DNA相關計算的突破策略

于彥軍

(新疆烏蘇市第一中學)

在一輪復習中,如何基于學生原有知識,引導學生運用科學的方法進行高效的復習,有效突破DNA的相關計算,促進學生科學思維的發(fā)展呢?

筆者借鑒元認知理論,指導學生從“學”的角度去尋找學習的根源性因素,用科學的方法加以引導、開發(fā)和完善,從而使學生掌握并運用DNA的相關知識,突破DNA有關的計算,提高復習的效率。

1.DNA結構的相關計算

1.1 學情分析

在學生的原有知識中,對DNA的組成、結構、結構特點及簡單計算等比較熟悉,但對于DNA結構中較復雜的計算存在膽怯與不理解,往往采取背誦公式、套用公式的方法應對試題,既不利于學生解題技能的提升,也不利于學生運用科學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 簡化模型

利用思維導圖梳理知識,以清除學生認知盲點(圖1),為構建并理解簡化DNA結構模型做準備。簡化模型易于觀察、分析,學生更容易發(fā)現(xiàn)并總結規(guī)律,DNA的結構模型簡化如圖2所示。

圖2

1.2.2問題引導 自主總結規(guī)律

設置問題串,通過觀察圖2并結合堿基互補對原則,推理分析,得出規(guī)律,實現(xiàn)學生對原有知識的運用和重構,同時培養(yǎng)學生運用科學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應用體驗 提升科學思維

解題過程:畫出DNA結構簡化模型(圖2),將題中信息代入圖2,結合堿基配對原則,進行推理分析。

例1.(2023·山東淄博高三月考)下列關于雙鏈DNA分子結構的敘述,正確的是

(D)

A.某DNA分子含有500個堿基,可能的排列方式有4500種

B.若質粒含有2 000個堿基,則該分子同時含有2個游離的磷酸基團

C.某DNA分子內胞嘧啶占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,占總堿基的26%,則該DNA分子上有鳥嘌呤288個

解析：某DNA分子含有500個堿基,則有 250個堿基對,故可能的排列方式有4250種,A錯誤;質粒是環(huán)狀DNA分子,其中不含游離的磷酸基團,B錯誤;某DNA分子內胞嘧啶占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錯誤;某DNA分子上有胸腺嘧啶312個,占總堿基的26%,則該DNA分子上堿基總數(shù)為312/26%=1 200個,根據(jù)堿基互補配對原則,該DNA分子中有鳥嘌呤1 200×(50%-26%)=288個,D正確。

例2.某DNA分子含有1 000個堿基對,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

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

D.由于堿基互補配對,DNA分子中C與G的和一定占50%

解析：該DNA分子中含有1 000個堿基對,則有2 000個堿基,其中A占30%,則T也占30%,A和T的數(shù)目均為2 000×30%=600個,G和C占(1-30%-30%)/2=20%,則G和C數(shù)目均為2 000×20%=400個。由于A和T堿基對有2個氫鍵,G和C堿基對有3個氫鍵。所以該DNA分子含有的氫鍵數(shù)為600×2+400×3=2.4×103個,A正確;由于雙鏈DNA分子中,A與T配對,G與C配對,所以該DNA分子的兩條單鏈中(A+C)/(T+G)的值互為倒數(shù),B錯誤;根據(jù)該DNA分子中堿基A的數(shù)目為600個,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,C錯誤;由于堿基互補配對,DNA分子中C與G的含量相等,但占比不定,D錯誤。

2.DNA復制的相關計算

2.1 學情分析

學生對DNA復制的概念、時期、場所、過程、結果、特點等知識比較熟悉,但對于DNA復制過程中原料的消耗、標記單鏈、標記DNA分子等計算存在問題。

2.2 突破策略

2.2.1基于原有知識 簡化模型

依據(jù)DNA半保留復制的特點,將15N標記的DNA放在含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)復制n次,其復制過程用圖3簡單表示,以便學生觀察、分析。

圖3

2.2.2問題引導 自主總結規(guī)律

設置問題串,通過觀察圖3并依據(jù)半保留復制的特點,推理分析,得出規(guī)律,實現(xiàn)學生對原有知識的運用和重構,同時培養(yǎng)學生運用科學的思維方法解決問題的能力。

問題串1:復制n次后,子代DNA分子共有幾個?(2n)

含15N的DNA分子有幾個?(2個)

只含15N 的DNA分子有幾個?(0個)

含14N的DNA分子有幾個?(2n個)

只含14N的DNA分子有幾個?(2n-2個)

問題串2:復制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,經過n次復制需要消耗該種脫氧核苷酸多少個?[m·(2n-1)]

第n次復制時需要消耗該種脫氧核苷酸多少個?(m·2n-1)

2.2.3應用體驗 提升科學思維

解題過程:依據(jù)DNA半保留復制的特點,畫出DNA復制過程簡圖(如圖3),然后依據(jù)題中信息,進行推理分析并解答。

例3.(2023·濱州模擬)用15N標記了兩條鏈含有100個堿基對的DNA分子,其中有胞嘧啶60個,該DNA分子在含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)復制3次。下列有關說法中不正確的是

(B)

