浙科版 (2019)必修2《遗传与进化》第五节 生物体存在表观遗传现象第2课时导学案

第2课时　基因控制生物性状和中心法则、生物体存在表观遗传现象

一、基因控制生物性状

1．基因控制生物性状表现

一方面，多对基因共同控制生物的某个性状，基因之间存在复杂的相互作用；另一方面，基因的表达受到环境的影响，所以生物的性状(或表型)是基因(或基因型)与环境共同作用的结果。

2．基因发生作用的途径

(1)基因对性状的控制可能是通过酶的作用来实现的。

例如，控制合成精氨酸的基因发生了突变，这一品系的红色面包霉无法合成精氨酸，便不能正常生长；在培养基中加入精氨酸，则这种红色面包霉便能够生长。这个实验证明了生物合成过程中酶的合成受基因的支配。

在人类中有一种尿黑症，患者的基因型为双隐性aa，这是由相对应的显性基因A结构发生变化所致。在成对的基因中，只要有一个显性基因A存在，就能够产生足够的尿黑酸氧化酶，促使尿黑酸氧化分解，因而表现正常。这种酶就是基因的直接产物。

(2)由基因控制合成的蛋白质还可以决定生物体特定的组织或器官的结构，进而影响其功能。例如，人的正常红细胞呈圆饼状，当血红蛋白基因的结构发生改变时，红细胞变为镰刀形，影响运输氧的功能，出现贫血症状。又如，在果蝇的眼睛发育中有一个无眼基因，这个基因一旦改变，就会使幼虫的有关眼细胞不能发育成眼球组织，造成果蝇成虫没有眼睛。

(3)上述实验是由单个基因控制性状，而多数情况下是由多个基因共同决定生物体的某种性状。例如，人的肥胖是由多个基因决定的，其中各个基因分别控制食欲和体重调节等因素，对体重都能够发挥一定的作用，并且饮食习惯和运动习惯等对体重也有重要的影响。

(4)细胞内有多种功能性RNA分子也参与性状表现。这些功能性RNA基因的表达产物就是具有特定功能的RNA分子，它们是不被翻译的。例如tRNA、rRNA，它们直接参与蛋白质的合成。另外，细胞内还有一些RNA具有催化功能，称为核酶；还有一些RNA具有调控基因表达的功能等。

二、遗传信息流从DNA→RNA→蛋白质

1．“中心法则”的要点

(1)遗传信息通过复制从DNA传递到DNA，由DNA通过转录传递到RNA，然后由RNA通过翻译合成蛋白质，决定蛋白质的特异性。

(2)有些RNA病毒(如劳氏肉瘤病毒)能以RNA为模板反向地合成单链DNA，因为它们具有能够催化此反应过程的逆转录酶，再以这条单链DNA为模板形成双链DNA。有些RNA病毒还能够自我复制，由此发现了相关的RNA复制酶。

2．“中心法则”的表达图示

三、生物体存在表观遗传现象

1．基因序列不变，表型可能改变

(1)表观遗传现象的概念

研究结果表明，即使亲代传递给后代的DNA序列没有改变，亲代在生活中由于生活环境或生活习惯的改变而引起的身体状况变化，也会通过某种途径遗传给下一代，即父母的生活经历可以通过DNA序列以外的方式遗传给后代。生物学家将这种遗传现象称为表观遗传现象。

(2)表观遗传学与遗传学的区别

遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平的变化，如基因突变等；表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平的变化，即环境变化引起的性状改变，影响基因表达，但不改变DNA序列。

2．改变了的表型有些可以遗传

(1)可以遗传的机制

①在真核生物的细胞中，DNA分子与一些蛋白质结合在一起，带负电的DNA分子缠绕在带正电的蛋白质分子上，使原来细长的DNA分子盘绕成紧密的结构。这样，基因及其“开关”就被隐藏起来了。

