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(shí)驗(yàn)背景資料本實(shí)驗(yàn)的來源是人教版高中生物第二冊(cè)中的實(shí)驗(yàn)十二 制作DNA雙螺旋 結(jié)構(gòu)模型，舊人教必修高中生物實(shí)驗(yàn)十制作 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。在上課 之前同學(xué)們學(xué)習(xí)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?zèng)Q定了其儲(chǔ)存遺傳信息的 多樣性，同時(shí)明確組成 DNA的化學(xué)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 基本單位一一脫氧核苷酸；再通過一定的化學(xué)鍵（氫鍵

2、、3 -5 磷酸二酯鍵）連接作用形成DNA分子。在本實(shí)驗(yàn)前中學(xué)生物學(xué)中與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí)主要 有“基因在染色體上”、“ DNA是生物的主要遺傳物質(zhì)”、“ DNA勺分子結(jié)構(gòu)內(nèi) 容”等內(nèi)容。即學(xué)生在本實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)；2、通過本實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)生的 動(dòng)手操作能力；3、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)生物的興趣愛好；4、激發(fā)學(xué)生的探究能力；5、 培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)代生物教學(xué)中起著舉足輕重的作用， 在現(xiàn)代生物科學(xué)研究中，模型 方法被廣泛運(yùn)用，DNA分子雙

3、螺旋結(jié)構(gòu)模型的成功就是一個(gè)范例。DNA分子雙螺 旋結(jié)構(gòu)模型是以形象化的具體模型， 能使研究對(duì)象直觀化，既可以促進(jìn)研究，又 可以簡(jiǎn)略地描述研究成果，又便于理解和傳播。在中學(xué)生物學(xué)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(jì)和制作的第一案例，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有很大的幫助。常見的難題和疑問：1、如何選取更好的實(shí)驗(yàn)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(shí)結(jié)合使學(xué)生更好、更全面的弄懂 DNA勺雙螺旋結(jié)構(gòu)；4、怎么通過 平面結(jié)構(gòu)使學(xué)生對(duì)DNA的空間立體結(jié)構(gòu)有更深的了解；5、如何通過本實(shí)驗(yàn)開發(fā) 學(xué)生的動(dòng)手能力以及他們對(duì)生

4、物學(xué)的興趣。6實(shí)驗(yàn)的拓展（替代實(shí)驗(yàn)）（一）核酸的發(fā)現(xiàn)歷程1868年，瑞士的內(nèi)科醫(yī)生F. Miescher從膿細(xì)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（n uclei n）;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(guó)

5、科學(xué)家格里菲斯（1877-1941 ）用一種有莢膜、毒性強(qiáng)的和 一種無莢膜、毒性弱的肺炎雙球菌對(duì)老鼠做實(shí)驗(yàn)。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(shí)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(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)把死了的有莢菌與活的無莢菌同時(shí)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(zhǎng)出蛋白質(zhì)莢的就是已死的有莢菌殼中遺留的核酸（因?yàn)樵诩訜嶂?，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(guó)細(xì)菌學(xué)家艾弗里（1877-1

6、955 ）從有美菌中分離得到活性的 轉(zhuǎn)化因子，并對(duì)這種物質(zhì)做了檢驗(yàn)蛋白質(zhì)是否存在的試驗(yàn)，結(jié)果為陰性，并證 明轉(zhuǎn)化因子是DNA但這個(gè)發(fā)現(xiàn)沒有得到廣泛的承認(rèn)，人們懷疑當(dāng)時(shí)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(guó)科學(xué)家德爾布呂克（1906-1981）的噬菌體小組對(duì)艾弗里的發(fā)現(xiàn)堅(jiān) 信不移。因?yàn)樗麄冊(cè)陔娮语@微鏡下觀察到了噬菌體的形態(tài)和進(jìn)入大腸桿菌的生長(zhǎng) 過程。噬菌體是以細(xì)菌細(xì)胞為寄主的一種病毒，個(gè)體微小，只有用電子顯微鏡才能看到它。它像一個(gè)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(dāng)噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，先把尾部末端扎 在細(xì)菌的細(xì)胞膜上，

7、然后將它體內(nèi)的DNA全部注人到細(xì)菌細(xì)胞中去，蛋白質(zhì)空殼 仍留在細(xì)菌細(xì)胞外面，再?zèng)]有起什么作用了。進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后的噬菌體DNA就利用細(xì)菌內(nèi)的物質(zhì)迅速合成噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)，從而復(fù)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(xì)菌被徹底解體，這些噬菌體才離開死了的 細(xì)菌，再去侵染其他的細(xì)菌。1952年，噬菌體小組主要成員赫爾希（1908 一）和他的學(xué)生蔡斯用先進(jìn)的 同位素標(biāo)記技術(shù)，做噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)。他把大腸桿菌T2噬菌體的核酸標(biāo)記上32P,蛋白質(zhì)外殼標(biāo)記上35S。先用標(biāo)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(biāo)記的空殼留在大腸桿菌外面，只有噬菌體 內(nèi)部帶

