王永田

(山東省費縣教育局教研室 273400)

王立鳳

(山東省費縣朱田中學 273418)

1 分子水平上的四個實例

1.1 氨基酸結構通式 高中生物學教材中對氨基酸有這樣的描述：“每種氨基酸分子都至少含有一個氨基(-NH2)、一個羧基(-COOH),并且都有一個氨基和一個羧基連結在同一個碳原子上”(圖1)。

自然界中的氨基酸遠不止20種，為什么構建蛋白質的氨基酸必須至少要有一個氨基和一個羧基并且連結在同一個碳原子上？氨基酸的R基團中也可以含有氨基或羧基，為什么R基團中的氨基和羧基不參與脫水縮合？這涉及氨基酸分子的結構與功能相適應的問題。

基因通過轉錄和翻譯控制著蛋白質的合成。在翻譯階段，mRNA通過與tRNA的協(xié)作實現特定氨基酸序列的線性控制[1]。每一個tRNA分子3′端與所攜帶氨基酸的特定羧基相連，與該羧基相連的同一個碳原子上必定連著一個氨基。核糖體在mRNA上移動時，該羧基與下一個tRNA分子3′端所攜帶氨基酸的特定氨基(與羧基連在同一個碳原子上的氨基)脫水縮合，如此依次進行。

試想，如果氨基酸分子結構式中找不到連結在同一個碳原子上的氨基和羧基，翻譯出的肽鏈將失去其線性主鏈結構；如果R基上的氨基和羧基也參與脫水縮合，那么一個氨基酸就可能同時與多個氨基酸結合，mRNA就無法保證肽鏈形成過程中氨基酸的準確定位，特定的遺傳物質(基因)就無法控制合成出特定的蛋白質。因此，構成生物體內蛋白質的氨基酸都必須滿足氨基和羧基必須連結在同一個碳原子上。結構與功能相適應，是自然選擇的必然結果。

1.2 核酸分子 DNA和RNA都是核酸大分子，分子中堿基(對)的排列順序攜帶了大量的遺傳信息。分子結構的不同決定兩者功能有明顯的不同，使它們各司其職(表1)。

通過比較可以看出，DNA和RNA的單體都是核苷酸，兩種核酸分子都是遺傳信息的攜帶者，其結構是與各自功能相適應的。

表1 生物的DNA和RNA結構和功能比較

1.3 糖原和脂肪 糖原和脂肪都是由C、H、O三種元素組成的動物細胞內的大分子儲能物質，但又不僅僅是儲能物質。分子結構的不同導致兩者功能存在較大的差異。

糖原分為肝糖原和肌糖原。糖原與支鏈淀粉相似，是由許多個葡萄糖組成的帶分枝的大分子多糖，是人和動物細胞的儲能物質。提純的糖原為白色無定形顆粒，密度(1.83 g/cm3)比脂肪大，易溶于水，在酶的作用下可以迅速地合成或分解，由此決定糖原是一種能被迅速利用的儲能形式。

肝糖原通過迅速分解、合成以維持血糖濃度。肝糖原占肝臟總質量6%～8%，約為100 g，量雖然不多，但在維持血糖濃度方面具有重要的作用。一方面，隨著代謝進行，當血糖因消耗而濃度逐漸降低時，在神經-體液的調節(jié)下，肝糖原會迅速分解，陸續(xù)釋放到血液中，提高血糖濃度；另一方面，當由于食物的消化吸收等導致血糖濃度快速升高時，通過胰島素的調節(jié)，肝臟細胞吸收葡萄糖將其合成肝糖原暫時儲存，迅速降低血糖濃度，從而維持血糖濃度的相對穩(wěn)定。

儲存在肌肉中的肌糖原約占肌肉總質量的1%～2%，約為400 g。在劇烈運動等生理狀況下，肌糖原可迅速酵解為乳酸，同時為肌肉自身收縮供給能量。乳酸由血液運輸到肝臟合成肝糖原。

脂肪是細胞內良好的儲能物質。脂肪是非極性化合物，以無水的形式存在于細胞內，而糖原是極性化合物，是以高度的水合形式存在，在機體內貯存時所占體積相當于同等質量脂肪所占體積的4倍左右。脂肪中C、H的比例較高，氧化分解時需要更多的O2，1 g糖原氧化分解釋放約17 kJ的能量，而1 g脂肪可以釋放39 kJ的能量。因此，脂肪是一種很“經濟”的儲能物質。

脂肪分子結構比糖原結構穩(wěn)定，而且密度較小，比熱容較高，容易形成大顆粒，可以起到潤滑和保溫作用。脂肪分布在體內不容易進行活動的區(qū)域，能緩沖和減壓，還能更有效的儲存能量；而糖原一般以分子形式存在于細胞中，不能自身聚合成大的分子團，故容易參與生化反應，不容易長期儲存能量。

1.4 染色質與染色體的轉化 染色質和染色體都是由DNA和蛋白質組成的，是同一種物質在不同時期的兩種存在狀態(tài)。兩種狀態(tài)的轉化有什么意義呢？

染色質狀態(tài)與復制、轉錄相適應。染色質呈細絲狀，在有絲分裂的分裂間期或減數第一次分裂前的間期，解旋酶容易解開其螺旋，便于DNA分子的復制；遺傳信息存在于DNA分子堿基對的排列順序中。在分化的細胞中，染色質狀態(tài)有利于RNA聚合酶發(fā)揮作用，快速完成基因的轉錄過程。

染色體狀態(tài)則與遺傳物質的分配相適應。染色質狀態(tài)盡管與復制和轉錄相適應，但是纏繞的細絲卻不利于遺傳物質的平均分配。因此，在有絲分裂的前期或減數第一次分裂的前期，染色質逐漸螺旋纏繞，縮短變粗，成為染色體，從而便于將遺傳物質精確地平均分配到兩個子細胞中。

2 適應的相對性及其遷移應用

2.1 適應的相對性 結構與功能相適應是通過長期的生物進化形成的，是自然選擇的結果，也是物種多樣性和適應性的具體體現。在此基礎上，進一步形成了生命系統(tǒng)更高層次的多樣性和適應性。但是，隨著環(huán)境條件的變化，有些“適應”變成了“不適應”，說明適應具有相對性。例如，中生代時期爬行動物非常適應環(huán)境，但到了中生代末期，地球出現了強烈的造山運動，氣候環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，大量的爬行動物，例如重達幾噸，甚至幾十噸的恐龍適應不了環(huán)境突變的打擊，趨于滅亡。而某些爬行類則發(fā)生了角質鱗片的突變，逐漸演化形成羽——鳥類逐漸形成，適應了新的環(huán)境。說明突變和基因重組為生物進化提供了原材料，在自然選擇的作用下，新的“適應”會逐漸形成。

2.2 “結構與功能相適應”觀念的運用 “結構與功能相適應”的學科思想，是指導學生分析問題、解決問題的“活”的理念。例如，在學習生態(tài)系統(tǒng)時，可以分析生態(tài)系統(tǒng)的結構如何與其物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞功能相適應，分析“每種生物都離不開它們的生活環(huán)境，同時又能適應、影響和改變環(huán)境”[2]；分析“高等多細胞生物和人體在生長、發(fā)育、代謝、遺傳和變異等各種活動中，通過一定的調節(jié)機制，使機體保持穩(wěn)態(tài)，并作為一個整體完成復雜的生命活動，適應多變的環(huán)境”[3]。