Hướng dẫn học sinh giải toán di truyền

Hướng dẫn học sinh giải toán di truyền

Phần mở đầu I.Bối cảnh của đề tài

Sinh học là ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu về sự sống Đối tượng của sinh học là giới tự nhiên hữu cơ

Kiến thức sinh học rất cần thiết cho mọi người để có thể sống hòa hợp với thiên nhiên Vì vậy thế hệ trẻ Việt Nam cần được trang bị kiến thức đầy đủ về thiên nhiên nhiệt đới hiểu sâu sắc về sự tàn phá của chiến tranh trong mấy thập kỉ, về nhu cầu tài nguyên lớn lao trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Nước ta vốn là một nước nông nghiệp đang trên đường công nghiệp hóa , hiện đại hóa Trước đây nông nghiệp chiếm tới 80% sản phẩm của nền kinh tế Ngày nay đang diễn ra sự chuyển dịch trong cơ cấu nền kinh tế quốc dân Dự đoán đến năm 2010,

tỉ lệ lao động nông nghiệp chỉ còn 50% Nguồn nhân lực có liên quan với sử dụng kiến thức sinh học chắc chắn là nhiều hơn thế vì ngày nay Sinh học có phạm vi ứng dụng rộng rãi , không chỉ trong các ngành Nông-Lâm-Ngư nghiệp mà cả trong các ngành công nghiệp chế biến , công nghệ thực phẩm , y dược ….Chương trình Sinh học ở bậc THCS sẽ trang bị vốn kiến thức phổ thông về Sinh học cho nguồn nhân lực đó

Người ta đã dự báo thế kỉ XXI sẽ là thế kỉ của Sinh học Vì vậy tri thức phổ thông về sinh học là một bộ phận không thể thiếu ở mỗi thiếu niên độ tuổi 12 – 15 sống trong một đất nước có thiên nhiên nhiệt đới phong phú giàu tiềm năng như nước ta

Ở Bậc THCS , học sinh được học đầy đủ tất cả các bộ môn, song trong quá trình học tập một số HS tỏ ra có năng khiếu đặc biệt với một số môn nhất định Mỗi GV bộ môn phải có trách nhiệm phát hiện và bồi dưỡng HS có năng khiếu để định hướng và tạo điều kiện cho HS đi sâu nghiên cứu bộ môn mình phụ trách ngay từ những năm học bậc THCS Đây cũng là một trong những giải pháp tích cực, góp phần bồi dưỡng nhân tài đất nước Bộ môn Sinh học cũng không nằm ngoài quan điểm đó

Trường THCS Châu Hưng được hình thành từ năm học 2001-2002 , song trong nhiều năm qua, phong trào thi Học sinh giỏi bộ môn vòng huyện, vòng tỉnh đã đạt nhiều thành tích đáng kể và được xem là điểm sáng của huyện về phong trào này, từ đó đã tạo

nên động lực để học sinh và các bậc phụ huynh quan tâm đầu tư đúng mức đến việc bồi dưỡng năng khiếu bộ môn, trong đó có cả bộ môn Sinh học

Đối với bản thân, là một giáo viên đã qua nhiều năm giảng dạy bộ môn sinh học nhất là ở lớp 8 và lớp 9 và đặc biệt đã tham gia bồi dưỡng HS giỏi nhiều năm liền Vì vậy đã có thời gian dài chuyên sâu nghiên cứu nên cũng có ít nhiều kinh nghiệm trong việc bồi dưỡng HS giỏi và hàng năm đã thu hút được nhiều HS đăng kí tham gia học bồi dưỡng để được trang bị thêm những kiến thức nâng cao ở bộ môn Sinh học bậc THCS và đã trở thành HS giỏi cấp huyện , cấp tỉnh

II.Lý do chọn đề tài

Năm học 2005-2006 là năm bắt đầu thực hiện đổi mới chương trình và sách giáo khoa ở khối lớp 9 bậc THCS nói chung và bộ môn Sinh học nói riêng.Ở bộ môn Sinh học lớp 9 , nội dung sách giáo khoa có sự thay đổi lớn so với chương trình Sinh học lớp

