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第3节　细胞核的结构和功能
高中生物学 必修1 分子与细胞 · 学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1.科学探究：通过对细胞核功能的实验探究，掌握相应的实验技术与方法。
2.生命观念：通过实验探究和搜集资料来获得信息，分析细胞结构与功能之间的关系。
3.科学思维：通过制作真核细胞的三维结构模型，掌握模型制作的方法。
二、情境导入
【材料】
细胞核是真核细胞中最显著的结构。为了探究细胞核的功能，科学家设计了一系列对照实验：黑白美西螈核移植实验、蝾螈受精卵横缢实验、伞藻嫁接与核移植实验、变形虫切割实验。这些实验分别揭示了细胞核在遗传和代谢中的重要作用。
图1　细胞核功能及经典实验证据逻辑图
【思考】
1.细胞核与细胞的遗传、代谢活动有什么关系？
2.黑白西螈核移植实验和蝾螈受精卵横缢实验分别体现了怎样的对照方法？
三、自主预学
（一）细胞核的功能
1.细胞核功能的探究：
(1)黑白美西螈核移植实验
(2)蝾螈受精卵横缢实验
图2　蝾螈受精卵横缢实验
(3)伞藻嫁接与核移植实验
图3　伞藻嫁接与核移植实验
(4)变形虫切割实验
图4　变形虫切割与核移植实验
2.细胞核的功能：细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心。
图5　细胞核的功能归纳图
（二）细胞核的结构
1.细胞核的结构图解
图6　真核细胞细胞核亚显微结构图
2.染色质的形态及特点：
(1)形态及特点：极细的丝状物，易被碱性染料染成深色。
(2)与染色体的关系：是同一物质在细胞不同时期的两种存在状态。
（三）细胞在生命系统中的地位
1.结构特点：(1)结构复杂而精巧；(2)各组分之间分工合作成为一个统一的整体。
2.地位：(1)生物体结构的基本单位；(2)生物体代谢和遗传的基本单位。
（四）建构模型
1.概念：模型是人们为了某种特定的目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述。
2.类型：物理模型、概念模型、数学模型等。
3.举例：沃森和克里克制作的DNA双螺旋结构模型，属于物理模型。
图7　细胞核的结构与功能知识点归纳
自查自纠
判断下列叙述的正误。
(1)某些真核细胞无细胞核，说明细胞核不是细胞进行生命活动所必需的结构。(　　)
(2)细胞中核糖体的形成一定与核仁有关。(　　)
(3)核膜上的核孔可以让蛋白质和RNA自由进出。(　　)
(4)代谢越旺盛的细胞，核孔的数目越多，核仁的体积越大。(　　)
(5)细胞核是细胞遗传和代谢的中心。(　　)
(6)拍摄洋葱鳞片叶表皮细胞的显微照片就是构建了细胞的物理模型。(　　)
四、课堂探究
典例
如图为细胞核结构模式图，下列相关说法不正确的是(　　)
图8　细胞核结构模式图
A.图中②为核仁，代谢旺盛的细胞中核仁较大
B.图中④为核孔，通过该结构不仅可以实现核质之间频繁的物质交换，还可以实现信息交流
C.图中③为核膜，它是一种双层生物膜，具有选择透过性，可将核内物质与细胞质分开
D.图中①为染色质，该结构与原核细胞中拟核的化学本质相同，均为DNA分子
探究一　细胞核功能的探究
【教材情境】阅读教材P54～55“思考·讨论”，结合下列有关对照实验的资料，小组合作交流。
