)在宿主細胞內繁殖時的遺傳信息傳遞方向D.丁可表示RNA病毒(如煙草花葉病毒)在宿主細胞內繁殖過程中的遺傳信息傳遞方向【解題思維】解答本題需突破以下兩個關鍵點:【解析】選A。甲表示胰島B細胞合成胰島素,但胰島B細胞高度分化,不能進行DNA自我復制,A錯誤;乙能進行逆轉錄過程,可表示逆轉錄病毒在宿主細胞內繁殖時的遺傳信息傳遞方向,B正確;丙包括DNA的復制、轉錄和翻譯,可表示DNA病毒(如噬菌體)在宿主細胞內繁殖時的遺傳信息傳遞方向,C正確;丁包括RNA的自我復制和翻譯,可表示RNA病毒,如煙草花葉病毒在宿主細胞內繁殖過程中的遺傳信息傳遞方向,D正確。【審答誤區(qū)】常見以下兩種錯誤:(1)DNA復制、轉錄和翻譯是所有具有細胞結構的生物所遵循的法則,但不一定是某一種細胞中都具有這三個途徑。(2)不能判斷什么樣的細胞可以發(fā)生DNA復制。只有進行分裂的細胞才發(fā)生DNA復制?！痉椒ㄒ?guī)律】中心法則各生理過程快速確定的三大依據(jù)1.圖甲所示為基因表達過程,圖乙為中心法則,①~⑤表示生理過程。下列敘述正確的是 ()A.圖甲所示為染色體DNA上的基因表達過程,需要多種酶參與B.紅霉素影響核糖體在mRNA上的移動,故影響基因的轉錄過程C.圖甲所示過程為圖乙中的②③過程D.①②③過程只發(fā)生在真核細胞中,④⑤過程只發(fā)生在原核細胞和一些病毒中【解析】選C。圖甲中,轉錄和翻譯同時進行,屬于原核生物的基因表達過程,而原核生物沒有染色體,A錯誤;紅霉素影響核糖體在mRNA上的移動,所以影響基因的翻譯過程,B錯誤;圖乙中①是DNA復制、②是轉錄過程、③是翻譯過程、④是RNA的復制,⑤是逆轉錄過程,圖甲是基因控制蛋白質的合成過程,即轉錄和翻譯,為圖乙中的②③過程,C正確;①②③過程發(fā)生在真核細胞、原核細胞和DNA病毒中,④⑤過程一般發(fā)生在一些RNA病毒中,D錯誤。2.人類白化病和苯丙酮尿癥是由于代謝異常引起的疾病,如圖表示在人體代謝中產生這兩類疾病的過程。由圖中不能得出的結論是 ()A.基因可以通過控制蛋白質的結構來控制生物的性狀B.基因可以通過控制酶的合成來控制生物的性狀C.一個基因可以控制多種性狀D.一個性狀可以由多個基因控制【解析】選A。分析題圖可知,本圖顯示的是基因通過控制酶的合成控制代謝進而控制生物的性狀,A符合題意;由A項分析可知,B不符合題意;分析題圖可知,基因1發(fā)生突變,會影響黑色素和多巴胺的合成,同時苯丙酮酸的含量增加,由此可以推出,一個基因可以控制多種性狀,C不符合題意;分析題圖可知,黑色素的形成是由基因1和基因2共同控制的,多巴胺是由基因1和基因4共同控制的,由此可以推出一個性狀可由多個基因控制,D不符合題意?！狙a償訓練】如圖為有關遺傳信息傳遞和表達的模擬實驗。下列相關敘述合理的是 ()A.若X是mRNA,Y是多肽,則管內必須加入氨基酸B.若X是DNA,Y含有U,則管內必須加入逆轉錄酶C.若X是tRNA,Y是多肽,則管內必須加入脫氧核苷酸D.若X是HIV的RNA,Y是DNA,則管內必須加入DNA酶【解析】選A。X是mRNA,Y是多肽,則管內發(fā)生的是翻譯過程,因此管內必須加入氨基酸;若X是DNA,Y含有U,則Y為RNA,管內發(fā)生的是轉錄過程,因此不需要加入逆轉錄酶,而需要加入RNA聚合酶等;若X是tRNA,Y是多肽,則管內發(fā)生的是翻譯過程,因此不需要加入脫氧核苷酸;若X是HIV的RNA,Y是DNA,則管內發(fā)生的是逆轉錄過程,因此需要加入逆轉錄酶。