9 cũ trước đó Đặc biệt ở mỗi bài, mỗi chương đều có phần bài tập liên quan đến kiến thức toán học Do đó, nội dung bồi dưỡng HS giỏi cũng phải thay đổi và đòi hỏi GV phải có sự đầu tư mới về kiến thức nhất là kiến thức về giải bài tập

Trong khi đó, về phía HS đa số các em cho rằng muốn học giỏi môn Sinh học chỉ cần siêng học bài là được Điều này chỉ đúng đối với khối lớp 6,7 và 8 mà thôi Bởi lẽ , trong những năm qua – kể từ khi thực hiện đổi mới chương trình và sách giáo khoa ở lớp 9, các đề thi HS giỏi huyện, tỉnh đều có câu hỏi về kiến thức giải toán Sinh học

Xuất phát từ cơ sở nêu trên bản thân đã suy nghĩ : trong công tác bồi dưỡng HS giỏi để đạt kết quả cao, nhất thiết phải đầu tư bồi dưỡng về phương pháp giải các dạng bài tập Sinh học trong chương trình Sinh học lớp 9

Đó là lý do tôi chọn đề tài này

III Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

Trong những năm qua , nội dung kiến thức thi HS giỏi huyện , tỉnh phần lớn là

ở HKI (đối với lớp 9 ) Đó là phần Di truyền và Biến Dị Trong đó được phân thành các nhóm bài tập chính như sau :

- Các quy luật di truyền - Di truyền tế bào

- Di truyền phân tử - Di truyền học người

- Đột biến gen và Đột biến nhiễm sắc thể (NST) Trong phạm vi của đề tài nghiên cứu này ,tôi chỉ trình bày phương pháp giải một

số dạng Bài tập Di truyền phân tử

IV Mục đích nghiên cứu :

Nhiều năm gần đây, khoa học kĩ thuật phát triển theo nhiều hướng , trong đó có

xu hướng liên quan tới nội dung đề tài nghiên cứu này.Đó là sự xâm nhập lẫn nhau của nhiều ngành khoa học vốn rất khác nhau, điển hình và mạnh mẽ nhất là xâm nhập của Toán học vào nhiều lĩnh vực khoa học khác Trước đây, Sinh học … Sinh vật học theo nghĩa là chủ yếu chỉ mô tả sinh vật Lúc đó, Sinh học “thuần khiết” đến nỗi khi Gregor Mendel vừa công bố “ Thí nghiệm về các cây lai” của mình thì lại bị chế nhạo là “lai” toán học với cả thực vật học

Phù hợp với xu hướng trên, việc giảng dạy Sinh học ở trường phổ thông hiện nay ngày càng chú trọng tới trình bày chi tiết hơn những cơ chế sinh học ở cấp độ phân tử, tới việc ứng dụng toán học Nếu GV chịu khó nghiên cứu ,nắm vững cách giải những dạng bài tập sinh học có liên quan đến nội dung sách giáo khoa Sinh học lớp 9và

sử dụng khéo léo với một tỉ lệ thích hợp thì các bài tập ứng dụng toán học trong dạy và học môn Sinh học phổ thông giữ vai trò rất quan trọng trong việc củng cố kiến thức cơ bản và “giảng dạy lấy người học làm trung tâm”

V Điểm mới trong kết quả nghiên cứu:

Việc ứng dụng toán học trong sinh học phổ thông nói chung là có tác dụng tích cực : chúng giúp HS hiểu một số kiến thức sinh học chắc hơn và sâu hơn ; góp phần kích thích tư duy độc lập của HS , nhờ đó cái môn trước đây bị coi là môn “học thuộc lòng” thì nay lại được nhìn nhận khác hẳn và trở nên có vị trí xứng đáng hơn trong nhà trường

Phần nội dung I.Cơ sở lý luận :

Sinh học là môn khoa học tự nhiên Kiến thức Sinh học , ngoài các kết quả quan sát thực nghiệm để xây dựng nên hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh về sự sống của muôn loài , các kết quả đó còn được đúc kết dưới dạng các qui luật được mô tả bằng công cụ toán học Vì vậy, cũng như các bộ môn khoa học tự nhiên khác, để hiểu sâu sắc các kiến thức của Sinh học phải biết kết hợp giữa nghiên cứu lí thuyết và bài toán