资料：对照实验是指除要研究的因素外，其他条件与被测实验完全一致的实验。对照分为：①空白对照：一组进行处理作为实验组，另一组不作任何额外处理作为对照组；②自身对照（前后对照）：对同一实验对象处理，处理前后的变化形成对照，不另设对照组；③相互对照：不另设对照组，而是几个实验组相互对照。
1.黑白美西螈核移植实验中，后代个体体色与提供细胞核的亲本关系说明了什么？
2.蝾螈受精卵横缢实验能否说明细胞的分裂、分化与细胞核有关？
3.伞藻嫁接实验与核移植实验有何区别与联系？
4.变形虫切割实验说明了什么？
探究二　细胞核的结构
【材料情境】结合细胞核结构示意图和有关核孔的资料，完成以下探究问题：
资料1：细胞核的结构示意图：
图9　真核细胞细胞核亚显微结构图（示核膜与内质网的联系）
资料2：核孔结构复杂，至少由50种蛋白质构成，称为核孔复合体。大分子凭借自身的核定位信号与核孔复合体蛋白质（主要是中央运输蛋白）上的受体结合而实现物质运输过程。
图10　核孔复合体局部结构示意图
1.核膜外层附着有核糖体，这说明什么？
2.在所有的细胞中，核糖体的形成都一定与核仁有关吗？
3.研究表明，真核生物的核孔数量和核仁大小都是可变的，推测它们的变化和细胞代谢强度之间有什么关系？
4.根据资料2信息，能否得到“各种大分子物质都能自由进出核孔”的结论？请说明理由。
5.核孔是物质进出细胞核的唯一通道吗？请说明理由。
6.细胞核行使其控制代谢和遗传功能的主要结构基础是什么？请说明理由。
图11　核膜与生物膜系统的联系示意图
五、分层训练
课后分层练(十一)　细胞核的结构和功能
（选择题每题5分，非选择题每题15分）
【基础巩固练】
考点一　细胞核功能的探究
1.下列有关探究细胞核功能的实验的叙述，不正确的是(　　)
A.伞藻的嫁接实验说明伞帽的形态建成与假根有关
B.变形虫去核后代谢会渐渐停止，说明细胞核是新陈代谢的控制中心
C.对真核细胞来说，失去了细胞核不一定失去分裂能力
D.蝾螈受精卵横缢后，有核一半能分裂，无核一半不能分裂，证明细胞分裂与细胞核有关
2.细胞核具有什么功能？科学家通过下列实验(如图)进行探究：①用头发将蝾螈的受精卵横缢为有核和无核的两半，中间只有很少的细胞质相连，结果无核的一半(a)停止分裂，有核的一半(b)能继续分裂；②b部分分裂到16～32个细胞时，将一个细胞核挤入不能分裂的a部分，结果a部分开始分裂、分化，进而发育成胚胎。下列叙述中不正确的是(　　)
图12　蝾螈受精卵横缢实验示意图
A.该实验结果不能说明细胞的寿命与细胞核有关
B.实验①中，b部分细胞属于对照组，a部分属于实验组
C.实验②中，a部分的操作与实验①中的a部分形成对照
D.实验可以说明细胞质与细胞的分裂、分化有关
考点二　细胞核的结构和功能
3.真核细胞单位面积的核孔数目与细胞类型和代谢水平有关。以下细胞中核孔数目最少的是(　　)
A.胰岛细胞
B.造血干细胞
C.浆细胞(能分泌抗体)
D.口腔上皮细胞
4.如图为细胞核结构模式图，下列有关叙述正确的是(　　)
图13　细胞核结构模式图
A.②的大小与生物种类、细胞类型无关
B.细胞中的DNA只存在于①中
C.蛋白质、RNA等生物大分子物质能自由出入③
D.核膜属于生物膜系统，把核内物质与细胞质分开
5.下列关于尝试制作真核细胞的三维结构模型的说法，正确的是(　　)
A.拍摄洋葱表皮细胞的显微照片就是建立了细胞的物理模型
B.在设计并制作细胞模型时，首先要考虑是否美观
C.模型包括物理模型、化学模型、生物模型
D.真核细胞的三维结构模型属于物理模型
【综合提升练】
6.生物科学的发展离不开技术的支持和科学方法的运用，下列相关叙述正确的是(　　)
A.利用密度梯度离心方法分离酵母菌细胞中的细胞器
