祝遠(yuǎn)超 （湖北省天門(mén)市岳口高級(jí)中學(xué) 湖北天門(mén) 431702）

“基因的本質(zhì)”是人教2019版《生物學(xué)》必修2第3章的內(nèi)容，屬于分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)部分內(nèi)容。這部分內(nèi)容既基礎(chǔ)，又重要，也是高考的重要考點(diǎn)之一。在學(xué)習(xí)本章內(nèi)容時(shí)，學(xué)生常提出一些疑難問(wèn)題。常見(jiàn)的問(wèn)題有哪些？又該如何解答？

1 肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，加熱致死的S型細(xì)菌能使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌的原因

蛋白質(zhì)和DNA對(duì)于高溫的耐受力是不同的。在80～100℃范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)將完全失去生物活性，而DNA的雙鏈則會(huì)解開(kāi)，有時(shí)會(huì)失去部分生物活性；當(dāng)溫度緩慢降至55℃時(shí)，蛋白質(zhì)的活性不能恢復(fù)，而DNA的2條彼此分開(kāi)的鏈能締合成雙螺旋結(jié)構(gòu)，其生物活性可部分恢復(fù)[1]，使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。

2 肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，S型細(xì)菌使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌的原理

S型細(xì)菌使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌的原理是基因重組，即S型細(xì)菌的DNA（控制莢膜形成的基因）整合至R型細(xì)菌的DNA中。大致過(guò)程為：R型菌在生長(zhǎng)至一定階段時(shí)，將分泌感受態(tài)因子，誘導(dǎo)感受態(tài)特異蛋白質(zhì)的表達(dá)，使細(xì)胞表面的DNA結(jié)合蛋白及核酸酶裸露，使其具有與DNA結(jié)合的活性。S基因（控制莢膜形成的基因）從加熱致死的S型細(xì)菌中被釋放，在后續(xù)的培養(yǎng)中吸附在一些R型細(xì)菌上，最終通過(guò)同源重組以置換的方式整合進(jìn)入R型細(xì)菌的基因組中，使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。

3 僅有部分R型細(xì)菌能轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌

并非所有的R型細(xì)菌都能轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。首先，R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌的效率較低；其次，R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌受多種因素的影響，例如，DNA的純度、2種細(xì)菌的親緣關(guān)系、受體菌的狀態(tài)等，因此，只有少部分R型細(xì)菌能轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。

4 噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)中，用32P、35S標(biāo)記噬菌體而不用14C、3H、18O或15N標(biāo)記噬菌體的原因

首先，該實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)思路是將T2噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)分開(kāi)，單獨(dú)地、直接地觀察二者的作用。分別用32P和35S標(biāo)記噬菌體能否達(dá)到該目的，關(guān)鍵在于在T2噬菌體中，P是否僅存在于DNA中，S是否僅存在于蛋白質(zhì)中。眾所周知，DNA含有C、H、O、N、P 5種元素；而蛋白質(zhì)含有的元素因種類而異，所有蛋白質(zhì)都含有C、H、O、N，大多數(shù)蛋白質(zhì)還含有少量S；某些蛋白質(zhì)還含有微量的 P、Ca、Fe、Cu、Zn、Mg、Mn、I、Mo等元素[2]。顯而易見(jiàn)，在T2噬菌體中，S是蛋白質(zhì)所特有的，但P是不是DNA所特有的？答案是肯定的：在T2噬菌體中，蛋白質(zhì)是唯一含S的物質(zhì)，而DNA是唯一含P的物質(zhì)[3]。因此，分別用32P和35S標(biāo)記噬菌體能達(dá)到將DNA與蛋白質(zhì)間接分開(kāi)的目的。而C、H、O、N是DNA和蛋白質(zhì)共同含有的元素，若用14C、3H、18O或15N標(biāo)記噬菌體，則無(wú)法將DNA與蛋白質(zhì)“分開(kāi)”。

5 維持DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素

5.1 維持DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素 DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指在多核苷酸鏈中各個(gè)核苷酸之間的連接方式、核苷酸的種類、數(shù)量及排列順序。維持該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素有：

