資源簡介

第2課時　中心法則、細胞分化及表觀遺傳
課標內容要求 核心素養對接
1．概述細胞分化的本質是基因選擇性表達的結果，生物的性狀主要通過蛋白質實現。 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象。 1．生命觀念：根據結構和功能觀，理解細胞分化的實質和表觀遺傳現象。
2．科學思維：通過分類與比較，明確中心法則各生理過程的異同；構建基因控制性狀的模型，理解基因與性狀的關系。
3．社會責任：了解白化病等，關注人類健康。
一、中心法則詮釋了基因與性狀的關系
1．克里克提出的中心法則
(1)內容：遺傳信息可以從DNA流向DNA(DNA自我復制)，也可以從DNA流向RNA(轉錄)，進而流向蛋白質(翻譯)。
(2)圖示：。
2．積極思維：遺傳信息流是單向的嗎？
(1)事實：
①流行性感冒病毒等RNA病毒，在感染人體后，它們的RNA能夠自我復制并以自身為模板指導蛋白質的合成。
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，互補合成病毒RNA。
③朊病毒是一類不含核酸而僅由蛋白質構成的具有感染性的因子。朊病毒與正常蛋白質接觸后能改變其折疊狀態，將其變為朊病毒。朊病毒能引起羊瘙癢癥、瘋牛病。
(2)基于以上事實，完善后的中心法則圖示：
。
3．基因與生物性狀的關系
(1)基因控制性狀的兩種途徑
①基因蛋白質的結構生物體的性狀。
②基因酶的合成代謝過程生物體的性狀。
(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、細胞分化的本質是基因選擇性表達
1．在不同的體細胞中，雖然基因組序列都一樣，但基因的表達卻是有選擇性的。
例如：雞的一些體細胞內基因和mRNA的有無分析(用“＋”表示有；“－”表示無)
雞的輸卵管細胞 未成熟的紅細胞 胰島細胞
卵清蛋白 基因 ＋ ＋ ＋
mRNA ＋ － －
珠蛋白 基因 ＋ ＋ ＋
mRNA － ＋ －
胰島素 基因 ＋ ＋ ＋
mRNA － － ＋
2.基因選擇性表達的機制非常復雜，涉及多種調控方式。
例如，不參與蛋白質編碼的微RNA(簡稱miRNA)也能在轉錄后介導對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育階段起著調控作用。
3．細胞分化是多細胞生物個體發育的基礎。
三、表觀遺傳及其作用機制
1．表觀遺傳(epigenetic inheritance)是指生物體基因的堿基序列保持不變，而表型發生可遺傳變化的現象。
2．作用機制
(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甲基化主要發生在基因組DNA上某些區域的胞嘧啶上，它的第5位碳原子和甲基之間通過共價鍵結合，被修飾為5?甲基胞嘧啶。
(3)組蛋白修飾是指在生物體內不同酶的作用下，在核小體的組蛋白不同氨基酸中加上多種化學基團的現象。這種修飾能改變染色質狀態及其開放程度，進而調控基因的表達。
3．表觀遺傳現象實例
(1)柳穿魚花型改變的表觀遺傳現象
①對稱花型的柳穿魚，基因Lcyc甲基化水平低，基因正常表達。
②不對稱花型的柳穿魚，基因Lcyc發生了高度甲基化，引起基因表達水平下降，最終導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象
①營養條件：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，只有為數極少的幼蟲能繼續取食蜂王漿，發育為蜂王；絕大多數幼蟲只能取食花粉和花蜜，發育為工蜂。
②作用機制：一些研究表明，Dnmt3蛋白是一種DNA甲基轉移酶，它是Dnmt3基因的表達產物，能在沒有被甲基化的DNA區域添加甲基基團。敲除Dnmt3基因后，蜜蜂幼蟲發育為蜂王，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該與改變重要基因的甲基化特征有關。
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．人體肌細胞與幼紅細胞中基因、mRNA、蛋白質均不同。 (　　)
6．胰島B細胞有胰島素基因而無抗體基因，故可以產生胰島素而不能產生抗體。 (　　)
7．ATP合成酶基因在不同細胞中選擇性表達。 (　　)
8．同卵雙胞胎具有的微小差異與表觀遺傳有關。 (　　)
[答案]　1．×　提示：有些RNA病毒侵染宿主細胞后，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和蛋白質不完全相同。
6．×　提示：人體的每個細胞的基因相同，表達有差異。
7．×　提示：ATP合成酶基因在不同細胞中都表達。
8．√
　中心法則詮釋了基因與生物性狀的關系
1．中心法則的內容及應用
(1)細胞生物及噬菌體等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等逆轉錄病毒的中心法則
(4)高度分化的細胞內中心法則的表達式
DNARNA蛋白質
(5)能分裂的細胞內中心法則的表達式
　(1)逆轉錄需要逆轉錄酶。
