制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

1、制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型一、實驗背景資料本實驗的來源是人教版高中生物第二冊中的實驗十二制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，舊人教必修高中生物實驗十制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。在上課之前同學們學習了DNA的發(fā)現(xiàn)歷程，了解到DNA是生物的主要遺傳物質(zhì)，且它由四種脫氧核苷酸（腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥嘌呤脫氧核苷酸、胸腺嘧啶脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸）組成，它的排列順序以及數(shù)量多少決定了其儲存遺傳信息的多樣性，同時明確組成DNA的化學元素是C、H、O、N、P，由它們組成磷酸、脫氧核糖和含氮堿基，再由1分子磷酸、1分子脫氧核糖和1分子的含氮堿基組成基本單位一脫氧核苷酸；再通過一定的化學鍵（氫鍵、3-5磷酸二酯鍵）連接

2、作用形成DNA分子。在本實驗前中學生物學中與本實驗相關(guān)的理論知識主要有“基因在染色體上”、“DNA是生物的主要遺傳物質(zhì)”、“DNA的分子結(jié)構(gòu)內(nèi)容”等內(nèi)容。即學生在本實驗前已經(jīng)對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的制作有了一定的理論基礎(chǔ)。高中生物課程標準對本實驗相關(guān)內(nèi)容的要求主要有：1、通過制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，深入理解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點；2、通過本實驗鍛煉學生的動手操作能力；3、培養(yǎng)學生對生物的興趣愛好；4、激發(fā)學生的探究能力；5、培養(yǎng)學生的團隊合作精神。本實驗現(xiàn)代生物教學中起著舉足輕重的作用，在現(xiàn)代生物科學研究中，模型方法被廣泛運用，DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的成功就是一個范例。DNA分子雙螺旋

3、結(jié)構(gòu)模型是以形象化的具體模型，能使研究對象直觀化，既可以促進研究，又可以簡略地描述研究成果，又便于理解和傳播。在中學生物學教材中，制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型作為生物技術(shù)性設(shè)計和制作的第一案例，對學生的學習有很大的幫助。常見的難題和疑問：1、如何選取更好的實驗材料便于更好地制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；2、如何確保模型構(gòu)建的成功，即構(gòu)建的關(guān)鍵步驟有哪些；3如何將模型和理論知識結(jié)合使學生更好、更全面的弄懂DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)；4、怎么通過平面結(jié)構(gòu)使學生對DNA的空間立體結(jié)構(gòu)有更深的了解；5、如何通過本實驗開發(fā)學生的動手能力以及他們對生物學的興趣。6、實驗的拓展（替代實驗）（一） 核酸的發(fā)現(xiàn)歷程1868

4、年，瑞士的內(nèi)科醫(yī)生F. Miescher從膿細胞核中提取到一種富含磷元素的酸性化合物，將其稱為核素(nuclein)；后來他又從鮭魚精子中分離出類似的物質(zhì)，并指出它是由一種堿性蛋白質(zhì)與一種酸性物質(zhì)組成的，此酸性物質(zhì)即是現(xiàn)在所知的核酸(nucleic acid)。1889年Altman制備了不含蛋白質(zhì)的核酸制品,命名為核酸.以后四五十年中,Kossel和Levene等在確定核酸組分方面做了大量的工作,逐步明確核酸可分為兩大類:脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。（二） DNA是主要遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷程1928年，美國科學家格里菲斯（1877-1941）用一種有莢膜、毒性強的和一種無莢膜、毒

5、性弱的肺炎雙球菌對老鼠做實驗。他把有莢病菌用高溫殺死后與無莢的活病菌一起注人老鼠體內(nèi)，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)老鼠很快發(fā)病死亡，同時他從老鼠的血液中分離出了活的有莢病菌。這說明無莢菌竟從死的有莢菌中獲得了什么物質(zhì)，使無莢菌轉(zhuǎn)化為有莢菌。這種假設(shè)是否正確呢？格里菲斯又在試管中做實驗，發(fā)現(xiàn)把死了的有莢菌與活的無莢菌同時放在試管中培養(yǎng)，無莢菌全部變成了有莢菌，并發(fā)現(xiàn)使無莢菌長出蛋白質(zhì)莢的就是已死的有莢菌殼中遺留的核酸（因為在加熱中，莢中的核酸并沒有被破壞）。格里菲斯稱該核酸為轉(zhuǎn)化因子。1944年，美國細菌學家艾弗里（1877-1955）從有美菌中分離得到活性的轉(zhuǎn)化因子，并對這種物質(zhì)做了檢驗蛋白質(zhì)是否存在的試驗，結(jié)

