北师大版必修2 遗传与进化《第3章 遗传信息的复制与表达 第2节 遗传信息的表达 二 基因表达的调控 》优秀教案设计

北师大版必修2 遗传与进化《第3章 遗传信息的复制与表达 第2节 遗传信息的表达 二 基因表达的调控 》优秀教案设计

【教学重难点】

重点：原核生物基因表达调控的原理

难点：原核生物基因表达调控的原理

【教学过程】

导入：

我们是由一个受精卵发育而来的，受精卵发育为个体的过程中要经过生长、分裂和分化。经过生长、分裂和分化细胞后的细胞遗传物质是否发生了变化？回顾基因的表达和选择性表达概念。那么到底基因表达是如何调控的呢？这一节课我们一起来学习基因表达的调控。（板书：基因表达的调控）

新课讲授：

不同的生物基因表达的调控是否相同呢？这节课我们研究原核生物和真核生物基因表达调控。我们现在请同学们阅读课本p40-50的内容，思考原核生物和真核生物基因表达调控的特点及异同？

要想研究原核生物和真核生物基因表达的特点，我们得先了解它们的基因结构（展示真核和原核基因结构），讲解：这是原核和真核细胞的基因结构图，位于DNA上，从图中我们可以看出原核细胞基因与真核相比要简单，但都将基因分为两部分——编码区和非编码区，非编码区不能转录翻译为蛋白质，都有RNA聚合酶结合位点，原核细胞编码区可进行转录翻译为蛋白质，而真核细胞编码区复杂，因而基因表达的调控也比原核生物要复杂。我们首先认识原核生物基因表达的调控。

（一）介绍原核生物基因表达的调控：

首先发现原核生物基因表达调控机制的是两位法国学者雅各布和莫诺，他们研究的是大肠杆菌乳糖分解代谢，并通过此次研究获得了诺贝尔奖。通过大家刚才的自主预习相信大家能回答下列几个问题：1.大肠杆菌一般以哪种糖作为碳元素的来源（葡萄糖）；2.当大肠杆菌生活的环境中没有葡萄糖而有乳糖时，会有何反应？（大肠杆菌可以合成半乳糖苷酶，使乳糖分解为葡萄糖和半乳糖）；3.当从大肠杆菌生活的环境中去除乳糖后又有何反应？（无法合成半乳糖竿酶）；4.可得出什么结论？（半乳糖苷酶的合成与周围环境中有无乳糖有密切关系）；5.半乳糖苷酶的合成受什么控制（半乳糖苷酶基因）。乳糖存在与否，关系到半乳糖苷酶是否合成，可见，乳糖似乎对半乳糖苷酶基因的表达起到诱导作用。为什么乳糖能诱导半乳糖苷酶基因表达？后来雅各布和莫诺又通过大量的实验总结了大肠杆菌调节乳糖代谢是由于大肠杆菌染色体上存在有乳糖操纵子。乳糖操纵子其实就是大肠杆菌染色体上有一段与乳糖代谢有关的核苷酸序列，它是一个功能单位，它包括了一个操纵基因（O）、三个结构基因、启动子（P）、调节基因（I）构成，他们在DNA上如何排布？结合课本讲解排列顺序。他们分别有什么作用呢？结构基因（直接编码乳糖分解代谢所需酶类的基因lacZ：编码半乳糖苷酶，lacY、lacA：分别编码另外两种与乳糖分解代谢有关的酶。）操纵基因（对结构基因起着“开关”的作用，可直接控制结构基因的转录）启动子（有与RNA聚合酶结合的位点，可识别转录起始点），调节基因（能产生阻抑物，通过阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启）。

1.无乳糖情况

调节基因可以转录形成信使rna，又经翻译成调节蛋白，这儿的调节蛋白是一种阻碍物，能与操纵基因结合，同时阻挡了RNA聚合酶与启动子的结合，启动子也无法正常起始转录，操纵基因与阻抑物结合也无法正常控制结构基因转录开始，从而使结构基因转录和翻译受阻，不能合成有关的酶，也无法合成分解乳糖的半乳糖苷酶。

只有乳糖情况

同理调节基因的翻译不会受乳糖的影响，可以转录翻译为调节蛋白，而环境中的乳糖可以与调节蛋白结合使调节蛋白构象发生变化，使阻抑物失去与操纵基因结合的能力，RNA聚合酶便可与启动子结合，从而使结构基因转录和翻译正常进行。既然结构基因转录正常，就能转录为对应的mRNA，今儿翻译成相应蛋白质，其中lacz翻译为z蛋白即半乳糖苷酶，既然有了半乳糖苷酶就能将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖了，共大肠杆菌直接利用。大家从大肠杆菌乳糖调控过程可以看出什么？这样的基因表达调控模式使大肠杆菌细胞只有在环境中有乳糖存在时，才能产生相关的酶。所以，其乳糖代谢调控过程是一个自我调控过程。在这一过程的作用下，生物体才不会浪费细胞中的物质和能量，并能不断适应变化的外界环境。

在原核细胞染色体上不仅存在乳糖操纵子，还有色氨酸操纵子等，他们都能在一定条件下调节细胞代谢，去适应新环境。那怎么描述操纵子这个词概念呢？一个操纵基因控制下的一组相邻的结构基因以及启动子和调节基因，统称为操纵子。操纵子是原核生物的基因在转录水平上进行调控的一个功能单位。强调是转录水平的功能单位，除了转录会发生基因表达的调控，同样在翻译过程也会，而主要是在转录过程。

（二）真核生物基因表达的调控

真核细胞基因比原核要复杂很多，从他们的基因结构上也可以看出，同时原核生物基因表达的调控受到环境的影响，而真核生物受自身生长发育的影响，在不同的生长发育阶段，基因表达的调控也不同，在胚胎发育过程中，基因表达的数目最多，因为要形成各种各样的组织和器官，需要更多的基因表达，后来就基因表达的数目变少，同时不同的基因表达效果也不同，有的被增强有的被减弱。比如书上的例子，在绿色开花植物不同生长发育阶段，表达的相关基因不同，营养生长阶段即有植株长大的过程，主要是表达与根茎叶发育有关的基因，而到了开花结果阶段，就主要表达与花、果实、种子发育有关的基因。这就是靠真核细胞机体自身调控的。

真核生物与原核基因表达调控的区别：1.RNA形成真核需要进行剪切加工形成成熟的RNA，2.真核生物因为有核被摸因而转录和翻译不同步，原核生物边转录边翻译3.基因特异性表达的调控机制为真核细胞所特有。

课堂小结

这节课我们学习了原核和真核生物基因表达的调控，其中原核生物调节乳糖代谢的机制是通过乳糖操纵子完成的，乳糖操纵子由四部分构成，当没有乳糖时调节蛋白与操纵基因结合，阻碍RNA聚合酶与启动子结合是三个结构基因无法转录，就不能合成分解乳糖的酶，而当有乳糖时，乳糖会与调节蛋白结合改变其构象，进而阻止其与操纵基因的结合，当RNA聚合酶与启动子结合时，转录开始，操纵基因开启结构基因转录翻译成酶，将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖供大肠杆菌利用。真核生物的基因表达调控较复杂，我们只需了解它与原核基因表达调控区别，有3点（1是真核生物形成mRNA需要经过剪切加工2是真核生物基因表达过程是先转录后翻译3是真核生物存在基因的特异性表达）。

【板书设计】

基因表达的调控

原核生物基因表达的调控

操纵基因