(2)逆轉錄和RNA復制只有在某些病毒復制時才能進行。
(3)哺乳動物成熟的紅細胞中無遺傳信息的傳遞。
2．中心法則體現了DNA的兩大基本功能
(1)傳遞遺傳信息：通過DNA復制完成的，發生于親代產生子代的生殖過程或細胞增殖過程中。
(2)表觀遺傳信息：通過轉錄和翻譯完成的，發生在個體發育過程中。
3．中心法則與基因表達的關系
4．體現生物性狀的物質
(1)蛋白質是生命活動的主要承擔者。部分結構蛋白直接參與生物體、細胞的結構組成，基因可通過控制結構蛋白的合成直接控制生物性狀。
(2)體現生物性狀的部分物質的化學本質不是蛋白質，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現的，即基因酶的合成產生該非蛋白質類物質的代謝過程控制生物性狀。
合作探究：下圖為一組模擬實驗，假設實驗能正常進行且五支試管中都有產物生成，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復制；B—轉錄；C—RNA復制；D—逆轉錄；E—翻譯。
1．下圖表示生物界的中心法則，有關敘述正確的是(　　)
A．健康的人體內可以發生圖中所有過程
B．煙草花葉病毒侵入宿主細胞后發生①→②→③→④的過程
C．⑤過程需要逆轉錄酶的參與
D．該圖揭示了遺傳信息傳遞的一般規律
D　[分析題圖可知，健康的人體內可以發生圖中①DNA復制、②轉錄和③翻譯過程，A項錯誤；煙草花葉病毒是RNA病毒，侵入宿主細胞后發生⑤RNA復制和⑥翻譯過程，B項錯誤；④過程需要逆轉錄酶的參與，C項錯誤。]
　中心法則各生理過程快速確定的三大依據
2．(多選)人體內苯丙酮酸過多可引起苯丙酮尿癥，如圖表示人體內苯丙氨酸的代謝途徑，據圖分析正確的是(　　)
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的結構直接控制生物體的性狀
D．基因2突變而缺乏酶2將導致人患白化病
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胞中代謝生成苯丙酮酸，導致苯丙酮尿癥，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；題圖體現了基因通過控制酶的合成來控制生物代謝過程，進而控制生物體的性狀，C錯誤；基因2突變，導致酶2不能合成，從而不能形成黑色素，使人患白化病，D正確。]
　細胞分化與表觀遺傳
1．基因選擇性表達的結果
(1)細胞形態的改變：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：細胞器的種類和數量發生變化。
(3)細胞功能的特化：執行特定的功能，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)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甲基化主要發生在基因組DNA上某些區域的胞嘧啶上，它的第5位碳原子和甲基之間通過共價鍵結合，被修飾為5?甲基胞嘧啶。組蛋白修飾是指在生物體內不同酶的作用下，在核小體的組蛋白不同氨基酸中加上多種化學基團的現象。這種修飾能改變染色質狀態及其開放程度，進而調控基因的表達。
(2)基因并不決定一切，許多現象不能簡單地用基因型決定表型的遺傳學理論來解釋，而更可能是DNA序列信息、表觀遺傳信息和環境信息之間相互作用，共同調控著生物的各種生命活動。
合作探究：1．如圖是人體三種細胞內的部分基因及它們的活動狀態。
(1)在所有細胞中均表達的基因稱為管家基因，在特定的細胞中表達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三類細胞中均含胰島素基因，但該基因只有在A細胞中才能轉錄產生mRNA，故用胰島素基因作探針，三類細胞均可形成雜交帶，但改為檢測胰島素基因的mRNA，則只有A細胞能產生雜交帶。
2．表觀遺傳改變的和沒改變的分別是什么？
提示：改變的是基因表達和表型發生可遺傳變化，沒改變的是基因的堿基序列。
1．(多選)將某人的胰島A細胞和胰島B細胞中的總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的不同與細胞分化有關
B．獲得相應單鏈DNA的過程需要逆轉錄酶
C．A－cDNA中不含編碼胰島素的核酸序列
D．B－mRNA中指導呼吸酶合成的mRNA不能與A－cDNA 形成雜交鏈
ABC　[人體胰島A細胞和胰島B細胞具有相同的遺傳信息，但遺傳信息的執行情況不同，即發生了基因的選擇性表達，故可以說A－mRNA與B－mRNA的不同與細胞分化有關，A正確；以RNA為模板合成DNA的過程稱為逆轉錄，此過程需要逆轉錄酶的參與，B正確；胰島A細胞也含有胰島素基因，只是該基因不表達，即A－mRNA中不含指導胰島素合成的mRNA，故A－cDNA中不含編碼胰島素的核酸序列，C正確；胰島A細胞和胰島B細胞中均含有呼吸酶，即A－mRNA和B－mRNA中均含有指導呼吸酶合成的mRNA，故B－mRNA中指導呼吸酶合成的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，甲基化使基因失活，相應的非甲基化能活化基因的表達，以下推測正確的是(　　)
