SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁTRƯỜNG THPT NGUYỄN HOÀNG --------SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP PHẦN CẤU TRÚC, CƠ CHẾ DI TRUYỀN VÀ BIẾN DỊ Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ N
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ
TRƯỜNG THPT NGUYỄN HOÀNG
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP PHẦN CẤU TRÚC, CƠ CHẾ DI TRUYỀN VÀ BIẾN DỊ Ở CẤP ĐỘ PHÂN
TỬ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DẠY HỌC Ở
TRƯỜNG THPT NGUYỄN HOÀNG
Trang 2MỤC LỤC
Phần I: MỞ ĐẦU 1
1 Lý do chọn đề tài 1
2 Mục đích nghiên cứu 1
3 Đối tượng nghiên cứu 1
4 Phương pháp nghiên cứu 2
Phần II: NỘI DUNG SÁNG KIẾN 3
1 Cơ sở lý luận 3
1.1 Cấu trúc di truyền ở cấp độ phân tử 3
1.2 Cơ chế di truyền và biến dị ở cấp phân tử 3
2 Thực trạng vấn đề 4
3 Giải pháp thực hiện 4
3.1 Phân dạng bài tập cấu trúc, cơ chế di truyền và biến dị cấp phân tử 4
3.2 Phương pháp giải các dạng bài tập cấu trúc, cơ chế di truyền và biến dị cấp phân tử 5
4 Hiệu quả của đề tài nghiên cứu 18
Phần III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 19
1 Kết luận 19
2 Kiến nghị 19
Trang 3Phần I: MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài.
Một trong những trọng tâm của dạy học Sinh học là phát triển tư duy sáng
tạo và khả năng phân tích của học sinh: Từ lí thuyết học sinh phải biết vận dụng
để giải các bài tập có liên quan Thật vậy, trong những năm qua chúng ta đã
không ngừng đổi mới phương pháp để phù hợp với mục tiêu giáo dục và việcdạy học sinh các kỹ năng giải bài tập đóng một vai trò rất lớn trong quá trìnhhình thành những phẩm chất đó ở người học Tuy nhiên với đặc thù của bộ mônsinh học thì phần lớn nội dung kiến thức và thời lượng dành cho việc nghiên cứu
lý thuyết, còn việc vận dụng những kiến thức đó để giải quyết các bài toán cóliên quan còn rất nhiều hạn chế Chính vì vậy mà một bộ phận học sinh đã bỏqua kỹ năng này và gần như không biết giải các dạng bài toán trong sinh học.Trong khi đó các đề thi học sinh giỏi, đề thi trung học phổ thông Quốc gia phầnbài tập cũng chiếm một tỷ lệ khá cao
Là một trong số các môn khoa học tự nhiên song nội dung được đề cậptrong sách giáo khoa sinh học chỉ mang tính lý thuyết, rất ít các dạng bài tậpcũng như các công thức vận dụng để giải bài tập Đặc biệt những kiến thức phầncấu trúc, cơ chế di truyền và biến dị ở cấp độ phân tử rất khó để học sinh có thểhiểu một cách tường minh Ngay từ năm lớp 10, học sinh mới chỉ được học vềcấu trúc và chức năng của AxitNucleic Trải qua thời gian lớp 11 nghiên cứu vềsinh học cơ thể đến khi học sang chương I – Phần V – Di truyền học của Sinhhọc 12 thì học sinh gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình tiếp cận các nội dungkiến thức về các cơ chế di truyền, biến dị ở cấp độ phân tử Lý thuyết đã khó vàviệc vận dụng lý thuyết để xây dựng công thức tính toán, vận dụng công thức đểgiải bài tập là điều không dễ
Bên cạnh đó, với hình thức thi trắc nghiệm khách quan để có thể hoànthành bài thi một cách xuất sắc học sinh phải nắm được kỹ năng đưa ra đáp ánnhanh, chính xác cho từng câu hỏi Muốn làm được điều đó các em phải cótrong tay từng dạng bài, phương pháp giải một cách thật ngắn gọn, dễ hiểu
Vì vậy, để học sinh có thể giải được các dạng bài tập phần cấu trúc, cơchế di truyền và biến dị ở cấp độ phân tử, từ đó đạt kết quả cao trong các kỳ thi
tôi mạnh dạn chọn đề tài nghiên cứu: “Phương pháp giải các dạng bài tập
phần cấu trúc, cơ chế di truyền và biến dị ở cấp độ phân tử nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn sinh học ở trường THPT Nguyễn Hoàng”.
