DNA相关计算的突破策略

于彦军

(新疆乌苏市第一中学)

在一轮复习中,如何基于学生原有知识,引导学生运用科学的方法进行高效的复习,有效突破DNA的相关计算,促进学生科学思维的发展呢?

笔者借鉴元认知理论,指导学生从“学”的角度去寻找学习的根源性因素,用科学的方法加以引导、开发和完善,从而使学生掌握并运用DNA的相关知识,突破DNA有关的计算,提高复习的效率。

1.DNA结构的相关计算

1.1 学情分析

在学生的原有知识中,对DNA的组成、结构、结构特点及简单计算等比较熟悉,但对于DNA结构中较复杂的计算存在胆怯与不理解,往往采取背诵公式、套用公式的方法应对试题,既不利于学生解题技能的提升,也不利于学生运用科学的思维方法解决问题能力的培养。

1.2 突破策略

1.2.1基于原有知识 简化模型

利用思维导图梳理知识,以清除学生认知盲点(图1),为构建并理解简化DNA结构模型做准备。简化模型易于观察、分析,学生更容易发现并总结规律,DNA的结构模型简化如图2所示。

图2

1.2.2问题引导 自主总结规律

设置问题串,通过观察图2并结合碱基互补对原则,推理分析,得出规律,实现学生对原有知识的运用和重构,同时培养学生运用科学的思维方法解决问题的能力。

问题1:双链DNA分子中,嘌呤数、嘧啶数、碱基总数三者之间有何关系?(嘌呤数等于嘧啶数且等于碱基总数的一半)

问题2:(A1+G1)/(T1+C1)的值与(A2+G2)/(T2+C2)的值有何关系?(互为倒数)

问题3:(A1+T1)/单链碱基数、(A2+T2)/单链碱基数、(A+T)/双链碱基数三者之间有何关系?(三者的值相等)

问题4:A1/单链碱基数的值与A1/双链碱基数的值之间有何关系?[A1/单链碱基数=A1/(1/2双链碱基数)=2A1/双链碱基数]

问题5:A/双链碱基数、A1/单链碱基数、A2/单链碱基数三者之间有何关系?[A/双链碱基数=A1/双链碱基数+A2/双链碱基数=A1/(2单链碱基数)+A2/(2单链碱基数)=1/2(A1/单链碱基数+A2/单链碱基数)]

1.2.3应用体验 提升科学思维

解题过程:画出DNA结构简化模型(图2),将题中信息代入图2,结合碱基配对原则,进行推理分析。

例1.(2023·山东淄博高三月考)下列关于双链DNA分子结构的叙述,正确的是

(D)

A.某DNA分子含有500个碱基,可能的排列方式有4500种

B.若质粒含有2 000个碱基,则该分子同时含有2个游离的磷酸基团

C.某DNA分子内胞嘧啶占25%,则每条链上的胞嘧啶占25%～50%

D.某DNA分子上有胸腺嘧啶312个,占总碱基的26%,则该DNA分子上有鸟嘌呤288个

解析：某DNA分子含有500个碱基,则有 250个碱基对,故可能的排列方式有4250种,A错误;质粒是环状DNA分子,其中不含游离的磷酸基团,B错误;某DNA分子内胞嘧啶占25%,即C/双链碱基数=C1/双链碱基数+C2/双链碱基数=C1/(2单链碱基数)+C2/(2单链碱基数)=1/2(C1/单链碱基数+C2/单链碱基数),故每条单链上的胞嘧啶占0～50%,C错误;某DNA分子上有胸腺嘧啶312个,占总碱基的26%,则该DNA分子上碱基总数为312/26%=1 200个,根据碱基互补配对原则,该DNA分子中有鸟嘌呤1 200×(50%-26%)=288个,D正确。

例2.某DNA分子含有1 000个碱基对,其中A的含量为30%,a链中G的含量为30%,下列与该DNA分子有关的叙述正确的是

(A)

