新教材生物苏教版必修第二册学案2.3.2中心法则细胞分化和表观遗传

第二课时中心法则、细胞分化和表观遗传新课程标准学业质量目标3.1.4概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成,细胞分化的实质是基因选择性表达的结果,生物的性状主要通过蛋白质表现3.1.5概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象合格考试1.通过实例分析,归纳基因表达产物与性状的关系。(科学思维)2.通过对实验结果的分析,理解细胞分化的实质。(科学思维)等级考试1.通过分类和比较,明确中心法则各生物过程的异同。(科学思维)2.基于生物学事实和证据,构建基因控制性状的模型,理解基因与性状的关系。(科学思维)3.运用结构与功能观,理解表观遗传产生的原因。(生命观念)一、中心法则诠释了基因与生物性状的关系1.中心法则的提出及发展(1)提出者:克里克。(2)中心法则内容:根据图示,完成下表:项目序号生理过程遗传信息传递过程最初提出①DNA复制DNA流向DNA②转录DNA流向RNA③翻译RNA流向蛋白质发展补充④RNA复制RNA流向RNA⑤逆转录RNA流向DNA2.基因表达产物与性状的关系(1)基因控制性状的两种途径:①基因酶的合成代谢过程生物性状。②基因蛋白质的结构生物性状。(2)基因与性状的关系:判一判:结合基因与性状的对应关系,判断下列说法的正误:①生物的大多数性状受核基因控制。 (√)②一个基因只能控制一种性状。 (×)提示:一个基因可以影响多个性状。③有些性状是由多个基因决定的。 (√)④基因型相同的个体表型一定相同。 (×)提示:基因型相同的个体表型不一定相同,生物性状也受环境影响。⑤表型相同的个体基因型不一定相同。 (√)在人体细胞中,是否能发生上述中心法则的5个过程?举例说明。提示:不能。人体中的RNA不能进行复制。二、细胞分化的本质是基因的选择性表达1.生物体多种性状的形成,都是以细胞分化为基础的。2.基因选择性表达的实例:选一选:下列基因中能在所有细胞中都表达的基因有:①②⑤,只在某类细胞中特异性表达的基因有:③④。①核糖体蛋白基因②ATP合成酶基因③卵清蛋白基因④胰岛素基因⑤呼吸酶基因3.细胞分化的实质:基因的选择性表达。三、表观遗传1.表观遗传的概念: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。2.基因组表观遗传修饰的两种形式:DNA甲基化和组蛋白修饰。柳穿鱼的花器官由对称变成了不对称的原因是什么?提示:由于基因Lcyc发生了高度甲基化,引起基因表达水平下降所致。知识点一中心法则1.不同生物中心法则的体现:生物种类举例遗传信息的传递过程DNA病毒T2噬菌体RNA病毒不含逆转录酶烟草花叶病毒含逆转录酶艾滋病病毒细胞生物具有分裂能力的细胞高度分化的细胞DNARNA蛋白质2.中心法则与基因表达的关系:3.中心法则五个过程的比较:过程模板原料酶碱基配对方式产物实例DNA的复制DNA的每一条母链脱氧核苷酸解旋酶、DNA聚合酶A-T、T-A、G-C、C-GDNA以DNA作遗传物质的生物转录DNA的一条链核糖核苷酸RNA聚合酶A-U、T-A、G-C、C-GRNA除病毒外几乎所有生物翻译信使RNA21种氨基酸A-U、U-A、G-C、C-G多肽除病毒外的细胞生物RNA的复制RNA核糖核苷酸RNA复制酶A-U、U-A、G-C、C-GRNA以RNA作遗传物质的生物RNA的逆转录RNA脱氧核苷酸逆转录酶A-T、U-A、G-C、C-GDNA某些RNA病毒等特别提醒:①在一种生物或细胞内不能发生中心法则的所有过程。②DNA复制只发生在细胞分裂前的间期,而转录和翻译则可以发生在任何时期。③在病毒体内不会发生RNA复制和逆转录过程,该过程是在被病毒寄生的宿主细胞内进行的。如图是4种遗传信息的流动过程,对应的叙述不正确的是 ()A.