知識點二基因的選擇性表達與表觀遺傳1.基因選擇性表達的結果(1)細胞形態(tài)的改變:如肌細胞的梭形、哺乳動物成熟紅細胞的圓餅狀、神經細胞的突起狀等。(2)細胞結構的變化:細胞器的種類和數(shù)量發(fā)生變化。(3)細胞功能的特化:執(zhí)行特定的功能,如運動功能、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.表觀遺傳機制:(1)細胞分裂、分化過程中內外因素的共同作用導致DNA甲基化、構成染色體的組蛋白的甲基化、乙?；刃揎棥?2)甲基化等修飾抑制了基因的表達。3.基因與性狀的關系:(1)一個基因決定一種性狀(多數(shù)性狀受單基因控制)。(2)一個基因影響多種性狀(如基因間相互作用)。(3)多個基因控制一種性狀(如身高、體重等)。圖解如下:特別提醒:①生物的性狀不只受基因控制,環(huán)境對性狀也有影響,如后天營養(yǎng)和體育鍛煉會影響人的身高。②基因的表達產物可發(fā)生表觀遺傳的差異,引起生物的性狀不同?！局R拓展】基因的種類(1)管家基因:是指在所有細胞中均要表達的一類基因,其產物是維持細胞基本生命活動所必需的。如RNA聚合酶基因、呼吸酶基因與核糖體蛋白基因等。(2)奢侈基因:是指在不同類型細胞中特異性表達的基因,其產物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結構與功能。如血紅蛋白基因、胰島素基因等。如圖表示人體內干細胞的增殖分化過程,下列有關敘述正確的是 ()A.干細胞與白細胞的基因型不同,但合成的mRNA和蛋白質的種類相同B.血小板和成熟的紅細胞內遺傳信息的流動方向是DNA→DNA→RNA→蛋白質C.圖中所示的細胞中,干細胞具有細胞周期,而且其分裂能力較強D.白細胞能夠穿過血管壁去吞噬病菌,這是因為細胞膜具有選擇透過性【解題思維】解答本題需突破以下兩個關鍵點:【解析】選C。白細胞由造血干細胞增殖分化形成,故干細胞與白細胞的基因型相同,但合成的mRNA和蛋白質的種類不同,A錯誤;血小板和成熟的紅細胞內無細胞核及細胞器,不能進行DNA的復制和蛋白質的合成,B錯誤;圖中所示的細胞中,干細胞具有細胞周期,而且其分裂能力較強,C正確;白細胞能夠穿過血管壁去吞噬病菌,這是因為細胞膜具有流動性,D錯誤?！緦彺鹫`區(qū)】常見以下兩種錯誤:(1)不能理解細胞分化的實質:同一個體不同的細胞基因型相同(除生殖細胞),只是表達的基因不完全相同。(2)不能理解遺傳信息傳遞發(fā)生的時期及條件:例如DNA復制只能發(fā)生在分裂的細胞中,而高度分化的細胞不能進行DNA復制?！灸割}追問】(1)圖中各種細胞結構和功能不同的根本原因是什么?提示:基因的選擇性表達。(2)白細胞吞噬病菌時是否有蛋白質的參與?提示:有,白細胞吞噬病菌時要進行識別,起識別作用的物質是糖蛋白。1.下列對細胞分化不同水平的分析中,不正確的是 ()A.從細胞水平分析,細胞分化使細胞形態(tài)、結構和功能發(fā)生了改變B.