6、果為陰性，并證明轉(zhuǎn)化因子是DNA。但這個發(fā)現(xiàn)沒有得到廣泛的承認，人們懷疑當時的技術(shù)不能除凈蛋白質(zhì)，殘留的蛋白質(zhì)起到轉(zhuǎn)化的作用。美籍德國科學家德爾布呂克（1906-1981）的噬菌體小組對艾弗里的發(fā)現(xiàn)堅信不移。因為他們在電子顯微鏡下觀察到了噬菌體的形態(tài)和進入大腸桿菌的生長過程。噬菌體是以細菌細胞為寄主的一種病毒，個體微小，只有用電子顯微鏡才能看到它。它像一個小蝌蚪，外部是由蛋白質(zhì)組成的頭膜和尾鞘，頭的內(nèi)部含有DNA，尾鞘上有尾絲、基片和小鉤。當噬菌體侵染大腸桿菌時，先把尾部末端扎在細菌的細胞膜上，然后將它體內(nèi)的DNA全部注人到細菌細胞中去，蛋白質(zhì)空殼仍留在細菌細胞外面，再沒有起什么作用了。進入細

7、菌細胞后的噬菌體DNA，就利用細菌內(nèi)的物質(zhì)迅速合成噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)，從而復制出許多與原噬菌體大小形狀一模一樣的新噬菌體，直到細菌被徹底解體，這些噬菌體才離開死了的細菌，再去侵染其他的細菌。1952年，噬菌體小組主要成員赫爾希（1908一）和他的學生蔡斯用先進的同位素標記技術(shù)，做噬菌體侵染大腸桿菌的實驗。他把大腸桿菌T2噬菌體的核酸標記上32P，蛋白質(zhì)外殼標記上35S。先用標記了的T2噬菌體感染大腸桿菌，然后加以分離，結(jié)果噬菌體將帶35S標記的空殼留在大腸桿菌外面，只有噬菌體內(nèi)部帶有32P標記的核酸全部注人大腸桿菌，并在大腸桿菌內(nèi)成功地進行噬菌體的繁殖。這個實驗證明DNA有傳遞遺傳信息的功

8、能，而蛋白質(zhì)則是由 DNA的指令合成的。（三）DAN雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程：1、X射線衍射數(shù)據(jù)Wilkins和Franklin發(fā)現(xiàn)不同來源的DNA纖維具有相似的X射線衍射圖譜。2、19501953堿基成對證據(jù)Chargaff研究小組對DNA的化學組成進行了研究，發(fā)現(xiàn)：所有DNA中腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾含量相等，（即A=T）;鳥嘌呤與胞嘌呤的摩爾含量相等，（即G=C）。堿基當量定律：嘌呤堿總量=嘧啶堿總量。（即A+G=T+C）不同生物DNA的堿基組成有很大差異，可用不對稱比率：A+T/G+C表示。親緣相近的生物，其DNA的堿基組成相近，即不對稱比率相近。同一種生物所有體細胞DNA的堿基組成相同，可作

9、為該物種的特征。3、Pauling 和Corey發(fā)現(xiàn)A與T生成2個氫鍵、C與G生成3個氫鍵。4、電位滴定行為電位滴定證明，DNA中的磷酸基可滴定，而嘌呤與嘧啶的可解離基團不能滴定，因為堿基間是由氫鍵連接。5、1953年由Wilkins研究小組完成的研究工作，發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構(gòu)象。6、1953年，沃森（J. Watson）和克里克（F. Crick） 在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA纖維和DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜分析及DNA堿基組成的定量分析以及DNA中堿基的物化數(shù)據(jù)測定，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對模型的生物學意義作出了科學

10、的解釋和預測。二、實驗目的（一）學習目標： 1、使學生明確種脫氧核糖的根本區(qū)別在于含氮堿基的不同； 2、讓學生理解分子的結(jié)構(gòu)特點； 3、知識深化，使學生在的堿基計算問題上不但知道有，以及演化出的，還進一步知道在的結(jié)構(gòu)特點上還有總鏈=a鏈=b鏈，并能具體運用在實際計算中。 （二）技能目標 1、培養(yǎng)學生的動手操作能力，初步學會制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,掌握制作技術(shù)；2、培養(yǎng)學生提出問題的能力 ；（三）情感目標 1、培養(yǎng)學生的團隊合作精神。三、實驗原理（一）依據(jù)沃森和克里克提出的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)，其主要特點如下： (1)每個DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈盤旋而成的規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。脫

