DNA相關(guān)計(jì)算的突破策略

于彥軍

(新疆烏蘇市第一中學(xué))

在一輪復(fù)習(xí)中,如何基于學(xué)生原有知識(shí),引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行高效的復(fù)習(xí),有效突破DNA的相關(guān)計(jì)算,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展呢?

筆者借鑒元認(rèn)知理論,指導(dǎo)學(xué)生從“學(xué)”的角度去尋找學(xué)習(xí)的根源性因素,用科學(xué)的方法加以引導(dǎo)、開發(fā)和完善,從而使學(xué)生掌握并運(yùn)用DNA的相關(guān)知識(shí),突破DNA有關(guān)的計(jì)算,提高復(fù)習(xí)的效率。

1.DNA結(jié)構(gòu)的相關(guān)計(jì)算

1.1 學(xué)情分析

在學(xué)生的原有知識(shí)中,對(duì)DNA的組成、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及簡(jiǎn)單計(jì)算等比較熟悉,但對(duì)于DNA結(jié)構(gòu)中較復(fù)雜的計(jì)算存在膽怯與不理解,往往采取背誦公式、套用公式的方法應(yīng)對(duì)試題,既不利于學(xué)生解題技能的提升,也不利于學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法解決問題能力的培養(yǎng)。

1.2 突破策略

1.2.1基于原有知識(shí) 簡(jiǎn)化模型

利用思維導(dǎo)圖梳理知識(shí),以清除學(xué)生認(rèn)知盲點(diǎn)(圖1),為構(gòu)建并理解簡(jiǎn)化DNA結(jié)構(gòu)模型做準(zhǔn)備。簡(jiǎn)化模型易于觀察、分析,學(xué)生更容易發(fā)現(xiàn)并總結(jié)規(guī)律,DNA的結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2

1.2.2問題引導(dǎo) 自主總結(jié)規(guī)律

設(shè)置問題串,通過觀察圖2并結(jié)合堿基互補(bǔ)對(duì)原則,推理分析,得出規(guī)律,實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)原有知識(shí)的運(yùn)用和重構(gòu),同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法解決問題的能力。

問題1:雙鏈DNA分子中,嘌呤數(shù)、嘧啶數(shù)、堿基總數(shù)三者之間有何關(guān)系?(嘌呤數(shù)等于嘧啶數(shù)且等于堿基總數(shù)的一半)

問題2:(A1+G1)/(T1+C1)的值與(A2+G2)/(T2+C2)的值有何關(guān)系?(互為倒數(shù))

問題3:(A1+T1)/單鏈堿基數(shù)、(A2+T2)/單鏈堿基數(shù)、(A+T)/雙鏈堿基數(shù)三者之間有何關(guān)系?(三者的值相等)

問題4:A1/單鏈堿基數(shù)的值與A1/雙鏈堿基數(shù)的值之間有何關(guān)系?[A1/單鏈堿基數(shù)=A1/(1/2雙鏈堿基數(shù))=2A1/雙鏈堿基數(shù)]

問題5:A/雙鏈堿基數(shù)、A1/單鏈堿基數(shù)、A2/單鏈堿基數(shù)三者之間有何關(guān)系?[A/雙鏈堿基數(shù)=A1/雙鏈堿基數(shù)+A2/雙鏈堿基數(shù)=A1/(2單鏈堿基數(shù))+A2/(2單鏈堿基數(shù))=1/2(A1/單鏈堿基數(shù)+A2/單鏈堿基數(shù))]

1.2.3應(yīng)用體驗(yàn) 提升科學(xué)思維

解題過程:畫出DNA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型(圖2),將題中信息代入圖2,結(jié)合堿基配對(duì)原則,進(jìn)行推理分析。

例1.(2023·山東淄博高三月考)下列關(guān)于雙鏈DNA分子結(jié)構(gòu)的敘述,正確的是

(D)

A.某DNA分子含有500個(gè)堿基,可能的排列方式有4500種

B.若質(zhì)粒含有2 000個(gè)堿基,則該分子同時(shí)含有2個(gè)游離的磷酸基團(tuán)

C.某DNA分子內(nèi)胞嘧啶占25%,則每條鏈上的胞嘧啶占25%～50%

D.某DNA分子上有胸腺嘧啶312個(gè),占總堿基的26%,則該DNA分子上有鳥嘌呤288個(gè)