在细胞里，基因转录的一个重要步骤是组蛋白的乙酰化，就是用乙酰基把氨基上的正电荷屏蔽起来，好像给组蛋白中的一些带正电的基团(—NH2)戴上一顶帽子。组蛋白的正电荷一旦减少，与带负电的DNA分子片段(某基因)缠绕的力量就会减弱，随之松开，里面的信息就可以被读取，即进行转录。

②真核细胞基因具有的启动子——相当于转录的开关——也可以被修饰。如果给启动子中的胞嘧啶加上甲基基团(—CH3)，会使染色质高度螺旋化，凝缩成团，这个基因就无法被识别，失去转录活性，因而不能完成转录。这个过程称为DNA的甲基化，相当于给DNA戴上隐身帽子，使基因内存储的信息无法被读取。

可见，DNA内存储的信息能否被读取，还与DNA甲基化的状况和组蛋白乙酰化的程度有关。人们的生活经验，无论是精神上还是身体上的，都能改变组蛋白乙酰化和DNA甲基化的程度，从而对人们的精神生活和身体状况产生影响。这些不通过DNA序列改变而影响身体的性状有时能遗传给后代，这样的变化称为表观遗传修饰，即发生在DNA序列外的变化。

(2)表观遗传的特点

表观遗传修饰对身体的影响很大。即使遗传信息完全一样的两个个体，由于表达修饰上的差异，也会表现出完全不同的性状。

(3)表观遗传的意义

表观遗传机制可以使生物打破DNA变化缓慢的限制，使后代能迅速获得亲代应对环境因素做出的反应而发生的变化，这对生物种群的生存和繁衍也许是有利的。但是，通过表观遗传传递下去的性状并不总是有利的，如亲代经历的不良环境和生活习惯对后代的健康会产生不利的影响。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．生物体内所有的生物化学反应都必须在酶的催化下才得以顺利进行。

  (　　)

提示：×

2．生物体的很多性状明显地是由多个基因共同决定的。 (　　)

提示：×　生物体的很多性状明显地是由单个基因共同决定的。

3．遗传信息只能从DNA流向RNA，进而流向蛋白质。 (　　)

提示：×　有些RNA病毒能以RNA为模板反向地合成单链DNA，有些RNA病毒还能够自我复制。

4．环境和生活习惯的改变，不能引起生物体性状的改变。 (　　)

提示：×　环境和生活习惯的改变，能够引起生物体性状的改变。

　基因控制生物性状

(1)生物体的性状受DNA或RNA的控制，但主要通过蛋白质来体现。

(2)基因对性状的间接控制和直接控制都是通过蛋白质来起作用的，与前者相关的蛋白质一般是酶，与后者相关的蛋白质是生物体的结构物质。

(3)体现某性状的物质并不一定是蛋白质，如黑色素、淀粉等，此类性状往往是通过基因控制性状的间接途径实现的，即基因酶的合成性状。

合作探究：如图表示基因与性状之间的关系示意图，据图回答相关问题：

(1)过程①、②合称为什么过程？

提示：基因表达。

(2)该图表示了基因与性状之间的什么关系？

提示：基因控制生物的性状有间接控制和直接控制两种方式。

(3)密码子和反密码子位于图中的什么位置？

提示：密码子位于mRNA上，反密码子位于tRNA上。

1．牵牛花的颜色主要是由花青素决定的，如图为花青素的合成与颜色变化途径示意图：

从图中不能得出的结论是(　　)

A．花的颜色由多对基因共同控制　

B．基因可以通过控制酶的合成来控制代谢

C．牵牛花颜色的表现受到相关酶的控制

D．若基因①不表达，则基因②③也不表达

D　[由图可知，花青素的合成是由多对基因共同控制的，A正确；基因①②③分别通过控制酶1、2、3的合成来控制花青素的合成，B、C正确；基因具有独立性，基因①不表达，基因②和基因③仍然能够表达，D错误。]

2．酶A、B、C是大肠杆菌的三种酶，每种酶只能催化下列反应链中的一个步骤，其中任意一种酶的缺失均能导致该菌因缺少化合物丁而不能在基本培养基上生长。

化合物甲化合物乙化合物丙化合物丁

现有三种营养缺陷型突变体，在添加不同化合物的基本培养基上的生长情况如下表：

由上表可知，酶A、B、C在该反应链中的作用顺序依次是(　　)