8、有32P標(biāo)記的核酸全部注人大腸桿菌，并在大腸桿菌內(nèi)成功地進(jìn)行噬菌體 的繁殖。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明DNA有傳遞遺傳信息的功能，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)Wilk ins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(duì)證據(jù)Chargaff研究小組對(duì)DNA勺化學(xué)組成進(jìn)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(dāng)量定律：嘌呤堿總量 二嘧啶堿 總量。（即A+G=T+C不同生物DNA勺堿基組成有很大差異，可用不對(duì)稱比率

9、： A+T/G+C表示。親緣相近的生物，其 DNA勺堿基組成相近，即不對(duì)稱比率相近。同一種生物所有體細(xì)胞DNA勺堿基組成相同，可作為該物種的特征。3、 Pauli ng和Corey發(fā)現(xiàn)A與T生成2個(gè)氫鍵、C與G生成3個(gè)氫鍵。4、電位滴定行為一一電位滴定證明， DNA中的磷酸基可滴定，而嘌呤與嘧啶的 可解離基團(tuán)不能滴定，因?yàn)閴A基間是由氫鍵連接。5、 1953年由Wilk ins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

10、纖維和DNA吉晶的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(cè)定，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)模型的 生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測(cè)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄒ唬W(xué)習(xí)目標(biāo)：1、使學(xué)生明確4種脫氧核糖的根本區(qū)別在于含氮堿基的不同；2、讓學(xué)生理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；3、知識(shí)深化，使學(xué)生在DNA的堿基計(jì)算問題上不但知道有A = T，G=C， 以及演化出的A+G=T+C,還進(jìn)一步知道在DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上還有總鏈 =a 鏈=b鏈，并能具體運(yùn)用在實(shí)際計(jì)算中。（二）技能目標(biāo)1、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，初步學(xué)會(huì)制作 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，掌握制作技 術(shù)；2、培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能

11、力；（三）情感目標(biāo)1、培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神三、實(shí)驗(yàn)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(diǎn)如下：（1） 每個(gè)DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈盤旋而成的規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。脫氧核苷酸長(zhǎng)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(zhǎng)鏈的同一端，一個(gè)是磷酸基，另一個(gè)則是羥基，因而兩 條長(zhǎng)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(duì)；（3）DNA分子兩條鏈上的內(nèi)側(cè)堿基按照堿基互補(bǔ)配對(duì) 原則（A配T，G配C）兩兩配對(duì)，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(duì)之間夾角是36

12、 ,所以，在DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)中10對(duì)堿基對(duì)正 好螺旋一圈,是360。另外研究發(fā)現(xiàn)磷酸基團(tuán)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(shí)驗(yàn)中可以通過運(yùn) 用不同的實(shí)驗(yàn)材料表示脫氧核苷酸的不同構(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(shí)驗(yàn)原理圖片0一 H ONPIO脫氧核苷酸（圖1）p精苜鍵釀二酣鍵脫氧核昔酸（圖2）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(shí)驗(yàn)材料及器具1. 實(shí)驗(yàn)材料硬塑方框兩個(gè)（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(zhǎng)15cm/寬8c

13、m）, 0.5 m細(xì)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(zhǎng)方形卡紙片（有韌性，不易損壞。4種不同顏色的長(zhǎng)方形塑料片分別代表 4種不 同的堿基，長(zhǎng)5cm/寬4cm，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(zhǎng) 3cm）,訂書機(jī)5個(gè)（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(shí)驗(yàn)藥品無3. 實(shí)驗(yàn)儀器六個(gè)瓷盤（用

14、于盛裝材料）五、實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備：需將買回來的材料卡紙剪成上述要求的規(guī)格，然后進(jìn)行下面的操作步驟1、先做支架取一個(gè)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(zhǎng) 0.5 m長(zhǎng)度 的細(xì)鐵絲或細(xì)線（注意固定牢）。2、制作脫氧核苷酸模型將一個(gè)圓形卡紙片（代表磷酸）和一個(gè)長(zhǎng)方形卡紙片（4種不同顏色的長(zhǎng)方形塑料 片分別代表4種不同的堿基），分別連接在一個(gè)剪好的正五邊形卡紙片上（代表脫 氧核糖），連接時(shí)訂書針連接（磷酸基團(tuán)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(gè)個(gè)含有不同堿基的脫氧核苷酸模型

