在_基因的表达_教学中渗透生物学思想

第２３卷第１２期２００７年中学生物学ＭｉｄｄｌｅＳｃｈｏｏｌＢｉｏｌｏｇｙＶｏｌ．２３Ｎｏ．１２２００７文件编号：１００３－７５８６（２００７）１２－００１９－０３在“基因的表达”教学中渗透生物学思想彭梅娟（河北省沙河市第二中学０５４１００）“基因的表达”一节内容丰富、科学性和知识性强，是对学生进行科学态度和科学精神教育，提高学生的判断推理能力、创新思维能力和探究事物的本质能力，培养学生生物学思想的好题材。

该部分教材的编写结构严谨、逻辑严密，便于学生阅读、理解和记忆，教师只要以教材为基础，合理组织材料，适当编排，让学生了解科学发现的过程，再加上讲课时恰到好处的点拨启发和因势利导，就能使学生领会科学家的思维方法，学会尝试探究并体验成功，从而感受生物学是一门实验科学的思想。

笔者在这一小节的教学中做了如下这安排。

１“基因———有遗传效应的ＤＮＡ片段”教学教师首先通过引导学生对ＤＮＡ分子结构的复习，使学生明白作为遗传物质的ＤＮＡ具有分子结构的稳定性、多样性和物种特异性；复习ＤＮＡ分子的复制使学生了解ＤＮＡ能够通过复制将遗传信息传递给后代，从而保持前后代之间遗传信息的连续性。

然而，ＤＮＡ作为遗传物质，怎样使遗传信息在后代个体中正确表达，让后代表现出与亲代相似的性状呢？由此引出“ＤＮＡ上的基因通过指导蛋白质的合成，来控制生物的新陈代谢过程以及表现的性状”这一课题。

那么，什么是基因呢？这还得从孟德尔说起。

１８６５年，孟德尔发表的《植物杂交试验》中提出了生物的性状是由遗传因子控制的观点，这在当时还只是逻辑推理的产物；１９０２年，德国细胞学家鲍韦利在用胚胎学和细胞学的实验方法对马蛔虫和海胆的染色体进行研究后，得出“染色体的行为与孟德尔遗传因子具有平行关系”的结论；１９０３年，美国遗传学家萨顿在对笨蝗精子形成过程中染色体变化的研究时，根据有丝分裂和减数分裂过程中染色体的变化规律推断，控制生物性状的遗传因子存在于染色体上；１９０９年丹麦遗传学家约翰逊第一次用ｇｅｎｅ这一名词替代遗传因子来表示遗传的独立单位，指出ｇｅｎｅ不仅是遗传的基本单位，也是遗传功能的一个基本单位，由于ｇｅｎｅ这一名词简捷易记，读来上口，很快被生物学家们普遍接受，“基因”一词即为ｇｅｎｅ的译音而来；１９０８年，美国遗传学家摩尔根在上千只果蝇培养瓶中，意外地发现了一只白眼雄果蝇（正常野生型果蝇均为红眼），通过一系列的试验和遗传分析；１９０９年第一次把一个具体的基因（白眼基因）定位于一个特定的染色体———Ｘ染色体上，以后通过进一步研究证明基因在染色体上呈线性排列，从而为遗传的染色体理论提供了重要的实验证据，开辟了一条遗传学和细胞学直接结合的研究道路；１９４１年，美国生化遗传学家比德尔用红色面包霉（即脉孢菌）为试验材料，用营养缺陷型的研究方法进行试验，提出“一个基因一种酶”的论断，虽然现在看来这种说法存在一定的局限性，但他第一次将基因与酶这种特殊的蛋白质联系起来，也同时将基因这个遗传单位通过酶（蛋白质）与生物的新陈代谢及其表现的性状联系起来，成为遗传学研究的又一转折；１９５３年４月２５日，英国《自然》杂志上沃森和克里克的论文《核酸的分子结构———脱氧核糖核酸的一个结构模型》的发表，一举将生物遗传学研究从细胞水平推向分子水平，成为分子生物学研究的一个里程碑。

至此，科学家们才真正认识到基因的本质———即基因应该是染色体上有遗传效应的ＤＮＡ片段。

后来的研究证明，线粒体、叶绿体、细菌质粒以及噬菌体等结构的ＤＮＡ上也存在着基因，所以，基因的定义就自然地演变为：基因———有遗传效应的ＤＮＡ片段。

然而，生物的性状成万上亿，数目只有几条至几十条的染色体是如何决定如此多样的生物性状的呢？研究结果表明，每一条染色体只含有１个ＤＮＡ分子，而每个ＤＮＡ分子上却可以有很多个基因，每个基因中又含有成百上千个脱氧核苷酸。