解析：某DNA分子含有500個(gè)堿基,則有 250個(gè)堿基對(duì),故可能的排列方式有4250種,A錯(cuò)誤;質(zhì)粒是環(huán)狀DNA分子,其中不含游離的磷酸基團(tuán),B錯(cuò)誤;某DNA分子內(nèi)胞嘧啶占25%,即C/雙鏈堿基數(shù)=C1/雙鏈堿基數(shù)+C2/雙鏈堿基數(shù)=C1/(2單鏈堿基數(shù))+C2/(2單鏈堿基數(shù))=1/2(C1/單鏈堿基數(shù)+C2/單鏈堿基數(shù)),故每條單鏈上的胞嘧啶占0～50%,C錯(cuò)誤;某DNA分子上有胸腺嘧啶312個(gè),占總堿基的26%,則該DNA分子上堿基總數(shù)為312/26%=1 200個(gè),根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,該DNA分子中有鳥嘌呤1 200×(50%-26%)=288個(gè),D正確。

例2.某DNA分子含有1 000個(gè)堿基對(duì),其中A的含量為30%,a鏈中G的含量為30%,下列與該DNA分子有關(guān)的敘述正確的是

(A)

A.該DNA分子中含有的氫鍵數(shù)為2.4×103個(gè)

B.該DNA分子的兩條單鏈中(A+C)/(T+G)的值一定相等

C.該DNA分子的a鏈中堿基A所占的比例在0～40%范圍內(nèi)

D.由于堿基互補(bǔ)配對(duì),DNA分子中C與G的和一定占50%

解析：該DNA分子中含有1 000個(gè)堿基對(duì),則有2 000個(gè)堿基,其中A占30%,則T也占30%,A和T的數(shù)目均為2 000×30%=600個(gè),G和C占(1-30%-30%)/2=20%,則G和C數(shù)目均為2 000×20%=400個(gè)。由于A和T堿基對(duì)有2個(gè)氫鍵,G和C堿基對(duì)有3個(gè)氫鍵。所以該DNA分子含有的氫鍵數(shù)為600×2+400×3=2.4×103個(gè),A正確;由于雙鏈DNA分子中,A與T配對(duì),G與C配對(duì),所以該DNA分子的兩條單鏈中(A+C)/(T+G)的值互為倒數(shù),B錯(cuò)誤;根據(jù)該DNA分子中堿基A的數(shù)目為600個(gè),則該DNA分子的a鏈中堿基A所占的比例最大是600/1 000=60%,所以a鏈中堿基A所占的比例在0～60%范圍內(nèi),C錯(cuò)誤;由于堿基互補(bǔ)配對(duì),DNA分子中C與G的含量相等,但占比不定,D錯(cuò)誤。

2.DNA復(fù)制的相關(guān)計(jì)算

2.1 學(xué)情分析

學(xué)生對(duì)DNA復(fù)制的概念、時(shí)期、場(chǎng)所、過程、結(jié)果、特點(diǎn)等知識(shí)比較熟悉,但對(duì)于DNA復(fù)制過程中原料的消耗、標(biāo)記單鏈、標(biāo)記DNA分子等計(jì)算存在問題。

2.2 突破策略

2.2.1基于原有知識(shí) 簡(jiǎn)化模型

依據(jù)DNA半保留復(fù)制的特點(diǎn),將15N標(biāo)記的DNA放在含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)復(fù)制n次,其復(fù)制過程用圖3簡(jiǎn)單表示,以便學(xué)生觀察、分析。

圖3

2.2.2問題引導(dǎo) 自主總結(jié)規(guī)律

設(shè)置問題串,通過觀察圖3并依據(jù)半保留復(fù)制的特點(diǎn),推理分析,得出規(guī)律,實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)原有知識(shí)的運(yùn)用和重構(gòu),同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法解決問題的能力。

問題串1:復(fù)制n次后,子代DNA分子共有幾個(gè)?(2n)

含15N的DNA分子有幾個(gè)?(2個(gè))

只含15N 的DNA分子有幾個(gè)?(0個(gè))

含14N的DNA分子有幾個(gè)?(2n個(gè))

只含14N的DNA分子有幾個(gè)?(2n-2個(gè))

問題串2:復(fù)制n次后,脫氧核苷酸鏈共幾條?(2n+1)

含15N的脫氧核苷酸鏈有幾條?(2條)

含14N的脫氧核苷酸鏈有幾條?(2n+1-2)

問題串3:若親代DNA含有某種脫氧核苷酸m個(gè),經(jīng)過n次復(fù)制需要消耗該種脫氧核苷酸多少個(gè)?[m·(2n-1)]

第n次復(fù)制時(shí)需要消耗該種脫氧核苷酸多少個(gè)?(m·2n-1)

2.2.3應(yīng)用體驗(yàn) 提升科學(xué)思維

解題過程:依據(jù)DNA半保留復(fù)制的特點(diǎn),畫出DNA復(fù)制過程簡(jiǎn)圖(如圖3),然后依據(jù)題中信息,進(jìn)行推理分析并解答。