A．酶A、酶B、酶C

B．酶C、酶A、酶B

C．酶B、酶C、酶A

D．酶C、酶B、酶A

D　[突变体a缺乏酶A，在基本培养基上添加化合物乙和丙均不能生长，说明酶A催化丙转化为丁的过程；突变体b缺乏酶B，在基本培养基上添加化合物乙不能生长，添加丙能生长，说明酶B催化乙转化为丙的过程；突变体c缺乏酶C，在基本培养基上添加化合物乙和丙均能生长，说明酶C催化甲转化为乙的过程。酶A、B、C在该反应链中的作用顺序依次是酶C、酶B、酶A，D正确。]

　中心法则

1．不同生物遗传信息流动的过程

(1)真核生物、原核生物和DNA病毒(如T2噬菌体)的遗传信息流动过程：

(2)逆转录病毒(如HIV、劳氏肉瘤病毒)在宿主细胞内的遗传信息流动过程：

(3)大部分RNA病毒(如烟草花叶病毒、流感病毒)在宿主细胞内的遗传信息流动过程：

2．中心法则与基因表达关系

合作探究：1.利用图示判断中心法则遗传信息传递的过程：

图示中1、8为转录过程；2、5、9为翻译过程；3、10为DNA复制过程；4、6为RNA复制过程；7为逆转录过程。

2．油菜植物体内的中间代谢产物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)运向种子后有两条转变途径，如图甲所示，其中酶a和酶b分别由基因A和基因B控制合成。

甲　　　　　　　　乙

(1)据图甲分析，写出提高油菜产油量的基本思路。

提示：抑制酶b合成(活性)，促进酶a合成(活性)。

(2)图乙表示基因B，α链是转录链，经诱导β链也能转录，从而形成双链mRNA，转录出的双链mRNA与图乙基因在化学组成上的区别是什么？

提示：mRNA中不含T含U，五碳糖为核糖。

(3)为什么基因B经诱导后转录出mRNA就能提高产油量？

提示：双链mRNA不能翻译(不能与核糖体结合)形成酶b，而细胞能正常合成酶a，故生成的油脂比例高。

1．如图表示中心法则，下列有关叙述正确的是(　　)

A．过程①～⑦都会在人体的遗传信息传递时发生

B．人体细胞内的过程③主要发生在细胞核中，产物都是mRNA

C．过程③存在A—U、C—G、T—A三种碱基配对方式

D．过程⑤有半保留复制的特点，过程⑥发生在核糖体上

C　[过程①为DNA的复制，②⑦为逆转录，③为转录，④⑤均为RNA的复制，⑥为翻译。都会在人体的遗传信息传递时发生的为①③⑥，A错误；人体细胞内的过程③转录主要发生在细胞核中，产物是mRNA、rRNA、tRNA，B错误；过程③为转录，即DNA转录为RNA，存在A—U、C—G、T—A三种碱基配对方式，C正确；由于RNA一般为单链，过程⑤RNA的复制没有半保留复制的特点，DNA的复制有半保留复制的特点，过程⑥翻译发生在核糖体上，D错误。]

2．某病毒的遗传物质是单链RNA(－RNA)，宿主细胞内病毒的增殖过程如图，－RNA和＋RNA的碱基序列是互补的。下列叙述正确的是(　　)

A．－RNA和＋RNA均可与核糖体结合作为翻译的模板

B．据图推测，只有－RNA上有RNA聚合酶的结合位点

C．过程①所需的嘌呤数和过程③所需的嘧啶数相同

D．过程②需要的tRNA来自病毒，原料及场所都由宿主细胞提供

C　[由图示可得，只有＋RNA可与核糖体结合作为翻译的模板，A错误；图中既能以－RNA为模板合成＋RNA，也能以＋RNA为模板合成－RNA，说明－RNA和＋RNA均有RNA聚合酶的结合位点，B错误；由于－RNA和＋RNA的碱基是互补配对的，所以过程①所需嘌呤数量与过程③所需嘧啶数量相同，C正确；②为翻译过程，该过程需要的tRNA、原料及场所都由宿主细胞提供，D错误。]

　生物体存在表观遗传现象

1．DNA的甲基化

基因中的碱基序列没有变化，但部分碱基发生了甲基化修饰，抑制了基因的表达，进而影响表型。

2．构成染色体的组蛋白的乙酰化修饰

真核生物细胞核中的DNA分子与一些蛋白质结合在一起，带负电荷的DNA分子缠绕在带正电荷的蛋白质(如组蛋白)分子上，使原来细长的DNA分子盘绕成紧密的结构。乙酰化修饰就是用乙酰基把组蛋白的正电荷屏蔽掉。组蛋白的正电荷一旦减少，其与DNA的结合就会减弱，这部分的DNA就会“松开”，激活相关基因的转录。

3．RNA干扰

RNA干扰是正常生物体内抑制特定基因表达的一种现象。当细胞中导入或内源产生与某个特定mRNA同源的双链RNA时，该mRNA发生降解或者翻译阻滞，导致基因表达沉默。这种现象发生在转录后水平，又称为转录后基因沉默，是表观遗传的重要机制之一。

合作探究：下表为柳穿鱼花的形态结构的遗传，据图回答相关问题：

请对上述实验结果作出分析。

提示：DNA的甲基化将会抑制该基因的表达，从而影响生物的性状；DNA的甲基化是可以遗传给下一代的。

1．许多基因的启动子(转录起始位点)内富含CG重复序列，若其中的部分胞嘧啶(C)被甲基化成为5－甲基胞嘧啶，就会抑制基因的转录。下列与之相关的叙述中，正确的是(　　)

A．在一条单链上相邻的C和G之间通过氢键连接

B．胞嘧啶甲基化导致表达的蛋白质结构改变

C．胞嘧啶甲基化会阻碍RNA聚合酶与启动子结合

D．基因的表达水平与基因的甲基化程度无关

C　[在一条脱氧核苷酸单链上相邻的C和G之间不是通过氢键连接，而是通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接，A错误；胞嘧啶甲基化导致的是表达过程中基因转录被抑制，对已经表达的蛋白质结构没有影响，B错误；根据题意胞嘧啶甲基化会抑制基因的转录可推知，抑制的实质就是阻碍RNA聚合酶与启动子结合，C正确；由于基因的表达水平与基因的转录有关，所以与基因的甲基化程度有关，D错误。]

2．真核生物细胞内存在着种类繁多、长度为21～23个核苷酸的小分子RNA(简称miRNA)，它们能与相关基因转录形成的mRNA互补，形成局部双链。这些miRNA抑制基因表达的机制是(　　)

A．阻断rRNA装配成核糖体

B．妨碍双链DNA分子的解旋

C．干扰核糖体与mRNA结合

D．影响RNA分子的远距离转运

C　[根据题意可知，miRNA与rRNA装配成核糖体无关，A错误；miRNA并没有与双链DNA分子互补，故不会妨碍双链DNA分子的解旋，B错误； miRNA是与相关基因转录形成的mRNA互补，则mRNA就无法与核糖体结合，C正确；miRNA只是阻止了mRNA发挥作用，不会影响RNA分子的远距离转运，D错误。]

[课堂小结]

1．下列关于基因、蛋白质和性状三者间关系的叙述，错误的是(　　)

A．基因与性状之间并不都是一一对应的关系

B．基因可以直接体现生物体的性状

C．蛋白质的功能可以影响生物体的性状

D．生物体的性状受基因和环境的共同影响

B　[基因与性状之间并不是简单的一一对应的关系，A正确；基因通过控制蛋白质的合成来控制生物体的性状，基因不能直接体现生物体的性状，B错误；蛋白质是生命活动的主要承担者，因此蛋白质的功能可以影响生物体的性状，C正确；生物体的性状受基因和环境的共同影响，D正确。]

