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高一生物集体备课4-2-基因对性状的控制

[日期:2011-07-12]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:385[字体: ]

一、 教学目标

1.解释中心法则。

2.举例说明基因与性状的关系。

二、教学重点和难点

1.教学重点

(1)中心法则。

(2)基因、蛋白质与性状的关系。

2.教学难点

基因、蛋白质与性状的关系。

三、教学策略

本节对应的课程标准中的要求是:“举例说明基因与性状的关系”,属于“理解水平”。本节教学可用1课时。

1.采用资料分析的方法,让学生亲身感受科学发展的过程。

在“中心法则”的教学中,可充分运用教材中的“资料分析”,不仅让学生了解中心法则本身,而且让学生亲身感受到科学发展过程是怎样一步一步地接近真理的。教师要想全面深入地了解中心法则,还需要进一步参考相关资料,如逆转录过程、RNA复制过程和尚未解决的疯牛病问题等。但这些问题不作为本节课的必学要求,教师可参照相关资料酌情处理。本节课主要是要求学生明白遗传信息流向的途径有:(1)从DNA流向DNA(DNA自我复制);(2)从DNA流向RNA,进而流向蛋白质(转录和翻译);(3)从RNA流向RNA(RNA自我复制);(4)从RNA流向DNA(逆转录)。其中,第(1)、第(2)条是中心法则的主要体现,第(3)、第(4)条是对中心法则的完善和补充。可用下图综合表示。

2.由遗传现象的实例入手,分析其本质原因,突破“基因、蛋白质与性状的关系”这一教学难点。

关于基因、蛋白质和性状的关系的内容,比较复杂,也较抽象,若直接由教师讲述,学生难以理解。如果从遗传现象的实例入手,分析其本质原因,让学生自己来总结三者间的关系,则更易突破难点。

基因控制性状是通过控制蛋白质合成来实现的,这里要注意充分运用两类遗传现象的实例来说明。一类是类似豌豆的圆粒与皱粒、白化病和侏儒症等实例,说明基因通过控制酶或激素的合成来控制细胞代谢过程,从而控制生物性状;另一类是类似囊性纤维病、镰刀型贫血症等实例,说明基因通过控制结构蛋白的合成,从而直接控制性状。以上分析综合如下图。由此可见,基因控制性状是通过控制蛋白质的合成来实现的。

最后,教师再通过“人的身高”这一事例,说明在自然界中,不仅存在单基因对性状的控制,而且存在多基因对性状的控制,以及环境对性状的影响等。同时,教师可结合教材中的“技能训练”以及 “问题探讨”,巩固所学知识。

四、答案和提示

(一)问题探讨

1.水中的叶比空气中的叶要狭小细长一些。

2.这两种形态的叶,其细胞的基因组成应是一样的。

3.提示:为什么叶片细胞的基因组成相同,而叶片却表现出明显不同的形态?

(二)资料分析

1.没有。实验证据指出了原有的中心法则所没有包含的遗传信息的可能传递途径,是对原有中心法则的补充而非否定。

2.遗传信息从RNA流向DNA、从RNA流向RNA的结论是确信无疑的,而从蛋白质流向蛋白质的途径是有可能存在的。

(三)旁栏思考题

提示:此题旨在引导学生认识基因与生物的性状并非简单的一一对应关系。

(四)批判性思维

提示:此题旨在引导学生客观全面地评价基因决定论的观点,认识到性状的形成往往是内因(基因)与外因(环境因素等)相互作用的结果。

(五)技能训练

1.提示:翅的发育需要经过酶催化的反应,而酶是在基因指导下合成的,酶的活性受温度、pH等条件的影响。

2.基因控制生物体的性状,而性状的形成同时还受到环境的影响。

(六)练习

基础题

1.A。

2.(1)×;(2)×;(3)√。

拓展题

1.红眼基因正常是形成红眼的必要而非充分条件。红眼基因正常,并且其他涉及红眼形成的基因也正常时,果蝇的红眼才能形成;如果红眼基因不正常,即使所有其他涉及红眼形成的基因都正常,果蝇的红眼也不能形成。

