从学科观点和核心概念出发复习“DNA的结构与功能”，本文主要内容关键词为：学科论文,观点论文,核心论文,概念论文,结构论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在高三生物学复习课中，围绕生物学学科观点和核心概念，设计课堂提问，组织学生讨论，将学生逐步引向对学科观点和核心概念的理解，帮助学生处理好整体与局部的关系，摆脱对细节知识的纠缠，可有效提高复习效果。笔者在高三复习课“DNA的结构与功能”一节的复习课设计中，帮助学生体会结构与功能相统一的生物学基本观点，取得了较好的效果。
一、本节内容的学科观点、核心概念及教学目标
1.学科观点与核心概念
通过分析DNA分子的结构特点如何实现其作为遗传物质所具有的功能来说明“结构与功能相统一”的生物学观点。本节复习课核心概念是：①与RNA分子相比，DNA分子的双螺旋结构更稳定，有利于携带和贮存遗传信息；②DNA分子的双螺旋结构为遗传信息的传递提供精确的模板，半保留复制的方式保证了遗传信息的稳定传递；③DNA结构中模板链上的遗传信息可以通过转录和翻译过程，转变为具有特定氨基酸顺序的蛋白质，从而决定生物的性状；基因对性状的控制还受到环境条件的影响；④DNA分子结构能产生可遗传的变异，使生物在与环境的相互作用中得以保存和发展。
2.教学目标
通过学生回忆，澄清基本概念，利用板书绘制概念图，建立基本概念之间的联系。在此基础上，通过问题讨论引领学生思考并建立上述核心概念和学科观点。
二、教学设计
1.第一部分：回忆梳理基本概念，联系澄清概念事实
直入关于“DNA的结构与功能”主题：同学们能回忆起哪些概念？学生通常能回忆起遗传信息、基因、DNA双螺旋结构以及DNA的功能等相关知识。学生回答顺序是随机的，需要教师将重要的名词概念从学生的回答中拣出，写在黑板的一定位置上，逐步建立这些概念间的联系。学生在回答时出现语言描述不准确的地方，需教师及时更正，对学生没有想到的内容，需教师通过提问启发引导。例如，对“遗传信息”的内容，教师要求学生说明遗传信息是指什么，要求学生分析染色体、DNA、基因三者之间的关系。通过学生回忆并回答，需教师发现和澄清学生对基本概念模糊的地方，比如“指出磷酸二酯链的位置”、“如何理解DNA两条链反向平行？”、“转录时仅以基因的一条链为模板，为什么基因一定是双链？”等问题。用板书概念图的形式梳理基本概念（下页图1）。
2.第二部分：讨论提升核心概念，感悟及认同学科观点
在复习基本概念的基础上，围绕两个核心问题进行讨论：①比较DNA与RNA结构——分析自然界为什么选择DNA作为一切细胞生物的遗传物质？②分析DNA结构如何实现作为遗传物质的功能？
（1）DNA与RNA相比，结构更稳定，更适合作为遗传物质。科学家推测，在原始生命诞生时，曾经存在过RNA世界，RNA分子可以携带遗传信息，又有酶的催化功能。RNA可以指导蛋白质合成，蛋白质作为酶要比RNA作为酶更具优势，前者是钥匙和锁的关系；后者是门闩和闩的关系。有了蛋白质作为酶，就有可能出现逆转录酶，才有可能将RNA逆转录为DNA分子，后出现的DNA分子可谓青出于蓝而胜于蓝，被自然选择保留作为细胞生物的遗传物质。
出示DNA和RNA结构图，让学生分辨哪一个是DNA链，哪一个是RNA链，说出判断的理由。学生利用所学知识区分DNA和RNA之后，思考：“自然界为什么选择DNA作为细胞生物的遗传物质？”学生能从某些角度提出解释时，往往还需要教师提供素材。
①DNA的双链结构有利于遗传信息的稳定贮存。学生能提出：DNA是双链，RNA多数是单链，DNA的双链结构中，携带遗传信息的碱基在内部堆积，较稳定，特别是双链中有一条链上的碱基如果发生变化，还可以以另一条链的信息作为模板，加以修补。作为某些病毒遗传物质的RNA分子的不稳定性，恰恰可为病毒的生存提供更多的机会。而作为病毒以外的生物，基因的稳定性是必不可少的。
有些学生提出问题：“DNA双链中一条链的某碱基突变了，细胞怎样知道修复哪一条链呢？”一般基因突变往往发生在复制的时候，在新形成的子链上碱基出现错配，在DNA复制时，模板链的特定部位是被甲基化的，即有分子标识，这样进行DNA修复的酶可以顺利认出哪条是模板链，哪条是新合成的子链，切去子链中出错的碱基。
②DNA含脱氧核糖，有利于使分子结构更加稳定。学生指出DNA分子中含脱氧核糖，而RNA分子含有核糖，在五碳糖的2号碳上是否含有氧对分子结构可能产生影响。教师提供下列素材：在碱性环境下，RNA分子中核糖的2号碳上的-OH会失一个氢原子而裸露出电子，这个电子对会攻击RNA链上邻近的磷酸二酯键，使得磷酸二酯键断裂，导致RNA分子断裂（见下页图2）；而DNA分子脱氧核糖的2号碳上没有游离的-OH，不会经由碱的作用而产生相同的反应，不会形成2，3-环形磷酸盐的中间产物，因此，RNA分子一般较DNA分子短，且不如DNA分子稳定[1]。
