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高一生物集体备课3-2《DNA分子的结构》

[日期:2011-07-12]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:512[字体: ]

一、 教学目标

1.概述DNA分子结构的主要特点。

2.制作DNA分子双螺旋结构模型。

3.讨论DNA双螺旋结构模型的构建历程。

二、教学重点和难点

1.教学重点

(1)DNA分子结构的主要特点。

(2)制作DNA分子双螺旋结构模型。

2.教学难点

DNA分子结构的主要特点。

三、教学策略

本节可用2课时,建议采用下列教学策略。

1.引导学生分析沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型的过程,总结科学研究方法。

本节以故事叙述的形式介绍了美国生物学家沃森和英国物理学家克里克构建DNA双螺旋结构模型的研究过程。教学中应通过介绍这一过程,让学生总结这两位科学家所运用的多种研究方法。

模型建构是自然科学研究中一种常用的方法。当研究对象难以直接操作或研究时,可以考虑模型建构的方法。该方法用模型来模拟研究对象,被模拟的对象称做原型。模型的构建是否正确,还需要通过与原型的比较来确证。沃森和克里克构建的DNA双螺旋结构模型最终被认可,就是因为这一模型与原型──DNA结晶的X射线衍射图相符,并能解释DNA作为遗传物质所具备的多种功能。

除了让学生体验模型建构的研究方法外,教学中还可以引导学生总结在生物学的研究中,多学科知识的综合应用。例如,从化学角度认识生物大分子是由分子和原子组成的,它们在分子水平的运动都遵循量子力学的规律;结晶DNA的获得必须应用化学和物理的原理和方法;X射线衍射技术则主要运用物理学原理和方法;而对DNA的X射线衍射图的分析又需要借助于数学方法。可见,科学发现史中包含了丰富的科学方法,蕴含着科学思想和科学精神,学生可以从中大获裨益。

2.以DNA模型为依托,培养学生的空间想像能力。

DNA分子双螺旋结构是本节学习的重点和难点,需要学生通过空间想像才能理解。学习这部分内容时,可以利用现成的模型进行教学,还可以利用课外活动小组的同学自制的模型教具。教学程序可采用“空间结构→平面结构→单链结构→基本单位”的顺序,即由立体到平面,由大分子到组成单位,使学生逐步认识DNA分子的空间结构、平面结构以及化学组成。此外,还应特别注意以下几个问题。

(1)板书应该图文结合。

(2)注重DNA双螺旋结构的内在关系。

DNA分子的双链是由两条脱氧核苷酸长链以氢键连接起来的;DNA分子的主链是由磷酸和脱氧核糖交替排列的;DNA分子的碱基对的排列顺序变化多端,说明DNA分子具有多样性,可以贮存大量的遗传信息;DNA分子的碱基对特定的排列顺序说明DNA分子具有特异性。

(3)挖掘DNA分子结构中隐含的原理,培养学生分析问题的能力。

① 为什么说DNA分子是规则的双螺旋结构?

DNA分子结构的规则性体现在两个方面:第一,DNA分子的每个螺旋都是由10对碱基组成的,相邻两对碱基间的距离为0.34 nm;第二,两条长链之间的距离恒等于2 nm。

② 为什么碱基配对是嘌呤碱基与嘧啶碱基配对?

嘌呤碱基A和G是双环化合物,而嘧啶碱基C和T是单环化合物,在碱基互补配对时,只有始终是嘌呤碱基与嘧啶碱基配对,才能保证两条长链之间的距离恒定。

3.依据碱基互补配对原则,推算DNA分子的碱基比例,学会用数学语言描述生命现象。

教师在指导学生观察DNA分子双螺旋结构模型后,可以进一步引导学生思考在DNA分子中,其碱基的比例和数量之间的规律,再进行总结。

(1)在双链DNA分子中,所有的嘌呤碱之和等于所有的嘧啶碱之和,即A+G/C+T=1。

(2)根据上述公式,可鉴定DNA分子是单链还是双链。若在一个DNA分子中,A+G/C+T≠1,且A≠T、C≠G,说明此DNA为单链。若在一个DNA分子中,A+G/C+T=1,且A=T、C=G,说明此DNA为双链。

(3)根据不同的碱基比例进行计算。

例1:在一个DNA分子中,若甲链A+G/C+T=1/2,则在互补的乙链中,A+G/C+T=2(倒数关系),在整个DNA分子中,A+G/C+T=1。

例2:在一个DNA分子中,若甲链A+T/C+G=1/2,则在互补的乙链中,A+T/C+G=1/2(对等关系),在整个DNA分子中A+T/C+G=1/2。

四、答案和提示

(一)问题探讨

提示:本节的问题探讨主要是培养学生收集资料、讨论交流的能力。

(二)旁栏思考题

1.(1)当时科学界已经发现的证据有:组成DNA分子的单位是脱氧核苷酸;DNA分子是由含4种碱基的脱氧核苷酸长链构成的;(2)英国科学家威尔金斯和富兰克林提供的DNA的X射线衍射图谱;(3)美国生物化学家鲍林揭示生物大分子结构的方法(1950年),即按照X射线衍射分析的实验数据建立模型的方法(因为模型能使生物大分子非常复杂的空间结构,以完整的、简明扼要的形象表示出来),为此,沃森和克里克像摆积木一样,用自制的硬纸板构建DNA结构模型;(4)奥地利著名生物化学家查哥夫的研究成果:腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量这一碱基之间的数量关系。