2．如图表示某细菌细胞中部分氨基酸的代谢过程。V至Z代表不同的酶，①至⑥代表不同的氨基酸。每一种氨基酸对该细菌都是必需的。野生型的细菌只需要从环境中摄取氨基酸①便可存活，而此细菌的某变异种只有在培养基中同时提供①③④氨基酸才能生存，该变异种细菌细胞内不存在的酶是(　　)

A．X、W　 B．V、W

C．X、Y     D．V、Z

A　[由题意可知“细菌的变种只有在培养基中提供氨基酸①③④才能生存”，说明该变种细菌无合成氨基酸①③④的酶，必须直接提供氨基酸①③④；培养基中需提供氨基酸③④说明培养基中不存在将氨基酸②转化成氨基酸③④的酶X和W，而氨基酸①是培养该细菌必须要提供的，根据分析可知该突变菌细胞内不存在的酶是X和W，即A正确。]

3．下列哪项不属于表观遗传的特点(　　)

A．对表型的影响可遗传给后代

B．DNA分子碱基可能连接多个甲基基团

C．甲基化导致DNA碱基序列发生改变

D．可由组蛋白的某些修饰导致

C　[表观遗传对表型的影响，可以遗传给后代，使后代出现同样的表型，A不符合题意；一段碱基序列中可能存在多个可发生DNA甲基化修饰的位点，所以DNA分子碱基可能连接多个甲基基团，B不符合题意；甲基化不会导致DNA碱基序列发生改变，但会抑制基因表达，进而对表型产生影响，C符合题意；除了DNA甲基化，构成染色体的组蛋白发生乙酰化等修饰也会影响基因的表达，D不符合题意。]

4．某实验小鼠的毛色黄色和黑色分别受一对等位基因A和a控制。研究表明，在A基因的前端有一段碱基序列决定着该基因的表达水平，这些碱基序列具有多个可以发生甲基化的位点。当这些位点没有发生甲基化时，A基因正常表达，当这些位点甲基化后，基因的表达受到抑制，且程度越高，抑制越明显。则基因型为Aa的小鼠毛色不可能为(　　)

A．黄色     B．黑色

C．浅黄色     D．介于黄色与黑色之间

C　[根据题意，A基因的前端有一段碱基序列若没有发生甲基化时，A基因正常表达，小鼠的毛色为黄色；当这些位点全部甲基化后，A基因的表达全部被抑制，小鼠的毛色为黑色；当这些位点部分被甲基化后，A基因部分表达，小鼠的毛色为黄色与黑色之间，故C符合题意。]

5．基因中的碱基排列顺序代表遗传信息，克里克首先预见了遗传信息传递的一般规律，并命名为中心法则，经过科学家不断的深入研究，发展后的中心法则如图所示：

(1)假如现提供模板、原料、酶、ATP及适宜的条件，利用中心法则完成以下问题：

①以DNA为模板，以脱氧核苷酸为原料，产物是________。

②以________为模板，以氨基酸为原料，产物是蛋白质。

(2)已知TACTGCGGTAGT是基因上的一段碱基序列，由它指导合成的化合物是________肽。

(3)翻译的场所是______，运载氨基酸的工具是______。

(4)人类的白化症状是由于控制酪氨酸酶的基因异常引起的，从此例可看出基因通过控制________来控制代谢过程，进而控制生物性状。

解析：(1)①以脱氧核苷酸为原料，只能合成产物——DNA。②以氨基酸为原料，产物是蛋白质，是在翻译过程中完成，需要以mRNA为模板。

(2)已知TACTGCGGTAGT是基因上的一段碱基序列，由它转录形成mRNA含12个碱基，共4个密码子，可决定4个氨基酸，由它指导合成的化合物是四肽。

(3)翻译的场所是核糖体，运载氨基酸的工具是tRNA。

(4)人类的白化症状是由于控制酪氨酸酶的基因异常引起的，从此例可看出基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物性状。

答案：(1)①DNA　②mRNA　(2)四　(3)核糖体

tRNA　(4)酶的合成