浅析“结构与功能观”指导的DNA 拓展复习体系

贵州

“结构与功能观”是高中生物学科核心素养中“生命观念”下的重要观念之一，对于这一观念的培养应贯穿于整个生物教学过程中。这一观念也是培养学生更高层次的学科核心素养的重要基石。DNA是生物界主要的遗传物质，其功能与结构密切相关。从教学的角度来说，高中生物中很大一部分内容都与DNA 有直接或间接的联系。利用“结构决定功能”这一基本观念，将DNA 相关的知识进行有机地整合归纳，能有效地解决核酸的合成、PCR 技术、基因的表达等教学内容中的相关问题，化零为整，充分实现知识的迁移应用，构建完整的知识体系。

1.DNA相关知识的教学策略概述

1.1 “DNA”在新教材中的新思路（以人教版为例）

与2004 版人教版教材相比，2019 版人教版教材对“DNA”相关内容的编排顺序整体差异不大，但细节处理上有很多差异，主要体现在语言描述和知识的呈现方式等方面。这些改进使很多结论更明确、编写更合理、科学史部分更符合史实且容易理解，为教学过程提供了更大的便利。

2019 版人教版教材中与DNA 有关的内容同样分布在必修1 和必修2 中。必修1 中“核酸是遗传信息的携带者”的部分删除了“观察DNA 和RNA 在细胞中的分布”的实验，直接说明DNA 和RNA 在真核细胞中的分布情况。同时，将核酸的功能放在“核酸的种类及其分布”和“核酸由核苷酸连接而成的长链”之后，简单叙述核酸的结构，再表明核酸的功能。

必修2 在整体上保留了原来的知识结构，但同样有很大的变化，首先是章节标题的变化，由“DNA 分子的结构”修改为“DNA 的结构”；由“基因是有遗传效应的DNA片段”修改为“基因通常是有遗传效应的DNA片段”；由“基因对性状的控制”修改为“基因表达与性状的关系”；删除第6 章“从杂交育种到基因工程”的内容。其次是内容上的变化，除了语言描述明显简化以外，也出现了新的知识点，如“DNA 的结构”中，就介绍了脱氧核糖中碳原子的编号，并指明脱氧核苷酸链的3′-端和5′-端，而且在之后的“DNA 的复制” “基因指导蛋白质的合成”等内容中都对核苷酸链的顺序有说明。这个变化是目前发现的涉及面最广、作用最显著的变化。

综合分析可以发现，新教材的编写更加注重“结构决定功能”的结构与功能观。

1.2 “DNA”复习课的常规思路

通常来说，新课教学是以教材为知识的直接载体，所以新课教学基本都是按照教材编写顺序进行，偶有调整，这样有利于学生掌握基础知识和初步形成知识网络。而一轮复习几乎是完全按照教材顺序进行，少有调整和整合。二轮复习中，“核酸是遗传信息的携带者”这部分包含于“细胞的物质基础”这一专题，而“DNA 是主要的遗传物质”“DNA 分子的结构和复制”“基因的表达”则属于“遗传的分子基础”专题，其他的相关知识分散在各个专题之中。

高考题考查的知识往往是高度整合过的，思维的跨度比较大，需要充分地调动相关知识进行分析。这需要对知识之间的衔接和联系有一个充分地掌控。所以在复习过程中可以有意识地将相关知识进行总结，并在对应知识点的复习中进行相关知识的重复和迁移应用。

2.DNA复习教学的延伸与关联

2.1 DNA 与核酸家族

DNA 与RNA 同属核酸家族，分别由脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸构成。在真核细胞中，DNA 主要分布在细胞核中，线粒体和叶绿体含有少量DNA；RNA 主要分布在细胞质中，但多数RNA 在细胞核中合成。原核细胞的DNA 主要分布在拟核中，RNA 分布在细胞质中。除了人巨细胞病毒等少数病毒外，绝大多数病毒都只含有一种核酸，即只含有DNA 或者RNA。大多数生物以DNA 为遗传物质，但只含有RNA 的病毒以RNA 为遗传物质。