A.該DNA分子含有的氫鍵數(shù)目是260個

B.該DNA分子復制3次共需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸320個

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：結合圖3,依據(jù)題中信息可知,1個DNA經過3次復制,共產生23=8個DNA分子。8個DNA分子都含14N,比例為100%。含15N的DNA有2個。根據(jù)堿基互補配對原則,該DNA分子中含40個腺嘌呤脫氧核苷酸,復制3次需腺嘌呤脫氧核苷酸的數(shù)量=(23-1)×40=280個。由于A與T之間有2個氫鍵,G與C之間有3個氫鍵,所以該DNA分子含有的氫鍵數(shù)目為40×2+60×3=260個,A正確,B錯誤;由于DNA分子進行半保留復制,最終只有2個子代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)利用農桿菌轉化法,將含有基因修飾系統(tǒng)的T-DNA插入到水稻細胞M的某條染色體上,在該修飾系統(tǒng)的作用下,一個DNA分子單鏈上的一個C脫去氨基變?yōu)閁,脫氨基過程在細胞M中只發(fā)生一次。將細胞M培育成植株N。下列說法錯誤的是

(D)

A.N的每一個細胞中都含有T-DNA

B.N自交,子一代中含T-DNA的植株占3/4

C.M經n(n≥1)次有絲分裂后,脫氨基位點為A—U的細胞占1/2n

D.M經3次有絲分裂后,含T-DNA且脫氨基位點為A—T的細胞占1/2

解析：N是由M細胞經有絲分裂、分化形成的,在該過程中沒有DNA的丟失,由于T-DNA插入到水稻細胞M的某條染色體上,故N的每一個細胞中都含有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DNA分子單鏈上的一個C脫去氨基變?yōu)閁,且脫氨基過程在細胞M中只發(fā)生一次,所以復制n次后,產生的子細胞有2n個,但脫氨基位點為A—U的細胞只有1個,故這種細胞的比例為1/2n,C正確;如果M經3次有絲分裂后,形成子細胞有8個,由于M細胞DNA分子單鏈上的一個C脫去氨基變?yōu)閁,即G和U配對并復制三次后,有4個細胞脫氨基位點為C—G,3個細胞脫氨基位點為 A—T,1個細胞脫氨基位點為U—A,故含T-DNA 且脫氨基位點為A—T的細胞占3/8,D錯誤。

3.標記DNA與細胞增殖綜合的相關計算

3.1 學情分析

學生對DNA復制、細胞增殖的基本過程比較熟悉,一旦將DNA復制與細胞增殖綜合,便會因缺乏對其微觀水平的有效聯(lián)系和轉化,而對此類試題束手無策。

3.2 突破策略

3.2.1基于原有知識 構建模型

依據(jù)DNA與染色體的關系,構建出DNA復制與染色體復制的關系(圖4),由圖4可知,復制后的子代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,進入不同的子細胞,從而建立細胞分裂中標記DNA的數(shù)量變化。對于減數(shù)分裂而言,DNA只復制一次,故復制后細胞中的DNA均由一條標記的母鏈和一條未標記的子鏈構成,與分裂次數(shù)無關。對于有絲分裂而言,細胞分裂一次,DNA就復制一次,其DNA復制與細胞分裂的情況如圖5所示。

圖4

圖5

3.2.2問題引導 自主總結規(guī)律

設置問題串,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,推理分析,得出規(guī)律,突破標記DNA與細胞增殖綜合的相關計算。

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

細胞中含有15N的染色體有幾條?(2條)

第2次有絲分裂后,含有15N的細胞有幾個?(2或3或4個)

細胞中含有15N的染色體有幾條?(0或1或2條)

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

細胞中含有15N的染色體有幾條?(0～2n條)

3.2.3應用體驗 提升科學思維

例5.現(xiàn)建立“動物精原細胞(2n=4)有絲分裂和減數(shù)分裂過程”模型。1個精原細胞(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個子細胞,其中1個子細胞發(fā)育為細胞①。細胞①和②的染色體組成如圖6所示,H(h)、R(r)是其中的兩對基因,細胞②和③處于相同的分裂時期。下列敘述正確的是

圖6

(C)

A.細胞①形成過程中沒有發(fā)生基因重組

B.細胞②中最多有2條染色體含有32P

C.細胞②和細胞③中含有32P的染色體數(shù)相等

D.細胞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)題圖分析細胞①形成過程中有交叉互換,發(fā)生了基因重組,A錯誤;題圖所示細胞示正在進行減數(shù)分裂,DNA只復制了一次,細胞②③所有DNA均含有32P,細胞②中最多有4條染色體含有32P,B錯誤;細胞②和細胞③中含有32P的染色體數(shù)相等,C正確;減數(shù)分裂產生4個子細胞的DNA分子數(shù)相等,細胞④～⑦中含32P的核DNA分子數(shù)分別應是2、2、2、2,D錯誤。

對于學生而言,用合適的科學思維方法重構知識將更有利于學習與鞏固、理解與應用。因此,在教學中教師進行必要思維重構的指導,可以使學生自己尋找知識理解與內化的障礙,最終實現(xiàn)“學習——反思——問題——上升——再學習——再反思——再問題——再上升”螺旋上升的良性學習通道,也使學生學會運用原有知識解決復雜問題的方法。