甲可表示胰岛细胞中胰岛素合成过程中的遗传信息的传递方向B.乙可表示逆转录病毒在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向C.丙可表示DNA病毒(如噬菌体)在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向D.丁可表示RNA病毒(如烟草花叶病毒)在宿主细胞内繁殖过程中的遗传信息传递方向【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:【解析】选A。甲表示胰岛B细胞合成胰岛素,但胰岛B细胞高度分化,不能进行DNA自我复制,A错误;乙能进行逆转录过程,可表示逆转录病毒在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向,B正确;丙包括DNA的复制、转录和翻译,可表示DNA病毒(如噬菌体)在宿主细胞内繁殖时的遗传信息传递方向,C正确;丁包括RNA的自我复制和翻译,可表示RNA病毒,如烟草花叶病毒在宿主细胞内繁殖过程中的遗传信息传递方向,D正确。【审答误区】常见以下两种错误:(1)DNA复制、转录和翻译是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则,但不一定是某一种细胞中都具有这三个途径。(2)不能判断什么样的细胞可以发生DNA复制。只有进行分裂的细胞才发生DNA复制。【方法规律】中心法则各生理过程快速确定的三大依据1.图甲所示为基因表达过程,图乙为中心法则,①~⑤表示生理过程。下列叙述正确的是 ()A.图甲所示为染色体DNA上的基因表达过程,需要多种酶参与B.红霉素影响核糖体在mRNA上的移动,故影响基因的转录过程C.图甲所示过程为图乙中的②③过程D.①②③过程只发生在真核细胞中,④⑤过程只发生在原核细胞和一些病毒中【解析】选C。图甲中,转录和翻译同时进行,属于原核生物的基因表达过程,而原核生物没有染色体,A错误;红霉素影响核糖体在mRNA上的移动,所以影响基因的翻译过程,B错误;图乙中①是DNA复制、②是转录过程、③是翻译过程、④是RNA的复制,⑤是逆转录过程,图甲是基因控制蛋白质的合成过程,即转录和翻译,为图乙中的②③过程,C正确;①②③过程发生在真核细胞、原核细胞和DNA病毒中,④⑤过程一般发生在一些RNA病毒中,D错误。2.人类白化病和苯丙酮尿症是由于代谢异常引起的疾病,如图表示在人体代谢中产生这两类疾病的过程。由图中不能得出的结论是 ()A.基因可以通过控制蛋白质的结构来控制生物的性状B.基因可以通过控制酶的合成来控制生物的性状C.一个基因可以控制多种性状D.一个性状可以由多个基因控制【解析】选A。分析题图可知,本图显示的是基因通过控制酶的合成控制代谢进而控制生物的性状,A符合题意;由A项分析可知,B不符合题意;分析题图可知,基因1发生突变,会影响黑色素和多巴胺的合成,同时苯丙酮酸的含量增加,由此可以推出,一个基因可以控制多种性状,C不符合题意;分析题图可知,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,由此可以推出一个性状可由多个基因控制,D不符合题意。【补偿训练】如图为有关遗传信息传递和表达的模拟实验。下列相关叙述合理的是 ()A.若X是mRNA,Y是多肽,则管内必须加入氨基酸B.若X是DNA,Y含有U,则管内必须加入逆转录酶C.若X是tRNA,Y是多肽,则管内必须加入脱氧核苷酸D.若X是HIV的RNA,Y是DNA,则管内必须加入DNA酶【解析】选A。X是mRNA,Y是多肽,则管内发生的是翻译过程,因此管内必须加入氨基酸;若X是DNA,Y含有U,则Y为RNA,管内发生的是转录过程,因此不需要加入逆转录酶,而需要加入RNA聚合酶等;若X是tRNA,Y是多肽,则管内发生的是翻译过程,因此不需要加入脱氧核苷酸;若X是HIV的RNA,Y是DNA,则管内发生的是逆转录过程,因此需要加入逆转录酶。