Đối với HS lớp 9 , việc giải các bài toán Sinh học , đặc biệt phải giải nhanh để đáp ứng với yêu cầu đổi mới hình thức kiểm tra đánh giá HS : chuyển từ hình thức câu hỏi tự luận sang một phần câu hỏi trắc nghiệm thật không phải dễ Tuy nhiên nếu GV hướng dẫn HS biết vận dụng linh hoạt các kiến thức lý thuyết và phương pháp giải toán thì có thể giải quyết những vấn đề này một cách nhanh chóng

II Thực trạng của vấn đề:

Môn Sinh học lớp 9 theo chương trình đổi mới mỗi tuần 2 tiết , cả năm 74 tiết , trong đó chỉ có 1 tiết Bài tập chương I : Các quy luật DT của Menđen Trong khi đó, nội dung bồi dưỡng HS giỏi trong từng chương đều có kiến thức vận dụng giải bài tập mà nội dung chương trình học ở lớp không đi sâu nội dung này Ngoài ra, trong sách giáo khoa , ở cuối mỗi bài có phần câu hỏi và bài tập , trong đó có những câu hỏi tự luận dạng củng cố kiến thức hoặc dạng nâng cao, HS có thể vận dung kiến thức bài học trả lời nhưng có những câu hỏi thuộc dạng trắc nghiệm khách quan mà thực chất đòi hỏi

HS phải biết vận dụng kiến thức toán học mới trả lời được

Riêng về phía HS , do kiến thức quá mới so với các lớp trước ( không có tính kế thừa kiến thức) , nên HS còn túng túng khi tiếp thu những thuật ngữ mới , những diễn biến các quá trình sinh học xảy ra trong tế bào như : nguyên phân , giảm phân , cơ chế

tự nhân đôi của AND , cơ chế tổng hợp ARN , tổng hợp Prôtêin… nếu không thông qua làm bài tập , HS khó mà nhớ được

III Các biện pháp thực hiện:

A Phương pháp chung :

Để giải được các dạng bài tập Sinh học , HS cần nắm vững 2 vấn đề cơ bản:

- Kiến thức lý thuyết

- Phương pháp giải : gồm các công thức áp dụng

Để HS nắm vững cách giải từng dạng bài tập , trước hết GV phải phân dạng bài tập ra thành từng vấn đề Trong quá trình dạy HS , mỗi dạng bài tập GV phải trang bị cho HS kiến thức về 2 vấn đề trên , tiếp đó là bài tập ví dụ và cuối cùng là bài tập vận dụng theo hướng từ dễ đến khó ,từ cơ bản đến nâng cao

Đối với phần Di truyền phân tử thuộc chương III trong Sách giáo khoa Sinh học

9 : Chương AND VÀ GEN Phần này gồm có những kiến thức về : Cấu trúc của : AND,ARN, Prôtêin ; các cơ chế : Tự nhân đôi của AND, Tổng hợp ARN , Tổng hợp prôtêin Từng nội dung kiến thức đều có vận dụng kiến thức toán học đề làm bài tập

Để giải bài tập về di truyền ở cấp độ phân tử, cần lưu ý một số vấn đề sau :

* Bài toán về vấn đề này thường được xây dựng theo hai hướng: Bài toán thuận

và bài toán nghịch

Mỗi bài toán gồm hai phần:

+ Phần giả thuyết (điều đã biết) : bao gồm các sự kiện riêng lẻ được cụ thể hóa bằng các yếu tố cụ thể về cấu trúc, cơ chế

+ Phần kết luận: là các yếu tố cần tìm, bao gồm các câu hỏi nhỏ của bài toán

Để giải chính xác các bài toán dạng này , cần tiến hành các bước sau:

+ Hiểu được các thông số trong giả thuyết và nội dung các kết luận

+Từ kết luận , tìm những yếu tố đã cho trong giả thuyết liên quan tới mỗi kết luận , xác định mối liên quan chặt chẽ về nội dung sinh học bên trong giữa điều kiện