B.制作真核细胞的三维结构模型利用了建构数学模型的方法
C.还原糖与斐林试剂在水浴加热条件下由无色逐渐变化为砖红色沉淀
D.细胞膜结构模型的探索过程，反映了提出假说这一科学方法的作用
7.核膜主要由外核膜、内核膜、核孔复合体和核纤层构成。核纤层蛋白位于内核膜与染色质之间，核纤层蛋白磷酸化引起核膜崩解。下列叙述正确的是(　　)
A.核孔复合体是核质之间DNA、RNA交流的通道，并介导核质之间的信息交流
B.核纤层蛋白可以在细胞核中的核糖体上合成
C.核纤层蛋白的磷酸化过程中，染色质可能发生螺旋化程度提高
D.核纤层蛋白形成骨架结构支撑于内、外核膜之间，维持细胞核的正常形态和核孔结构
8.肿瘤细胞的无限增殖和抗药性的产生与核DNA有关。某种新型的抗肿瘤药物可通过作用于核DNA抑制肿瘤细胞的恶性增殖，逆转肿瘤细胞的耐药性。该药物分子进入细胞核的过程如下图。请回答下列问题：
图14　药物分子经核孔进入细胞核示意图
(1)肿瘤细胞核内储存着____________，是细胞的控制中心。核膜将细胞质和细胞核分隔开来，承担着________交换和信息交流的功能。
(2)图1显示，药物分子依赖于细胞膜的流动性与______________进入细胞，有的在细胞质基质中被直接降解，有的则在________中被降解。未被降解的药物分子通过核孔进入细胞核，积累后发挥作用。
(3)非洲爪蟾中有一种亲核蛋白具有头、尾两个不同的部分。为研究亲核蛋白运输至细胞核内的运输机理，科研人员设计了有关实验，操作与实验结果如图2所示。实验处理后，研究者检测了各组的________________________，结果表明________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(4)综合上述研究结果，请你设计一个提高该新型抗肿瘤药物作用效果的研发思路。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
六、参考答案
【课堂探究】
探究一　细胞核功能的探究
1.黑白美西螈核移植实验中，后代个体的体色与提供细胞核的亲本基本一致，说明生物的性状主要由细胞核控制。
2.能。蝾螈受精卵横缢后，无核的一半不能分裂，有核的一半能分裂，说明细胞分裂、分化与细胞核有关。
3.伞藻嫁接实验说明伞帽的形态与假根有关；核移植实验进一步说明伞帽形态由细胞核控制，可排除假根中细胞质等其他物质对实验的影响，是对嫁接实验的补充。
4.变形虫切割实验说明细胞核是细胞代谢和生命活动的控制中心，细胞只有保持结构的完整性才能完成正常的生命活动。
探究二　细胞核的结构
1.核膜外层附着有核糖体，说明核膜外层也是细胞代谢的场所。
2.不一定。真核细胞中核糖体的形成与核仁有关；原核细胞中无核仁，核糖体的形成与核仁无关。
3.代谢旺盛的细胞中进行频繁的物质交换和信息交流，所以核孔数目多；蛋白质合成旺盛的细胞中核糖体数目多，核仁的体积大。
4.不能。核孔具有选择性，如允许某些RNA和蛋白质通过，而DNA不能通过。
5.不是。核孔是某些大分子物质进出细胞核的通道，小分子物质是经过核膜进出细胞核的。
6.染色质(体)。细胞核中染色质(体)的DNA储存着大量的遗传信息。在细胞分裂时，DNA携带的遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，保证了亲子代细胞在遗传上的稳定性；同时依赖这些遗传信息，细胞进行物质合成、能量转化和信息交流，完成生长发育、衰老和凋亡。
【自查自纠】
