DNA多样性的原因浅析

诸剑虹

在教科书或不少教学参考资料中都有如下表述：由n个碱基对构成的DNA最多有4n种，翻阅有关教材也有类似表述，但这种计算存在着误解，先从一道高考题谈起。

【题目】（2011·上海高考题）某双链DNA分子含有400个碱基，其中一条链上A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4。下列表述错误的是（ ）

A. 该DNA分子的一个碱基改变，不一定会引起子代性状的改变

B. 该DNA分子连续复制两次，需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸120个

C. 该DNA分子中4种碱基的比例为A∶T∶G∶C=3∶3∶7∶7

D. 该DNA分子中的碱基排列方式共有4200种

【解析】该DNA分子的某一个碱基改变，不一定改变蛋白质的结构，因发生改变的可能是基因间区或基因的非编码区，即使位于编码区，也因为存在密码子简并性现象等原因，从而不一定会引起子代性状的改变，A选项正确；DNA一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4，则另一条链中A∶T∶G∶C=2∶1∶4∶3，故DNA双链中A∶T∶G∶C=3∶3∶7∶7，C选项正确；一个DNA分子中有腺嘌呤脱氧核苷酸60个，因此复制两次需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的个数为60×（22-1）=180个，B选项错误；该DNA分子中有200个碱基对，因此碱基对排列方式共有4200种，D选项正确。

参考答案：B。

【质疑1】该DNA分子是有特定的碱基比例的，而4200种DNA的计算，前提是不受碱基比例限制，甚至还包含只含AT或CG两种碱基的DNA类型在内，因此该DNA分子中的碱基排列方式远小于4200种。

修正答案：BD。

【质疑2】若无碱基比例的限制，D项就正确了吗？

【查阅资料】（1） 高中生物必修2《遗传与进化》（人教版）：“脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性” 探究实验的问题情境：假设长度为17个碱基对的脱氧核苷酸序列组成一个基因，那么这17个碱基对可排列出多少种基因？其提示为：如1个碱基对组成基因，可形成4种基因，2个碱基对则可能形成16（即4×4）种基因，3个碱基对则形成64（即4×4×4）种基因。更多个碱基对呢？《遗传与进化》（苏教版）：“如果一个DNA分子有4 000个碱基对，这些碱基对的排列方式就有44 000种。而浙科版无具体论述。

（2） 《普通生物学——生命科学通论》陈阅增（第二版）：“如果一个DNA分子只有100个碱基对，这100个碱基对在这个分子上的排列就有4100种”。而第三版找不到相应论述。

从上述资料可知，若组成n个碱基对的DNA，最多可有4n种DNA变化。原因是DNA单链中每一个位点有4种变化，该链有4n种DNA变化，一旦确定了某链后其互补链为惟一的。

【质疑起因】DNA双链是反向平行的（3′C-OH→5′C-PO4和5′→3′，后文省略为3和5），如图1。从单链来看：3′AATT5′和3′TTAA5′明显排序不同，但把其互补链5′TTAA3′和5′AATT3′补上后，发现是相同的，如图2所示。观察ac链发现甲乙DNA不同，但把甲乙DNA双链整体来看，乙旋转180°后就是甲。这是在教材制作DNA模型活动时发现的问题。

【DNA多样性分析表】以3个碱基对为例（表1～表3）。

从上述分析可知，按单链分析的DNA分子数实际上有一半是重复的，即组成n个碱基对的DNA，最多可有4n/2种DNA变化。

【错误产生的原因】浙科版高中生物有以下的论述：“假定20种氨基酸任意组成一个含100个氨基酸分子的多肽，就将有20100种多肽”；“在完全显性的条件下，如果涉及的各种性状分别由n对基因控制，并且各对基因分别位于不同的染色体上，则F2的表现型数目应2n”。“一对等位基因可能形成3（即31）种不同的基因型；两对等位基因可以形成9（即32）种不同的基因型，总的公式是3n”。由此类推DNA多样性而造成的错误结果。

【启示】生物学是一门实验学科，类推需要实验为基础才能得出正确的结论。如早先质膜在电镜下观察到呈2条细线，认为蛋白质分子量大而显暗带，磷脂分子量小呈亮带，从而构建出“蛋白质—脂质—蛋白质”三夹板式质膜静态模型。但电镜冰冻蚀刻质膜暴露出粗糙的断裂面揭示这两条细线就是质膜中的两层磷脂分子，而蛋白质因极性基团分布不同而呈现贯穿、镶嵌和覆盖等形式，从而体现膜的不对称性。其不对称性还表现在膜脂的不对称性，因磷脂也有很多种。仔细阅读教材可发现：哺乳动物成熟红细胞无细胞核，但不能由此推出动物红细胞无细胞核，核糖体从5′沿mRNA向3′阅读，不能由此推断出tRNA上的反密码子阅读也为从5′到3′，RNA为单链不能由此推断出不存在碱基对（氢键）。

DNA的多样性决定蛋白质的多样性，如果让学生把牙签2头分别染色（红、蓝、绿、紫分别代表4种碱基）后作横档，用粗毛线作主链，则能方便地展示DNA的多样性；如果让学生带上标记的手套（左右手套分别代表-NH2和-COOH），相互牵手时脱下的手套代表水，也能方便地展示蛋白质的多样性，并且让学生尝试写出由天冬氨酸（R基为-CH2COOH）和天冬酰胺（R基为-CH2CONH2）构成的二肽，通过相互观摩讨论，不仅能巩固脱水缩合的知识点，还能明白二肽AB与BA并不相同，同时认识到R基中的氨基与羧基并不参与脱水缩合。