A.该DNA分子中含有的氢键数为2.4×103个

B.该DNA分子的两条单链中(A+C)/(T+G)的值一定相等

C.该DNA分子的a链中碱基A所占的比例在0～40%范围内

D.由于碱基互补配对,DNA分子中C与G的和一定占50%

解析：该DNA分子中含有1 000个碱基对,则有2 000个碱基,其中A占30%,则T也占30%,A和T的数目均为2 000×30%=600个,G和C占(1-30%-30%)/2=20%,则G和C数目均为2 000×20%=400个。由于A和T碱基对有2个氢键,G和C碱基对有3个氢键。所以该DNA分子含有的氢键数为600×2+400×3=2.4×103个,A正确;由于双链DNA分子中,A与T配对,G与C配对,所以该DNA分子的两条单链中(A+C)/(T+G)的值互为倒数,B错误;根据该DNA分子中碱基A的数目为600个,则该DNA分子的a链中碱基A所占的比例最大是600/1 000=60%,所以a链中碱基A所占的比例在0～60%范围内,C错误;由于碱基互补配对,DNA分子中C与G的含量相等,但占比不定,D错误。

2.DNA复制的相关计算

2.1 学情分析

学生对DNA复制的概念、时期、场所、过程、结果、特点等知识比较熟悉,但对于DNA复制过程中原料的消耗、标记单链、标记DNA分子等计算存在问题。

2.2 突破策略

2.2.1基于原有知识 简化模型

依据DNA半保留复制的特点,将15N标记的DNA放在含14N的培养基中连续复制n次,其复制过程用图3简单表示,以便学生观察、分析。

图3

2.2.2问题引导 自主总结规律

设置问题串,通过观察图3并依据半保留复制的特点,推理分析,得出规律,实现学生对原有知识的运用和重构,同时培养学生运用科学的思维方法解决问题的能力。

问题串1:复制n次后,子代DNA分子共有几个?(2n)

含15N的DNA分子有几个?(2个)

只含15N 的DNA分子有几个?(0个)

含14N的DNA分子有几个?(2n个)

只含14N的DNA分子有几个?(2n-2个)

问题串2:复制n次后,脱氧核苷酸链共几条?(2n+1)

含15N的脱氧核苷酸链有几条?(2条)

含14N的脱氧核苷酸链有几条?(2n+1-2)

问题串3:若亲代DNA含有某种脱氧核苷酸m个,经过n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸多少个?[m·(2n-1)]

第n次复制时需要消耗该种脱氧核苷酸多少个?(m·2n-1)

2.2.3应用体验 提升科学思维

解题过程:依据DNA半保留复制的特点,画出DNA复制过程简图(如图3),然后依据题中信息,进行推理分析并解答。

例3.(2023·滨州模拟)用15N标记了两条链含有100个碱基对的DNA分子,其中有胞嘧啶60个,该DNA分子在含14N的培养基中连续复制3次。下列有关说法中不正确的是

(B)

A.该DNA分子含有的氢键数目是260个

B.该DNA分子复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸320个

C.子代DNA分子中含15N的单链与含14N的单链之比为1∶7

D.子代DNA分子中含15N的DNA分子与含14N 的DNA分子之比为1∶4

解析：结合图3,依据题中信息可知,1个DNA经过3次复制,共产生23=8个DNA分子。8个DNA分子都含14N,比例为100%。含15N的DNA有2个。根据碱基互补配对原则,该DNA分子中含40个腺嘌呤脱氧核苷酸,复制3次需腺嘌呤脱氧核苷酸的数量=(23-1)×40=280个。由于A与T之间有2个氢键,G与C之间有3个氢键,所以该DNA分子含有的氢键数目为40×2+60×3=260个,A正确,B错误;由于DNA分子进行半保留复制,最终只有2个子代DNA各含1条15N链,1条14N链,其余DNA都含14N,故子代DNA分子中含15N的单链与含14N的单链之比为2∶(16-2)=1∶7,C正确;子代DNA分子中只有2个子代DNA各含1条15N链,1条14N链,其余DNA都含14N,故含15N的DNA分子与含14N的DNA分子之比为2∶8=1∶4,D正确。

例4.(2021·山东卷)利用农杆菌转化法,将含有基因修饰系统的T-DNA插入到水稻细胞M的某条染色体上,在该修饰系统的作用下,一个DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,脱氨基过程在细胞M中只发生一次。将细胞M培育成植株N。下列说法错误的是

(D)