2.2 DNA 与基因

DNA 是大多数生物的遗传物质，对于这些生物来说，他们的基因位于DNA 上。但并非所有的DNA 序列都能控制生物的性状，只有某些区域完成转录和翻译（或另有某些基因转录）后，才能控制生物的性状，这些区域称为基因，而这种能控制生物性状的特性称为“遗传效应”。所以，基因通常是具有遗传效应的DNA 片段。但某些病毒（如HIV 等）没有DNA，遗传信息直接储存在RNA 中，所以这些病毒的基因位于RNA 上。

2.3 DNA 合成概述（含DNA 的复制、逆转录、PCR 技术）

DNA 是由脱氧核糖核苷酸组成的，合成DNA 的过程通常有DNA 的复制、逆转录、PCR 技术等。DNA 的复制和逆转录是DNA 的生物合成过程（细胞内合成），PCR 技术（聚合酶链式反应）是一种以DNA 为模板的体外扩增技术。这些过程都需要消耗能量和原料，并且需要酶的催化和引物的辅助，有很大的相似性，但又不完全相同：逆转录的模板是RNA，DNA 的复制和PCR 技术的模板都是DNA；虽然所需的酶各有差异，但合成DNA 的直接原料都是脱氧核糖核苷酸。

2.3.1 DNA 的复制与ATP

DNA 的复制过程是需要能量的，首先是双链DNA 解旋的过程需要能量，这些能量由ATP 水解提供。其次是脱氧核苷酸聚合的过程需要能量。实际上，不论是DNA 的复制还是PCR 技术过程，都不是直接以脱氧核糖核苷酸为原料的，而是以脱氧三磷酸核苷（dNTP）为原料。dNTP在结构上含有两个高能磷酸键，除了提供合成DNA 所需的原料外，还为DNA 聚合的过程提供能量，所以这个过程消耗的能量不是由ATP 直接提供的。

2.3.2 DNA 的合成与酶

DNA 是在细胞内合成的，主要包括解旋和聚合两个过程，需要解旋酶和DNA 聚合酶的参与。但DNA 的两条链是反向平行的，而DNA 聚合酶只能从已有核苷酸片段的3′-端开始，沿着3′→5′的方向合成子链DNA，所以两条子链的合成方向是相反的。其中一条链的合成方向与亲代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，这些新合成的片段被称为冈崎片段。在冈崎片段加工和连接形成完整的子链DNA 的过程中，需要DNA 连接酶的参与。

由上文所述，DNA 聚合酶不能将两个游离的脱氧核苷酸直接聚合，因此DNA 的复制与PCR 技术一样，都需要引物的参与。DNA 复制的起始，DNA 引物酶能以解旋的DNA 链为模板合成一段引物。原核生物的引物是单链RNA 片段，真核生物的引物大多数是单链RNA 片段，也有少部分是单链DNA 片段。

综上所述，DNA 复制的过程中，需要解旋酶、DNA聚合酶、DNA 引物酶、DNA 连接酶等多种酶的参与。PCR 技术的原理虽然是DNA 的双链复制，很多条件与DNA 的复制也极为相似，但由于很多过程是人为操作的，所以只需要加入Taq 聚合酶（一种耐热的DNA 聚合酶）。PCR 技术过程中，解旋是通过高温变性完成的，不需要解旋酶；引物是外界加入的，不需要DNA 引物酶；PCR 技术扩增的往往是较短的片段，在变性（解旋）完成之后才进行子链的聚合，所以两条子链都是从引物开始连续合成的，不需要DNA 连接酶。

DNA 还可以通过逆转录合成。逆转录是以RNA 为模板，在逆转录酶的作用下合成DNA-RNA 复合物，再合成双链DNA 的过程。整个过程需要逆转录酶、DNA 聚合酶等酶的催化。

2.4 DNA 与半自主性细胞器

真核细胞的线粒体和叶绿体被称为半自主性细胞器。线粒体和叶绿体中都含有少量的DNA，这是其他细胞器（不含细胞核）不具备的，而且线粒体和叶绿体中的DNA都可以进行自我复制。此外，线粒体和叶绿体中还含有mRNA、tRNA、rRNA、核糖体等物质，具备基因表达的条件，线粒体DNA 和叶绿体DNA 上的基因能进行表达并产生具有生物活性的蛋白质。在线粒体和叶绿体中均发现上千种蛋白质，但至今发现叶绿体仅能合成13 种蛋白质，线粒体能合成60 多种蛋白质。