2.提示:生物体内基因的数目多、作用方式复杂,难以单独对其进行研究,生物体的异常性状为科学家研究相关基因的作用提供了一个突破口,使科学家能够从异常性状入手,分析性状异常的个体的基因与正常个体的基因是否存在区别,存在哪些区别等问题,从而建立起性状与基因的对应关系。因为性状是由基因控制的,如果某一性状发生异常,并且能够稳定遗传,说明控制该性状的基因发生了突变。根据异常性状的遗传方式,还可以分析出控制该性状的基因是位于性染色体上还是常染色体上,是显性还是隐性,并且可以预测这一性状将来的遗传规律。

五、参考资料

1.疯牛病及其研究进展

疯牛病(简称BSE)是牛海绵状脑病的俗称,它是一种慢性、传染性、致死性中枢神经系统疾病,以大脑灰质出现海绵状病变为主要特征。该病于1985年4月首先发现于英国,于1986年11月定名为BSE。疯牛病不仅曾在英国广泛流行,在法国、瑞士、葡萄牙、丹麦、德国、比利时、爱尔兰、卢森堡、荷兰、阿曼等国家和地区均有病例报道。2001年2月,联合国粮农组织公告,全世界有100多个国家面临疯牛病威胁,包括美国、加拿大、阿根廷、智利、澳大利亚、挪威、新西兰和巴拉圭以及中东和亚洲等一些国家。其原因是1986年到1996年间,有的国家从西欧国家进口活牛和含动物骨粉的饲料,又将这些饲料转入其他国家。因此,所有这些国家都面临疯牛病的威胁,必须停止使用动物骨粉饲料。由于该病是人畜共患病,一旦发生所造成的直接和间接经济损失将无法估量,因此该病是世界各国动植物检疫部门重点防范传入的家畜传染病之一。

疯牛病的症状表现为:性情改变,容易紧张、激怒;姿势和步态改变,难以站立,身体平衡障碍,运动失调;奶牛产奶量下降,体重下降。该病潜伏期长,一般为2~8年。症状出现后,进行性加重,一般只需2个星期到6个月,疯牛便会死亡。患病牛的年龄多在3~5岁。

关于疯牛病的致病因子,科学家们至今尚未达成共识。目前普遍倾向于朊病毒学说,认为这种病是由一种叫PrP的蛋白异常变构所致。无需DNA或RNA的参与,致病因子朊蛋白就可以传染复制。根据朊蛋白学说,变构的异常PrP蛋白可以结合正常的PrP蛋白,使之也发生相同的结构改变,从而达到复制、传染的目的。外源性的异常PrP蛋白侵入可以使体内正常的PrP蛋白与之结合而发生结构改变,引起疾病。体内的PrP基因发生突变也有可能使体内的PrP蛋白自发地发生结构改变而患病。目前认为,疯牛病可以通过饮食、输血等途径传播。

2.线粒体中的基因

线粒体是生物氧化的场所,呼吸链中的某些蛋白质或酶的编码基因就在mtDNA(线粒体DNA)上。线粒体还能独立合成一些蛋白质,因为线粒体有自己的rRNA、tRNA和核糖体,可以表达自己的基因。现在已知的线粒体基因组至少含有tRNA基因、rRNA基因、细胞色素氧化酶基因、ATP酶基因、细胞色素还原酶基因、一些抗药性基因等。

在蛋白质合成过程中,mRNA上的密码子和tRNA上的反密码子是对应的。已知道20种氨基酸有61种对应的密码子,按照摆动学说(wobble hypothesis),最少需要32种tRNA才能完全识别mRNA中的61个密码子。但在线粒体中,tRNA的种类显然小于此数目(如人的线粒体tRNA只有22种),而且,已有实验证明,细胞质的tRNA没有进入线粒体,参与蛋白质的合成。这些事实表明在线粒体基因表达过程中的密码系统与通用的密码系统有所差别。

通过近几年的研究发现,哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用的遗传密码有以下区别。(1)UGA不是终止信号,而是色氨酸的密码。因此,线粒体tRNATrp可以识别UGG和UGA两个密码子。(2)多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码;而起始甲硫氨酸由AUG、AUA、AUU和AUC四个密码子编码。(3)AGA和AGG不是精氨酸的密码子,而是终止密码子,因而,在线粒体密码系统中有4个终止密码子(UAA、UAG、AGA、AGG)。

