淺析“結構與功能觀”指導的DNA 拓展復習體系

貴州

“結構與功能觀”是高中生物學科核心素養中“生命觀念”下的重要觀念之一，對于這一觀念的培養應貫穿于整個生物教學過程中。這一觀念也是培養學生更高層次的學科核心素養的重要基石。DNA是生物界主要的遺傳物質，其功能與結構密切相關。從教學的角度來說，高中生物中很大一部分內容都與DNA 有直接或間接的聯系。利用“結構決定功能”這一基本觀念，將DNA 相關的知識進行有機地整合歸納，能有效地解決核酸的合成、PCR 技術、基因的表達等教學內容中的相關問題，化零為整，充分實現知識的遷移應用，構建完整的知識體系。

1.DNA相關知識的教學策略概述

1.1 “DNA”在新教材中的新思路（以人教版為例）

與2004 版人教版教材相比，2019 版人教版教材對“DNA”相關內容的編排順序整體差異不大，但細節處理上有很多差異，主要體現在語言描述和知識的呈現方式等方面。這些改進使很多結論更明確、編寫更合理、科學史部分更符合史實且容易理解，為教學過程提供了更大的便利。

2019 版人教版教材中與DNA 有關的內容同樣分布在必修1 和必修2 中。必修1 中“核酸是遺傳信息的攜帶者”的部分刪除了“觀察DNA 和RNA 在細胞中的分布”的實驗，直接說明DNA 和RNA 在真核細胞中的分布情況。同時，將核酸的功能放在“核酸的種類及其分布”和“核酸由核苷酸連接而成的長鏈”之后，簡單敘述核酸的結構，再表明核酸的功能。

必修2 在整體上保留了原來的知識結構，但同樣有很大的變化，首先是章節標題的變化，由“DNA 分子的結構”修改為“DNA 的結構”；由“基因是有遺傳效應的DNA片段”修改為“基因通常是有遺傳效應的DNA片段”；由“基因對性狀的控制”修改為“基因表達與性狀的關系”；刪除第6 章“從雜交育種到基因工程”的內容。其次是內容上的變化，除了語言描述明顯簡化以外，也出現了新的知識點，如“DNA 的結構”中，就介紹了脫氧核糖中碳原子的編號，并指明脫氧核苷酸鏈的3′-端和5′-端，而且在之后的“DNA 的復制” “基因指導蛋白質的合成”等內容中都對核苷酸鏈的順序有說明。這個變化是目前發現的涉及面最廣、作用最顯著的變化。

綜合分析可以發現，新教材的編寫更加注重“結構決定功能”的結構與功能觀。

1.2 “DNA”復習課的常規思路

通常來說，新課教學是以教材為知識的直接載體，所以新課教學基本都是按照教材編寫順序進行，偶有調整，這樣有利于學生掌握基礎知識和初步形成知識網絡。而一輪復習幾乎是完全按照教材順序進行，少有調整和整合。二輪復習中，“核酸是遺傳信息的攜帶者”這部分包含于“細胞的物質基礎”這一專題，而“DNA 是主要的遺傳物質”“DNA 分子的結構和復制”“基因的表達”則屬于“遺傳的分子基礎”專題，其他的相關知識分散在各個專題之中。

高考題考查的知識往往是高度整合過的，思維的跨度比較大，需要充分地調動相關知識進行分析。這需要對知識之間的銜接和聯系有一個充分地掌控。所以在復習過程中可以有意識地將相關知識進行總結，并在對應知識點的復習中進行相關知識的重復和遷移應用。

2.DNA復習教學的延伸與關聯

2.1 DNA 與核酸家族

DNA 與RNA 同屬核酸家族，分別由脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸構成。在真核細胞中，DNA 主要分布在細胞核中，線粒體和葉綠體含有少量DNA；RNA 主要分布在細胞質中，但多數RNA 在細胞核中合成。原核細胞的DNA 主要分布在擬核中，RNA 分布在細胞質中。除了人巨細胞病毒等少數病毒外，絕大多數病毒都只含有一種核酸，即只含有DNA 或者RNA。大多數生物以DNA 為遺傳物質，但只含有RNA 的病毒以RNA 為遺傳物質。

