高三复习学程基因的本质与表达

高三生物大单元整体学习学程第六单元基因的本质与表达班级：__________小组：__________姓名：__________基因的本质和表达——探讨遗传信息的传递和表达一、单元概述生物的性状是由遗传信息控制的，遗传信息主要编码在DNA分子上。本单元主要内容包括DNA是主要遗传物质的探索、DNA的结构及复制、基因的本质、基因的表达、基因表达与生物性状的关系等，是基因的本质和功能的探索，是遗传的分子学基础。通过本单元的学习能够阐明遗传信息流动的一般规律，认同生命是物质、能量和信息的统一体，通过基因表达产物及环境对生物性状的影响实例，说明基因与性状之间关系的复杂性。基于科学家对基因本质和功能的探索历程，认同科学探究需要严谨的推理过程和求真的科学精神，是不断深化的过程。研究遗传物质结构及表达过程的干预对指导生产实践有重要意义。二、单元要素（一）单元内容标准概念3遗传信息控制生物性状，并代代相传3.1亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA分子上。3.1.1概述多数生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上3.1.2概述DNA分子时由四种脱氧核苷酸构成，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码了遗传信息。3.1.3概述DNA分子通过半保留方式进行复制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，细胞分化的本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。（二）基因的本质与表达是遗传的分子基础，作为科研热门，是历年高考的高频考点，一般以单选、不定项形式考查，命题常与生物学前沿内容相联系，以“真核生物的遗传信息及其传递”为情境,综合考查基因结构、复制、中心法则、碱基互补配对的知识,具有基础性、综合性。在近年的高考中与同位素标记法有关的内容、DNA复制的特点如半保留复制、双向复制机制的深化延伸等，常作为热点素材进行考查，都能较好地体现对科学探究、科学思维、社会责任素养的要求。试卷分值题型核心知识核心素养2020山东T163不定项基因表达科学思维：分析曲线图，创造性解决基因表达水平提高在生产中应用2020山东T2512简答题基因结构、基因表达科学思维、科学探究：分析柱状图以基因工程为背景考查基因结构中启动子、编码序列和非编码序列在基因表达中作用2021山东T42单选DNA的分布、结构、水解产物、DNA复制科学思维：通过理解获取信息、建构DNA结构复制模型2021山东T52单选DNA的复制科学思维：通过理解获取信息、建构DNA复制模型，分析DNA的半保留复制及相关计算2023山东T12单选基因表达生命观念、科学思维：归纳与概括真、原核细胞核糖体形成、密码子概念、转录发生时期，体现结构与功能观2023山东T52单选DNA的复制特点科学思维、科学探究：获取信息，通过实验探究建构模型，理解DNA的半保留复制和双向复制（三）单元学习目标1.围绕遗传物质的发现、基因的本质与表达、基因与生物性状的关系等构建本单元思维导图，构建出基因、蛋白质、生物性状之间的关系。2.结合新情境对DNA的结构、复制和基因表达的调控进行思维建模，比较原核细胞和真核细胞的基因结构及基因表达机制，设计实验探究病毒的遗传物质，总结实验设计的一般思路及原则。3.运用结构功能相适应原理，阐明遗传物质在生物遗传、变异和进化中的重要作用，阐明生命是物质、能量和信息的统一体。（四）单元学习计划学习阶段主要学习任务学时安排整体建构研读教材，构建基因的本质与表达的思维导图；对比DNA复制、转录和翻译的过程，总结不同生物的遗传信息传递过程；举例说明基因、蛋白质、性状之间的关系，解释表观遗传现象。4学时探究迁移结合新情境对DNA的结构、复制和基因表达的调控进行思维建模，区分原核细胞和真核细胞的基因结构及基因表达机制，设计实验探究病毒的遗传物质，总结实验设计的一般思路及原则；2学时拓展过关运用结构功能相适应原理，概述遗传物质在生物遗传、变异和进化中的重要作用，阐明生命是物质、能量和信息的统一体。2学时（五）单元学习资源学习阶段资源类别(课件微课素材资源包(视频音频图片习题教案)资源分层(ABCT)整体建构学习活动1：《基因的本质和表达》思维导图学习活动2：噬菌体侵染细菌的实验视频学习活动3：DNA复制过程视频、DNA复制过程拓展资源、DNA复制方式拓展资源学习活动4：基因的表达视频学习活动5：DNA甲基化拓展资源、组蛋白修饰拓展资源、RNA介导的基因沉默拓展资源、遗传印记拓展资源TTABTAB探究迁移学习活动6：真核与原核生物DNA的复制拓展资源学习活动7：真核与原核生物的基因结构及表达调控资源学习活动8：探究遗传物质的方法、病毒的重建实验TABT拓展过关1.