3.叶绿体中的基因

叶绿体DNA为双链环状分子,一般周长约40~45μm,分子量约9×107道尔顿。高等植物细胞每个叶绿体DNA含量在6.9×10-14~8×10-5 g的范围。

每个叶绿体含有的叶绿体DNA分子往往是多拷贝的,一般每个叶绿体含10~50份拷贝,这与叶片的发育程度有关,最高的达到900份拷贝,所以,虽然叶绿体DNA只占细胞总DNA的百分之几,叶绿体DNA的量还是较丰富的。叶绿体基因可以分为两大类:一类是有关叶绿体遗传系统的;另一类是编码光合系统的。

4.逆转录病毒

1970年,科学家在致癌RNA病毒中发现了一种特殊的DNA聚合酶,该酶能以RNA为模板,根据碱基互补配对原则,按照RNA的核苷酸顺序合成DNA。这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反,故称为逆转录,催化此过程的DNA聚合酶叫做逆转录酶(reverse transcriptase)。后来发现逆转录酶不仅普遍存在于RNA病毒中,哺乳动物的胚胎细胞和正在分裂的淋巴细胞中也有逆转录酶。

携带逆转录酶的病毒又称为逆转录病毒,它侵入宿主细胞后先以病毒RNA为模板靠逆转录酶催化合成DNA,随后这种DNA环化,并整合到宿主细胞的染色体DNA中去,以原病毒(provirus)的形式在宿主细胞中一代代传递下去。以后又发现许多逆转录病毒基因组中都含有癌基因(oncogene)。如果由于某种因素激活了癌基因就可使宿主细胞转化为癌细胞。

逆转录病毒虽然属于正链RNA病毒,其基因组RNA就相当于信使RNA,但是入侵宿主以后,逆转录病毒并不用其基因组RNA编码蛋白质,而是用病毒体本身携带的逆转录酶把它逆转录成DNA。此DNA整合到染色体上,成为原病毒。以后用原病毒DNA为模板,由细胞的转录酶转录出RNA。这种RNA既用来编码蛋白质,也用做基因组。基因组和包膜组装成为病毒体,钻出细胞而不杀死细胞,继续侵染新的宿主细胞。根据生物学的分类办法,逆转录病毒可以分成7个属,在这些病毒中,我们最熟悉的是人类免疫缺陷病毒(HIV)。

5.生物信息学进展

生物信息学是在人类基因组计划推动下产生的应用计算机技术处理生物信息的一门新生学科,它是生物学、数学、物理学、计算机科学等众多学科交叉的新兴学科。十余年来,生物信息学的发展大致经历了前基因组时代、基因组时代和后基因组(蛋白质组)时代三个阶段。随着后基因组时代的到来,生物信息学研究的重点逐步转移到功能基因组的信息研究,其研究的内容不仅包括基因的查询和同源性分析,而且进一步发展到基因和基因组的功能分析,即所谓的功能基因组学研究。其具体内容包括:(1)将已知基因的序列与功能联系在一起进行研究;(2)从以常规克隆为基础的基因分离转向以序列分析和功能分析为基础的基因分离;(3)从单个基因致病机理的研究转向多个基因致病机理的研究;(4)从组织与组织之间的比较来研究功能基因组和蛋白质组。组织与组织之间的比较主要表现在:正常组织与疾病组织之间的比较,正常组织与激活组织之间的比较,疾病组织与处理(或治疗)组织之间的比较,不同发育过程的比较等。

6.转座子

基因绝大多数是固定在染色体的一个位置上,但有些基因在染色体上的位置是可以移动的,这类基因称为可移动基因(mobile gene),或是转座子(transposable element)。

转座(transposition)同易位(translocation)是两个不同的概念。易位是指染色体发生断裂后,通过断裂末端的重接,使染色体断片连接在同一条染色体的新位置,或是连接转移到另一条染色体上。此时,染色体断片上的基因也随着染色体的重接而移动到新的位置。转座则是在转座酶的作用下,转座子或者直接从原来位置切离下来,插入染色体的新位置;或者从自身的DNA序列转录出RNA,RNA逆转录产生的cDNA再插入染色体上新的位置。通过后者的作用方式,转座子仍然保留在原来的位置上,而其拷贝则插入新的位置,也就是转座子在基因组中的拷贝数增加一份。

1951年,Barbara McClintock首先在玉米中发现了可移动的DNA(后来称之为转座子),从而改变了人们对基因序列稳定性的认识。此后,研究者们在细菌、酵母、动物和其他植物中也相继发现转座子。目前转座子在基因工程以及功能基因组学中得到了广泛的应用。


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