知识点二基因的选择性表达与表观遗传1.基因选择性表达的结果(1)细胞形态的改变:如肌细胞的梭形、哺乳动物成熟红细胞的圆饼状、神经细胞的突起状等。(2)细胞结构的变化:细胞器的种类和数量发生变化。(3)细胞功能的特化:执行特定的功能,如运动功能、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、抗体、胰岛素、血红蛋白和肌动蛋白等。2.表观遗传机制:(1)细胞分裂、分化过程中内外因素的共同作用导致DNA甲基化、构成染色体的组蛋白的甲基化、乙酰化等修饰。(2)甲基化等修饰抑制了基因的表达。3.基因与性状的关系:(1)一个基因决定一种性状(多数性状受单基因控制)。(2)一个基因影响多种性状(如基因间相互作用)。(3)多个基因控制一种性状(如身高、体重等)。图解如下:特别提醒:①生物的性状不只受基因控制,环境对性状也有影响,如后天营养和体育锻炼会影响人的身高。②基因的表达产物可发生表观遗传的差异,引起生物的性状不同。【知识拓展】基因的种类(1)管家基因:是指在所有细胞中均要表达的一类基因,其产物是维持细胞基本生命活动所必需的。如RNA聚合酶基因、呼吸酶基因与核糖体蛋白基因等。(2)奢侈基因:是指在不同类型细胞中特异性表达的基因,其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构与功能。如血红蛋白基因、胰岛素基因等。如图表示人体内干细胞的增殖分化过程,下列有关叙述正确的是 ()A.干细胞与白细胞的基因型不同,但合成的mRNA和蛋白质的种类相同B.血小板和成熟的红细胞内遗传信息的流动方向是DNA→DNA→RNA→蛋白质C.图中所示的细胞中,干细胞具有细胞周期,而且其分裂能力较强D.白细胞能够穿过血管壁去吞噬病菌,这是因为细胞膜具有选择透过性【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:【解析】选C。白细胞由造血干细胞增殖分化形成,故干细胞与白细胞的基因型相同,但合成的mRNA和蛋白质的种类不同,A错误;血小板和成熟的红细胞内无细胞核及细胞器,不能进行DNA的复制和蛋白质的合成,B错误;图中所示的细胞中,干细胞具有细胞周期,而且其分裂能力较强,C正确;白细胞能够穿过血管壁去吞噬病菌,这是因为细胞膜具有流动性,D错误。【审答误区】常见以下两种错误:(1)不能理解细胞分化的实质:同一个体不同的细胞基因型相同(除生殖细胞),只是表达的基因不完全相同。(2)不能理解遗传信息传递发生的时期及条件:例如DNA复制只能发生在分裂的细胞中,而高度分化的细胞不能进行DNA复制。【母题追问】(1)图中各种细胞结构和功能不同的根本原因是什么?提示:基因的选择性表达。(2)白细胞吞噬病菌时是否有蛋白质的参与?提示:有,白细胞吞噬病菌时要进行识别,起识别作用的物质是糖蛋白。1.下列对细胞分化不同水平的分析中,不正确的是 ()A.从细胞水平分析,细胞分化使细胞形态、结构和功能发生了改变B.从细胞器水平分析,细胞分化是细胞器的种类、数目改变的结果C.从蛋白质分子角度分析,细胞分化是蛋白质种类、数量改变的结果,这是细胞分化的根本原因D.从核酸分子角度分析,细胞分化是基因选择性表达的结果【解析】选C。细胞分化就是指细胞在形态、结构和功能上发生稳定差异的过程,A正确;细胞的功能与细胞器的种类和数量密切相关,B正确;细胞分化的根本原因是基因的选择性表达,C错误;从核酸分子的角度分析,细胞分化是基因选择性表达的结果,D正确。2.黄色小鼠(AA)与黑色小鼠(aa)杂交,产生的(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.碱基甲基化不影响碱基互补配对过程D.甲基化是引起基因突变的常见方式【解析】选D。