③DNA分子中书写遗传信息的碱基是A、T、C、G，为什么不用U。比较三种嘧啶分子的结构可以看出，C和U的结构很相近，C与T差异较大（见下页图3）。DNA以T代U，其生物学意义十分重大。碱基C在某种条件下容易氧化脱氨基而成U；如果DNA本来就有U，那么新变过来的U和原有的U就无法区别，这样会把遗传信息搞乱。DNA无U有T，新变过来的U一看就是“不速之客”，可以马上清除，保持原有遗传信息的稳定性[2]。
（2）DNA的结构与功能的联系。进化选择了分子结构更趋稳定的DNA作为遗传物质，DNA的结构又如何实现遗传物质应具有的功能呢？对这个问题的讨论中，学生大多能够说出若干条理由。例如，DNA分子碱基排序千变万化，可以携带大量的遗传信息；DNA的半保留复制方式保证了遗传信息的稳定传递；DNA可以通过转录翻译指导蛋白质的合成；DNA会产生基因突变，是生物变异的根本来源，为生物进化提供原始的选择材料。在此基础上教师进一步提出问题促进学生思考，可加深对核心概念的理解。
问题1：为什么半保留复制能保证遗传信息的稳定传递？是什么保证了DNA复制时不出差错？学生思考后能体会到，DNA的双链为复制提供精确的模板，碱基互补配对原则保证了准确复制，边解旋边复制保证了子链遗传信息的稳定。
此时，教师可提供关于“DNA聚合酶”的素材，帮助学生进一步理解遗传信息在传递给子代时是高度保真的。在大肠杆菌细胞内，存在DNA聚合酶Ⅰ、DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ，其中DNA聚合酶Ⅲ用来催化子链的延伸，它兼有校对功能，即如果发现碱基错配，会切掉错配碱基，配以正确的碱基。这样就能理解，在PCR技术中，为什么一定需要引物，也就是DNA聚合酶一定在已有的碱基之后接上新的脱氧核苷酸，而且是确定这个碱基配对无误后才继续催化子链延伸，这并不意味着反应速度减慢，它以每秒钟催化800～1000个碱基配对，错配率是
，即100万个碱基发生一个错配，加上DNA聚合酶Ⅰ、DNA聚合酶Ⅱ的修复功能，使大肠杆菌的错配率达到
（这是在体外测定的值，在大肠杆菌细胞内，错配率还会更低）。可见DNA复制是高度准确的。如果没有酶的作用，碱基由于热力学原因发生配对，出错率为
，即100个碱基就会出现一个错配。当然还要指出，DNA的这种稳定性与进化水平相适宜，是相对的[3]。
问题2：原核细胞和真核细胞DNA在指导蛋白质合成上有什么不同？学生能指出原核细胞转录翻译在时空上没有分隔，即转录还未结束，翻译已经开始。而真核细胞的转录发生在细胞核内，翻译发生在细胞质中，在时空上有了分隔，这为基因表达的调控增加了中间环节。真核细胞DNA被包裹在细胞核内，与原核细胞相比，更有利于遗传信息的稳定保藏，有科学家打比方说“DNA分子运筹帷幄，深居简出，有事让RNA分子去做”，这种比喻十分恰当。
问题3：大家熟悉这样一个表达式：表现型=基因型+环境条件，为什么基因控制性状要受到环境条件的影响？引导学生认识，DNA上的碱基排序反映到蛋白质的氨基酸排序上，这中间经历的化学反应有转录和翻译过程，还有复杂的加工与修饰过程，每步化学反应都会受到环境条件如温度等的影响，所以基因能否控制产生相应的性状，还取决于环境条件。
问题4：（此题是学生在上课中提出来的）DNA结构中基因只占很少一部分，猜测DNA分子中那么多无遗传效应的碱基序列是如何形成的？可能有什么作用？对这个问题的讨论，学生猜想和解释有多种，这同样是科学家们感兴趣的问题，解释也有多种。
有观点认为垃圾DNA是在进化过程中形成的逐渐失去功能的基因，科学家敲除了老鼠的垃圾DNA的部分碱基序列，发现这种老鼠似乎与正常老鼠没有什么不同。
人类基因组中34亿个碱基，只有2%控制蛋白质合成，有科学家坚信，另98%一定有其特定的用途。他们打比方说“很难想象，一部100 min的电视剧，只有2 min的正剧，却插播98 min的广告。”许多科学家在垃圾DNA中掏宝。
有科学家认为垃圾DNA中存在着假基因，这些基因可能是某个功能基因的拷贝，但后来变异后逐渐丧失了原有的基因功能而成为假基因，假基因有朝一日可能会突变成某个功能基因，赋予生物新的性状，适应新的环境，为生物进化做准备。
有实验发现，破坏老鼠的某一个假基因后，和它相邻的真的基因也不工作了，这说明这个假基因与真基因表达有密切联系。科学家们发现许多不编码蛋白质的基因转录RNA分子，许多RNA分子有调节基因开启和关闭的作用。
科学家们检测了人21号染色体上一组非基因区域，发现在14种哺乳动物中，这些序列甚至比编码蛋白质区域更加保守。保守的程度表明，这些还没有被确定的区域是有功能的。
还有科学家认为垃圾DNA可以包容外来插入的序列，比如病毒基因组，以减少对正常基因的损伤。
对上述垃圾DNA功能的讨论和不断探索基于一个基本的生物学观点，即人们相信结构决定功能，也许该重新认识垃圾DNA，甚至重新定义基因的概念。最后这个讨论题是开放性的，没有固定答案，给学生留下了无限的畅想。
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