苏教版 (2019)必修1《分子与细胞》第二节 细胞——生命活动的基本单位优秀第2课时学案

第2课时　中心法则、细胞分化及表观遗传

一、中心法则诠释了基因与性状的关系

1．克里克提出的中心法则

(1)内容：遗传信息可以从DNA流向DNA(DNA自我复制)，也可以从DNA流向RNA(转录)，进而流向蛋白质(翻译)。

(2)图示：。

2．积极思维：遗传信息流是单向的吗？

(1)事实：

①流行性感冒病毒等RNA病毒，在感染人体后，它们的RNA能够自我复制并以自身为模板指导蛋白质的合成。

②劳斯肉瘤病毒等RNA病毒，能以自身RNA为模板，反向合成一段DNA，再以这段DNA为模板，互补合成病毒RNA。

③朊病毒是一类不含核酸而仅由蛋白质构成的具有感染性的因子。朊病毒与正常蛋白质接触后能改变其折叠状态，将其变为朊病毒。朊病毒能引起羊瘙痒症、疯牛病。

(2)基于以上事实，完善后的中心法则图示：

。

3．基因与生物性状的关系

(1)基因控制性状的两种途径

①基因蛋白质的结构生物体的性状。

②基因酶的合成代谢过程生物体的性状。

(2)一个基因一般控制一个性状。但是，基因和性状之间的关系也不总是线性的，有时多个基因控制一个性状；有时一个基因影响多种性状。

二、细胞分化的本质是基因选择性表达

1．在不同的体细胞中，虽然基因组序列都一样，但基因的表达却是有选择性的。

例如：鸡的一些体细胞内基因和mRNA的有无分析(用“＋”表示有；“－”表示无)

2.基因选择性表达的机制非常复杂，涉及多种调控方式。

例如，不参与蛋白质编码的微RNA(简称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．细胞分化是多细胞生物个体发育的基础。

三、表观遗传及其作用机制

1．表观遗传(epigenetic inheritance)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。

2．作用机制

(1)基因组表观遗传修饰具有DNA甲基化和组蛋白修饰两种重要形式。

(2)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。

(3)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。

3．表观遗传现象实例

(1)柳穿鱼花型改变的表观遗传现象

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。

(2)蜂王与工蜂的异型分化的表观遗传现象

①营养条件：在一个蜂群中，所有刚孵化出来的幼虫都能取食蜂王浆。3天后，只有为数极少的幼虫能继续取食蜂王浆，发育为蜂王；绝大多数幼虫只能取食花粉和花蜜，发育为工蜂。

②作用机制：一些研究表明，Dnmt3蛋白是一种DNA甲基转移酶，它是Dnmt3基因的表达产物，能在没有被甲基化的DNA区域添加甲基基团。敲除Dnmt3基因后，蜜蜂幼虫发育为蜂王，这跟取食蜂王浆有相同的效果。这提示蜂王浆的作用之一应该与改变重要基因的甲基化特征有关。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．遗传信息流从DNA到RNA再到蛋白质是单向的。 (　　)

2．白化病是酪氨酸酶活性降低造成的。 (　　)

3．某些性状由多个基因共同决定，有的基因可能影响多个性状。(　　)

4．两个个体的身高相同，二者的基因型可能相同，也可能不同。(　　)

5．人体肌细胞与幼红细胞中基因、mRNA、蛋白质均不同。 (　　)

6．胰岛B细胞有胰岛素基因而无抗体基因，故可以产生胰岛素而不能产生抗体。              (　　)

7．ATP合成酶基因在不同细胞中选择性表达。 (　　)

8．同卵双胞胎具有的微小差异与表观遗传有关。 (　　)

[答案]　1．×　提示：有些RNA病毒侵染宿主细胞后，能以自身RNA为模板，反向合成一段DNA。

2．×　提示：白化病是病人体内不能合成酪氨酸酶造成的。

3．√　4.√

5．×　提示：基因相同，mRNA和蛋白质不完全相同。

6．×　提示：人体的每个细胞的基因相同，表达有差异。

7．×　提示：ATP合成酶基因在不同细胞中都表达。

8．√

　中心法则诠释了基因与生物性状的关系

1．中心法则的内容及应用

(1)细胞生物及噬菌体等DNA病毒的中心法则

(2)烟草花叶病毒等大部分RNA病毒的中心法则

(3)HIV等逆转录病毒的中心法则

(4)高度分化的细胞内中心法则的表达式

DNARNA蛋白质

(5)能分裂的细胞内中心法则的表达式

　(1)逆转录需要逆转录酶。

(2)逆转录和RNA复制只有在某些病毒复制时才能进行。

(3)哺乳动物成熟的红细胞中无遗传信息的传递。

2．中心法则体现了DNA的两大基本功能

(1)传递遗传信息：通过DNA复制完成的，发生于亲代产生子代的生殖过程或细胞增殖过程中。

(2)表观遗传信息：通过转录和翻译完成的，发生在个体发育过程中。

3．中心法则与基因表达的关系

4．体现生物性状的物质

(1)蛋白质是生命活动的主要承担者。部分结构蛋白直接参与生物体、细胞的结构组成，基因可通过控制结构蛋白的合成直接控制生物性状。

(2)体现生物性状的部分物质的化学本质不是蛋白质，如甲状腺激素、色素、淀粉等，该类性状往往是通过基因控制酶的合成来实现的，即基因酶的合成产生该非蛋白质类物质的代谢过程控制生物性状。