1）共價(jià)鍵。在DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)中有很多共價(jià)鍵，例如，糖環(huán)結(jié)構(gòu)中C—C之間的鍵，脫氧核糖與磷酸之間、脫氧核糖與堿基之間相連的鍵，脫氧核苷酸鏈中連接相鄰2個(gè)脫氧核苷酸的磷酸二酯鍵都是共價(jià)鍵。共價(jià)鍵具有較高的鍵能，比氫鍵穩(wěn)定性高10倍及以上。

2）缺乏自由羥基。DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)中每一個(gè)脫氧核糖的2′—C原子位上沒(méi)有自由羥基，使其對(duì)堿的抵抗力極強(qiáng)，這也是DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定的原因之一。

5.2 維持DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）提出的雙螺旋結(jié)構(gòu)。維持其穩(wěn)定的主要因素有：

1）氫鍵。雙鏈DNA中總是A與T配對(duì)、G與C配對(duì)，其中A與T之間有2個(gè)氫鍵，G與C之間有3個(gè)氫鍵，由于DNA分子中堿基對(duì)成百上千，故DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中有大量的氫鍵。雖然單個(gè)氫鍵不太穩(wěn)定，但當(dāng)DNA分子中有很多個(gè)氫鍵時(shí)，足以使其在橫向上處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)[4]。

2）堿基堆積力。由于DNA雙鏈之間氫鍵的形成，使其中堿基的堆積程度更高，而當(dāng)所有堿基處于堆積狀態(tài)時(shí)，又更有利于雙鏈之間氫鍵的形成。因此，堿基堆積力是在縱向上維持DNA穩(wěn)定的重要原因。

3）雙螺旋結(jié)構(gòu)本身的特征。氫鍵和堿基堆積力作用形成的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，尤如2根稻草繩螺旋纏繞在一起，極大地提高其穩(wěn)定性。

總之，DNA分子獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定其具有較高的穩(wěn)定性。

6 DNA連接酶參與DNA復(fù)制

DNA復(fù)制時(shí)有解旋酶和DNA聚合酶參與，但是否有DNA連接酶參與？答案是肯定的。參與DNA復(fù)制的關(guān)鍵酶包括：DNA聚合酶、引物（發(fā)）酶、DNA連接酶、DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶、DNA解旋酶、單鏈結(jié)合蛋白等[3]。DNA在半保留復(fù)制過(guò)程中，一條鏈按5′→3′方向連續(xù)合成，另一條鏈按3′→5′方向不連續(xù)合成的方式，合成一系列不連續(xù)的岡崎片段。然后，DNA連接酶將這些岡崎片段連接成一條子鏈。

7 真核生物染色體上的基因類型

真核生物染色體基因組上的基因可根據(jù)轉(zhuǎn)錄時(shí)所用RNA聚合酶的不同而分類。RNA聚合酶有3類，故真核生物的基因也有3類：

1）Ⅰ型基因。由RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄的真核基因，主要指rRNA基因，包括28S、18S和5.8S rRNA基因，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為rRNA，不能翻譯為蛋白質(zhì)，但在翻譯中行使重要功能。

2）Ⅱ型基因。由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄的真核基因，其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般稱為核不均一RNA（hnRNA），hnRNA必須經(jīng)除去內(nèi)含子、連接外顯子的過(guò)程成為成熟的mRNA，作為翻譯的模板。通常所說(shuō)的基因就是指Ⅱ型基因[5]。

3）Ⅲ型基因。由RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄的真核基因，包括5S rRNA基因、tRNA基因和少數(shù)snRNA（小核RNA）基因。這類基因無(wú)編碼序列，不能翻譯。但其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有重要功能，在mRNA的加工中是不可或缺的。

總之，“基因的本質(zhì)”一章教學(xué)中的常見(jiàn)問(wèn)題較多，只有解決這些問(wèn)題，才能真正突破本章教學(xué)的難點(diǎn)，使學(xué)生釋疑并深入、全面掌握本章內(nèi)容，促進(jìn)其相關(guān)核心素養(yǎng)的達(dá)成。