3 Đối tượng nghiên cứu.
- Đề tài áp dụng cho học sinh khối 12 trong các giờ luyện tập, ôn tập
Trang 4chương, ôn thi học sinh giỏi, ôn thi tốt nghiệp trung học phổ thông Quốc gia củatrường THPT Nguyễn Hoàng.
- Ngoài ra có thể sử dụng trong các giờ dạy bồi dưỡng cho học sinh khối 10
4 Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu tài liệu, nghiên cứu thực nghiệm trên lớp
Trang 5Phần II: NỘI DUNG SÁNG KIẾN
1 Cơ sở lý luận
Để có thể nắm bắt được phương pháp giải đúng, giải nhanh các dạng bàitập trong phần này, học sinh cần nắm vững các kiến thức dưới đây:
1.1 Cấu trúc di truyền ở cấp độ phân tử:
- ADN là cơ sở vật chất của hiện tượng di truyền ở cấp phân tử, được cấutạo theo nguyên tắc đa phân, nguyên tắc bổ sung ADN là một chuỗi xoắn képgồm có cấu trúc hai mạch Polinucleotit xếp song song, ngược chiều Đường kính
1 vòng xoắn 20A0, một chu kỳ xoắn 34A0 gồm 10 cặp Nucleotit ADN có tính
đa dạng và đặc trưng cho loài ADN có chức năng lưu giữ, bảo quản và truyềnđạt thông tin di truyền
- Gen là một đoạn của phân tử ADN mang thông tin mã hóa cho mộtchuỗi Polinucleotit hay ARN Mỗi gen mã hóa Protein gồm có 3 vùng: Vùngđiều hòa, vùng mã hóa và vùng kết thúc Ở sinh vật nhân chuẩn, trong vùng mãhóa thường có các đoạn Exon (mã hóa) xen kẽ các đoạn Intron (không mã hóa)nên được gọi là gen phân mảnh
- ARN được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, chỉ có cấu trúc một mạchPolinucleotit và được tổng hợp dựa trên khuôn mẫu của gen Có 3 loại ARN và
cả 3 loại này đều tham gia tổng hợp Protein, trong đó mARN là bản sao mangthông tin di truyền, tARN làm nhiệm vụ vận chuyển axitamin trong quá trìnhdịch mã, rARN là thành phần cấu trúc Riboxom
- Protein được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là các Axitamin(aa) Các đơn phân liên kết với nhau bằng liên kết Peptit giữa nhóm (– COOH)của aa này với nhóm (– NH2) của aa kế tiếp Protein có cấu trúc không gian tối
đa 4 bậc
- Mã di truyền là mã bộ ba, có tính đặc hiệu, tính thoái hóa, tính phổ biến
Mã di truyền trên ADN được gọi là mã gốc, trên mARN gọi là mã sao, trêntARN gọi là đối mã (mỗi tARN chỉ có một bộ ba đối mã)