(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×
解析：(1)哺乳动物成熟红细胞没有细胞核，但其生命活动相关的物质和功能都受其有细胞核时的调控。(2)核糖体是真核、原核细胞共有的细胞器，真核细胞中核糖体的形成与核仁有关，原核细胞无核仁，核糖体的形成与核仁无关。(3)核孔对进出细胞核的物质有选择性。(5)细胞核是细胞代谢和遗传的控制中心，细胞代谢的主要场所是细胞质基质。(6)显微照片是实物照片，不属于物理模型。
【典例】
D
解析：图中②是核仁，与某种RNA的合成以及核糖体的形成有关，代谢旺盛的细胞中核糖体多，所以核仁较大，A正确；图中④是核孔，可实现核质之间的物质交换和信息交流，B正确；图中③是核膜，为双层膜，把核内物质与细胞质分开，具有选择透过性，C正确；图中①是染色质，其主要成分是DNA和蛋白质，而原核细胞中拟核只有环状DNA分子，不含蛋白质，D错误。
【分层训练】
1.C　2.D　3.D　4.D　5.D　6.D　7.C
1.解析：伞藻的嫁接实验说明伞帽的形态建成与假根有关，A正确；变形虫去核后代谢会渐渐停止，说明细胞核是新陈代谢的控制中心，B正确；对真核细胞来说，失去了细胞核就失去了分裂能力，C错误；蝾螈受精卵横缢实验说明细胞分裂主要与细胞核有关，D正确。
2.解析：该实验说明细胞核与细胞的分裂、分化有关，但整个实验未涉及细胞寿命，A正确；实验①中a部分无细胞核，为实验组，b部分有细胞核，为对照组，B正确；实验②中a部分挤入一个细胞核，与实验①中a部分的无核形成对照，C正确；该实验不能说明细胞质与细胞的分裂、分化有关，D错误。
3.解析：胰岛细胞、造血干细胞、浆细胞代谢旺盛，核孔数目较多；口腔上皮细胞是高度分化的体细胞，不能分裂增殖，代谢不旺盛，核孔数目最少，D符合题意。
4.解析：②表示核仁，其大小与生物种类、细胞类型有关，A错误；细胞中的DNA主要存在于①（染色质）中，还存在于线粒体、叶绿体中，B错误；蛋白质、RNA等生物大分子能通过③（核孔），但不能自由进出，C错误；核膜属于生物膜系统，把核内物质与细胞质分开，D正确。
5.解析：照片不属于物理模型，A错误；在设计并制作细胞模型时，科学性应该是第一位的，其次才是美观，B错误；模型包括物理模型、数学模型和概念模型等，C错误；真核细胞的三维结构模型属于物理模型，D正确。
6.解析：酵母菌是真核细胞，分离细胞器的方法是差速离心法，A错误；制作真核细胞的三维结构模型利用了建构物理模型的方法，B错误；还原糖与斐林试剂在水浴加热条件下由蓝色逐渐变化为砖红色沉淀，C错误；细胞膜结构模型的探索过程，反映了提出假说这一科学方法的作用，D正确。
7.解析：核孔复合体具有选择性，DNA不能通过核孔复合体，A错误；核纤层蛋白在细胞质中的核糖体上合成，B错误；核纤层蛋白磷酸化引起核膜崩解，染色质可能螺旋化程度提高，C正确；核纤层蛋白位于内核膜与染色质之间，D错误。
8.答案：(1)遗传信息　物质　(2)选择透过性　溶酶体　(3)放射性出现的位置　亲核蛋白进入细胞核依赖于尾部　(4)将抗肿瘤药物与亲核蛋白的尾部组合，促进药物分子快速入核
8.解析：(3)对亲核蛋白头部和尾部分别进行标记，利用放射自显影技术检测放射性出现的位置，发现尾部及含尾部的亲核蛋白整体能进入细胞核，而单独的头部不能进入，说明亲核蛋白进入细胞核由尾部决定。(4)可将抗肿瘤药物与亲核蛋白的尾部组合，促进药物分子快速入核。

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