在“基因的表達(dá)”教學(xué)中滲透生物學(xué)思想

“基因的表達(dá)”一節(jié)內(nèi)容豐富、科學(xué)性和知識(shí)性強(qiáng)，是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神教育，提高學(xué)生的判斷推理能力、創(chuàng)新思維能力和探究事物的本質(zhì)能力，培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)思想的好題材。該部分教材的編寫結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯嚴(yán)密，便于學(xué)生閱讀、理解和記憶，教師只要以教材為基礎(chǔ)，合理組織材料，適當(dāng)編排，讓學(xué)生了解科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，再加上講課時(shí)恰到好處的點(diǎn)撥啟發(fā)和因勢利導(dǎo)，就能使學(xué)生領(lǐng)會(huì)科學(xué)家的思維方法，學(xué)會(huì)嘗試探究并體驗(yàn)成功，從而感受生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)的思想。筆者在這一小節(jié)的教學(xué)中做了如下這安排。

1 “基因——有遺傳效應(yīng)的DNA片段”教學(xué)

教師首先通過引導(dǎo)學(xué)生對DNA分子結(jié)構(gòu)的復(fù)習(xí)，使學(xué)生明白作為遺傳物質(zhì)的DNA具有分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、多樣性和物種特異性；復(fù)習(xí)DNA分子的復(fù)制使學(xué)生了解DNA能夠通過復(fù)制將遺傳信息傳遞給后代，從而保持前后代之間遺傳信息的連續(xù)性。然而，DNA作為遺傳物質(zhì)，怎樣使遺傳信息在后代個(gè)體中正確表達(dá)，讓后代表現(xiàn)出與親代相似的性狀呢？由此引出“DNA上的基因通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，來控制生物的新陳代謝過程以及表現(xiàn)的性狀”這一課題。

那么，什么是基因呢？這還得從孟德爾說起。1865年，孟德爾發(fā)表的《植物雜交試驗(yàn)》中提出了生物的性狀是由遺傳因子控制的觀點(diǎn)，這在當(dāng)時(shí)還只是邏輯推理的產(chǎn)物；1902年，德國細(xì)胞學(xué)家鮑韋利在用胚胎學(xué)和細(xì)胞學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法對馬蛔蟲和海膽的染色體進(jìn)行研究后，得出“染色體的行為與孟德爾遺傳因子具有平行關(guān)系”的結(jié)論；1903年，美國遺傳學(xué)家薩頓在對笨蝗精子形成過程中染色體變化的研究時(shí)，根據(jù)有絲分裂和減數(shù)分裂過程中染色體的變化規(guī)律推斷，控制生物性狀的遺傳因子存在于染色體上；1909年丹麥遺傳學(xué)家約翰遜第一次用gene這一名詞替代遺傳因子來表示遺傳的獨(dú)立單位，指出gene不僅是遺傳的基本單位，也是遺傳功能的一個(gè)基本單位，由于gene這一名詞簡捷易記，讀來上口，很快被生物學(xué)家們普遍接受，“基因”一詞即為gene的譯音而來；1908年，美國遺傳學(xué)家摩爾根在上千只果蠅培養(yǎng)瓶中，意外地發(fā)現(xiàn)了一只白眼雄果蠅(正常野生型果蠅均為紅眼)，通過一系列的試驗(yàn)和遺傳分析；1909年第一次把一個(gè)具體的基因(白眼基因)定位于一個(gè)特定的染色體——X染色體上，以后通過進(jìn)一步研究證明基因在染色體上呈線性排列，從而為遺傳的染色體理論提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，開辟了一條遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)直接結(jié)合的研究道路；1941年，美國生化遺傳學(xué)家比德爾用紅色面包霉(即脈孢菌)為試驗(yàn)材料，用營養(yǎng)缺陷型的研究方法進(jìn)行試驗(yàn)，提出“一個(gè)基因一種酶”的論斷，雖然現(xiàn)在看來這種說法存在一定的局限性，但他第一次將基因與酶這種特殊的蛋白質(zhì)聯(lián)系起來，也同時(shí)將基因這個(gè)遺傳單位通過酶(蛋白質(zhì))與生物的新陳代謝及其表現(xiàn)的性狀聯(lián)系起來，成為遺傳學(xué)研究的又一轉(zhuǎn)折；1953年4月25日，英國《自然》雜志上沃森和克里克的論文《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個(gè)結(jié)構(gòu)模型》的發(fā)表，一舉將生物遺傳學(xué)研究從細(xì)胞水平推向分子水平，成為分子生物學(xué)研究的一個(gè)里程碑。至此，科學(xué)家們才真正認(rèn)識(shí)到基因的本質(zhì)——即基因應(yīng)該是染色體上有遺傳效應(yīng)的DNA片段。后來的研究證明，線粒體、葉綠體、細(xì)菌質(zhì)粒以及噬菌體等結(jié)構(gòu)的DNA上也存在著基因，所以，基因的定義就自然地演變?yōu)椋夯颉羞z傳效應(yīng)的DNA片段。