1.2 Cơ chế di truyền và biến dị ở cấp phân tử.
- Quá trình nhân đôi ADN diễn ra theo nguyên tắc bổ sung và nguyên tắcbán bảo tồn Để thực hiện quá trình nhân đôi phải có sự tham gia của Enzimtháo xoắn, Enzim tổng hợp đoạn mồi, Enzim ADN Polimeraza, Enzim nốiLigaza Khi nhân đôi, mạch Polinucleotit được tổng hợp kéo dài theo chiều 5, -
3, và luôn cần có đoạn mồi để khởi đầu quá trình tổng hợp (Mồi là một đoạnARN có đầu 3,OH tự do) Một phân tử ADN nhân đôi K lần thì sẽ tổng hợpđược 2k phân tử ADN, trong đó có 2 phân tử mang một mạch của ADN ban đầu
- Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN dựa trên khuôn mẫu của ADN theonguyên tắc bổ sung Quá trình phiên mã được bắt đầu khi Enzim ARNPolimeraza bám lên vùng điều hòa làm cho 2 mạch gen tách nhau ra và sử dụngmạch 3, - 5,của gen làm khuôn tổng hợp ARN Một gen phiên mã K lần sẽ tổnghợp được K phân tử ARN Ở sinh vật nhân chuẩn, các mARN sau phiên mã tiếptục được cắt bỏ các đoạn Intron, nối các đoạn Exon thành mARN trưởng thànhrồi đi qua màng nhân vào tế bào chất mới dịch mã
Trang 6- Dịch mã là quá trình chuyển thông tin từ các mã di truyền ở trên mARNthành trình tự các aa trên chuỗi Polipeptit Quá trình dịch mã được bắt đầu từ mã
mở đầu (AUG) ở đầu 5, của mARN và kết thúc khi gặp mã kết thúc ở mARN.Trên cùng một phân tử mARN có nhiều Riboxom cùng dịch mã được gọi làPoliriboxom (Mỗi Riboxom tổng hợp được 1 chuỗi Polipeptit) Quá trình nhânđôi, phiên mã, dịch mã đều diễn ra vào kỳ trung gian của quá trình phân bào
- Đột biến gen là những biến đổi trong cấu trúc của gen (đột biến chỉ liênquan đến một cặp Nucleotit gọi là đột biến điểm) Có 3 dạng đột biến là mất,thêm, thay thế cặp Nucleotit này bằng cặp Nucleotit khác Đột biến gen đượcphát sinh do quá trình nhân đôi ADN không diễn ra theo nguyên tắc bổ sunghoặc do tác động của các tác nhân gây đột biến Tần số của đột biến gen phụthuộc vào liều lượng, cường độ, loại tác nhân gây đột biến và cấu trúc của gen.Đột biến gen có thể có hại, lợi hay trung tính đối với thể đột biến Mức độ có hạihay có lợi của gen đột biến phụ thuộc vào điều kiện môi trường cũng như tùytừng tổ hợp gen
2 Thực trạng vấn đề.
Chương trình sinh học 12 gồm 53 tiết trong đó theo phân phối chươngtrình chỉ có 03 tiết dành cho bài tập Lượng kiến thức lý thuyết mỗi tiết quánặng, lại không có tính kế thừa; số lượng tiết dành cho bài tập quá ít Do đó,giáo viên không có thời gian để hướng dẫn học sinh giải các dạng bài tập có liênquan đến nội dung kiến thức đã được trình bày trong tiết học
Học sinh chưa có sự liên hệ giữa lý thuyết và bài tập Do đã quen vớiphương pháp học môn Sinh học ở các lớp dưới theo hướng trả lời câu hỏi lýthuyết là chủ yếu nên khi tiếp xúc với các dạng bài tập phần đông các em thấykhó khăn trong khi tìm lời giải Lâu dần các em sẽ thấy nản khi học bộ môn này
Khi tiến hành khảo sát trên học sinh khối 12 thực tế cho thấy đa số các em
ít chú ý đến các bài tập tự luận Thậm chí khi làm trắc nghiệm các em không thểgiải chi tiết theo hướng tự luận mà chủ yếu lấy các đáp án thay vào, có em làmđược theo hướng tự luận nhưng lại không hiểu bản chất vấn đề
Kĩ năng viết, kĩ năng trình bày, giải các bài toán liên quan đến cấu trúc,
cơ chế di truyền và biến dị ở cấp độ phân tử còn rất hạn chế (đặc biệt các dạngbài liên quan tới cơ chế di truyền và biến dị) Trước mỗi dạng bài học sinh cònlúng túng từ chỗ đọc, hiểu và phân tích đúng đề sau đó lựa chọn cách giải phùhợp
Từ thực tế đó, bản thân tôi mạnh dạn tuyển chọn, phân loại, đề xuất một
số hướng giải quyết đối với các dạng bài liên quan đến cấu trúc, cơ chế di truyền