15、，其連接方式如圖64 1，具體連接方式是磷酸基團(tuán)與脫氧核糖的 5號(hào)碳原子連接，堿 基與脫氧核糖的1號(hào)碳原子連接。3、制作多核苷酸長(zhǎng)鏈模型將若干個(gè)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(zhǎng) 細(xì)鐵絲上。具體方式是一個(gè)脫氧核苷酸的磷酸基團(tuán)與下一個(gè)脫氧核苷酸的脫氧核 糖的3號(hào)碳原子連接，依次類推連接成一條完整的多核苷酸長(zhǎng)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(bǔ)配對(duì)，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(zhǎng)鏈并排時(shí)，必須保證堿基之間能夠相互配對(duì)，不能隨意組 裝，且需用

16、訂書針的數(shù)目表示堿基兩兩連接時(shí)之間的氫鍵數(shù)目（G與C配對(duì)時(shí)氫鍵數(shù)為3，A T配對(duì)時(shí)氫鍵數(shù)為2 ）。5、展示立體DNA吉構(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(shí)針方向旋 轉(zhuǎn)90,即為立體DNA結(jié)構(gòu)模型。六、替代的實(shí)驗(yàn)方法替代方案一：在替代實(shí)驗(yàn)中我們首先改變了制作 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的順序，再通過 改變制作雙螺旋結(jié)構(gòu)的材料來實(shí)現(xiàn)替代方案，其具體方案如下：1、實(shí)驗(yàn)背景資料同上2、實(shí)驗(yàn)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(bǔ)連接），然后再將它們對(duì)應(yīng)連接起來，從而構(gòu)成 一條完整的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。3、實(shí)驗(yàn)材料及器

17、具同上（用塑料片替代卡紙片）4、實(shí)驗(yàn)步驟（1）先做支架取一個(gè)硬塑方框，在硬塑方框一側(cè)的兩端各拴上一條長(zhǎng)0.5 m長(zhǎng)度的細(xì)鐵絲。（2）制作脫氧核苷酸模型將一個(gè)圓形塑料片（代表磷酸）和一個(gè)長(zhǎng)方形塑料片（4種不同顏色的長(zhǎng)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(gè)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(gè)個(gè)含有不同堿基的脫氧核苷酸模型， 其連接方式如圖6 4 1。（3）制作兩兩連接的脫氧核苷酸（堿基互補(bǔ)連接）將上述制作好的單個(gè)脫氧核苷酸，兩兩將其堿基按照堿基互補(bǔ)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

18、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(gè)這樣的模型通過兩邊的磷酸基團(tuán)和脫氧核糖的3號(hào)碳原子連接，依次類推再將其與另一個(gè)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(shí)針方向旋 轉(zhuǎn)90,即為立體DNA結(jié)構(gòu)模型。替代方案二：1、實(shí)驗(yàn)背景資料同上2、實(shí)驗(yàn)原理理論基礎(chǔ)相同，只是在做單個(gè)脫氧核苷酸時(shí)，將三個(gè)部分連在一起剪，然后再將 上述連在一起的單個(gè)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(shí)驗(yàn)材料及器具同上（用塑料片替代卡紙片）4、實(shí)驗(yàn)步驟（

19、1）先做支架取一個(gè)硬塑方框，在硬塑方框一側(cè)的兩端各拴上一條長(zhǎng)0.5 m長(zhǎng)度的細(xì)鐵絲（2）制作單個(gè)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(zhǎng)鏈模型將若干個(gè)剪成的單個(gè)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(zhǎng)細(xì)鐵絲上。具體方式是一個(gè)脫氧核苷酸的磷酸基團(tuán)與下一個(gè)脫氧核苷酸的脫 氧核糖的3號(hào)碳原子連接，依次類推連接成一條完整的多核苷酸長(zhǎng)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(yīng)用繩子制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1、實(shí)驗(yàn)背景資料同正實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)原理同正實(shí)驗(yàn)3、實(shí)驗(yàn)材料及器具三根棉繩（顏色不

20、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(shí)驗(yàn)方便。4、實(shí)驗(yàn)步驟將主繩對(duì)折，用橡皮筋將兩根副繩綁在其上，緊接著進(jìn)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(fù)進(jìn)行上述步驟即可得到下圖 2的效果。需要繩子的長(zhǎng)度為：副繩為 6m主 繩依具體情況而定，則可以制作出長(zhǎng)度差不多1m的DNA鏈，以此類推副繩為3m 則制作出的DNA鏈長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)四：應(yīng)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(xiàn)，主講負(fù)責(zé)制作一幅給學(xué)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)有哪些？2