11、氧核苷酸長鏈的兩端是不同的，一端是脫氧核糖上羥基，另一 端是磷酸基，而 DNA分子兩條長鏈的同一端，一個是磷酸基，另一個則是羥基，因而兩條長鏈的方向是相反的；(2)DNA分子的外側(cè)是脫氧核糖和磷酸交替連結(jié)構(gòu)成的基本骨架，內(nèi)側(cè)是堿基對；(3)DNA 分子兩條鏈上的內(nèi)側(cè)堿基按照堿基互補配對原則(A配T，G配C)兩兩配對，通過氫鍵互相連結(jié)；（4）在DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)中相鄰堿基對之間夾角是36,所以,在DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)中10對堿基對正好螺旋一圈,是360。另外研究發(fā)現(xiàn)磷酸基團與脫氧核糖之間連接的是3-5磷酸二酯鍵，脫氧核糖與含氮堿基之間連接的是糖苷鍵。在本實驗中可以通過運用不同的實驗材料表示脫氧

12、核苷酸的不同構(gòu)成成分，再根據(jù)上述的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)來構(gòu)建其模型。（二）實驗原理圖片脫氧核苷酸（圖1）脫氧核苷酸單鏈（圖3）脫氧核苷酸雙鏈（圖4） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)立體模擬圖（圖5）四、實驗材料及器具1.實驗材料硬塑方框兩個（硬且可彎曲既可做成框形也可固定做支架。用作兩端固定以及方便拿取旋轉(zhuǎn)展示的支架，長15cm/寬8cm），0.5 m細鐵絲兩根（柔軟且有韌性，便于做好模型后的扭轉(zhuǎn)和固定。用作雙螺旋兩邊的固定，分別將兩條子鏈串連起來），剪好的球形卡紙片（有韌性，不易損壞。用來代表磷酸，半徑1cm）,長方形卡紙片（有韌性，不易損壞。4種不同顏色的長方形塑料片分別代表4種不同的堿基，長5cm/寬4c

13、m，根據(jù)人教版材料材料修改）,正五邊形卡紙片（有韌性，不易損壞。代表脫氧核糖，邊長3cm）,訂書機5個（自己提供）、訂書針5盒（訂書針用來連接堿基和脫氧核糖代表氫鍵以及脫氧核糖和磷酸的連接)，小剪刀兩把（用于材料剪制，自己提供）。四種DNA堿基大小比例圖（圖6）2.實驗藥品無3.實驗儀器六個瓷盤（用于盛裝材料）5、 實驗步驟實驗材料的準備：需將買回來的材料卡紙剪成上述要求的規(guī)格，然后進行下面的操作步驟。1、先做支架取一個硬塑或硬鐵絲做成方框，在硬塑方框一側(cè)的兩端各拴上一條長0.5 m長度的細鐵絲或細線（注意固定牢）。2、制作脫氧核苷酸模型將一個圓形卡紙片(代表磷酸)和一個長方形卡紙片(4種不同

14、顏色的長方形塑料片分別代表4種不同的堿基)，分別連接在一個剪好的正五邊形卡紙片上(代表脫氧核糖)，連接時訂書針連接（磷酸基團與脫氧核糖之間用一顆訂書針就可以，代表3-5磷酸二酯鍵，脫氧核糖與含氮堿基之間也用一顆訂書針連接，代表糖苷鍵），用同樣的方法制作出一個個含有不同堿基的脫氧核苷酸模型，其連接方式如圖641，具體連接方式是磷酸基團與脫氧核糖的5號碳原子連接，堿基與脫氧核糖的1號碳原子連接。3、制作多核苷酸長鏈模型將若干個制成的脫氧核苷酸模型，按照一定的堿基順序(可自行設(shè)定)依次穿在長細鐵絲上。具體方式是一個脫氧核苷酸的磷酸基團與下一個脫氧核苷酸的脫氧核糖的3號碳原子連接，依次類推連接成一條完

15、整的多核苷酸長鏈模型。4、制作DNA平面結(jié)構(gòu)模型按同樣方法制作好DNA的另一條脫氧核苷酸鏈(注意堿基的順序與第一條鏈上堿基順序互補配對，但方向相反)。用相同的大小的訂書針將其兩兩連接，在此過程中一定要注意兩條長鏈并排時，必須保證堿基之間能夠相互配對，不能隨意組裝，且需用訂書針的數(shù)目表示堿基兩兩連接時之間的氫鍵數(shù)目（G與C配對時氫鍵數(shù)為3，A、T配對時氫鍵數(shù)為2 ）。5、展示立體DNA結(jié)構(gòu)模型將上述制作好的DNA平面結(jié)構(gòu)模型左右兩支手上下拿好，分別沿不同時針方向旋轉(zhuǎn)90，即為立體DNA結(jié)構(gòu)模型。六、替代的實驗方法替代方案一：在替代實驗中我們首先改變了制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的順序，再通過改變制作雙螺