然而，生物的性狀成萬上億，數(shù)目只有幾條至幾十條的染色體是如何決定如此多樣的生物性狀的呢？研究結(jié)果表明，每一條染色體只含有1個(gè)DNA分子，而每個(gè)DNA分子上卻可以有很多個(gè)基因，每個(gè)基因中又含有成百上千個(gè)脫氧核苷酸。由于不同基因的脫氧核苷酸排列順序(堿基順序)不同，因此，不同的基因就含有不同的遺傳信息，可以控制合成不同的蛋白質(zhì)，從而控制生物不同的遺傳性狀。所以，生物的基因通過DNA的復(fù)制過程將遺傳信息傳遞給下一代之后，再通過基因的表達(dá)，也就必然能夠使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳性狀。

這樣的教學(xué)安排能很好地體現(xiàn)出“生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)”的主體思想，讓學(xué)生在這樣的課堂環(huán)境下來探討基因與染色體、基因與蛋白質(zhì)及生物性狀、基因與DNA以及基因與遺傳信息之間的關(guān)系，就使原來枯燥抽象的知識(shí)變得形象、具體而且生動(dòng)，便于理解和接受。

2 “基因控制蛋白質(zhì)的合成”的教學(xué)

那么，染色體上的DNA存在于細(xì)胞核中，而蛋白質(zhì)的合成則是在細(xì)胞質(zhì)的核糖體上。在戰(zhàn)爭中運(yùn)籌帷幄之中的將軍要決勝于千里之外，必須有能夠準(zhǔn)確傳達(dá)命令的傳令兵，而在這里，將DNA上的遺傳信息準(zhǔn)確地傳達(dá)給核糖體的物質(zhì)是什么呢？

1955年，有人用洋蔥根尖和變形蟲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果加入RNA酶分解細(xì)胞中的RNA，蛋白質(zhì)合成就停止；而當(dāng)再加入從酵母中提取的RNA時(shí)，則又重新合成一定數(shù)量的蛋白質(zhì)。那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了什么問題呢？通過啟發(fā)學(xué)生不難看出，這里蛋白質(zhì)的合成顯然與RNA直接相關(guān)。那么，這個(gè)RNA又是怎樣的物質(zhì)呢？由此教師結(jié)合教材引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)RNA的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識(shí)，至此可做為1課時(shí)的內(nèi)容做一小結(jié)。而后提出問題：RNA是怎樣產(chǎn)生？又是怎樣準(zhǔn)確地將遺傳信息從細(xì)胞核DNA上的基因傳遞到細(xì)胞質(zhì)核糖體上的呢？這樣存疑激趣，吸引學(xué)生預(yù)習(xí)教材中后面的相關(guān)內(nèi)容作為下一課時(shí)的鋪墊。