根据题意和题图分析,基因型都为Aa的小鼠毛色不同,关键原因是A基因中二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化,甲基化不影响基因DNA复制,但影响该基因的表达,所以会影响小鼠的毛色出现差异。根据分析可知,F1个体的基因型都是Aa,但体色有差异,显然与A基因甲基化程度有关,A正确;RNA聚合酶与该基因的结合属于基因表达的关键环节,而A基因甲基化会影响其表达过程,所以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过程,C正确;基因突变是基因中碱基对增添、缺失或替换导致基因结构的改变,而基因中碱基甲基化后仍然属于该基因,所以不属于基因突变,D错误。【补偿训练】如图为基因与性状的关系示意图,据图判断错误的是 ()A.一种基因可以影响和控制多种性状B.多种基因可以影响和控制一种性状C.所有基因都能控制表现出相应的性状D.图中的产物可以是酶、激素或者抗体等【解析】选C。由题图可知,性状a、b、c、d受同一种基因产物影响,说明一种基因可以影响和控制多种性状,A正确;性状e受三种基因产物影响,表明多种基因可以影响和控制一种性状,B正确;生物的性状除了受基因控制外,还受环境条件的影响,并非所有基因都能控制表现出相应的性状,C错误;多数酶、有些激素和抗体是蛋白质,可以是基因表达的产物,D正确。1.【科技情境】2020年新型冠状病毒肺炎疫情在全球迅速蔓延,研究发现新型冠状病毒是一种单链+RNA病毒,其遗传信息的传递途径如图所示:探究:(1)根据图示推测新型冠状病毒遗传信息的传递方向。(科学思维)提示:(2)根据图示推测新型冠状病毒是如何形成子代病毒的。(科学思维)提示:新型冠状病毒的遗传物质+RNA侵入宿主细胞后,在宿主细胞内以+RNA为模板在RNA聚合酶的作用下生成-RNA,然后以-RNA为模板生成+RNA即遗传物质,同时以+RNA为模板在宿主细胞的核糖体上合成病毒蛋白质,然后病毒蛋白质和合成的子代+RNA组装,即形成子代病毒。2.【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5cm(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?(科学思维)提示: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)上述现象是否只有在太空中才能发生?请举例说明。(科学思维)提示: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。1.细胞通过精准的调控,实现了基因对性状的控制。下列有关说法,正确的是______。

①基因通过控制蛋白质的合成直接控制生物的性状②同一个体的不同组织细胞中蛋白质种类不完全相同③柳穿鱼花的不同形态是由一对等位基因控制的④DNA的甲基化修饰不能遗传给后代⑤基因能否表达是基因表达调控的唯一方式⑥基因通常是有遗传效应的DNA片段,不同基因之间的作用可能相互影响【解析】选②⑥。基因控制性状的途径包括直接途径和间接途径两种类型,①错误;同一个体的不同组织细胞中蛋白质种类不完全相同,②正确;柳穿鱼花的不同形态是表观遗传现象,不是由一对等位基因控制的,③错误;DNA的甲基化修饰能遗传给后代,④错误;基因表达调控包括基因能否表达以及表达水平的高低,⑤错误;不同基因之间的作用可能相互影响,⑥正确。2.如图为中心法则的示意图。下列叙述错误的是 ()A.①表示DNA复制,需要DNA聚合酶参与B.②表示转录,需要RNA聚合酶参与C.③表示翻译,需要蛋白酶参与D.④表示逆转录,需要逆转录酶参与【解析】选C。①表示DNA的复制过程,该过程需要DNA聚合酶的参与,A正确;②表示转录过程,该过程需要RNA聚合酶的参与,B正确;蛋白酶能水解蛋白质,而③表示翻译合成蛋白质的过程,因此该过程不需要蛋白酶的参与,C错误;④表示逆转录过程,该过程需要逆转录酶的参与,D正确。