“基因決定生物的性狀”高三復(fù)習(xí)課設(shè)計

王 巖 （北京市通州區(qū)理工附中通州校區(qū) 北京 101119）

乙醛脫氫酶2（ALDH2）是參與人體內(nèi)乙醛代謝的關(guān)鍵性酶,在細(xì)胞中起到防御醛類毒性的作用。當(dāng)人體內(nèi)存在乙醛脫氫酶2基因時，可以合成有活性的ALDH2，有效催化乙醛分解成乙酸，人飲酒后表現(xiàn)為臉色“正常”；當(dāng)人體中存在突變的乙醛脫氫酶2基因時，合成無活性的ALDH2，導(dǎo)致乙醛繼續(xù)留存在體內(nèi)，使人酒后產(chǎn)生惡心欲吐、昏迷不適等不良癥狀。同時，乙醛會使毛細(xì)血管擴張，進而使人飲酒后表現(xiàn)為“臉紅”。在“基因決定生物的性狀”一節(jié)復(fù)習(xí)課中，嘗試通過分析常見實例，學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題。

1 案例描述與分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容分析 2016年北京理綜卷的第30題中，學(xué)生對基因與性狀之間的關(guān)系理解不夠透徹，學(xué)生在解遺傳題時存在一定的為難情緒，是該類題的得分率不高的重要原因。部分教師在對什么是顯性基因、隱性基因的理解上仍存在誤解。而且，教師講授之后，仍有學(xué)生不理解，也不能很好地將知識遷移。針對這些情況，以人飲酒之后“臉紅”或“正常”為情境展現(xiàn)，對基因決定的生物性狀進行全新講解，爭取對“基因—蛋白質(zhì)（結(jié)構(gòu)蛋白/酶）—性狀”有一定新的認(rèn)識（圖1）。

圖1 本節(jié)課知識結(jié)構(gòu)

1.2 學(xué)情分析 遺傳和變異內(nèi)容較難，也是學(xué)生掌握比較薄弱的部分。通過分析新的情境問題，通過思維活動、問題探討，學(xué)生提取信息能力、實驗分析和探究能力、語言表達能力都進行了適當(dāng)?shù)挠?xùn)練及培養(yǎng)。

學(xué)生從身邊的問題出發(fā)，學(xué)會關(guān)注身邊的現(xiàn)象，關(guān)心家人和朋友的健康，可以承擔(dān)相關(guān)責(zé)任，并嘗試運用所學(xué)知識解決實際問題。

2 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

1）知識目標(biāo)：概述基因與生物性狀之間的關(guān)系。

2）能力目標(biāo)：①通過文字、圖片等資料的分析和探討，培養(yǎng)獲取信息、圖文轉(zhuǎn)換、實驗分析、文字表述書寫等能力；②通過對新情境資料的分析，培養(yǎng)知識遷移、解決實際問題的能力。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：①領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的學(xué)科觀點；②珍愛生命，認(rèn)同生活方式與健康的關(guān)系；③體驗生物技術(shù)與生物科學(xué)發(fā)展的關(guān)系。

3 教學(xué)重、難點

1）重點：顯、隱性基因的判斷。

2）難點：顯、隱性基因的判斷，電泳圖的分析。

4 教學(xué)過程

4.1 情境展現(xiàn)人飲酒后“臉紅”或“正?！钡脑?/p>

酒精中的主要成分為乙醇。飲酒后,乙醇在體內(nèi)主要通過胃和小腸吸收進行代謝,在體內(nèi)的乙醇脫氫酶（ADH）、乙醛脫氫酶（ALDH）等相關(guān)酶的參與下進行。大部分乙醇主要經(jīng)ADH作用生成乙醛,再經(jīng)乙醛脫氫酶作用生成乙酸,然后進入氧化循環(huán)反應(yīng),最終代謝生成二氧化碳和水。當(dāng)人體不能合成ALDH或ALDH活性較低時，不能催化分解乙醛，當(dāng)乙醛不能及時代謝消耗，在體內(nèi)大量積累時，會使毛細(xì)血管擴張，而臉部毛細(xì)血管的擴張才是臉紅的主要原因（圖2）。

圖2 人飲酒后臉紅的原因[1］

通過情境的展現(xiàn)，學(xué)生從宏觀的角度了解飲酒后人“臉紅”“正?！钡脑?，對生物性狀有整體的認(rèn)識，并訓(xùn)練了對新情境的理解、信息的提取、圖文轉(zhuǎn)換等能力。

4.2 基因決定生物的性狀 飲酒后人“臉紅”“正常”都是生物的性狀，而決定性狀的根本原因是基因。在飲酒后“臉紅”或“正常”的人體內(nèi)，控制合成ALDH2的相關(guān)基因有什么區(qū)別？情境展現(xiàn)：ALDH2基因位于人類第12號染色體，長約44 kb，包含13個外顯子，編碼的多肽鏈含有517個氨基酸殘基。

ALDH2存在多個功能性單核苷酸多態(tài)性（SNP）位點，國內(nèi)、外研究最為熱門的位點系外顯子12中的一個鳥嘌呤（G，野生型）被腺嘌呤（A，突變型）替代，導(dǎo)致其編碼的多肽鏈第 487位的谷氨酸 （Glu）變 為 賴 氨 酸 （Lys）即 Glu487Lys，野 生 型等位基因用ALDH2*1表示，突變型等位基因用ALDH2*2表示。由于乙醛脫氫酶是隨機組合的四聚體，一個突變型的亞基影響了四聚體的穩(wěn)定性，進而影響酶的活性。故野生型ALDH2基因（ALDH2*1）表達可合成乙醛脫氫酶，催化乙醛生成乙酸。突變體ALDH2基因（ALDH2*2）合成的酶沒有活性。現(xiàn)科學(xué)家通過DNA測序技術(shù)，將ALDH2*1和ALDH2*2基因進行了堿基測序（圖3、圖4）。

引導(dǎo)學(xué)生提取信息，并思考相關(guān)問題：

1）ALDH2代表的意義是什么？

2）ALDH2的合成由什么決定？

3）ALDH2基因位于幾號染色體上？

4）ALDH2基因有幾種？是一對什么基因？2種基因的作用分別是什么？

5）通過觀察可知，突變體ALDH2基因的堿基發(fā)生什么變化？

6）此種變異屬于什么變異？

7）野生型ALDH2基因用G表示，突變型ALDH2用A表示。試寫出人群中有關(guān)ALDH2基因的基因型。

性狀是表觀遺傳學(xué)，如何使學(xué)生能夠和分子遺傳學(xué)中的基因聯(lián)系在一起是重點也是難點。學(xué)生對此內(nèi)容存在非常大的思維障礙。通過相關(guān)資料的分析，考查學(xué)生對文字和相關(guān)圖片提取相關(guān)信息的能力。同時，引導(dǎo)學(xué)生從表觀遺傳學(xué)到分子遺傳學(xué)思維的轉(zhuǎn)變。理解基因—蛋白質(zhì)（酶/結(jié)構(gòu)蛋白）—性狀的過程。

4.3 人群中ALDH相關(guān)基因型的決定 情境展現(xiàn)：研究發(fā)現(xiàn)，ALDH2基因中存在特異性片段為339 bp（圖5），野生型基因G可被限制性內(nèi)切酶Eco 57I（限制性片段長度多態(tài)性，RFLP）切割成263 bp和76 bp 2個條帶，而突變型基因A，由于堿基序列發(fā)生改變，喪失了酶切位點，不能被切割，電泳結(jié)果仍為339 bp條帶。應(yīng)用此技術(shù)，對某家系成員相關(guān)DNA進行實驗并電泳結(jié)果（圖6）：

圖 5 ALDH2 基因特異性片段電泳圖[4－5］

圖6 某家系成員相關(guān)DNA電泳結(jié)果[4－5］

引導(dǎo)學(xué)生提取信息，并思考相關(guān)問題：

1）在基因研究中，常需利用限制酶，限制酶的功能是什么？

2）通過觀察電泳結(jié)果可知，如果1號和3號婚配，F(xiàn)1可能是圖2中的幾號個體？

3）基因型是什么？

4）屬于純合子還是雜合子？

生物學(xué)是理科學(xué)科，是通過實驗探究得出相關(guān)結(jié)論的一門學(xué)科。對實驗的探究、理解、分析是生物學(xué)科的重點。對電泳圖的分析，有助于學(xué)生對信息的提取及實驗的分析。

4.4 顯、隱基因的判斷 有活性的ALDH2為同源四聚化合物。雜合子（GA）中，正?；蚝屯蛔兓虻攘勘磉_，其表達有活性的ALDH2的概率大約是6.25%，表達量太少，所以雜合子的個體的酶活性幾乎沒有，喝酒后會有臉紅現(xiàn)象[6］。

引導(dǎo)學(xué)生提取信息，并思考相關(guān)問題：突變基因是顯性基因還是隱性基因？你判斷的依據(jù)是什么？

該問題為主觀題，符合近幾年北京高考的方向，由學(xué)生思考后書寫（圖7、圖8），訓(xùn)練學(xué)生主觀題的闡述和書寫能力。通過對相關(guān)性狀的分析，明確顯、隱性基因；同時，也可通過顯、隱性基因的作用，明確生物的性狀。

圖7 學(xué)生書寫答案（1）

圖8 學(xué)生書寫答案（2）

4.5 大量飲酒的危害

1）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，突變純合體（AA)每周過量飲酒次數(shù)＞3次，患肝癌風(fēng)險的是野生純合體（GG）的3倍多。同時，患胃癌易感性達2.46～2.72倍。突變純合體少量飲酒后，就會出現(xiàn)全身潮紅、頭痛、心悸及惡心嘔吐等不良癥狀，這些癥狀的出現(xiàn)，反而傳遞給飲酒者一定的信息，要少量飲酒，可視為對自身的“保護性”[7－8］。

2）攝入人體的酒精，除少部分通過呼吸、汗液和尿液排出體外，95%～98%需要通過肝臟代謝。當(dāng)攝入酒精量超過人體乙醇代謝速率時，將會引起肝臟損傷，即酒精性肝病。

3）通過比較人飲酒前、后腦CT相關(guān)圖片，以及不同濃度乙醇作用不同時間大鼠神經(jīng)元的細(xì)胞活力的實驗，學(xué)生就飲酒對人類的相關(guān)影響開展討論。

4）酒駕的危害。觀看中央電視臺新聞直播間有關(guān)酒駕視頻。

5）解酒藥的用途。

通過以上大量事實的呈現(xiàn)，學(xué)生感受到大量飲酒的危害，在倡導(dǎo)健康生活的同時，感悟生命的珍貴，并培養(yǎng)一定的社會責(zé)任心。

4.6 前景展望 運用基因工程的方法研制新型解酒藥，由學(xué)生自主討論基因工程技術(shù)的應(yīng)用，將知識進行遷移，學(xué)會學(xué)以致用。

5 成效與反思

本節(jié)課從學(xué)生日常生活中常見的現(xiàn)象入手，從表觀遺傳學(xué)到分子遺傳學(xué)，利用大量的資料、圖片、電泳實驗，引導(dǎo)學(xué)生逐層分析，了解相關(guān)遺傳題的研究及思考思路，學(xué)生獲取信息的能力、圖文轉(zhuǎn)換的能力、實驗分析的能力、文字表述書寫的能力都有所提高的同時，對遺傳及變異的本質(zhì)也有了充分的了解，極大提高了課堂效率。通過對新情境的分析，學(xué)生達到“科學(xué)－技術(shù)－社會”的應(yīng)用。同時，通過對飲酒的危害、酒駕的危害及解酒藥的研制等方面的探討，讓課堂教學(xué)不僅僅是傳授知識，還應(yīng)該注重引導(dǎo)學(xué)生如何學(xué)會健康地生活，感悟生命的珍貴。

6 教師知識拓展

6.1 SNP SNP（單核苷酸多態(tài)性的簡稱），全稱Single Nucleotide Polymorphisms。所表現(xiàn)的多態(tài)性只涉及到單個堿基的變異，即通常說的基因的點突變，這種變異可由單個堿基的轉(zhuǎn)換（transition）或顛換（transversion）所引起，也可由堿基的插入或缺失所致。但通常所說的SNP并不包括后2種情況。由轉(zhuǎn)換和顛換引起的變異，二者之比為2∶1。SNP在CG序列上出現(xiàn)最為頻繁，而且多是C轉(zhuǎn)換為T，原因是CG中的胞嘧啶常被甲基化，而后自發(fā)地脫氨成為胸腺嘧啶。一般而言，SNP是指變異頻率大于1%的單核苷酸變異。在人類基因組中大概每1 000個堿基就有一個SNP，人類基因組上的SNP總量大概是3×106個 。因此,SNP成為第3代遺傳標(biāo)志,人體許多表型差異、對藥物或疾病的易感性等都可能與SNP有關(guān)。

6.2 全同等位基因/非全同等位基因

全同等位基因（homoallele）：在同一基因座位中，同一突變位點向不同方向發(fā)生突變所形成的等位基因。

非全同等位基因（heteroallele）：在同一基因座位中，不同突變位點發(fā)生突變所形成的等位基因。

6.3 RFLP RFLP（限制性片段長度多態(tài)性的簡稱），全稱 restrictionfragment length polymorphism。是利用限制性內(nèi)切酶能識別DNA分子的特異序列，并在特定序列處切開DNA分子，即產(chǎn)生限制性片段的特性，對于不同種群的生物個體而言，其DNA序列存在差別。如果這種差別恰好發(fā)生在內(nèi)切酶的酶切位點，并使內(nèi)切酶識別序列變成了不能識別序列，或是這種差別使本來不是內(nèi)切酶識別位點的DNA序列變成了內(nèi)切酶識別位點。這樣就導(dǎo)致了用限制性內(nèi)切酶酶切該DNA序列時，就會少一個或多一個酶切位點，結(jié)果產(chǎn)生少一個或多一個的酶切片段。由此形成了用同一種限制性內(nèi)切酶切割不同物種DNA序列時，產(chǎn)生不同長度大小、不同數(shù)量的限制性酶切片段。后將這些片段電泳、轉(zhuǎn)膜、變性，與標(biāo)記過的探針進行雜交、洗膜，即可分析其多態(tài)性結(jié)果。