1955年，拉斯特等人用變形蟲進(jìn)行換核實(shí)驗(yàn)，巧妙地證明了RNA是在細(xì)胞核中產(chǎn)生，然后又從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。其實(shí)驗(yàn)過程大致如下：

選生長狀況相同的同種變形蟲若干等分為2組，A組培養(yǎng)在用同位素標(biāo)記的尿嘧啶核苷培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)首先出現(xiàn)在細(xì)胞核中；B組培養(yǎng)在未標(biāo)記的尿嘧啶核苷培養(yǎng)液中，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)均未出現(xiàn)放射性物質(zhì)。這時(shí)通過對比思考，學(xué)生便能順利得出標(biāo)記的放射性物質(zhì)是RNA分子，它首先在細(xì)胞核中合成的結(jié)論(這里可再行設(shè)問：為什么先在細(xì)胞核中合成？細(xì)胞核中最重要的物質(zhì)是什么？這樣來暗示與DNA的關(guān)系)。在2組變形蟲均生長迅速且A組細(xì)胞核內(nèi)外放射性均較明顯時(shí)，將A組變形蟲的細(xì)胞核移植到B組變形蟲的細(xì)胞質(zhì)中，將B組變形蟲的細(xì)胞核移植到A組變形蟲的細(xì)胞質(zhì)中，分別進(jìn)行培養(yǎng)觀察。發(fā)現(xiàn)大部分帶有放射性標(biāo)記的RNA相繼從細(xì)胞核移入細(xì)胞質(zhì)中。那么，這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象又能說明什么問題呢？這時(shí)，教師稍加點(diǎn)撥，學(xué)生便會(huì)悟出，把DNA中的遺傳信息從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中控制蛋白質(zhì)合成的物質(zhì)，很可能就是RNA的道理，并據(jù)此溫習(xí)和鞏固了同位素示蹤法研究的有關(guān)知識(shí)。但是，RNA在細(xì)胞核中是怎樣合成，然后又怎樣轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中控制蛋白質(zhì)合成的呢？

1963年，科學(xué)家利用DNA-RNA雜合技術(shù)，通過噬菌體SP8侵染枯草桿菌的實(shí)驗(yàn)，證明了基因表達(dá)的第一個(gè)階段——轉(zhuǎn)錄是以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對原則，合成RNA的過程。該實(shí)驗(yàn)別具匠心地利用了噬菌體SP8 DNA的兩條脫氧核苷酸單鏈上的堿基組成很不平均的特點(diǎn)。其中一條鏈富含嘌呤，另一條互補(bǔ)鏈則富含嘧啶，因?yàn)猷堰时揉奏さ南鄬Ψ肿淤|(zhì)量大，所以富含嘌呤的“重”鏈與富含嘧啶的“輕”鏈在加熱變性后可按照密度梯度離心分開。他們在噬菌體SP8侵染枯草桿菌后，從枯草桿菌體內(nèi)分離出RNA，分別與DNA的重鏈和輕鏈混合并緩慢冷卻。結(jié)果發(fā)現(xiàn)噬菌體SP8侵染后形成的RNA只跟重鏈形成DNA-RNA的雜合分子。那么，這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么問題呢？經(jīng)過思考，學(xué)生很快就會(huì)得出，該RNA是以大腸桿菌體內(nèi)噬菌體SP8的DNA中，富含嘌呤的那條重鏈為模板，轉(zhuǎn)錄而成的結(jié)論。由此引出轉(zhuǎn)錄的概念。真核生物的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行的，它是指以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對原則，合成RNA的過程。通過轉(zhuǎn)錄，DNA上的基因就把遺傳信息傳遞到RNA上，這種RNA叫做信使RNA，簡寫為mRNA。信使RNA在細(xì)胞核中合成后，通過核膜上的核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，與核糖體結(jié)合起來。開始了基因表達(dá)的第二個(gè)階段——翻譯。但是，信使RNA上的堿基只有4種，而組成蛋白質(zhì)的氨基酸卻有20種，這僅有的4種堿基是怎樣決定組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸的特定排列順序，從而決定蛋白質(zhì)和生物性狀的特異性呢？這就涉及到了遺傳密碼的破譯問題。