A.N的每一个细胞中都含有T-DNA

B.N自交,子一代中含T-DNA的植株占3/4

C.M经n(n≥1)次有丝分裂后,脱氨基位点为A—U的细胞占1/2n

D.M经3次有丝分裂后,含T-DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占1/2

解析：N是由M细胞经有丝分裂、分化形成的,在该过程中没有DNA的丢失,由于T-DNA插入到水稻细胞M的某条染色体上,故N的每一个细胞中都含有T-DNA,A正确;N植株的一条染色体中含有T-DNA,可以记为+,故N植株含有T-DNA 的基因型记为+-,如果自交,则子代中相关的基因型为++∶+-∶--=1∶2∶1,有3/4的植株含T-DNA,B正确;M中只有1个DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,且脱氨基过程在细胞M中只发生一次,所以复制n次后,产生的子细胞有2n个,但脱氨基位点为A—U的细胞只有1个,故这种细胞的比例为1/2n,C正确;如果M经3次有丝分裂后,形成子细胞有8个,由于M细胞DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,即G和U配对并复制三次后,有4个细胞脱氨基位点为C—G,3个细胞脱氨基位点为 A—T,1个细胞脱氨基位点为U—A,故含T-DNA 且脱氨基位点为A—T的细胞占3/8,D错误。

3.标记DNA与细胞增殖综合的相关计算

3.1 学情分析

学生对DNA复制、细胞增殖的基本过程比较熟悉,一旦将DNA复制与细胞增殖综合,便会因缺乏对其微观水平的有效联系和转化,而对此类试题束手无策。

3.2 突破策略

3.2.1基于原有知识 构建模型

依据DNA与染色体的关系,构建出DNA复制与染色体复制的关系(图4),由图4可知,复制后的子代DNA位于姐妹染色单体中,子代DNA随姐妹染色单体的分离而分开,进入不同的子细胞,从而建立细胞分裂中标记DNA的数量变化。对于减数分裂而言,DNA只复制一次,故复制后细胞中的DNA均由一条标记的母链和一条未标记的子链构成,与分裂次数无关。对于有丝分裂而言,细胞分裂一次,DNA就复制一次,其DNA复制与细胞分裂的情况如图5所示。

图4

图5

3.2.2问题引导 自主总结规律

设置问题串,通过观察图5并依据有丝分裂的过程及染色体的变化特点,推理分析,得出规律,突破标记DNA与细胞增殖综合的相关计算。

问题串1:DNA全部被15N标记的一个细胞若含有2条染色体,该细胞在14N的培养基中培养并进行有丝分裂。分裂一次后,含有15N的细胞有几个?(2个)

细胞中含有15N的染色体有几条?(2条)

第2次有丝分裂后,含有15N的细胞有几个?(2或3或4个)

细胞中含有15N的染色体有几条?(0或1或2条)

问题串2:DNA全部被15N标记的一个细胞,含有2n条染色体,该细胞若在14N的培养基中进行有丝分裂。第2次有丝分裂后,含有15N的细胞有几个?(2或3或4个)

细胞中含有15N的染色体有几条?(0～2n条)

3.2.3应用体验 提升科学思维

例5.现建立“动物精原细胞(2n=4)有丝分裂和减数分裂过程”模型。1个精原细胞(假定DNA中的P都为32P,其它分子不含32P)在不含32P的培养液中正常培养,分裂为2个子细胞,其中1个子细胞发育为细胞①。细胞①和②的染色体组成如图6所示,H(h)、R(r)是其中的两对基因,细胞②和③处于相同的分裂时期。下列叙述正确的是

图6

(C)

A.细胞①形成过程中没有发生基因重组

B.细胞②中最多有2条染色体含有32P

C.细胞②和细胞③中含有32P的染色体数相等

D.细胞④～⑦中含32P的核DNA分子数可能分别是2、1、1、1

解析：据题图分析细胞①形成过程中有交叉互换,发生了基因重组,A错误;题图所示细胞示正在进行减数分裂,DNA只复制了一次,细胞②③所有DNA均含有32P,细胞②中最多有4条染色体含有32P,B错误;细胞②和细胞③中含有32P的染色体数相等,C正确;减数分裂产生4个子细胞的DNA分子数相等,细胞④～⑦中含32P的核DNA分子数分别应是2、2、2、2,D错误。

对于学生而言,用合适的科学思维方法重构知识将更有利于学习与巩固、理解与应用。因此,在教学中教师进行必要思维重构的指导,可以使学生自己寻找知识理解与内化的障碍,最终实现“学习——反思——问题——上升——再学习——再反思——再问题——再上升”螺旋上升的良性学习通道,也使学生学会运用原有知识解决复杂问题的方法。