A．肝細胞和胰島B細胞的呼吸酶基因均處于甲基化狀態
B．肝細胞和胰島B細胞的胰島素基因均處于非甲基化狀態
C．肝細胞的呼吸酶基因和胰島素基因均處于非甲基化狀態
D．胰島B細胞的呼吸酶基因和胰島素基因均處于非甲基化狀態
D　[分析題意可知，相應的非甲基化能活化基因的表達，肝細胞和胰島B細胞中均存在呼吸酶，表明呼吸酶基因均處于非甲基化狀態，肝細胞的胰島素基因處于甲基化狀態，胰島B細胞的胰島素基因處于非甲基化狀態，A、B、C錯誤，D正確。]
[課堂小結]
知 識 網 絡 構 建 核 心 語 句 背 誦
1．基因能通過控制蛋白質的結構直接控制生物性狀。
2.基因還能通過控制酶的合成控制代謝過程，進而間接控制生物性狀。
3.細胞分化的本質是基因的選擇性表達，細胞分化是多細胞生物個體發育的基礎。
4.表觀遺傳是指生物體基因的堿基序列保持不變，而表型發生可遺傳變化的現象。
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，許多現象不能簡單地用基因型決定表觀的遺傳學理論來解釋，而更可能是DNA序列信息、表觀遺傳信息和環境信息之間相互作用，共同調控著生物的各種生命活動。
1．結合下圖分析，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出相同的蛋白質
C．遺傳信息傳遞到蛋白質是表型實現的基礎
D．編碼蛋白質的基因含遺傳信息相同的兩條單鏈
D　[生物的遺傳物質是DNA或RNA，即遺傳信息儲存在DNA或RNA的核苷酸序列中，A項正確；因為密碼子的簡并性，轉錄形成的mRNA堿基序列不同，最終翻譯出的蛋白質可能相同，B項正確；蛋白質是生命活動的主要承擔者，即生物的表型是通過蛋白質體現的，C項正確；遺傳信息是由堿基序列決定的，DNA兩條單鏈的堿基互補配對，所含遺傳信息不同，D項錯誤。]
2．下列關于基因與性狀的關系的敘述，錯誤的是 (　　)
A．基因與生物性狀都是一一對應的關系
B．基因可通過控制蛋白質的結構直接控制性狀
C．基因可通過控制酶的合成來控制代謝進而控制性狀
D．生物性狀既受基因的控制，也受環境條件的影響
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．關于表觀遺傳的理解，下列說法正確的是 (　　)
A．DNA的甲基化與環境因素無關
B．DNA的甲基化影響基因的翻譯過程
C．表觀遺傳現象不符合孟德爾遺傳定律
D．DNA的甲基化導致基因的堿基序列改變
C　[環境因素會影響DNA的甲基化，A項錯誤；DNA的甲基化影響基因的轉錄過程，B項錯誤；表觀遺傳現象不符合孟德爾遺傳定律，C項正確；DNA的甲基化不會導致基因的堿基序列改變，D項錯誤。]
4．下列有關細胞分化的分析，錯誤的是 (　　)
A．在個體發育過程中，有序的細胞分化能夠增加細胞的類型
B．從細胞器水平分析，細胞分化是細胞器的種類、數目改變的結果
C．細胞分化使各種細胞的遺傳物質有所差異，導致細胞的形態和功能各不相同
D．從蛋白質角度分析，細胞分化是蛋白質種類、數量改變的結果，這是細胞分化的直接原因
C　[細胞分化的過程中，細胞會在形態、結構等方面發生穩定性差異，故能夠增加細胞的類型，A正確；細胞分化的過程中，細胞的功能會出現差異，細胞器的種類、數目均會發生改變，B正確；細胞分化的過程中，各種細胞的核遺傳物質不發生改變，C錯誤；細胞分化的實質是基因的選擇性表達，故蛋白質種類、數量的改變是細胞分化的直接原因，D正確。]
5．如圖為一組模擬實驗，假設實驗能正常進行且5支試管中都有產物生成，回答下列問題：
(1)A、D試管中的產物是________，但A試管模擬的是________過程，D試管模擬的是________過程。
(2)B、C試管中的產物是__________，但B試管模擬的是________過程，C試管模擬的是________過程。
(3)假如B試管中加入的DNA含有306個堿基，那么產物最多含有________個堿基，有________個密碼子。
(4)E過程稱為______，在細胞中進行的場所是______，圖中的原料為________，工具是______________，產物是________。
[解析]　(1)A試管中以加入的DNA為模板，脫氧核苷酸為原料，合成DNA，模擬的是DNA復制的過程；D試管中以加入的RNA為模板，脫氧核苷酸為原料，合成DNA，模擬的是逆轉錄過程。
(2)B試管中以加入的DNA為模板，核糖核苷酸為原料，合成RNA，模擬轉錄過程；C試管中以加入的RNA為模板，核糖核苷酸為原料，合成RNA，模擬的是RNA的復制過程。
(3)假如B試管中加入的DNA含有306個堿基，產物是RNA，為單鏈，最多含有153個堿基，相鄰的3個堿基為一個密碼子，共有51個密碼子。
(4)E過程稱為翻譯，在細胞中的核糖體上進行，以氨基酸為原料，以tRNA為工具，合成多肽(蛋白質)。
[答案]　(1)DNA 　DNA復制　逆轉錄
(2)RNA　轉錄　RNA復制
(3)153　51　(4)翻譯　核糖體　氨基酸　轉運RNA　多肽(蛋白質)

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