2.沃森和克里克根据当时掌握的资料,最初尝试了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型,在这些模型中,他们将碱基置于螺旋的外部。在威尔金斯为首的一批科学家的帮助下,他们否定了最初建立的模型。在失败面前,沃森和克里克没有气馁,他们又重新构建了一个将磷酸—核糖骨架安排在螺旋外部,碱基安排在螺旋内部的双链螺旋。

沃森和克里克最初构建的模型,连接双链结构的碱基之间是以相同碱基进行配对的,即A与A、T与T配对。但是,有化学家指出这种配对方式违反了化学规律。1952年,沃森和克里克从奥地利生物化学家查哥夫那里得到了一个重要的信息:腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量。于是,沃森和克里克改变了碱基配对的方式,让A与T配对,G与C配对,最终,构建出了正确的DNA模型。

(三)思考与讨论

2.提示:主要涉及物理学(主要是晶体学)、生物化学、数学和分子生物学等学科的知识。涉及的方法主要有:X射线衍射结构分析方法,其中包括数学计算法;建构模型的方法等。现代科学技术中许多成果的取得,都是多学科交叉运用的结果;反过来,多学科交叉的运用,又会促进学科的发展,诞生新的边缘学科,如生物化学、生物物理学等。

3.提示:要善于利用他人的研究成果和经验;要善于与他人交流和沟通,闪光的思想是在交流与撞击中获得的;研究小组成员在知识背景上最好是互补的,对所从事的研究要有兴趣和激情等。

(四)模型建构

1.DNA虽然只含有4种脱氧核苷酸,但是碱基对的排列顺序却是千变万化的。碱基对千变万化的排列顺序使DNA储存了大量的遗传信息。

2.提示:(1)靠 DNA分子碱基对之间的氢键维系两条链的偶联;(2)在DNA双螺旋结构中,由于碱基对平面之间相互靠近,形成了与碱基对平面垂直方向的相互作用力(该点可不作为对学生的要求,教师可进行补充说明)。

(五)练习

基础题

1. (1)胞嘧啶;(2)腺嘌呤;(3)鸟嘌呤;(4)胸腺嘧啶;(5)脱氧核糖;(6)磷酸;(7)脱氧核苷酸;(8)碱基对;(9)氢键;(10)一条脱氧核苷酸链的片段。

2.C 。

3.B 。

拓展题

∵A=TG=C

∴A+G=T+C

∴A+G/(A+G+T+C)=T+C/(A+G+T+C)=50%

也可以写成以下形式:A+G/T+C=(T+G )/(A+C)=(T+C )/(A+G)……=1

规律概括为:在DNA双链中,任意两个不互补碱基之和恒等,并为碱基总数的50%。

五、参考资料

1.查哥夫研究DNA碱基组成的实验数据

20世纪50年代初,查哥夫应用紫外分光光度法结合纸层析等技术,对多种生物DNA做碱基定量分析(表10),发现DNA的碱基组成是有规律的。

表10 不同来源DNA四种碱基的摩尔比例关系

DNA

来源ATGC(A+T)/

(G+C)

大肠

杆菌25.424.824.125.71.01

小麦24.828.023.222.71.21

鼠24.125.621.922.81.21

猪肝25.729.720.520.51.43

猪胸腺26.828.920.420.71.43

猪脾28.029.220.420.81.43

酵母23.232.918.717.51.08

(1)同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同;

(2)每一种生物的DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变;

(3)几乎所有的DNA,无论种属来源如何,其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同,即A=T,鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同,即G=C,总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同,即A+G=C+T。

(4)不同生物来源的DNA碱基组成不同,表现为A+T/G+C的比值不同。

2.核酸与核苷酸的化学组成

核酸组成核酸的元素有C、H、O、N、P。与蛋白质比较,核酸在组成上主要有两个特点:核酸一般不含有S元素;核酸中P含量较多并且恒定,约占9%~10%。通常情况下通过测定P含量来代表核酸的量。核酸经水解可得到很多核苷酸(nucleotide),核苷酸是核酸的基本单位。核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解产生核苷(nucleoside)和磷酸(phosphate),核苷还可再进一步水解,产生戊糖和含氮碱基,戊糖包括核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两类。

(1)碱基

核苷酸中的碱基(表11)都是含氮的杂环化合物,它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤(adenine,A),嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)和胸腺嘧啶(thymine,T)。DNA和RNA都含有鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C);胸腺嘧啶(T)一般而言只存在于DNA中,不存在于RNA中;而尿嘧啶(U)只存在于RNA中,不存在于DNA中。

