制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

1、制作DNAZ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)十二一-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 DNW螺旋結(jié)才模型.在上課 之前同學(xué)們學(xué)習(xí)了 DNA勺發(fā)現(xiàn)歷程，了解到DNA1生物的主要遺傳物質(zhì)，且它由 四種脫氧核甘酸（腺喋吟脫氧核甘酸、鳥喋吟脫氧核甘酸、胸腺喀呢脫氧核甘酸、 胞喀噬脫氧核甘酸）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勺化學(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 本單位一一脫氧核甘酸；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” 、“DNA1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)DN做螺旋結(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子雙 螺旋結(jié)構(gòu)模型，深入理解DN做螺旋結(jié)才的特點(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，

3、DN的子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的成功就是一個(gè)范例。DN的子雙螺 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®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勺空間立體結(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

4、的動(dòng)手能力以及他們對(duì)生物學(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(nuclein)；后來他又從鞋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主要遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷

5、程1928年，美國科學(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，美國細(xì)菌學(xué)家艾

6、弗里(1877-1955 )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 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

7、 在細(xì)菌的細(xì)胞膜上，然后將它體內(nèi)的DNA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 DNAF口蛋白質(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

8、菌外面，只有噬菌體內(nèi)部帶有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）DANK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千維具有相似 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中腺喋吟與胸腺喀呢的摩爾含量相等，（即A=T）;鳥喋吟 與胞喋吟的摩爾含量相等，（即G=C o堿基當(dāng)量定律：喋吟堿總量=密呢堿總量。（即A+G=T+CD不同生物DNA勺堿基組成有很大差異，

9、可用不對(duì)稱比率：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、Pauling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，而喋吟與喀呢的可 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Wilkins研究小組完成的研究工作，發(fā)現(xiàn)了 DNAft體的X線衍射圖 譜中存在兩種周期性反射，并證明 DNA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千維

10、和DN閣晶的X-衍射圖譜分析及DNAg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DNAK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.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DN A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人=丁， 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)生提出問題的能力；（

11、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甘酸長鏈盤旋而成的規(guī)則的雙螺旋結(jié) 構(gòu).脫氧核甘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(gè)是磷酸基，另一個(gè)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(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DN砌子雙螺旋結(jié)構(gòu)中 相鄰堿基對(duì)之間夾角是36

12、° ,所以，在DN的子雙螺旋結(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甘鍵。 在本實(shí)驗(yàn)中可以通過運(yùn) 用不同的實(shí)驗(yàn)材料表示脫氧核甘酸的不同構(gòu)成成分， 再根據(jù)上述的DNA5（螺旋結(jié) 構(gòu)來構(gòu)建其模型。（二）實(shí)驗(yàn)原理圖片脫氧核甘酸（圖1）脫氧核甘酸單鏈（圖3）脫氧核甘酸雙鏈（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15cm/寬8cm） , 0。5 m細(xì)

13、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DN瀛基大小比例圖（圖6）2。實(shí)驗(yàn)藥品無3.實(shí)驗(yàn)儀器六個(gè)瓷盤（用于盛裝材料）五、實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)

14、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 00 5 m長度 的細(xì)鐵絲或細(xì)線（注意固定牢）。2、制作脫氧核甘酸模型將一個(gè)圓形卡紙片（代表磷酸）和一個(gè)長方形卡紙片（4種不同顏色的長方形塑 料片分別代表4種不同的堿基），分別連接在一個(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， 代表糖昔鍵）,用同樣的方法制作出一個(gè)個(gè)含有不同堿基的脫氧核甘酸模型，其

15、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、制作多核甘酸長鏈模型將若干個(gè)制成的脫氧核甘酸模型，按照一定的堿基順序（可自行設(shè)定）依次穿在長細(xì)鐵絲上。具體方式是一個(gè)脫氧核甘酸的磷酸基團(tuán)與下一個(gè)脫氧核甘酸的脫氧 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甘酸長鏈模型。4、制作DNWF面結(jié)構(gòu)模型按同樣方法制作好DNA勺另一條脫氧核甘酸鏈（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，且需用訂書針的

16、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DNAff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 DNW螺旋結(jié)才的順序,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 甘酸模型（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)

17、材料及器具同上（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 0.5 m長度的細(xì)鐵絲。（2）制作脫氧核甘酸模型將一個(gè)圓形塑料片（代表磷酸）和一個(gè)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(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甘酸模型, 其連接方式如圖6-41。(3)制作兩兩連接的脫氧核甘酸(堿基互補(bǔ)連接)將上述制作好的單個(gè)脫氧核甘酸，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.(

18、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甘酸模型再與另一個(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 氧核甘酸模型連接，從而連成一條完整的 DNA¥面結(jié)才模型.(5)展示立體DNA結(jié)構(gòu)模型將上述制作好的DNAF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)脫氧核甘酸時(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)脫氧核甘酸連成單鏈脫氧核甘酸鏈，再連成雙脫氧核甘酸 鏈.3、實(shí)驗(yàn)材料及器具同上(用塑

19、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 0.5 m長度的細(xì)鐵絲。(2)制作單個(gè)脫氧核甘酸模型用剪刀將塑料片剪成單脫氧核甘酸模型，圖形如下 ：(3)制作多核甘酸長鏈模型將若干個(gè)剪成的單個(gè)脫氧核甘酸模型，按照一定的堿基順序(可自行設(shè)定)依次穿 在長細(xì)鐵絲上.具體方式是一個(gè)脫氧核甘酸的磷酸基團(tuán)與下一個(gè)脫氧核甘酸的脫氧核糖的3號(hào)碳原子連接，依次類推連接成一條完整的多核甘酸長鏈模型.(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(yīng)用繩子制作 DNW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

20、根棉純(顏色不同),其中一根為主純，兩根為副繩纏繞著主純編，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)步驟將主純對(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DN敏螺旋結(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.需要純子的長度為：副純?yōu)?m.主繩依 具體情況而定，則可以制作出長度差不多 1m的DNA連，以此類推副純?yōu)?m則 制作出的DNAS長度為00 5m具體效果如下圖2:繩子制作DN敏螺旋結(jié)構(gòu)模型2 （圖9）替代實(shí)驗(yàn)四：應(yīng)用紙張制作DNW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DN破螺旋結(jié)構(gòu)模型1（圖10）紙張制作DN敏螺旋結(jié)構(gòu)模型1（圖10）七、竟!、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？