3.下列有关基因与性状关系的叙述,正确的是 ()A.基因与性状之间是一一对应的关系B.基因都通过控制蛋白质的结构直接控制性状C.染色体上的基因控制生物性状不受环境影响D.不同基因之间相互作用,精细调控生物性状【解析】选D。基因与性状之间不仅仅是一一对应的关系,也可能是一对多,A错误;基因可通过控制酶的合成控制代谢过程,间接控制生物体的性状,B错误;生物体的性状是由基因型和环境共同作用的结果,C错误;不同基因之间相互作用,精细调控生物性状,D正确。4.如图表示同一个体的5种细胞中5种基因的表达情况,下列分析错误的是 ()A.此图能说明细胞分化的实质B.基因B可能控制RNA聚合酶的合成C.细胞中mRNA差异最大的是细胞2和4D.一般来说,这5种细胞的核遗传物质相同【解析】选C。图示表示不同细胞选择表达的基因不同,即细胞分化的实质是基因的选择性表达,A正确;生物体内几乎所有细胞都能控制RNA聚合酶合成,因此基因B可能控制RNA聚合酶的合成,B正确;2和5中mRNA的差异大于2和4,C错误;同一个生物体内不同细胞都是由同一个受精卵有丝分裂形成的,都含有相同的基因,因此这5种细胞的核遗传物质相同,D正确。5.是否具有豌豆淀粉分支酶,导致豌豆产生圆粒和皱粒这对相对性状,这可以说明()A.发生基因突变,必然导致蛋白质的结构改变B.基因通过控制酶的合成,控制生物体的性状C.基因通过控制激素的合成,控制生物体的性状D.基因通过控制蛋白质结构,控制生物体的性状【解析】选B。基因突变,转录形成的密码子一定改变,但由于密码子的简并性,不一定导致蛋白质的结构改变,A错误;控制合成淀粉分支酶的基因发生突变而不能合成淀粉分支酶,使得豌豆粒不能合成淀粉而变得皱缩,说明基因是通过控制酶的合成间接控制生物性状的,B正确;由题干信息不能说明基因通过控制激素的合成来控制生物体的性状,C错误;“是否具有豌豆淀粉分支酶,导致豌豆产生圆粒和皱粒这对相对性状”,说明基因是通过控制酶的合成间接控制生物性状的,D错误。6.同一动物个体的神经细胞与肌细胞在功能上是不同的,造成这种差异的主要原因是 ()A.二者所处的细胞周期不同B.二者所含有的基因组不同C.二者核DNA的复制方式不同D.二者合成的特定蛋白不同【解析】选D。神经细胞和肌细胞都已经高度分化,都没有细胞周期,A错误;神经细胞和肌细胞是由同一个受精卵有丝分裂形成的,都含有相同的遗传物质,二者所含的基因组相同,B错误;二者核DNA的复制方式相同,都是半保留复制,但这两种细胞都已经高度分化,不再分裂,因此都不会发生核DNA的复制,C错误;神经细胞和肌细胞在功能上不同的原因是基因的选择性表达,即这两种细胞合成的特定蛋白不同,D正确。7.下列关于基因与性状之间的关系的叙述错误的是()A.基因与性状是一一对应的关系B.基因可通过控制蛋白质的结构来控制生物的性状C.基因可通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物的性状D.生物性状既受基因的控制,也受环境条件的影响【解析】选A。基因与性状之间不是简单的一一对应的关系,有可能多对基因控制一对相对性状,A错误;基因可通过控制蛋白质的结构来控制生物的性状,B正确;基因可通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物的性状,C正确;生物性状既受基因的控制,也受环境条件的影响,D正确。8.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。下列相关叙述不正确的是 ()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】选A。DNA甲基化是指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