và biến dị ở cấp phân tử
3 Giải pháp thực hiện.
3.1 Phân dạng bài tập cấu trúc, cơ chế di truyền và biến dị cấp phân tử.
Các dạng bài tập trong phần cấu trúc, cơ chế di truyền và biến dị cấp phân
tử bao gồm:
- Dạng 1: Tính số Nucleotit của ADN
- Dạng 2: Tính số lượng và tỉ lệ % từng loại Nucleotit trong phân tử
Trang 7- Dạng 3: Xác định số đợt tự nhân đôi từ một phân tử ADN ban đầu.
- Dạng 4: Xác định số lượng Nucleotit môi trường cung cấp cho ADN và cho từng loại Nucleotit của ADN tự nhân đôi K lần
- Dạng 5: Tính số liên kết Hidro và liên kết hóa trị bị phá vỡ hay hình thành trong quá trình nhân đôi ADN.
- Dạng 6: Tính số đoạn mồi hay số đoạn Okazaki.
- Dạng 7: Tính số lượng từng loại Nucleotit của ARN dựa vào cấu trúc gen và quá trình phiên mã.
- Dạng 8: Tính số Nucleotit tự do cần dùng cho quá trình sao mã.
- Dạng 9: Tính số liên kết hóa trị hình thành trong quá trình phiên mã.
- Dạng 10: Xác định số lượng, thành phần và trình tự các a.a trong chuỗi Polipeptit thông qua cơ chế phiên mã.
- Dạng 11: Xác định cấu trúc gen, mARN, tARN dựa vào Protein tương ứng.
- Dạng 12: Xác định dạng đột biến (đột biến điểm).
- Dạng 13: Biết dạng đột biến, xác định cấu trúc gen sau đột biến
Tùy theo dữ kiện đề bài cho có thể áp dụng một trong các công thức sau:
* Dựa vào số lượng Nucleotit (N) từng loại của ADN:
- ADN được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là N Có 4 loại N
là Adenin (A), Timin (T), Guanin (G), Xitozin (X)
N = A + T + G + X (1)
- Giữa hai mạch các N liên kết với nhau bằng liên kết Hidro theo nguyêntắc bổ sung: A liên kết T bằng 2 liên kết Hidro, G liên kết với X bằng 3 liên kếtHidro
A = T, G = X (2)
- Số N của ADN: Thay (2) vào (1), ta được:
N = 2A + 2G = 2T + 2X (3)
* Dựa vào số N của một mạch:
- ADN gồm 2 mạch song song nhưng ngược chiều, giữa hai mạch liên kếtbằng liên kết Hidro theo nguyên tắc bổ sung nên:
- Số N của một mạch = A (T) + G (X) (4)
* Dựa vào số N từng loại trên mạch đơn:
A = T = A1 + A2 = A1 + T1 = T1 + T2 = A2 + T2
G = X = G1 + G2 = G1 + X1 = X1 + X2 = X2 + G2
Sau khi tính được số lượng A, G áp dụng công thức (3) hoặc (4) để tính tổng số N.
* Dựa vào chiều dài gen (L):
Trang 8- Do ADN gồm 2 mạch song song nên chiều dài của ADN là chiều dàicủa một mạch và bằng chiều dài trục của nó.
- ADN xoắn theo chu kì, một chu kì xoắn gồm 10 cặp N, cao 34A0 nên 1cặp N cao 3,4A0
- Chiều dài của gen là:
L gen = 3,4 A 0 N =
Một số công thức đổi: 1mm = 107A0, = 104A0, 1nm = 10A0
* Dựa vào khối lượng gen (M):
- Một N có khối lượng phân tử trung bình là 300 (đvC) Do đó:
M = N 300 N =
* Dựa vào số chu kỳ xoắn (C):
- Một chu kỳ xoắn gồm 10 cặp N = 20N Do đó:
C = N = C 20.