從細胞器水平分析,細胞分化是細胞器的種類、數(shù)目改變的結果C.從蛋白質分子角度分析,細胞分化是蛋白質種類、數(shù)量改變的結果,這是細胞分化的根本原因D.從核酸分子角度分析,細胞分化是基因選擇性表達的結果【解析】選C。細胞分化就是指細胞在形態(tài)、結構和功能上發(fā)生穩(wěn)定差異的過程,A正確;細胞的功能與細胞器的種類和數(shù)量密切相關,B正確;細胞分化的根本原因是基因的選擇性表達,C錯誤;從核酸分子的角度分析,細胞分化是基因選擇性表達的結果,D正確。2.黃色小鼠(AA)與黑色小鼠(aa)雜交,產生的(Aa)不同個體出現(xiàn)了不同體色。研究表明,不同體色的小鼠A基因的堿基序列相同,但A基因上二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化(如圖)現(xiàn)象出現(xiàn),甲基化不影響基因DNA復制。有關分析錯誤的是 ()A.F1個體體色的差異與A基因甲基化程度有關B.甲基化可能影響RNA聚合酶與該基因的結合C.堿基甲基化不影響堿基互補配對過程D.甲基化是引起基因突變的常見方式【解析】選D。根據(jù)題意和題圖分析,基因型都為Aa的小鼠毛色不同,關鍵原因是A基因中二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化,甲基化不影響基因DNA復制,但影響該基因的表達,所以會影響小鼠的毛色出現(xiàn)差異。根據(jù)分析可知,F1個體的基因型都是Aa,但體色有差異,顯然與A基因甲基化程度有關,A正確;RNA聚合酶與該基因的結合屬于基因表達的關鍵環(huán)節(jié),而A基因甲基化會影響其表達過程,所以B正確;堿基甲基化不影響DNA復制過程,而DNA復制過程有堿基互補配對過程,C正確;基因突變是基因中堿基對增添、缺失或替換導致基因結構的改變,而基因中堿基甲基化后仍然屬于該基因,所以不屬于基因突變,D錯誤?！狙a償訓練】如圖為基因與性狀的關系示意圖,據(jù)圖判斷錯誤的是 ()A.一種基因可以影響和控制多種性狀B.多種基因可以影響和控制一種性狀C.所有基因都能控制表現(xiàn)出相應的性狀D.圖中的產物可以是酶、激素或者抗體等【解析】選C。由題圖可知,性狀a、b、c、d受同一種基因產物影響,說明一種基因可以影響和控制多種性狀,A正確;性狀e受三種基因產物影響,表明多種基因可以影響和控制一種性狀,B正確;生物的性狀除了受基因控制外,還受環(huán)境條件的影響,并非所有基因都能控制表現(xiàn)出相應的性狀,C錯誤;多數(shù)酶、有些激素和抗體是蛋白質,可以是基因表達的產物,D正確。1.【科技情境】2020年新型冠狀病毒肺炎疫情在全球迅速蔓延,研究發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒是一種單鏈+RNA病毒,其遺傳信息的傳遞途徑如圖所示:探究:(1)根據(jù)圖示推測新型冠狀病毒遺傳信息的傳遞方向。(科學思維)提示:(2)根據(jù)圖示推測新型冠狀病毒是如何形成子代病毒的。(科學思維)提示:新型冠狀病毒的遺傳物質+RNA侵入宿主細胞后,在宿主細胞內以+RNA為模板在RNA聚合酶的作用下生成-RNA,然后以-RNA為模板生成+RNA即遺傳物質,同時以+RNA為模板在宿主細胞的核糖體上合成病毒蛋白質,然后病毒蛋白質和合成的子代+RNA組裝,即形成子代病毒。