“基因决定生物的性状”高三复习课设计

王 岩 （北京市通州区理工附中通州校区 北京 101119）

乙醛脱氢酶2（ALDH2）是参与人体内乙醛代谢的关键性酶,在细胞中起到防御醛类毒性的作用。当人体内存在乙醛脱氢酶2基因时，可以合成有活性的ALDH2，有效催化乙醛分解成乙酸，人饮酒后表现为脸色“正常”；当人体中存在突变的乙醛脱氢酶2基因时，合成无活性的ALDH2，导致乙醛继续留存在体内，使人酒后产生恶心欲吐、昏迷不适等不良症状。同时，乙醛会使毛细血管扩张，进而使人饮酒后表现为“脸红”。在“基因决定生物的性状”一节复习课中，尝试通过分析常见实例，学生运用所学知识解决实际问题。

1 案例描述与分析

1.1 教学内容分析 2016年北京理综卷的第30题中，学生对基因与性状之间的关系理解不够透彻，学生在解遗传题时存在一定的为难情绪，是该类题的得分率不高的重要原因。部分教师在对什么是显性基因、隐性基因的理解上仍存在误解。而且，教师讲授之后，仍有学生不理解，也不能很好地将知识迁移。针对这些情况，以人饮酒之后“脸红”或“正常”为情境展现，对基因决定的生物性状进行全新讲解，争取对“基因—蛋白质（结构蛋白/酶）—性状”有一定新的认识（图1）。

图1 本节课知识结构

1.2 学情分析 遗传和变异内容较难，也是学生掌握比较薄弱的部分。通过分析新的情境问题，通过思维活动、问题探讨，学生提取信息能力、实验分析和探究能力、语言表达能力都进行了适当的训练及培养。

学生从身边的问题出发，学会关注身边的现象，关心家人和朋友的健康，可以承担相关责任，并尝试运用所学知识解决实际问题。

2 教学目标设计

1）知识目标：概述基因与生物性状之间的关系。

2）能力目标：①通过文字、图片等资料的分析和探讨，培养获取信息、图文转换、实验分析、文字表述书写等能力；②通过对新情境资料的分析，培养知识迁移、解决实际问题的能力。

3）情感态度与价值观目标：①领悟结构和功能相适应的学科观点；②珍爱生命，认同生活方式与健康的关系；③体验生物技术与生物科学发展的关系。

3 教学重、难点

1）重点：显、隐性基因的判断。

2）难点：显、隐性基因的判断，电泳图的分析。

4 教学过程

4.1 情境展现人饮酒后“脸红”或“正常”的原因

酒精中的主要成分为乙醇。饮酒后,乙醇在体内主要通过胃和小肠吸收进行代谢,在体内的乙醇脱氢酶（ADH）、乙醛脱氢酶（ALDH）等相关酶的参与下进行。大部分乙醇主要经ADH作用生成乙醛,再经乙醛脱氢酶作用生成乙酸,然后进入氧化循环反应,最终代谢生成二氧化碳和水。当人体不能合成ALDH或ALDH活性较低时，不能催化分解乙醛，当乙醛不能及时代谢消耗，在体内大量积累时，会使毛细血管扩张，而脸部毛细血管的扩张才是脸红的主要原因（图2）。

图2 人饮酒后脸红的原因[1］

通过情境的展现，学生从宏观的角度了解饮酒后人“脸红”“正常”的原因，对生物性状有整体的认识，并训练了对新情境的理解、信息的提取、图文转换等能力。

4.2 基因决定生物的性状 饮酒后人“脸红”“正常”都是生物的性状，而决定性状的根本原因是基因。在饮酒后“脸红”或“正常”的人体内，控制合成ALDH2的相关基因有什么区别？情境展现：ALDH2基因位于人类第12号染色体，长约44 kb，包含13个外显子，编码的多肽链含有517个氨基酸残基。

ALDH2存在多个功能性单核苷酸多态性（SNP）位点，国内、外研究最为热门的位点系外显子12中的一个鸟嘌呤（G，野生型）被腺嘌呤（A，突变型）替代，导致其编码的多肽链第 487位的谷氨酸 （Glu）变 为 赖 氨 酸 （Lys）即 Glu487Lys，野 生 型等位基因用ALDH2*1表示，突变型等位基因用ALDH2*2表示。由于乙醛脱氢酶是随机组合的四聚体，一个突变型的亚基影响了四聚体的稳定性，进而影响酶的活性。故野生型ALDH2基因（ALDH2*1）表达可合成乙醛脱氢酶，催化乙醛生成乙酸。突变体ALDH2基因（ALDH2*2）合成的酶没有活性。现科学家通过DNA测序技术，将ALDH2*1和ALDH2*2基因进行了碱基测序（图3、图4）。

引导学生提取信息，并思考相关问题：

1）ALDH2代表的意义是什么？

2）ALDH2的合成由什么决定？

3）ALDH2基因位于几号染色体上？

4）ALDH2基因有几种？是一对什么基因？2种基因的作用分别是什么？

5）通过观察可知，突变体ALDH2基因的碱基发生什么变化？

6）此种变异属于什么变异？

7）野生型ALDH2基因用G表示，突变型ALDH2用A表示。试写出人群中有关ALDH2基因的基因型。

性状是表观遗传学，如何使学生能够和分子遗传学中的基因联系在一起是重点也是难点。学生对此内容存在非常大的思维障碍。通过相关资料的分析，考查学生对文字和相关图片提取相关信息的能力。同时，引导学生从表观遗传学到分子遗传学思维的转变。理解基因—蛋白质（酶/结构蛋白）—性状的过程。