đã cho trong giả thuyết và nội dung cần tìm

+ Nếu những điều kiện đã cho trong bài toán chưa đủ để giải , cần suy luận tìm thêm các điều kiện khác liên quan

+ Trong quá trình giải toán , cần nhận biết mối liên quan giữa các đáp số phụ và đáp số chính mà đề bài yêu cầu Đồng thời phải có biện luận chắc chắn , logic hợp với nội dung bài toán

B Phương pháp cụ thể:

VẤN ĐỀ 1: CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ MỐI LIÊN QUAN GIỮA CÁC ĐẠI LƯỢNG TRONG CẤU TRÚC AND (GEN)

1 Xác định chiều dài và khối lượng của AND

AND là một đại phân tử sinh học được cấu tạo từ 4 loại đơn phân cơ

bản : A,T, G ,X

Xét về mặt không gian , phân tử AND là một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn pôlinuclêôtit Mỗi vòng xoắn gồm 10 cặp Nu gọi là một chu kì

Mỗi chu kì có chiều dài 34A0 do kích thước 1 Nu là 3,4A0 ; trọng lượng của 1Nu là 300 đvC

- Nếu giả thuyết cho tổng số Nu của gen , tính chiều dài:

L G = N/2 x 3,4A 0

- Nếu giả thuyết cho số vòng xoắn của gen , tính chiều dài :

L G = C x 34A 0

- Nếu giả thuyết cho số Nu của gen , tính khối lượng phân tử của gen:

M G = N G x 300 đvC

Ví dụ : Một gen có 120 vòng xoắn Hỏi chiều dài và khối lượng của gen là bao nhiêu?

Giải

Áp dụng công thức tính chiều dài của gen dựa vào số chu kì vòng xoắn:

LG = C x 34A0 = 120 x 34A0 = 4080 A0 Tổng số Nu của gen:

NG = 2L : 3,4 = (2 x 4080 ) : 3,4 = 2400 ( Nu) => MG = 2400 x 300 = 720000 ( đvC)

2 Xác định số liên kết hiđrô và số liên kết cộng hóa trị của ADN

Mỗi gen gồm 2 mạch đơn , trong mỗi mạch đơn , các Nu kiên kết với

nhau bằng liên kết hóa trị : gốc axit phôtphoric của Nu này liên kết với

đường đêôxiribôzơ của Nu đứng trước nó ở vị trí nguyên tử cacbon số 3 ( vị trí C3’) và với đường đêôxiribôzơ đứng sau nó ở vị trí C5’, do vậy số liên

kết hóa trị nối giữa các Nu trên 1 mạch đơn là ( N/2 – 1 ) và số liên kết hóa trị nối giữa các Nu trên cả 2 mạch đơn là ( N/2 – 1) x 2

Ngoài ra mỗi Nu có 1 liên kết hóa trị nối giữa đường và axit phôtphoric của nó , số liên kết hóa trị này bằng tổng số Nu

-Nếu giả thuyết cho số Nu của gen , tính tổng số liên kết hóa trị (HT)

nối giữa các Nu trong gen:

HT = ( N/2 – 1) x 2 = N -2

-Nếu giả thuyết cho số Nu của gen , tính tổng số LK hóa trị của gen:

HT = ( N/2 – 1 ) x 2 + N = 2 N -2

Giữa hai mạch đơn , các bazơ nitơ đứng đối diện nhau thành từng cặp

theo NTBS : A liên kết với T bằng 2 liên kết hiđrô nên số liên kết hiđrô của các cặp A – T là 2A ( hoặc 2T ) ; G liên kết với X bằng 3 liên kết hiđrô

nên số liên kết hiđrô của các cặp G – X là 3 G ( hoặc 3 X)

- -Nếu giả thuyết cho số Nu từng loại của gen, tính số LK hiđrô của gen:

- H = 2A + 3G ( liên kết hiđrô)

3 Xác định tổng số nuclêôtit của gen ( N G )

Để tính tổng số Nu của gen , có thể áp dụng các công thức sau:

- Nếu giả thuyết cho biết chiều dài của gen thì: N G = 2L : 3,4

- Nếu giả thuyết cho biết số vòng xoắn của gen thì: N G = C x 20 ( Nu)

( Một chu kì xoắn gồm 10 cặp Nu , tương đương 20 Nu)

- Nếu giả thuyết cho biết khối lượng phân tử của gen thì: N G = M : 300

- Nếu giả thuyết cho biết tổng số Nu trên 1 mạch đơn của gen thì:

N G = N mạch đơn x 2

- Nếu giả thuyết cho biết số lượng từng loại Nu của gen thì:

N G = 2A + 2G = 2T + 2X

- Nếu giả thuyết cho biết tổng số liên kết hiđrô của gen thì cần phải biết

thêm hiệu số của một loại Nu này với Nu không bổ sung với nó thì tính được

Nu của gen

- Nếu giả thuyết cho biết số liên kết hóa trị nối giữa các Nu trong gen thì:

N G = HT + 2

- Nếu giả thuyết cho biết tổng số liên kết hóa trị của gen thì:

N G = ( HT : 2 ) + 1

4.Xác định số Nu từng loại của từng mạch đơn gen và của cả gen:

Giữa 2 mạch đơn , các Nu đứng đối diện liên kết với nhau theo NTBS : A liên kết với T và G liên kết với X , vì vậy số Nu ở mạch 1 bằng số Nu bổ sung với nó ở mạch 2 : A1= T2 và G1 = X2 và ngược lai

Số Nu của 1 loại trong gen là tổng số Nu loại đó trên cả 2 mạch:

A = T = A 1 + A 2 = T 1 + T 2 = A 1 + T 1 = A 2 + T 2

G = X = G 1 + G 2 = X 1 + X 2 = G 1 + X 1 = G 2 + X 2

Để tính Nu từng loại của mỗi mạch đơn và của cả gen , áp dụng các công thức sau:

-Khi biết tỉ lệ % từng loại Nu trên mạch đơn của gen thì:

A 1 = T 2 = N/2 x A 1 % ( Nu) ; T 1 = A 2 = N/2 x T 1 % ( Nu)

G 1 = X 2 = N/2 x G 1 % ( Nu) ; X 1 = G 2 = N/2 x X 1 % (Nu)

-Khi biết NG và số lượng từng loại Nu của gen , tính tỉ lệ % từng loại Nu như sau:

A% = T% = A : N G % = T : N G % ; G% =X% = G: N G % = X : N G %

-Khi biết tỉ lệ % từng loại Nu trên từng mạch đơn của gen , tính tỉ lệ % từng loại Nu như sau:

A% = T% = ( A 1 % + A 2 %) : 2 = ( T 1 % + T 2 % ) : 2

G% = X% = ( G 1 %+G 2 % ) :2 = ( X 1 % + X 2 %) : 2

- Khi biết tổng số Nu của gen (NG) và số lượng từng loại Nu trên từng

mạch đơn của gen, tính tỉ lệ % từng loại Nu của gen trên mỗi mạch đơn như sau:

A 1 % = T 2 % = A 1 : N G /2 % ; T 1 % =A 2 % = T 1 : N G /2 %

G 1 % =X 2 % = G 1 : N G /2.% ; X 1 % = G 2 % = X 1 : N G /2.%

Lưu ý : Nếu biết tỉ lệ % hoặc số Nu từng loại trên mỗi mạch đơn , có thể

suy ra tỉ lệ % hoặc số Nu từng loại của cả gen Nhưng không thể áp dụng

ngược lại nếu đề bài không cho biết tỉ lệ đó là của mạch 1 hay mạch 2 của gen

5 Tính số chu kì xoắn của gen:

Dựa vào NG hoặc LG , ta có thể tính được số chu kì xoắn của gen:

C = N/20 ( chu kì xoắn) hoặc C = L : 3,4 A0

VẤN ĐỀ 2: CÁC D NG BÀI T P V C CH T NHÂN ÔI C A AND:ẠNG BÀI TẬP VỀ CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA AND: ẬP VỀ CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA AND: Ề CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA AND: Ơ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA AND: Ế TỰ NHÂN ĐÔI CỦA AND: Ự NHÂN ĐÔI CỦA AND: ĐÔI CỦA AND: ỦA AND:

1 Xác định số Nu tự do môi trường cần cung cấp:

Khi AND tự nhân đôi hoàn toàn, 2 mạch đều liên kết các Nu tự do theo

NTBS : A của mạch khuôn liên kết với T tự do và ngược lại ; G của mạch khuôn liên kết với X tự do và ngược lại

+ Nếu gen tự nhân đôi 1 lần , thì tổng Nu tự do môi trường cần cung cấp khi gen tự nhân đôi 1 lần là: Nmt = NG

Do đó số Nu tự do từng loại môi trường cần cung cấp khi gen tự nhân đôi

1 lần là: Amt = Tmt = A = T và Gmt = Xmt = G =X

+ Nếu gen tự nhân đôi k lần , thì tổng số gen con được tạo thành qua k đợt

tự nhân đôi từ một gen mẹ là: N G = 2 k

Do đó , tổng số Nu tự do môi trường cung cấp cho 1 gen mẹ tự nhân đôi k

lần là: N mt = N G ( 2 k – 1)

+ Tổng số Nu tự do từng loại môi trường cần cung cấp cho 1 gen mẹ tự

nhân đôi k lần là: A mt = T mt = A G ( 2 k – 1)

X mt = G mt = G G ( 2 k – 1)

+ Khi gen tự nhân đôi k lần , thì tổng số gen con có 2 mạch đơn được cấu

thành hoàn toàn từ Nu mới của môi trường nội bào sẽ là: 2 k – 2

6 Xác định số liên kết hiđrô bị phá vỡ , số liên kết hiđrô được hình

thành, số liên kết hóa trị được hình thành.

Để xác định số liên kết hiđrô và hóa trị bị phá vỡ hoặc được hình thành

trong quá trình nhân đôi của AND (gen) , ta có thể dựa vào các căn cứ:

* Trường hợp gen tự nhân đôi 1 lần thì :

+Số liên kết hiđrô bị phá vỡ khi gen tự nhân đôi 1 lần:

H bị phá vỡ = H G ( liên kết)

+ Số liên kết hiđrô được hình thành khi gen tự nhân đôi 1 lần :

H hình thành = 2 H G ( liên kết)

+ Số liên kết hóa trị được hình thành:

HT hình thành = 2 ( N G /2 – 1) = N – 2 (liên kết)

* Trường hợp gen tự nhân đôi k lần:

+ Tổng số liên kết hiđrô bị phá vỡ khi gen tự nhân đôi k lần :

H bị phá vỡ = H G ( 2k – 1 ) (liên kết)

+ Tổng số liên kết hiđrô được hình thành :

H hình thành = H G 2k ( liên kết)

+ Tổng số liên kết hóa trị được hình thành:

HT hình thành = ( N G – 2 ) ( 2 k – 1 ) (liên kết)

VẤN ĐỀ 3: CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ CẤU TRÚC ARN:

Để giải các bài toán về cấu trúc ARN cần nắm rõ các thông tin sau:

- ARN gồm 4 loại rNu : A , U , G , X Các rNu trên phân tử ARN được tổng hợp từ 1 mạch đơn của phân tử AND ( mạch gốc) theo NTBS Vì vậy tổng số rNu của ARN bằng NG/2

- Trong phân tử ARN , các loại rNu không liên kết bổ sung với nhau nên không nhất thiết phải bằng nhau Sự bổ sung chỉ xảy ra giữa các rNu trên ARN với các Nu trên AND mạch gốc

Mạch 1 (AND) : A1 , T1 , G1 , X1

Mạch 2 ( AND) : T2 , A1 , X2 , G2

Nếu mạch 2 là mạch gốc , sẽ có sự tương đương:

mARN : rA , rU , rG , rX

Do đó số rNu mỗi loại của ARN bằng số Nu loại bổ sung của mạch gốc