由于不同基因的脱氧核苷酸排列顺序（碱基顺序）不同，因此，不同的基因就含有不同的遗传信息，可以控制合成不同的蛋白质，从而控制生物不同的遗传性状。

所以，生物的基因通过ＤＮＡ的复制过程将遗传信息传递给下一代之后，再通过基因的表达，也就必然能够使后代表现出与亲代相似的遗传性状。

这样的教学安排能很好地体现出“生物学是一门实验科学”的主体思想，让学生在这样的课堂环境下来探讨基因与染色体、基因与蛋白质及生物性状、基因与ＤＮＡ以及基因与遗传信息之间的关系，就使原１９来枯燥抽象的知识变得形象、具体而且生动，便于理解和接受。

２“基因控制蛋白质的合成”的教学那么，染色体上的ＤＮＡ存在于细胞核中，而蛋白质的合成则是在细胞质的核糖体上。

在战争中运筹帷幄之中的将军要决胜于千里之外，必须有能够准确传达命令的传令兵，而在这里，将ＤＮＡ上的遗传信息准确地传达给核糖体的物质是什么呢？１９５５年，有人用洋葱根尖和变形虫进行实验发现，如果加入ＲＮＡ酶分解细胞中的ＲＮＡ，蛋白质合成就停止；而当再加入从酵母中提取的ＲＮＡ时，则又重新合成一定数量的蛋白质。

那么这个实验结果说明了什么问题呢？通过启发学生不难看出，这里蛋白质的合成显然与ＲＮＡ直接相关。

那么，这个ＲＮＡ又是怎样的物质呢？由此教师结合教材引导学生学习ＲＮＡ的化学组成、分子结构等相关知识，至此可做为１课时的内容做一小结。

而后提出问题：ＲＮＡ是怎样产生？又是怎样准确地将遗传信息从细胞核ＤＮＡ上的基因传递到细胞质核糖体上的呢？这样存疑激趣，吸引学生预习教材中后面的相关内容作为下一课时的铺垫。

１９５５年，拉斯特等人用变形虫进行换核实验，巧妙地证明了ＲＮＡ是在细胞核中产生，然后又从细胞核转移到细胞质中。

其实验过程大致如下：选生长状况相同的同种变形虫若干等分为２组，Ａ组培养在用同位素标记的尿嘧啶核苷培养液中，发现放射性物质首先出现在细胞核中；Ｂ组培养在未标记的尿嘧啶核苷培养液中，细胞核和细胞质均未出现放射性物质。

这时通过对比思考，学生便能顺利得出标记的放射性物质是ＲＮＡ分子，它首先在细胞核中合成的结论（这里可再行设问：为什么先在细胞核中合成？细胞核中最重要的物质是什么？这样来暗示与ＤＮＡ的关系）。

在２组变形虫均生长迅速且Ａ组细胞核内外放射性均较明显时，将Ａ组变形虫的细胞核移植到Ｂ组变形虫的细胞质中，将Ｂ组变形虫的细胞核移植到Ａ组变形虫的细胞质中，分别进行培养观察。

发现大部分带有放射性标记的ＲＮＡ相继从细胞核移入细胞质中。

那么，这样的实验现象又能说明什么问题呢？这时，教师稍加点拨，学生便会悟出，把ＤＮＡ中的遗传信息从细胞核转移到细胞质中控制蛋白质合成的物质，很可能就是ＲＮＡ的道理，并据此温习和巩固了同位素示踪法研究的有关知识。

但是，ＲＮＡ在细胞核中是怎样合成，然后又怎样转移到细胞质中控制蛋白质合成的呢？１９６３年，科学家利用ＤＮＡ－ＲＮＡ杂合技术，通过噬菌体ＳＰ８侵染枯草杆菌的实验，证明了基因表达的第一个阶段———转录是以ＤＮＡ的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成ＲＮＡ的过程。