乙肝拓展资源、HIV拓展资源2.《基因的本质和表达》单元过关TT（六）单元学习目标追求三、单元学习内容（一）整体建构基因的本质与表达——探究遗传信息的传递过程病毒病毒是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的非细胞形态，通过感染机制，这些简单的有机体可以利用宿主的细胞系统进行自我复制，但无法独立生长和复制。病毒可以感染几乎所有具有细胞结构的生命体。第一个已知的病毒是烟草花叶病毒，迄今已有超过5000种类型的病毒得到鉴定。HIV、乙肝病毒等也是令人们感到不安的罪魁祸首，因此，它们的遗传物质及致病机理的研究是头等大事。病毒等生物的遗传物质是什么？亲代的遗传信息是如何给子代的？【学习目标】1.围绕遗传物质的发现、基因的本质与表达、基因与生物性状的关系等构建本单元思维导图，概述遗传物质的发现历程。2.构建DNA复制、转录和翻译过程模型并归纳区别，总结不同生物的遗传信息传递过程。3.举例说明基因、蛋白质、性状之间的关系，解释表观遗传现象，阐明基因和生物性状之间关系的复杂性。【学习活动】学习活动1：构建基因的本质与表达思维导图围绕遗传物质的发现、基因的本质与表达、基因与生物性状的关系构建本单元思维导图。学习活动2：探究遗传物质的发现历程科学探究是一个不断深化的过程，科学结论的获得离不开严谨的推理和确凿的实验证据，新冠病毒的遗传物质是RNA，而自然界中大多数生物的遗传物质是DNA。从实验思路、处理方法和结论等方面对比分析肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染细菌的实验。【总结】如何用同位素标记法标记病毒？总结保温时间过长、过短，搅拌不充分对试管中放射性分布的影响。学习活动3：构建DNA的结构及复制人的遗传信息主要分布于染色体的DNA中，两个随机个体几乎不可能具有相同的DNA序列，因此DNA可像指纹一样来识别身份。1.为什么两个随机个体几乎不可能具有相同的DNA序列，说明DNA有什么特点？请构建DNA双螺旋结构模型，并阐明其结构特点。2.结合肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验及DNA的结构等方面，分析DNA作为遗传物质所具备的特点。3.遗传信息从亲代细胞能相对稳定的传递给下一代细胞，与DNA独特的复制方式是分不开的，科学家曾提出DNA复制方式的三种假说：全保留复制、半保留复制和分散复制(图1)。对此假说，科学家以大肠杆菌为实验材料，进行了如下实验(图2)：（1）该实验将会用到的实验技术手段有？（2）第一代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带，能说明DNA复制方式一定是半保留复制吗？请阐明理由。能说明复制方式一定是半保留复制的现象是？4.被15N标记的某DNA分子片段含100个碱基对，40个胞嘧啶，放在含有14N的培养基中连续复制n次，请构建模型分析：子代DNA分子共个含15N的DNA分子个含14N的DNA分子个只含14N的DNA分子个连续复制n次过程中需要消耗的腺嘌呤个【总结】总结DNA结构及复制的相关计算的解题方法学习活动4：构建基因的表达过程基因表达是指基因通过mRNA指导蛋白质合成的过程，而蛋白质是生物性状的承担者，真核生物和原核生物的细胞结构不同决定了它们的基因表达机制存在一定区别。右图表示三个核糖体相继结合到一个mRNA分子上，并沿着mRNA移动合成肽链的过程。1.图中所示的是基因表达的哪个过程？该过程有几种RNA参与？它们分别起什么作用？2.请在图中标注核糖体的移动方向，翻译形成的1、2、3条肽链是否相同，这种翻译机制对生物有什么意义？3.下图为原核细胞的结构及基因表达过程，分析原核生物和真核细胞基因表达有什么区别？4.如图为甲、乙、丙三种类型的病毒的遗传信息的传递方式甲乙丙HIV、烟草花叶病毒、噬菌体分别属于上述哪种病毒？用文字加箭头的形式分别表示三种病毒的遗传信息流向（标注各阶段名称）。【总结】从所需的模板、原料、酶、产物、特点等方面比较DNA的复制、转录、翻译、RNA复制、逆转录过程。学习活动5：探究表观遗传对生物性状的影响基因什么时候表达、以及表达水平的高低受多种因素的调控，下图表示三种调控基因表达的途径，且这三种调控途径都直接影响生物的性状，并可遗传给下一代。1.图中属于表观遗传机制的途径有哪些？说出你的判断理由。2.途径1和途径2分别是通过干扰调控基因表达的哪个过程实现的？两途径的影响有什么本质区别？3.依据途径3推测，在神经细胞中，控制呼吸酶合成的基因与组蛋白的紧密程度（填高或低）于肌蛋白基因，判断理由是？