线粒体和叶绿体含有DNA，所以具有不同于其他细胞器的特性，不仅可以进行DNA 的复制，也能进行自我复制。但事实上，线粒体和叶绿体的生命活动，并非完全由自身的遗传物质（DNA）控制的，而是在很大程度上受到核基因的控制，也就是说线粒体和叶绿体的自主程度是有限的，所以称为半自主性细胞器。

2.5 DNA 与生物育种

常见的生物育种方法有杂交育种（基因重组）、诱变育种（基因突变）、单倍体育种（染色体变异）、多倍体育种（染色体变异）、基因工程育种（基因重组）、细胞工程育种（植物：细胞全能性；动物：细胞核全能性、细胞增殖）。

事实上，育种的核心就是“基因控制性状”，通过改变原有的基因种类、基因组成、基因数量等进而改变生物的性状，从而获得具有新性状或新性状组合的生物个体。体现了基因结构决定蛋白质（或酶）的结构，蛋白质的结构决定功能，最终表现为生物性状的差异。

2.6 DNA 与细胞分裂

细胞以分裂的方式进行增殖，细胞增殖是生物体生殖、生长和发育的基础。细胞分裂以DNA 的复制为前提，二者之间存在必然的联系。以真核细胞的有丝分裂和减数分裂为例，在有丝分裂间期和减数第一次分裂间期，染色体复制的本质就是DNA 的复制和有关蛋白质的合成。事实上，染色体复制之后，数量并未发生变化，复制产生的两个子代DNA 分子与蛋白质结合后，由同一个着丝点连接成一条染色体，两个子代DNA 所构成的结构称为姐妹染色单体。

以有丝分裂为例，细胞分裂过程中细胞结构上有几个典型的变化。首先是间期和前期的变化：（1）核DNA 复制，数量加倍；（2）复制产生的两条染色单体由同一个着丝点连接；（3）丝状的染色质高度螺旋形成短棒状的染色体；（4）核膜、核仁解体。其次是后期和末期的变化：（1）着丝点断裂，子染色体平均分配；（2）染色体解螺旋为染色质；（3）核膜和核仁的重建。

DNA 作为生物体的遗传物质，复制和均等分配能维持亲子代间遗传的稳定性；姐妹染色单体由同一个着丝点连接，能最大程度保证子染色体的平均分配；染色质高度螺旋成染色体，能尽可能地保证细胞分裂过程中染色体（质）（或DNA）不断裂；核膜和核仁有重要的作用，但核膜的存在会阻止纺锤丝与着丝点的结合，也会限制染色体的移动，所以核膜和核仁有周期性的解体和重建；染色体便于分配，但高度螺旋的染色体使DNA 无法解旋，而影响DNA 的复制和基因的表达，因此分裂结束后，染色体需要解螺旋。从整体来看，所有的结构变化都是保证DNA能在亲子代间稳定的遗传，且不影响基因的正常表达。

此外，在分裂期由于染色体高度螺旋化，DNA 不能解旋，所以不能进行基因的表达。但并非不能进行蛋白质的合成。分裂间期转录产生的mRNA 等物质会在细胞内存在较长时间，同时核糖体等结构稳定存在，所以分裂期能合成某些蛋白质。

3.DNA拓展教学的知识网络简图

通过知识网络能更清晰地厘清复习的思路，并且能更好地促进知识体系的构建（如图所示）。

4.结束语

以“结构决定功能”为核心的结构与功能观作为基础，充分分析DNA 的相关知识。在学习的同时，将已有的知识进行深度理解和高度概括，以知识网络为载体，不断补充和完善知识体系。将DNA 的结构、功能、复制；逆转录；PCR 技术；细胞分裂；半自主性细胞器；育种；核酸的物质组成等诸多内容纳入整体，融为一个体系，有利于促进深度学习，加强知识的迁移应用能力。