该实验别具匠心地利用了噬菌体ＳＰ８ＤＮＡ的两条脱氧核苷酸单链上的碱基组成很不平均的特点。

其中一条链富含嘌呤，另一条互补链则富含嘧啶，因为嘌呤比嘧啶的相对分子质量大，所以富含嘌呤的“重”链与富含嘧啶的“轻”链在加热变性后可按照密度梯度离心分开。

他们在噬菌体ＳＰ８侵染枯草杆菌后，从枯草杆菌体内分离出ＲＮＡ，分别与ＤＮＡ的重链和轻链混合并缓慢冷却。

结果发现噬菌体ＳＰ８侵染后形成的ＲＮＡ只跟重链形成ＤＮＡ－ＲＮＡ的杂合分子。

那么，这种实验现象说明了什么问题呢？经过思考，学生很快就会得出，该ＲＮＡ是以大肠杆菌体内噬菌体ＳＰ８的ＤＮＡ中，富含嘌呤的那条重链为模板，转录而成的结论。

由此引出转录的概念。

真核生物的转录是在细胞核内进行的，它是指以ＤＮＡ的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成ＲＮＡ的过程。

通过转录，ＤＮＡ上的基因就把遗传信息传递到ＲＮＡ上，这种ＲＮＡ叫做信使ＲＮＡ，简写为ｍＲＮＡ。

信使ＲＮＡ在细胞核中合成后，通过核膜上的核孔进入细胞质中，与核糖体结合起来。

开始了基因表达的第二个阶段———翻译。

但是，信使ＲＮＡ上的碱基只有４种，而组成蛋白质的氨基酸却有２０种，这仅有的４种碱基是怎样决定组成蛋白质的２０种氨基酸的特定排列顺序，从而决定蛋白质和生物性状的特异性呢？这就涉及到了遗传密码的破译问题。

早在１９４４年，奥地利物理学家薛定谔就在他的《生命是什么》一书中，最早提出了遗传密码的设想。

他猜想染色体中的有机分子单体严格、精确地排列，构成了遗传密码。

遗传密码决定了生物的遗传性状。

这个大胆的猜想吸引了包括沃森和克里克在内的一批优秀科学家投身到分子生物学的研究中，来破译生命的密码。

１９５３年，美国物理学家伽莫夫了解到ＤＮＡ分子的双螺旋结构知识，便敏锐地意识到，ＤＮＡ分子上的４种脱氧核苷酸（即４种碱基）很可能就是薛定谔所说的有机分子单体，他利用排列组合知识进行计算，推断出一个遗传密码子可能是由３个相邻碱基组成的三联体密码，共６４种遗传密码。

而氨基酸只有２０种，一种氨基酸可以对应几种遗传密码。

１９５９年，克里克在总结了许多科学家工作的基础上，提出了遗传信息除了可以通过ＤＮＡ的复制传递给下一代以外，还可从ＤＮＡ流向ＲＮＡ，进而流向蛋白质的著名设想（即中心法则）。

这样，遗传密码就不再是ＤＮＡ中的碱基序列，而变成信使ＲＮＡ中的碱基序列了。

１９６１年美国生物化学家尼伦伯格首先用化学的２０方法合成了尿嘧啶（Ｕ）多聚体，他创造性地将该尿嘧啶多聚体放入一个含有核糖体和多种氨基酸的系统中，结果得到了完全由苯丙氨酸组成的蛋白质。

讲课至此教师可巧设疑问：这个事件说明了什么问题？学生稍加思索后即可得出结论：世界上第一个生物遗传密码子———ＵＵＵ宣告破译！此后，各国科学家在此思路的基础上，通过化学合成含有不同碱基序列的ＲＮＡ的方法，开展了密码子的破译工作，到１９６７年，科学家们破译了全部遗传密码子，并编制出了密码子表。

那么，氨基酸是怎样被运送到核糖体中，按照信使ＲＮＡ上的遗传密码脱水缩合形成肽键，从而形成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的呢？这就需要一种特殊的运载工具———转移ＲＮＡ。

这样由此引出ｔＲＮＡ的分子结构和起译、接肽、终止等翻译过程的相关知识，以及翻译的概念。

３“基因对性状的控制”的教学最后教师将ＤＮＡ的复制过程与转录、翻译过程进行综合概括，总结“中心法则”的内容及其补充和发展过程，让学生明白，生物的一些基因通过控制酶的合成来控制新陈代谢过程，从而控制生物的性状，例如白化病、苯丙酮尿症等，就是由于相关的基因发生改变，无法合成正常的酶而引起的；另一些基因则通过控制蛋白质的分子结构来直接影响生物的遗传性状，例如镰刀型细胞贫血症就是因为人类血红蛋白的数百个氨基酸中，某位置的一个谷氨酸被缬氨酸替代而造成的等。