合作探究：下图为一组模拟实验，假设实验能正常进行且五支试管中都有产物生成，请分析此图解中A～E试管所模拟的过程分别是什么？

提示：A—DNA复制；B—转录；C—RNA复制；D—逆转录；E—翻译。

1．下图表示生物界的中心法则，有关叙述正确的是(　　)

A．健康的人体内可以发生图中所有过程

B．烟草花叶病毒侵入宿主细胞后发生①→②→③→④的过程

C．⑤过程需要逆转录酶的参与

D．该图揭示了遗传信息传递的一般规律

D　[分析题图可知，健康的人体内可以发生图中①DNA复制、②转录和③翻译过程，A项错误；烟草花叶病毒是RNA病毒，侵入宿主细胞后发生⑤RNA复制和⑥翻译过程，B项错误；④过程需要逆转录酶的参与，C项错误。]

　中心法则各生理过程快速确定的三大依据

2．(多选)人体内苯丙酮酸过多可引起苯丙酮尿症，如图表示人体内苯丙氨酸的代谢途径，据图分析正确的是(　　)

A．基因1不正常而缺乏酶1可能引起苯丙酮尿症

B．由苯丙氨酸合成黑色素需要多个基因控制

C．该图说明基因可通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状

D．基因2突变而缺乏酶2将导致人患白化病

ABD　[由题图可知，基因1不正常而缺乏酶1，则苯丙氨酸只能在细胞中代谢生成苯丙酮酸，导致苯丙酮尿症，A正确；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正确；题图体现了基因通过控制酶的合成来控制生物代谢过程，进而控制生物体的性状，C错误；基因2突变，导致酶2不能合成，从而不能形成黑色素，使人患白化病，D正确。]

　细胞分化与表观遗传

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)基因组表观遗传修饰具有DNA甲基化和组蛋白修饰两种重要形式。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。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。

(2)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。

合作探究：1．如图是人体三种细胞内的部分基因及它们的活动状态。

(1)在所有细胞中均表达的基因称为管家基因，在特定的细胞中表达的基因称为奢侈基因。a、b、c、d属于管家基因的是哪一个？属于奢侈基因的是哪些基因？

提示：(1)a；b、c、d。

(2)若用胰岛素基因作探针检测A、B、C三类细胞的DNA分子，则其杂交带状况如何？若将探针改作检测胰岛素基因的mRNA，其杂交带状况如何？

提示：A、B、C三类细胞中均含胰岛素基因，但该基因只有在A细胞中才能转录产生mRNA，故用胰岛素基因作探针，三类细胞均可形成杂交带，但改为检测胰岛素基因的mRNA，则只有A细胞能产生杂交带。

2．表观遗传改变的和没改变的分别是什么？

提示：改变的是基因表达和表型发生可遗传变化，没改变的是基因的碱基序列。

1．(多选)将某人的胰岛A细胞和胰岛B细胞中的总mRNA提取出来(A－mRNA、B－mRNA)，以此为模板，在体外分别获得相应的单链DNA(A－cDNA、B—cDNA)。下列叙述正确的是(　　)

A．A－mRNA与B－mRNA的不同与细胞分化有关

B．获得相应单链DNA的过程需要逆转录酶

C．A－cDNA中不含编码胰岛素的核酸序列

D．B－mRNA中指导呼吸酶合成的mRNA不能与A－cDNA 形成杂交链

ABC　[人体胰岛A细胞和胰岛B细胞具有相同的遗传信息，但遗传信息的执行情况不同，即发生了基因的选择性表达，故可以说A－mRNA与B－mRNA的不同与细胞分化有关，A正确；以RNA为模板合成DNA的过程称为逆转录，此过程需要逆转录酶的参与，B正确；胰岛A细胞也含有胰岛素基因，只是该基因不表达，即A－mRNA中不含指导胰岛素合成的mRNA，故A－cDNA中不含编码胰岛素的核酸序列，C正确；胰岛A细胞和胰岛B细胞中均含有呼吸酶，即A－mRNA和B－mRNA中均含有指导呼吸酶合成的mRNA，故B－mRNA中指导呼吸酶合成的mRNA可以与A－cDNA形成杂交链，D错误。]

2．脊椎动物的一些基因活性与其周围特定胞嘧啶的甲基化有关，甲基化使基因失活，相应的非甲基化能活化基因的表达，以下推测正确的是(　　)