(2)核苷

戊糖和嘧啶碱或嘌呤碱以糖苷键连接起来称为核苷。RNA中的核苷以核糖作为糖基组成,称为核糖核苷。DNA中的糖基为脱氧核糖,因而称为脱氧核糖核苷。DNA中有腺嘌呤脱氧核苷,鸟嘌呤脱氧核苷,胸腺嘧啶脱氧核苷和胞嘧啶脱氧核苷。在各种核苷中,都是糖基的Cl通过碱基的N原子连接到碱基上(图24)。若碱基是嘧啶,则所结合的N原子为1位的氮原子(N-l);若碱基是嘌呤,则所结合的是碱基的第9位氮原子(N-9)。

图24  胞嘧啶脱氧核苷和腺嘌呤脱氧核苷

(3)核苷酸

核苷中戊糖羟基与磷酸以磷酸酯键连接的形式连接在一起成为核苷酸。生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的C-5上羟基被磷酸酯化,形成单磷酸核苷。单磷酸核苷进一步被磷酸化,生成二磷酸核苷和三磷酸核苷。以核糖腺苷酸为例,除AMP外,还有二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)两种形式。

核苷酸的二磷酸酯和三磷酸酯多为与核苷酸有关的代谢的中间产物或者酶活性和代谢的调节物质,也是生理储能和提供能量的重要形式。

DNA的一级结构DNA的一级结构是指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列顺序,通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸,由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基顺序的不同,又可称为碱基顺序。

核苷酸之间的连接方式是:一个核苷酸的5′位磷酸与下一个核苷酸的3′-OH形成3′,5′磷酸二酯键,构成不分支的线性大分子。其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架,可变部分是碱基排列顺序。核酸是有方向性的分子,通常将DNA的羟基(—OH)末端称为3′端,而磷酸基的末端称为5′端。这两个末端并不相同,生物学特性也有差异。

3.DNA的双螺旋结构

沃森和克里克提出的DNA结构的双螺旋模型的主要内容如下。在DNA分子中,两股DNA链围绕一个假想的共同轴心形成右手双螺旋结构,双螺旋的螺距为3.4 nm,直径为2.0 nm;双螺旋的外侧是DNA链的骨架(backbone),由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成;碱基位于双螺旋的内侧,两股链中的嘌呤和嘧啶以它们疏水的、近于平面的环形结构彼此接近,平面与双螺旋的长轴相垂直;一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢键相连,称为碱基互补配对或碱基配对(base pairing),碱基对层间的距离为0.34 nm;碱基互补配对总是出现在腺嘌呤与胸腺嘧啶之间(A=T),形成两个氢键;或者出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间(G≡C),形成三个氢键;DNA双螺旋的两股链走向是反平行的,一股链是5′→3′走向,另一股链是3′→5′走向。两股链之间在空间上形成一条大沟(major groove)和一条小沟(minor groove),这是蛋白质识别DNA的碱基序列并与其发生相互作用的基础。

4.从染色质到染色体的四级结构

染色质和染色体的基本成分相同,主要包括DNA和组蛋白,除此之外,还有非组蛋白和RNA。染色体是染色质经过高度聚缩后形成的特殊结构。根据目前广泛认可的染色体的四级结构模型,可以把从染色质到染色体的聚缩过程分为四个阶段。

一级结构  染色质是一系列核小体相互连接成的念珠状结构。核小体的核心是由组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两个分子构成的八聚体,在八聚体的表面缠绕有1.75圈的双螺旋DNA。在相邻的两个核小体之间,由DNA连接,称为连接线,在连接线部位结合有一个组蛋白分子H1。现在普遍认为,在组蛋白H1存在时,每个核小体间紧密接触,形成直径为10 nm的纤维状结构, DNA的长度被压缩了约7倍(图25)。

图25  从染色质到染色体的四级结构模型

二级结构  由核小体连接起来的纤维状结构经螺旋化形成中空的螺线管,这就是染色体构型变化的二级结构。螺旋管的每一圈包括6个核小体,外径约为30 nm。因此,DNA的长度在一级结构的基础上又被压缩了6倍。

三级结构和四级结构  由螺线管进一步聚缩形成染色体的方式,现在有不同的看法。有研究表明,从人胚胎的成纤维细胞中分离出来的染色体,经温和的破坏后,在光学显微镜下可见到有伸展的、直径约为400 nm的细丝结构。在电子显微镜下观察这些细线时,判明它就是由直径30 nm的螺线管螺旋化形成的筒状结构,称为超螺线管。这就是染色体构型变化的三级结构。超螺线管再进一步螺旋折叠则形成染色单体,这是染色体构型变化的四级结构。

染色单体是由一条连续的DNA长链,经过四级的盘旋、折叠而形成的。一条DNA长链经过一级结构即形成核小体后,其长度被压缩了7倍。二级结构即形成螺旋管后,DNA长度又被压缩了6倍。三级结构,即由螺线管形成超螺线管后,DNA的长度在二级结构的基础上被压缩了40倍。由三级到四级结构,即形成染色单体后,DNA的长度在三级结构的基础上被压缩了5倍。因此由一条DNA长链,经过多级螺旋化,可以使几厘米长的DNA与组蛋白共同形成几微米长的染色体,其长度总共被压缩了8 000~10 000倍。


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