例3.(2023·濱州模擬)用15N標(biāo)記了兩條鏈含有100個(gè)堿基對(duì)的DNA分子,其中有胞嘧啶60個(gè),該DNA分子在含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)復(fù)制3次。下列有關(guān)說法中不正確的是

(B)

A.該DNA分子含有的氫鍵數(shù)目是260個(gè)

B.該DNA分子復(fù)制3次共需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸320個(gè)

C.子代DNA分子中含15N的單鏈與含14N的單鏈之比為1∶7

D.子代DNA分子中含15N的DNA分子與含14N 的DNA分子之比為1∶4

解析：結(jié)合圖3,依據(jù)題中信息可知,1個(gè)DNA經(jīng)過3次復(fù)制,共產(chǎn)生23=8個(gè)DNA分子。8個(gè)DNA分子都含14N,比例為100%。含15N的DNA有2個(gè)。根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,該DNA分子中含40個(gè)腺嘌呤脫氧核苷酸,復(fù)制3次需腺嘌呤脫氧核苷酸的數(shù)量=(23-1)×40=280個(gè)。由于A與T之間有2個(gè)氫鍵,G與C之間有3個(gè)氫鍵,所以該DNA分子含有的氫鍵數(shù)目為40×2+60×3=260個(gè),A正確,B錯(cuò)誤;由于DNA分子進(jìn)行半保留復(fù)制,最終只有2個(gè)子代DNA各含1條15N鏈,1條14N鏈,其余DNA都含14N,故子代DNA分子中含15N的單鏈與含14N的單鏈之比為2∶(16-2)=1∶7,C正確;子代DNA分子中只有2個(gè)子代DNA各含1條15N鏈,1條14N鏈,其余DNA都含14N,故含15N的DNA分子與含14N的DNA分子之比為2∶8=1∶4,D正確。

例4.(2021·山東卷)利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法,將含有基因修飾系統(tǒng)的T-DNA插入到水稻細(xì)胞M的某條染色體上,在該修飾系統(tǒng)的作用下,一個(gè)DNA分子單鏈上的一個(gè)C脫去氨基變?yōu)閁,脫氨基過程在細(xì)胞M中只發(fā)生一次。將細(xì)胞M培育成植株N。下列說法錯(cuò)誤的是

(D)

A.N的每一個(gè)細(xì)胞中都含有T-DNA

B.N自交,子一代中含T-DNA的植株占3/4

C.M經(jīng)n(n≥1)次有絲分裂后,脫氨基位點(diǎn)為A—U的細(xì)胞占1/2n

D.M經(jīng)3次有絲分裂后,含T-DNA且脫氨基位點(diǎn)為A—T的細(xì)胞占1/2

解析：N是由M細(xì)胞經(jīng)有絲分裂、分化形成的,在該過程中沒有DNA的丟失,由于T-DNA插入到水稻細(xì)胞M的某條染色體上,故N的每一個(gè)細(xì)胞中都含有T-DNA,A正確;N植株的一條染色體中含有T-DNA,可以記為+,故N植株含有T-DNA 的基因型記為+-,如果自交,則子代中相關(guān)的基因型為++∶+-∶--=1∶2∶1,有3/4的植株含T-DNA,B正確;M中只有1個(gè)DNA分子單鏈上的一個(gè)C脫去氨基變?yōu)閁,且脫氨基過程在細(xì)胞M中只發(fā)生一次,所以復(fù)制n次后,產(chǎn)生的子細(xì)胞有2n個(gè),但脫氨基位點(diǎn)為A—U的細(xì)胞只有1個(gè),故這種細(xì)胞的比例為1/2n,C正確;如果M經(jīng)3次有絲分裂后,形成子細(xì)胞有8個(gè),由于M細(xì)胞DNA分子單鏈上的一個(gè)C脫去氨基變?yōu)閁,即G和U配對(duì)并復(fù)制三次后,有4個(gè)細(xì)胞脫氨基位點(diǎn)為C—G,3個(gè)細(xì)胞脫氨基位點(diǎn)為 A—T,1個(gè)細(xì)胞脫氨基位點(diǎn)為U—A,故含T-DNA 且脫氨基位點(diǎn)為A—T的細(xì)胞占3/8,D錯(cuò)誤。

3.標(biāo)記DNA與細(xì)胞增殖綜合的相關(guān)計(jì)算

3.1 學(xué)情分析

學(xué)生對(duì)DNA復(fù)制、細(xì)胞增殖的基本過程比較熟悉,一旦將DNA復(fù)制與細(xì)胞增殖綜合,便會(huì)因缺乏對(duì)其微觀水平的有效聯(lián)系和轉(zhuǎn)化,而對(duì)此類試題束手無策。