A．肝细胞和胰岛B细胞的呼吸酶基因均处于甲基化状态

B．肝细胞和胰岛B细胞的胰岛素基因均处于非甲基化状态

C．肝细胞的呼吸酶基因和胰岛素基因均处于非甲基化状态

D．胰岛B细胞的呼吸酶基因和胰岛素基因均处于非甲基化状态

D　[分析题意可知，相应的非甲基化能活化基因的表达，肝细胞和胰岛B细胞中均存在呼吸酶，表明呼吸酶基因均处于非甲基化状态，肝细胞的胰岛素基因处于甲基化状态，胰岛B细胞的胰岛素基因处于非甲基化状态，A、B、C错误，D正确。]

[课堂小结]

1．结合下图分析，下列叙述错误的是(　　)

A．生物的遗传信息储存在DNA或RNA的核苷酸序列中

B．核苷酸序列不同的基因可表达出相同的蛋白质

C．遗传信息传递到蛋白质是表型实现的基础

D．编码蛋白质的基因含遗传信息相同的两条单链

D　[生物的遗传物质是DNA或RNA，即遗传信息储存在DNA或RNA的核苷酸序列中，A项正确；因为密码子的简并性，转录形成的mRNA碱基序列不同，最终翻译出的蛋白质可能相同，B项正确；蛋白质是生命活动的主要承担者，即生物的表型是通过蛋白质体现的，C项正确；遗传信息是由碱基序列决定的，DNA两条单链的碱基互补配对，所含遗传信息不同，D项错误。]

2．下列关于基因与性状的关系的叙述，错误的是    (　　)

A．基因与生物性状都是一一对应的关系

B．基因可通过控制蛋白质的结构直接控制性状

C．基因可通过控制酶的合成来控制代谢进而控制性状

D．生物性状既受基因的控制，也受环境条件的影响

A　[一个性状可以受到多个基因的影响，一个基因也可以影响多个性状。]

3．关于表观遗传的理解，下列说法正确的是   (　　)

A．DNA的甲基化与环境因素无关

B．DNA的甲基化影响基因的翻译过程

C．表观遗传现象不符合孟德尔遗传定律

D．DNA的甲基化导致基因的碱基序列改变

C　[环境因素会影响DNA的甲基化，A项错误；DNA的甲基化影响基因的转录过程，B项错误；表观遗传现象不符合孟德尔遗传定律，C项正确；DNA的甲基化不会导致基因的碱基序列改变，D项错误。]

4．下列有关细胞分化的分析，错误的是    (　　)

A．在个体发育过程中，有序的细胞分化能够增加细胞的类型

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．细胞分化使各种细胞的遗传物质有所差异，导致细胞的形态和功能各不相同

D．从蛋白质角度分析，细胞分化是蛋白质种类、数量改变的结果，这是细胞分化的直接原因

C　[细胞分化的过程中，细胞会在形态、结构等方面发生稳定性差异，故能够增加细胞的类型，A正确；细胞分化的过程中，细胞的功能会出现差异，细胞器的种类、数目均会发生改变，B正确；细胞分化的过程中，各种细胞的核遗传物质不发生改变，C错误；细胞分化的实质是基因的选择性表达，故蛋白质种类、数量的改变是细胞分化的直接原因，D正确。]

5．如图为一组模拟实验，假设实验能正常进行且5支试管中都有产物生成，回答下列问题：

(1)A、D试管中的产物是________，但A试管模拟的是________过程，D试管模拟的是________过程。

(2)B、C试管中的产物是__________，但B试管模拟的是________过程，C试管模拟的是________过程。

(3)假如B试管中加入的DNA含有306个碱基，那么产物最多含有________个碱基，有________个密码子。

(4)E过程称为______，在细胞中进行的场所是______，图中的原料为________，工具是______________，产物是________。

[解析]　(1)A试管中以加入的DNA为模板，脱氧核苷酸为原料，合成DNA，模拟的是DNA复制的过程；D试管中以加入的RNA为模板，脱氧核苷酸为原料，合成DNA，模拟的是逆转录过程。

(2)B试管中以加入的DNA为模板，核糖核苷酸为原料，合成RNA，模拟转录过程；C试管中以加入的RNA为模板，核糖核苷酸为原料，合成RNA，模拟的是RNA的复制过程。

(3)假如B试管中加入的DNA含有306个碱基，产物是RNA，为单链，最多含有153个碱基，相邻的3个碱基为一个密码子，共有51个密码子。

(4)E过程称为翻译，在细胞中的核糖体上进行，以氨基酸为原料，以tRNA为工具，合成多肽(蛋白质)。

[答案]　(1)DNA 　DNA复制　逆转录

(2)RNA　转录　RNA复制

(3)153　51　(4)翻译　核糖体　氨基酸　转运RNA　多肽(蛋白质)