16、旋結(jié)構(gòu)的材料來實現(xiàn)替代方案，其具體方案如下：1、實驗背景資料同上2、實驗原理同上，只是塑料片替代上述材料，且在制作過程中先做若干的兩兩連接的脫氧核苷酸模型（通過氫鍵，堿基互補連接），然后再將它們對應連接起來，從而構(gòu)成一條完整的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。3、實驗材料及器具同上（用塑料片替代卡紙片）4、實驗步驟（1）先做支架取一個硬塑方框，在硬塑方框一側(cè)的兩端各拴上一條長0.5 m長度的細鐵絲。（2）制作脫氧核苷酸模型將一個圓形塑料片(代表磷酸)和一個長方形塑料片(4種不同顏色的長方形硬紙片分別代表4種不同的堿基)，分別用釘書釘連接在一個剪好的五邊形塑料片上(代表脫氧核糖)，用同樣的方法制作出一個個含有不

17、同堿基的脫氧核苷酸模型，其連接方式如圖641。（3）制作兩兩連接的脫氧核苷酸（堿基互補連接）將上述制作好的單個脫氧核苷酸，兩兩將其堿基按照堿基互補原則通過氫鍵連接，這里的氫鍵連接是指用訂書針連接，其數(shù)目的多少表示堿基連接的氫鍵數(shù)目的多少。（4）制作DNA平面結(jié)構(gòu)模型將上述制作好的兩兩連接的脫氧核苷酸模型再與另一個這樣的模型通過兩邊的磷酸基團和脫氧核糖的3號碳原子連接，依次類推再將其與另一個兩兩連接的脫氧核苷酸模型連接，從而連成一條完整的DNA平面結(jié)構(gòu)模型。（5） 展示立體DNA結(jié)構(gòu)模型將上述制作好的DNA平面結(jié)構(gòu)模型左右兩支手上下拿好，分別沿不同時針方向旋轉(zhuǎn)90，即為立體DNA結(jié)構(gòu)模型。替代方

18、案二：1、實驗背景資料同上2、實驗原理理論基礎(chǔ)相同，只是在做單個脫氧核苷酸時，將三個部分連在一起剪，然后再將上述連在一起的單個脫氧核苷酸連成單鏈脫氧核苷酸鏈，再連成雙脫氧核苷酸鏈。3、實驗材料及器具同上（用塑料片替代卡紙片）4、 實驗步驟（1）先做支架取一個硬塑方框，在硬塑方框一側(cè)的兩端各拴上一條長0.5 m長度的細鐵絲。（2） 制作單個脫氧核苷酸模型用剪刀將塑料片剪成單脫氧核苷酸模型，圖形如下： 脫氧核苷酸（圖7）（3）制作多核苷酸長鏈模型將若干個剪成的單個脫氧核苷酸模型，按照一定的堿基順序(可自行設(shè)定)依次穿在長細鐵絲上。具體方式是一個脫氧核苷酸的磷酸基團與下一個脫氧核苷酸的脫氧核糖的3號

19、碳原子連接，依次類推連接成一條完整的多核苷酸長鏈模型。（4） 制作DNA平面結(jié)構(gòu)模型同上（5）展示立體DNA結(jié)構(gòu)模型同上替代方案三：應用繩子制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1、實驗背景資料同正實驗2、實驗原理同正實驗3、實驗材料及器具三根棉繩(顏色不同)，其中一根為主繩，兩根為副繩纏繞著主繩編，三種顏色不代表具體含義，主要是為實驗方便。4、實驗步驟將主繩對折，用橡皮筋將兩根副繩綁在其上，緊接著進行相關(guān)的纏繞，步驟具體如下圖1：繩子制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1（圖8）重復進行上述步驟即可得到下圖2的效果。需要繩子的長度為：副繩為6m。主繩依具體情況而定，則可以制作出長度差不多1m的DNA鏈，以此類推副繩為3m，則制作出的DNA鏈長度為0.5m。具體效果如下圖2：繩子制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型2（圖9）替代實驗四：應用紙張制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型具體步驟略，見參考文獻，主講負責制作一幅給學生展示。 紙張制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1（圖10）紙張制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1（圖10）七、思考題（關(guān)于本實驗的重要問題或值得探討的問題，含答案）1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點有哪些？2、DNA的反向平行