早在1944年，奧地利物理學(xué)家薛定諤就在他的《生命是什么》一書中，最早提出了遺傳密碼的設(shè)想。他猜想染色體中的有機(jī)分子單體嚴(yán)格、精確地排列，構(gòu)成了遺傳密碼。遺傳密碼決定了生物的遺傳性狀。這個(gè)大膽的猜想吸引了包括沃森和克里克在內(nèi)的一批優(yōu)秀科學(xué)家投身到分子生物學(xué)的研究中，來破譯生命的密碼。

1953年，美國物理學(xué)家伽莫夫了解到DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)知識(shí)，便敏銳地意識(shí)到，DNA分子上的4種脫氧核苷酸（即4種堿基）很可能就是薛定諤所說的有機(jī)分子單體，他利用排列組合知識(shí)進(jìn)行計(jì)算，推斷出一個(gè)遺傳密碼子可能是由3個(gè)相鄰堿基組成的三聯(lián)體密碼，共64種遺傳密碼。而氨基酸只有20種，一種氨基酸可以對應(yīng)幾種遺傳密碼。

1959年，克里克在總結(jié)了許多科學(xué)家工作的基礎(chǔ)上，提出了遺傳信息除了可以通過DNA的復(fù)制傳遞給下一代以外，還可從DNA流向RNA，進(jìn)而流向蛋白質(zhì)的著名設(shè)想（即中心法則）。這樣，遺傳密碼就不再是DNA中的堿基序列，而變成信使RNA中的堿基序列了。

1961年美國生物化學(xué)家尼倫伯格首先用化學(xué)的方法合成了尿嘧啶（U）多聚體，他創(chuàng)造性地將該尿嘧啶多聚體放入一個(gè)含有核糖體和多種氨基酸的系統(tǒng)中，結(jié)果得到了完全由苯丙氨酸組成的蛋白質(zhì)。講課至此教師可巧設(shè)疑問：這個(gè)事件說明了什么問題？學(xué)生稍加思索后即可得出結(jié)論：世界上第一個(gè)生物遺傳密碼子——UUU宣告破譯！此后，各國科學(xué)家在此思路的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)合成含有不同堿基序列的RNA的方法，開展了密碼子的破譯工作，到1967年，科學(xué)家們破譯了全部遺傳密碼子，并編制出了密碼子表。

那么，氨基酸是怎樣被運(yùn)送到核糖體中，按照信使RNA上的遺傳密碼脫水縮合形成肽鍵，從而形成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的呢？這就需要一種特殊的運(yùn)載工具——轉(zhuǎn)移RNA。這樣由此引出tRNA的分子結(jié)構(gòu)和起譯、接肽、終止等翻譯過程的相關(guān)知識(shí)，以及翻譯的概念。

3 “基因?qū)π誀畹目刂啤钡慕虒W(xué)

最后教師將DNA的復(fù)制過程與轉(zhuǎn)錄、翻譯過程進(jìn)行綜合概括，總結(jié)“中心法則”的內(nèi)容及其補(bǔ)充和發(fā)展過程，讓學(xué)生明白，生物的一些基因通過控制酶的合成來控制新陳代謝過程，從而控制生物的性狀，例如白化病、苯丙酮尿癥等，就是由于相關(guān)的基因發(fā)生改變，無法合成正常的酶而引起的；另一些基因則通過控制蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)來直接影響生物的遺傳性狀，例如鐮刀型細(xì)胞貧血癥就是因?yàn)槿祟愌t蛋白的數(shù)百個(gè)氨基酸中，某位置的一個(gè)谷氨酸被纈氨酸替代而造成的等。按照這樣的思路安排教學(xué)過程更好地體現(xiàn)了生物科學(xué)的實(shí)驗(yàn)性。