【总结】基因与生物性状之间不是简单的一一对应的关系，举例说明基因控制生物性状的方式，并构建基因、蛋白质、性状之间的关系（二）探究迁移基因的本质与表达——研究遗传信息传递的价值探究治疗病毒感染的药物研发洛匹那韦/利托那韦是原本用于艾滋病治疗的药物，但研究表明也可用于治疗新冠病毒引起的肺炎。洛匹那韦/利托那韦与HIV蛋白酶的活性中心结合进而抑制其活性。冠状病毒切割多聚蛋白的主要蛋白酶是3CLPro，研究者通过分子动力学模拟的方法发现洛匹那韦/利托那韦能与SARS病毒的3CLPro活性中心结合。而SARS病毒和新型冠状病毒的3CLPro蛋白氨基酸序列一致性达96%。此前洛匹那韦/利托那韦在SARS治疗中也表现出一定的有效性。【学习目标】1.说出原核生物和真核生物的基因结构，比较两类生物在遗传信息复制和表达的异同。2.设计实验探究病毒的遗传物质，总结实验设计的一般思路及原则，归纳同位素标记法在高中生物学实验中应用。3.分析不同生物的遗传信息传递过程，通过调整基因表达改善作物品质。【学习活动】学习活动6：探究DNA的高效复制机制资料1.将一个双链DNA分子的一端固定于载玻片上，置于含有荧光标记的脱氧核苷酸的体系中进行复制如图1。甲、乙和丙分别为复制过程中3个时间点的图像，①和②表示新合成的单链，①的5'端指向解旋方向，丙为复制结束时的图像。该DNA复制过程中可观察到单链延伸暂停现象，但延伸进行时2条链延伸速率相等。已知复制过程中严格遵守碱基互补配对原则。资料2.DNA复制时，由于DNA聚合酶合成方向是从5′­端到3′­端，而DNA的两条链是反向平行的，故在复制叉附近解开的DNA链，一条是从5′­端到3′­端，另一条是从3′­端到5′­端，因此呈现出双向复制的特点。那么如何解释DNA的两条链是同时进行复制的呢？有科学家发现在DNA复制中，后随链的合成是由DNA聚合酶合成的不连续、相对较短的DNA片段通过DNA连接酶连接而成的长链。此不连续、相对较短的DNA片段被称为冈崎片段，如图2。资料3.由于真核生物的DNA分子较大，可以在多个复制起点先后开始双向复制，而原核生物通常是单个复制起点。1.根据资料1分析，甲时①中A、T之和与②中A、T之和可能相等吗？丙时①中A、T之和与②中A、T之和一定相等吗？请说明理由。2.根据以上资料，分析资料1中②延伸方向为，其模板链端指向解旋方向，据题分析，①和②延伸时（填①、②、①和②）存在暂停现象，试分析原因。3.通常DNA分子复制从一个复制起始点开始，有单向复制和双向复制，如图所示：放射性越高的3H胸腺嘧啶脱氧核糖核苷(3H脱氧胸苷)，在放射自显影技术的图像上，感光还原的银颗粒密度越高。请利用放射性自显影技术、低放射性3H脱氧胸苷和高放射性3H脱氧胸苷，设计实验以确定大肠杆菌DNA复制的方向，简要写出：(1)实验思路；(2)预测实验结果和结论。【总结】保障真核生物的高效复制的机制主要有哪些？学习活动7：真核生物、原核生物基因的结构及表达机制调控资料1.真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A(有内含子）可以表达出某种特定蛋白A。资料2.水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉，直链淀粉所占比例越小糯性越强。科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA序列转入水稻，实现了对直链淀粉合成酶基因（Wx基因）启动子序列的定点编辑，从而获得了3个突变品系。1.某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A，其原因是？2.根据启动子的作用推测，Wx基因启动子序列的改变影响了，从而改变了Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比，3个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列(填：发生或不发生)改变，请分析原因。【总结】结合下图总结真核生物和原核生物在基因结构及基因表达机制的区别。学习活动8：设计实验探究病毒的遗传物质根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型，有些病毒对人类健康会造成很大危害，通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出（1）实验思路（2）预期实验结果及结论即可。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）【总结】总结实验设计的一般思路，并归纳同位素标记法在高中生物实验中的应用。（三）拓展过关基因的本质与表达——重构基因的本质和功能基因检测