4.3 人群中ALDH相关基因型的决定 情境展现：研究发现，ALDH2基因中存在特异性片段为339 bp（图5），野生型基因G可被限制性内切酶Eco 57I（限制性片段长度多态性，RFLP）切割成263 bp和76 bp 2个条带，而突变型基因A，由于碱基序列发生改变，丧失了酶切位点，不能被切割，电泳结果仍为339 bp条带。应用此技术，对某家系成员相关DNA进行实验并电泳结果（图6）：

图 5 ALDH2 基因特异性片段电泳图[4－5］

图6 某家系成员相关DNA电泳结果[4－5］

引导学生提取信息，并思考相关问题：

1）在基因研究中，常需利用限制酶，限制酶的功能是什么？

2）通过观察电泳结果可知，如果1号和3号婚配，F1可能是图2中的几号个体？

3）基因型是什么？

4）属于纯合子还是杂合子？

生物学是理科学科，是通过实验探究得出相关结论的一门学科。对实验的探究、理解、分析是生物学科的重点。对电泳图的分析，有助于学生对信息的提取及实验的分析。

4.4 显、隐基因的判断 有活性的ALDH2为同源四聚化合物。杂合子（GA）中，正常基因和突变基因等量表达，其表达有活性的ALDH2的概率大约是6.25%，表达量太少，所以杂合子的个体的酶活性几乎没有，喝酒后会有脸红现象[6］。

引导学生提取信息，并思考相关问题：突变基因是显性基因还是隐性基因？你判断的依据是什么？

该问题为主观题，符合近几年北京高考的方向，由学生思考后书写（图7、图8），训练学生主观题的阐述和书写能力。通过对相关性状的分析，明确显、隐性基因；同时，也可通过显、隐性基因的作用，明确生物的性状。

图7 学生书写答案（1）

图8 学生书写答案（2）

4.5 大量饮酒的危害

1）调查发现，突变纯合体（AA)每周过量饮酒次数＞3次，患肝癌风险的是野生纯合体（GG）的3倍多。同时，患胃癌易感性达2.46～2.72倍。突变纯合体少量饮酒后，就会出现全身潮红、头痛、心悸及恶心呕吐等不良症状，这些症状的出现，反而传递给饮酒者一定的信息，要少量饮酒，可视为对自身的“保护性”[7－8］。

2）摄入人体的酒精，除少部分通过呼吸、汗液和尿液排出体外，95%～98%需要通过肝脏代谢。当摄入酒精量超过人体乙醇代谢速率时，将会引起肝脏损伤，即酒精性肝病。

3）通过比较人饮酒前、后脑CT相关图片，以及不同浓度乙醇作用不同时间大鼠神经元的细胞活力的实验，学生就饮酒对人类的相关影响开展讨论。

4）酒驾的危害。观看中央电视台新闻直播间有关酒驾视频。

5）解酒药的用途。

通过以上大量事实的呈现，学生感受到大量饮酒的危害，在倡导健康生活的同时，感悟生命的珍贵，并培养一定的社会责任心。

4.6 前景展望 运用基因工程的方法研制新型解酒药，由学生自主讨论基因工程技术的应用，将知识进行迁移，学会学以致用。

5 成效与反思

本节课从学生日常生活中常见的现象入手，从表观遗传学到分子遗传学，利用大量的资料、图片、电泳实验，引导学生逐层分析，了解相关遗传题的研究及思考思路，学生获取信息的能力、图文转换的能力、实验分析的能力、文字表述书写的能力都有所提高的同时，对遗传及变异的本质也有了充分的了解，极大提高了课堂效率。通过对新情境的分析，学生达到“科学－技术－社会”的应用。同时，通过对饮酒的危害、酒驾的危害及解酒药的研制等方面的探讨，让课堂教学不仅仅是传授知识，还应该注重引导学生如何学会健康地生活，感悟生命的珍贵。

6 教师知识拓展

6.1 SNP SNP（单核苷酸多态性的简称），全称Single Nucleotide Polymorphisms。所表现的多态性只涉及到单个碱基的变异，即通常说的基因的点突变，这种变异可由单个碱基的转换（transition）或颠换（transversion）所引起，也可由碱基的插入或缺失所致。但通常所说的SNP并不包括后2种情况。由转换和颠换引起的变异，二者之比为2∶1。SNP在CG序列上出现最为频繁，而且多是C转换为T，原因是CG中的胞嘧啶常被甲基化，而后自发地脱氨成为胸腺嘧啶。一般而言，SNP是指变异频率大于1%的单核苷酸变异。在人类基因组中大概每1 000个碱基就有一个SNP，人类基因组上的SNP总量大概是3×106个 。因此,SNP成为第3代遗传标志,人体许多表型差异、对药物或疾病的易感性等都可能与SNP有关。

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，同一突变位点向不同方向发生突变所形成的等位基因。

非全同等位基因（heteroallele）：在同一基因座位中，不同突变位点发生突变所形成的等位基因。

6.3 RFLP RFLP（限制性片段长度多态性的简称），全称 restrictionfragment length polymorphism。是利用限制性内切酶能识别DNA分子的特异序列，并在特定序列处切开DNA分子，即产生限制性片段的特性，对于不同种群的生物个体而言，其DNA序列存在差别。如果这种差别恰好发生在内切酶的酶切位点，并使内切酶识别序列变成了不能识别序列，或是这种差别使本来不是内切酶识别位点的DNA序列变成了内切酶识别位点。这样就导致了用限制性内切酶酶切该DNA序列时，就会少一个或多一个酶切位点，结果产生少一个或多一个的酶切片段。由此形成了用同一种限制性内切酶切割不同物种DNA序列时，产生不同长度大小、不同数量的限制性酶切片段。后将这些片段电泳、转膜、变性，与标记过的探针进行杂交、洗膜，即可分析其多态性结果。