* Dựa vào số liên kết hóa trị:
- Trong mỗi mạch cứ 2 N liên kết với nhau bằng 1 liên kết hóa trị Do đótrên 1 mạch đơn với ( ) Nucleotit sẽ có: ( – 1 ) liên kết hóa trị
- Mặt khác trong mỗi N có 1 liên kết hóa trị gắn axit photphoric và phân
tử đường Do đó số loại liên kết này có trong ADN là N Vì vậy:
+ Tổng số liên kết hóa trị nối giữa các N trong gen:
Trang 9* Dựa vào % một loại N trên một mạch:
Bài 1: Trên một mạch của gen có 2579 liên kết hóa trị giữa các đơn phân Tính
số lượng Nucleotit, số chu kì xoắn và khối lượng phân tử của gen?
Bài giải:
Số liên kết hóa trị giữa các đơn phân trên một mạch:
LK hóa trị = 1 N = (LK hóa trị + 1) × 2 = (2579 + 1) x 2 = 5160
Số chu kỳ xoắn: C = = = 258
Khối lượng phân tử của gen: M = N × 300 = 5160 × 300 = 1548000 (đvC)
Bài 2: Trên một mạch đơn của gen có tỉ lệ các loại Nucleotit loại G, T, X lần
lượt là 20%, 15 %, 40 % Số Nucleotit loại A của mạch 400 N Xác định số Ncủa gen?
Tùy từng dạng bài cụ thể có thể sử dụng một số hệ phương trình sau:
* Hệ phương trình tổng số N và số liên kết Hidro:
* Hệ phương trình tổng số N và tỉ lệ các loại N
Trang 10Từ * tính được số lượng các loại N theo công thức %A = 00% Sau đó
thay vào phương trình còn lại được phương trình một ẩn N Giải tìm N, từ đótìm G, X
Lưu ý: Trường hợp đề cho số liên kết Hidro mà không cho tổng số N tính như sau:
Áp dụng công thức: %A + %G = 50% %G (hoặc %A tùy đề bài) Sau
đó rút ra tỉ lệ Rút A theo G hoặc ngược lại sau đó thay vào phương trình
H = 2A + 3G Khi đó ta sẽ được phương trình một ẩn A (hoặc G)
b Bài tập áp dụng:
Một gen ở sinh vật nhân thực có 3900 liên kết Hidro Gen có 900N loại G Mạch
1 có: A1 = 30%, G1 = 10 % số N của mạch Số lượng N mỗi loại ở mạch 1 củagen này là?
Trang 11Gọi K là số đợt tự nhân đôi từ một phân tử ADN ban đầu.