2.2 DNA 與基因

DNA 是大多數生物的遺傳物質，對于這些生物來說，他們的基因位于DNA 上。但并非所有的DNA 序列都能控制生物的性狀，只有某些區域完成轉錄和翻譯（或另有某些基因轉錄）后，才能控制生物的性狀，這些區域稱為基因，而這種能控制生物性狀的特性稱為“遺傳效應”。所以，基因通常是具有遺傳效應的DNA 片段。但某些病毒（如HIV 等）沒有DNA，遺傳信息直接儲存在RNA 中，所以這些病毒的基因位于RNA 上。

2.3 DNA 合成概述（含DNA 的復制、逆轉錄、PCR 技術）

DNA 是由脫氧核糖核苷酸組成的，合成DNA 的過程通常有DNA 的復制、逆轉錄、PCR 技術等。DNA 的復制和逆轉錄是DNA 的生物合成過程（細胞內合成），PCR 技術（聚合酶鏈式反應）是一種以DNA 為模板的體外擴增技術。這些過程都需要消耗能量和原料，并且需要酶的催化和引物的輔助，有很大的相似性，但又不完全相同：逆轉錄的模板是RNA，DNA 的復制和PCR 技術的模板都是DNA；雖然所需的酶各有差異，但合成DNA 的直接原料都是脫氧核糖核苷酸。

2.3.1 DNA 的復制與ATP

DNA 的復制過程是需要能量的，首先是雙鏈DNA 解旋的過程需要能量，這些能量由ATP 水解提供。其次是脫氧核苷酸聚合的過程需要能量。實際上，不論是DNA 的復制還是PCR 技術過程，都不是直接以脫氧核糖核苷酸為原料的，而是以脫氧三磷酸核苷（dNTP）為原料。dNTP在結構上含有兩個高能磷酸鍵，除了提供合成DNA 所需的原料外，還為DNA 聚合的過程提供能量，所以這個過程消耗的能量不是由ATP 直接提供的。

2.3.2 DNA 的合成與酶

DNA 是在細胞內合成的，主要包括解旋和聚合兩個過程，需要解旋酶和DNA 聚合酶的參與。但DNA 的兩條鏈是反向平行的，而DNA 聚合酶只能從已有核苷酸片段的3′-端開始，沿著3′→5′的方向合成子鏈DNA，所以兩條子鏈的合成方向是相反的。其中一條鏈的合成方向與親代DNA 的解旋方向相反，只能解旋一段之后再合成，而且是片段式的合成，這些新合成的片段被稱為岡崎片段。在岡崎片段加工和連接形成完整的子鏈DNA 的過程中，需要DNA 連接酶的參與。

由上文所述，DNA 聚合酶不能將兩個游離的脫氧核苷酸直接聚合，因此DNA 的復制與PCR 技術一樣，都需要引物的參與。DNA 復制的起始，DNA 引物酶能以解旋的DNA 鏈為模板合成一段引物。原核生物的引物是單鏈RNA 片段，真核生物的引物大多數是單鏈RNA 片段，也有少部分是單鏈DNA 片段。

綜上所述，DNA 復制的過程中，需要解旋酶、DNA聚合酶、DNA 引物酶、DNA 連接酶等多種酶的參與。PCR 技術的原理雖然是DNA 的雙鏈復制，很多條件與DNA 的復制也極為相似，但由于很多過程是人為操作的，所以只需要加入Taq 聚合酶（一種耐熱的DNA 聚合酶）。PCR 技術過程中，解旋是通過高溫變性完成的，不需要解旋酶；引物是外界加入的，不需要DNA 引物酶；PCR 技術擴增的往往是較短的片段，在變性（解旋）完成之后才進行子鏈的聚合，所以兩條子鏈都是從引物開始連續合成的，不需要DNA 連接酶。

DNA 還可以通過逆轉錄合成。逆轉錄是以RNA 為模板，在逆轉錄酶的作用下合成DNA-RNA 復合物，再合成雙鏈DNA 的過程。整個過程需要逆轉錄酶、DNA 聚合酶等酶的催化。

2.4 DNA 與半自主性細胞器

真核細胞的線粒體和葉綠體被稱為半自主性細胞器。線粒體和葉綠體中都含有少量的DNA，這是其他細胞器（不含細胞核）不具備的，而且線粒體和葉綠體中的DNA都可以進行自我復制。此外，線粒體和葉綠體中還含有mRNA、tRNA、rRNA、核糖體等物質，具備基因表達的條件，線粒體DNA 和葉綠體DNA 上的基因能進行表達并產生具有生物活性的蛋白質。在線粒體和葉綠體中均發現上千種蛋白質，但至今發現葉綠體僅能合成13 種蛋白質，線粒體能合成60 多種蛋白質。

線粒體和葉綠體含有DNA，所以具有不同于其他細胞器的特性，不僅可以進行DNA 的復制，也能進行自我復制。但事實上，線粒體和葉綠體的生命活動，并非完全由自身的遺傳物質（DNA）控制的，而是在很大程度上受到核基因的控制，也就是說線粒體和葉綠體的自主程度是有限的，所以稱為半自主性細胞器。

2.5 DNA 與生物育種

常見的生物育種方法有雜交育種（基因重組）、誘變育種（基因突變）、單倍體育種（染色體變異）、多倍體育種（染色體變異）、基因工程育種（基因重組）、細胞工程育種（植物：細胞全能性；動物：細胞核全能性、細胞增殖）。

事實上，育種的核心就是“基因控制性狀”，通過改變原有的基因種類、基因組成、基因數量等進而改變生物的性狀，從而獲得具有新性狀或新性狀組合的生物個體。體現了基因結構決定蛋白質（或酶）的結構，蛋白質的結構決定功能，最終表現為生物性狀的差異。

2.6 DNA 與細胞分裂

細胞以分裂的方式進行增殖，細胞增殖是生物體生殖、生長和發育的基礎。細胞分裂以DNA 的復制為前提，二者之間存在必然的聯系。以真核細胞的有絲分裂和減數分裂為例，在有絲分裂間期和減數第一次分裂間期，染色體復制的本質就是DNA 的復制和有關蛋白質的合成。事實上，染色體復制之后，數量并未發生變化，復制產生的兩個子代DNA 分子與蛋白質結合后，由同一個著絲點連接成一條染色體，兩個子代DNA 所構成的結構稱為姐妹染色單體。

以有絲分裂為例，細胞分裂過程中細胞結構上有幾個典型的變化。首先是間期和前期的變化：（1）核DNA 復制，數量加倍；（2）復制產生的兩條染色單體由同一個著絲點連接；（3）絲狀的染色質高度螺旋形成短棒狀的染色體；（4）核膜、核仁解體。其次是后期和末期的變化：（1）著絲點斷裂，子染色體平均分配；（2）染色體解螺旋為染色質；（3）核膜和核仁的重建。

DNA 作為生物體的遺傳物質，復制和均等分配能維持親子代間遺傳的穩定性；姐妹染色單體由同一個著絲點連接，能最大程度保證子染色體的平均分配；染色質高度螺旋成染色體，能盡可能地保證細胞分裂過程中染色體（質）（或DNA）不斷裂；核膜和核仁有重要的作用，但核膜的存在會阻止紡錘絲與著絲點的結合，也會限制染色體的移動，所以核膜和核仁有周期性的解體和重建；染色體便于分配，但高度螺旋的染色體使DNA 無法解旋，而影響DNA 的復制和基因的表達，因此分裂結束后，染色體需要解螺旋。從整體來看，所有的結構變化都是保證DNA能在親子代間穩定的遺傳，且不影響基因的正常表達。

此外，在分裂期由于染色體高度螺旋化，DNA 不能解旋，所以不能進行基因的表達。但并非不能進行蛋白質的合成。分裂間期轉錄產生的mRNA 等物質會在細胞內存在較長時間，同時核糖體等結構穩定存在，所以分裂期能合成某些蛋白質。

3.DNA拓展教學的知識網絡簡圖

通過知識網絡能更清晰地厘清復習的思路，并且能更好地促進知識體系的構建（如圖所示）。

4.結束語

以“結構決定功能”為核心的結構與功能觀作為基礎，充分分析DNA 的相關知識。在學習的同時，將已有的知識進行深度理解和高度概括，以知識網絡為載體，不斷補充和完善知識體系。將DNA 的結構、功能、復制；逆轉錄；PCR 技術；細胞分裂；半自主性細胞器；育種；核酸的物質組成等諸多內容納入整體，融為一個體系，有利于促進深度學習，加強知識的遷移應用能力。