2.【科技情境】美國宇航局(NASA)為了研究太空環(huán)境對人基因的影響,利用雙胞胎“宇航員Scott·Kelly與Mark·Kelly”做了一個“天地隔離實驗”。受試者是同卵雙生,有著幾乎完全相同的基因組。其中,弟弟Scott被送進國際空間站為期340天,發(fā)現(xiàn)其身高增加了5cm(在此之前,兄弟二人身高相同)。為了進一步了解太空環(huán)境對人體的影響,研究人員對結束任務的Scott繼續(xù)進行了長達一年的監(jiān)測,并對比了他與哥哥Mark的DNA差異。發(fā)現(xiàn)盡管兄弟二人的DNA依然相同。但分析顯示Scott細胞內甲基化水平明顯差異化,或升高或降低。總體而言進入太空后基因表達達到了一個前所未有的高峰。探究:(1)上述資料中,弟弟Scott性狀改變的原因是什么?是否可以遺傳?(科學思維)提示:環(huán)境導致其基因發(fā)生甲基化,進而影響基因表達,表型發(fā)生差異?？梢赃z傳。(2)上述現(xiàn)象是否只有在太空中才能發(fā)生?請舉例說明。(科學思維)提示:表觀遺傳普遍存在于生物體的生長、發(fā)育和衰老的生命活動過程中。例如同卵雙胞胎所具有的微小差異、一個蜂群中蜂王和工蜂的差異等。1.細胞通過精準的調控,實現(xiàn)了基因對性狀的控制。下列有關說法,正確的是______。

①基因通過控制蛋白質的合成直接控制生物的性狀②同一個體的不同組織細胞中蛋白質種類不完全相同③柳穿魚花的不同形態(tài)是由一對等位基因控制的④DNA的甲基化修飾不能遺傳給后代⑤基因能否表達是基因表達調控的唯一方式⑥基因通常是有遺傳效應的DNA片段,不同基因之間的作用可能相互影響【解析】選②⑥?；蚩刂菩誀畹耐緩桨ㄖ苯油緩胶烷g接途徑兩種類型,①錯誤;同一個體的不同組織細胞中蛋白質種類不完全相同,②正確;柳穿魚花的不同形態(tài)是表觀遺傳現(xiàn)象,不是由一對等位基因控制的,③錯誤;DNA的甲基化修飾能遺傳給后代,④錯誤;基因表達調控包括基因能否表達以及表達水平的高低,⑤錯誤;不同基因之間的作用可能相互影響,⑥正確。2.如圖為中心法則的示意圖。下列敘述錯誤的是 ()A.①表示DNA復制,需要DNA聚合酶參與B.②表示轉錄,需要RNA聚合酶參與C.③表示翻譯,需要蛋白酶參與D.④表示逆轉錄,需要逆轉錄酶參與【解析】選C。①表示DNA的復制過程,該過程需要DNA聚合酶的參與,A正確;②表示轉錄過程,該過程需要RNA聚合酶的參與,B正確;蛋白酶能水解蛋白質,而③表示翻譯合成蛋白質的過程,因此該過程不需要蛋白酶的參與,C錯誤;④表示逆轉錄過程,該過程需要逆轉錄酶的參與,D正確。3.下列有關基因與性狀關系的敘述,正確的是 ()A.基因與性狀之間是一一對應的關系B.基因都通過控制蛋白質的結構直接控制性狀C.染色體上的基因控制生物性狀不受環(huán)境影響D.不同基因之間相互作用,精細調控生物性狀【解析】選D?；蚺c性狀之間不僅僅是一一對應的關系,也可能是一對多,A錯誤;基因可通過控制酶的合成控制代謝過程,間接控制生物體的性狀,B錯誤;生物體的性狀是由基因型和環(huán)境共同作用的結果,C錯誤;不同基因之間相互作用,精細調控生物性狀,D正確。4.如圖表示同一個體的5種細胞中5種基因的表達情況,下列分析錯誤的是 ()A.此圖能說明細胞分化的實質B.基因B可能控制RNA聚合酶的合成C.細胞中mRNA差異最大的是細胞2和4D.一般來說,這5種細胞的核遺傳物質相同【解析】選C。圖示表示不同細胞選擇表達的基因不同,即細胞分化的實質是基因的選擇性表達,A正確;生物體內幾乎所有細胞都能控制RNA聚合酶合成,因此基因B可能控制RNA聚合酶的合成,B正確;2和5中mRNA的差異大于2和4,C錯誤;同一個生物體內不同細胞都是由同一個受精卵有絲分裂形成的,都含有相同的基因,因此這5種細胞的核遺傳物質相同,D正確。5.是否具有豌豆淀粉分支酶,導致豌豆產生圓粒和皺粒這對相對性狀,這可以說明()A.發(fā)生基因突變,必然導致蛋白質的結構改變B.基因通過控制酶的合成,控制生物體的性狀C.基因通過控制激素的合成,控制生物體的性狀D.基因通過控制蛋白質結構,控制生物體的性狀【解析】選B?；蛲蛔?轉錄形成的密碼子一定改變,但由于密碼子的簡并性,不一定導致蛋白質的結構改變,A錯誤;控制合成淀粉分支酶的基因發(fā)生突變而不能合成淀粉分支酶,使得豌豆粒不能合成淀粉而變得皺縮,說明基因是通過控制酶的合成間接控制生物性狀的,B正確;由題干信息不能說明基因通過控制激素的合成來控制生物體的性狀,C錯誤;“是否具有豌豆淀粉分支酶,導致豌豆產生圓粒和皺粒這對相對性狀”,說明基因是通過控制酶的合成間接控制生物性狀的,D錯誤。6.同一動物個體的神經細胞與肌細胞在功能上是不同的,造成這種差異的主要原因是 ()A.二者所處的細胞周期不同B.二者所含有的基因組不同C.二者核DNA的復制方式不同D.二者合成的特定蛋白不同【解析】選D。神經細胞和肌細胞都已經高度分化,都沒有細胞周期,A錯誤;神經細胞和肌細胞是由同一個受精卵有絲分裂形成的,都含有相同的遺傳物質,二者所含的基因組相同,B錯誤;二者核DNA的復制方式相同,都是半保留復制,但這兩種細胞都已經高度分化,不再分裂,因此都不會發(fā)生核DNA的復制,C錯誤;神經細胞和肌細胞在功能上不同的原因是基因的選擇性表達,即這兩種細胞合成的特定蛋白不同,D正確。7.下列關于基因與性狀之間的關系的敘述錯誤的是()A.基因與性狀是一一對應的關系B.基因可通過控制蛋白質的結構來控制生物的性狀C.基因可通過控制酶的合成來控制代謝過程,進而控制生物的性狀D.生物性狀既受基因的控制,也受環(huán)境條件的影響【解析】選A?；蚺c性狀之間不是簡單的一一對應的關系,有可能多對基因控制一對相對性狀,A錯誤;基因可通過控制蛋白質的結構來控制生物的性狀,B正確;基因可通過控制酶的合成來控制代謝過程,進而控制生物的性狀,C正確;生物性狀既受基因的控制,也受環(huán)境條件的影響,D正確。8.在甲基轉移酶的催化下,DNA的胞嘧啶被選擇性地添加甲基導致DNA甲基化,進而使染色質高度螺旋化,因此失去轉錄活性。下列相關敘述不正確的是 ()A.DNA甲基化,會導致基因堿基序列的改變B.DNA甲基化,會導致mRNA合成受阻C.DNA甲基化,可能會影響生物的性狀D.DNA甲基化,可能會影響細胞分化【解析】選A。DNA甲基化是指DNA的胞嘧啶被選擇性地添加甲基,這不會導致基因堿基序列的