3.2 突破策略

3.2.1基于原有知識(shí) 構(gòu)建模型

依據(jù)DNA與染色體的關(guān)系,構(gòu)建出DNA復(fù)制與染色體復(fù)制的關(guān)系(圖4),由圖4可知,復(fù)制后的子代DNA位于姐妹染色單體中,子代DNA隨姐妹染色單體的分離而分開,進(jìn)入不同的子細(xì)胞,從而建立細(xì)胞分裂中標(biāo)記DNA的數(shù)量變化。對(duì)于減數(shù)分裂而言,DNA只復(fù)制一次,故復(fù)制后細(xì)胞中的DNA均由一條標(biāo)記的母鏈和一條未標(biāo)記的子鏈構(gòu)成,與分裂次數(shù)無關(guān)。對(duì)于有絲分裂而言,細(xì)胞分裂一次,DNA就復(fù)制一次,其DNA復(fù)制與細(xì)胞分裂的情況如圖5所示。

圖4

圖5

3.2.2問題引導(dǎo) 自主總結(jié)規(guī)律

設(shè)置問題串,通過觀察圖5并依據(jù)有絲分裂的過程及染色體的變化特點(diǎn),推理分析,得出規(guī)律,突破標(biāo)記DNA與細(xì)胞增殖綜合的相關(guān)計(jì)算。

問題串1:DNA全部被15N標(biāo)記的一個(gè)細(xì)胞若含有2條染色體,該細(xì)胞在14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)并進(jìn)行有絲分裂。分裂一次后,含有15N的細(xì)胞有幾個(gè)?(2個(gè))

細(xì)胞中含有15N的染色體有幾條?(2條)

第2次有絲分裂后,含有15N的細(xì)胞有幾個(gè)?(2或3或4個(gè))

細(xì)胞中含有15N的染色體有幾條?(0或1或2條)

問題串2:DNA全部被15N標(biāo)記的一個(gè)細(xì)胞,含有2n條染色體,該細(xì)胞若在14N的培養(yǎng)基中進(jìn)行有絲分裂。第2次有絲分裂后,含有15N的細(xì)胞有幾個(gè)?(2或3或4個(gè))

細(xì)胞中含有15N的染色體有幾條?(0～2n條)

3.2.3應(yīng)用體驗(yàn) 提升科學(xué)思維

例5.現(xiàn)建立“動(dòng)物精原細(xì)胞(2n=4)有絲分裂和減數(shù)分裂過程”模型。1個(gè)精原細(xì)胞(假定DNA中的P都為32P,其它分子不含32P)在不含32P的培養(yǎng)液中正常培養(yǎng),分裂為2個(gè)子細(xì)胞,其中1個(gè)子細(xì)胞發(fā)育為細(xì)胞①。細(xì)胞①和②的染色體組成如圖6所示,H(h)、R(r)是其中的兩對(duì)基因,細(xì)胞②和③處于相同的分裂時(shí)期。下列敘述正確的是

圖6

(C)

A.細(xì)胞①形成過程中沒有發(fā)生基因重組

B.細(xì)胞②中最多有2條染色體含有32P

C.細(xì)胞②和細(xì)胞③中含有32P的染色體數(shù)相等

D.細(xì)胞④～⑦中含32P的核DNA分子數(shù)可能分別是2、1、1、1

解析：據(jù)題圖分析細(xì)胞①形成過程中有交叉互換,發(fā)生了基因重組,A錯(cuò)誤;題圖所示細(xì)胞示正在進(jìn)行減數(shù)分裂,DNA只復(fù)制了一次,細(xì)胞②③所有DNA均含有32P,細(xì)胞②中最多有4條染色體含有32P,B錯(cuò)誤;細(xì)胞②和細(xì)胞③中含有32P的染色體數(shù)相等,C正確;減數(shù)分裂產(chǎn)生4個(gè)子細(xì)胞的DNA分子數(shù)相等,細(xì)胞④～⑦中含32P的核DNA分子數(shù)分別應(yīng)是2、2、2、2,D錯(cuò)誤。

對(duì)于學(xué)生而言,用合適的科學(xué)思維方法重構(gòu)知識(shí)將更有利于學(xué)習(xí)與鞏固、理解與應(yīng)用。因此,在教學(xué)中教師進(jìn)行必要思維重構(gòu)的指導(dǎo),可以使學(xué)生自己尋找知識(shí)理解與內(nèi)化的障礙,最終實(shí)現(xiàn)“學(xué)習(xí)——反思——問題——上升——再學(xué)習(xí)——再反思——再問題——再上升”螺旋上升的良性學(xué)習(xí)通道,也使學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用原有知識(shí)解決復(fù)雜問題的方法。