- Số phân tử ADN con được tạo ra ở đợt tự nhân đôi cuối cùng: 2 K
(1 ADN mẹ qua 1 đợt tự nhân đôi tạo 2 = 21 ADN con, 2 đợt tạo 4 = 22 ADNcon… Qua K đợt tạo 2k ADN con)
- Dù ở đợt tự nhân đôi nào trong số ADN con tạo ra từ 1 ADN mẹ banđầu vẫn có 2 ADN con mà mỗi ADN con này chứa 1 mạch cũ của mẹ Số ADNcon còn lại có cả 2 mạch cấu thành hoàn toàn từ nguyên liệu môi trường Do đó:
+ Môi trường nội bào cung cấp nguyên liệu tạo ra số lượng phân tử ADN
tương đương: 2 K – 1
+ Số mạch ADN mới hoàn toàn từ nguyên liệu môi trường: 2 x (2 K – 1)
+ Số ADN hoàn toàn mới từ nguyên liệu môi trường ở đợt tự nhân đôi
cuối cùng: 2 K – 2
b Một số bài tập áp dụng:
Bài 1 (Đề thi đại học 2009): Có 8 phân tử ADN tự nhân đôi một số lần bằng
nhau đã tạo ra 112 mạch Polinucleotit mới lấy nguyên liệu hoàn toàn từ môitrường Số lần tự nhân đôi của ADN là
Bài giải:
N15 Nguyên liệu cũ của ADN mẹ, N14 nguyên liệu mới Do đó bài toán hỏi
số ADN con tạo thành từ nguyên liệu mới
Số ADN con chứa hoàn toàn N14: 2k – 2 = 25 – 2 = 30 Chọn đáp án B 3.2.4 Dạng 4 - Xác định số lượng N môi trường cung cấp cho ADN và cho
Trang 12từng loại N của ADN tự nhân đôi K lần
a Phương pháp giải:
Gọi K là số đợt tự nhân đôi Tổng số ADN con tạo ra 2k
- Tổng số Nu sau cùng trong các ADN con: N x 2k
- Số Nu ban đầu ADN mẹ : N
- Tổng số N môi trường cung cấp cho 1 ADN qua K lần nhân đôi:
Bài giải:
Hai gen con có 3800 liên kết Hidro Số liên kết Hidro trong mỗi gencon là: 3800 : 2 = 1900 (1)
Số liên kết Hidro giữa cặp G –X nhiều hơn số liên kết Hidro giữa các cặp
A –T trong một gen con là 1000 : 2 = 500 (2)
Từ 1 và 2 ta có hệ phương trình:
Giải hệ phương trình trên ta được: A = T = 350 G = X = 400
Số N mỗi loại môi trường cung cấp sau 3 đợt tự nhân đôi:
Trang 13Do đó: HT hình thành = 2 x ( - 1) = N – 2
- Khi gen nhân đôi K lần: Số liên kết hóa trị hình thành trong một mạchđơn: - 1 Trong số các mạch đơn của các ADN con có 2 mạch cũ ADN mẹnên số mạch mới trong các ADN con: 2 x (2k – 1)
Bài 2: Một gen chứa 900 Nucleotit loại A và 600 loại X Tính số liên kết Hidro
được hình thành và bị phá vỡ khi gen nhân đôi 2 lần?
Bài giải:
Số liên kết Hidro của gen: H = 2A + 3G = 2 x 900 + 3 x 600 = 3600
Sau 2 lần nhân đôi:
- Số liên kết Hidro hình thành: 22 x Hgen = 22 x 3600 = 14400
- Số liên kết Hidro phá vỡ: (2k – 1) x Hgen = (22 – 1) x 3600 = 10800
3.2.6 Dạng 6 - Tính số đoạn mồi hay số đoạn Okazaki.
a Phương pháp giải:
Mỗi đoạn Okazaki luôn cần có đoạn mồi để khởi động quá trình tổng hợp
Ở trên một đơn vị tái bản gồm 2 phễu tái bản, trên mỗi phễu tái bản có 1 mạchtổng hợp liên tục (1 đoạn mồi) và 1 phễu tổng hợp gián đoạn (Số đoạn mồi =Okazaki)
Trên 2 phễu: Số đoạn mồi = Đoạn Okazaki + 2
- Nếu trên 1 ADN có a đơn vị tái bản: Số đoạn mồi = Số đoạn Okazaki + 2.a
- Nếu ADN nhân đôi K lần:
Số đoạn mồi = (Số đoạn Okazaki + 2 x Đơn vị tái bản) x (2 k – 1)
b Bài tập áp dụng:
Bài 1: Một phân tử ADN của sinh vật khi thực hiện quá trình tự nhân đôi đã tạo
ra 3 đơn vị tái bản Đơn vị 1 có 15 đoạn Okazaki, đơn vị 2 có 18 đoạn Okazaki,đơn vị 3 có 20 đoạn Okazaki Số đoạn mồi cần cung cấp để thực hiện quá trìnhtái bản trên
Bài giải:
Số đoạn mồi cần cung cấp cho quá trình tái bản trên là: