遺傳信息的攜帶者──核酸

1、第3節(jié) 遺傳信息的攜帶者核酸 一、 教學(xué)目標(biāo)1.說出核酸的種類，簡述核酸的結(jié)構(gòu)和功能。2.以特定的染色劑染色，觀察并區(qū)分DNA和RNA在細(xì)胞中的分布。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1.教學(xué)重點(diǎn)核酸的結(jié)構(gòu)和功能。2.教學(xué)難點(diǎn)觀察DNA和RNA在細(xì)胞中的分布。三、教學(xué)策略本節(jié)雖然在題目中提出了遺傳信息，但是對遺傳信息的深入理解需要在遺傳與進(jìn)化模塊完成。這節(jié)重點(diǎn)是讓學(xué)生了解承載遺傳信息的物質(zhì)核酸。因此教學(xué)的直觀性非常重要。1.利用“問題探討”喚起學(xué)生對遺傳物質(zhì)的記憶，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使DNA研究成果的應(yīng)用范圍愈來愈廣泛，學(xué)生聽到、看到有關(guān)DNA應(yīng)用的報(bào)道是很多的，因此，對于“DNA指紋法”在

2、案件偵破中的作用可能略有所知。這也是學(xué)生倍感興趣的內(nèi)容。教師要給學(xué)生適當(dāng)?shù)目臻g進(jìn)行表達(dá)交流，盡可能地讓所有學(xué)生共享他們對遺傳物質(zhì)核酸的認(rèn)識。2.通過實(shí)驗(yàn)觀察，獲得感性認(rèn)識，解決核酸在細(xì)胞中的分布。教材提到了“核酸存在于所有細(xì)胞中”，物質(zhì)的存在具有可檢測性，因此“觀察DNA和RNA在細(xì)胞中的分布”是重要的學(xué)習(xí)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)材料選擇了人的口腔上皮細(xì)胞，主要是考慮到取材方便。教師還可以準(zhǔn)備常見的動(dòng)植物細(xì)胞供學(xué)生觀察，使他們認(rèn)識到組成生物體的核酸包括DNA和RNA。這個(gè)實(shí)驗(yàn)比較簡單，效果也非常明顯，因此教師可以指導(dǎo)每個(gè)小組的學(xué)生分別觀察12種材料，通過總結(jié)歸納，得出DNA和RNA在細(xì)胞中分布的特點(diǎn)。3.聯(lián)

3、想“細(xì)胞核是遺傳信息庫”，將抽象的語言變?yōu)橹庇^的圖解，認(rèn)識核酸的結(jié)構(gòu)。在初中學(xué)習(xí)有關(guān)細(xì)胞的生活的內(nèi)容時(shí)，學(xué)生已經(jīng)知道細(xì)胞核內(nèi)具有儲(chǔ)存遺傳信息的物質(zhì)DNA。但是受認(rèn)知水平的限制，學(xué)生還不知道DNA的結(jié)構(gòu)。因此在講述核酸的結(jié)構(gòu)時(shí)，要以學(xué)生已有的知識為基礎(chǔ)，利用學(xué)生具有的化學(xué)知識，讓學(xué)生看懂脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸結(jié)構(gòu)圖解、DNA和RNA在化學(xué)組成上的區(qū)別圖解，以及核苷酸長鏈的特點(diǎn)，為遺傳與進(jìn)化模塊的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。四、答案和提示（一）問題探討1.提示：脫氧核糖核酸。DNA是主要的遺傳物質(zhì)，而每個(gè)人的遺傳物質(zhì)都有所區(qū)別，因此DNA能夠提供犯罪嫌疑人的信息。2.提示：DNA鑒定技術(shù)還可以運(yùn)用在親子鑒定

4、上。在研究人類起源、不同類群生物的親緣關(guān)系等方面，也可以利用DNA鑒定技術(shù)。3.提示：需要。因?yàn)镈NA鑒定只是提供了犯罪嫌疑人的遺傳物質(zhì)方面的信息，還需要有嫌疑人是否有作案動(dòng)機(jī)、時(shí)間，是否在犯罪現(xiàn)場，是否有證人等其他證據(jù)。如果有人蓄意陷害某人，也完全有可能將他的頭發(fā)、血液等含有DNA的物質(zhì)放在現(xiàn)場。因此案件偵察工作應(yīng)在DNA鑒定的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他證據(jù)確定罪犯。（二）旁欄思考題原核細(xì)胞的DNA位于擬核區(qū)域。（三）練習(xí)基礎(chǔ)題1.（1）；（2）；（3）。2.C。3.C。五、參考資料1.核酸的發(fā)現(xiàn)1868年，在德國化學(xué)家霍佩賽勒（HoppeSeyler）的實(shí)驗(yàn)室里，有一個(gè)瑞士籍的研究生，名叫米舍爾（F

5、.Miescher, 18441895），他在實(shí)驗(yàn)室所承擔(dān)的工作是研究膿血中細(xì)胞的化學(xué)成分。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室附近有一家醫(yī)院，常常扔出許多帶膿血的繃帶，膿血里有與病菌“作戰(zhàn)”而死亡的白細(xì)胞以及其他死亡的人體細(xì)胞。米舍爾細(xì)心地用洗脫的辦法將繃帶上的膿血收集起來。他先用酒精把細(xì)胞中的脂肪性物質(zhì)去掉，然后用豬胃黏膜的酸性提取液（一種能除掉蛋白質(zhì)的胃蛋白酶粗制品）進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的大部分被分解了，而細(xì)胞核只是縮小了一點(diǎn)兒，仍然保持完整。得到細(xì)胞核后，米舍爾對組成細(xì)胞核的物質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)含有與細(xì)胞內(nèi)其他有機(jī)物明顯不同的物質(zhì)，這種物質(zhì)的磷含量很高，遠(yuǎn)高于蛋白質(zhì)，而且對蛋白酶有耐受性。米舍爾認(rèn)

6、為這是一種新物質(zhì)。霍佩賽勒當(dāng)時(shí)是生物化學(xué)界的權(quán)威，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，他要在親自做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證米舍爾的工作后，才允許米舍爾發(fā)表這個(gè)成果?；襞遒惱沼媒湍讣?xì)胞做實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了米舍爾的發(fā)現(xiàn)。米舍爾將他發(fā)現(xiàn)的新物質(zhì)命名為“核素”。核素十分不穩(wěn)定，提取時(shí)必須非常小心，速度要快，還得保持很低的溫度。為了制備核素，米舍爾常常從清晨500就開始在低溫的房間里工作，這大大影響了他的健康。由于積勞成疾，他51歲就離開了人間?；襞遒惱盏牧硪粋€(gè)學(xué)生，德國的科塞爾（A.Kossel, 18531927），發(fā)現(xiàn)核素是蛋白質(zhì)和核酸的復(fù)合物。他小心地水解核酸，得到了組成核酸的基本成分：鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，還有些具有糖類性質(zhì)的物

7、質(zhì)和磷酸。確定了核酸這個(gè)生物大分子的組成之后，隨之而來的問題是這些物質(zhì)在大分子中的比例，它們之間是如何連接的。斯托伊德爾（H.Steudel）找到了前一個(gè)問題的答案。通過分析，他發(fā)現(xiàn)單糖、每種嘌呤或嘧啶堿基、磷酸的比例為111。限于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，后一個(gè)問題沒有完全解決，科塞爾及其同事只是發(fā)現(xiàn)，如果小心地水解核酸，糖集團(tuán)與含氮的基團(tuán)是連在一起的。科塞爾還對核酸與蛋白質(zhì)的結(jié)合方式進(jìn)行了研究。他發(fā)現(xiàn)有些物種的核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合比較緊密，有些則比較松散?？迫麪栆蚱湓诤怂峄瘜W(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作，榮獲1910年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1940）對核酸做了進(jìn)一步的研究。他證明核酸所含的糖類由5個(gè)碳原子組成，并

8、將這種糖類命名為核糖。當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩種不同的核酸，列文找到了它們之間的區(qū)別：它們中的五碳糖不同。另一種糖類比核糖少一個(gè)氧原子，稱為脫氧核糖。兩種核酸也由原來的名字改為核糖核酸和脫氧核糖核酸。1934年，列文發(fā)現(xiàn)核酸可被分解成含有一個(gè)嘌呤、一個(gè)核糖或脫氧核糖和一個(gè)磷酸的片段，這樣的組合叫核苷酸。他認(rèn)為核酸是由五碳糖與磷酸基團(tuán)組成的長鏈，每一個(gè)五碳糖上再接一個(gè)堿基。列文認(rèn)為這些堿基可能以一種非常簡單的方法排列，如12341234等，每個(gè)數(shù)字代表一種特定的堿基。這個(gè)模型后來被稱為核酸結(jié)構(gòu)的四核苷酸假說。列文雖然沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但他的貢獻(xiàn)有目共睹，并將永遠(yuǎn)留在核酸化學(xué)的歷史中。核酸功能的闡明以及DN

9、A雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史已為大家所熟知，遺傳與進(jìn)化模塊將做詳細(xì)的介紹，這里不再贅述。2.核酸的分離和提純研究核酸首先要對其進(jìn)行分離和提純。制備核酸要注意防止核酸的降解和變性，盡量保持其在生物體內(nèi)的天然狀態(tài)。早期研究時(shí)，由于受到方法上的限制，得到的樣品往往是一些降解產(chǎn)物。要制備天然狀態(tài)的核酸，必須在溫和的條件下進(jìn)行，防止過酸、過堿，避免劇烈攪拌，尤其是防止核酸酶的作用。真核生物中的染色體DNA與組蛋白結(jié)合成核蛋白（DNP），存在于核內(nèi)。DNP溶于水和濃鹽溶液（如質(zhì)量濃度為1 mol/L的NaCl溶液），但不溶于質(zhì)量濃度為0.14 mol/L的NaCl溶液。利用這一性質(zhì)，可將細(xì)胞破碎后用濃鹽

10、溶液提取，然后用水稀釋至0.14 mol/L，使DNP纖維沉淀出來，纏繞在玻璃棒上，再經(jīng)多次溶解和沉淀以達(dá)到純化目的。苯酚是很強(qiáng)的蛋白質(zhì)變性劑，可用苯酚抽提，除去蛋白質(zhì)。用水飽和的苯酚與DNP一起振蕩，冷凍離心，DNA溶于上層水相，不溶性變性蛋白質(zhì)殘留物位于中間界面，一部分變性蛋白質(zhì)停留在酚相。如此操作反復(fù)多次以除凈蛋白質(zhì)。將含DNA的水相合并，在有鹽存在的條件下加2倍體積冷的乙醇，可將DNA沉淀出來。再用乙醚和乙醇洗滌沉淀，用這種方法可以得到純的DNA。RNA比DNA更不穩(wěn)定，而且RNase又無處不在，因此RNA的分離更為困難。制備RNA通常需要注意3點(diǎn)：（1）所有用于制備RNA的器具必須滅

11、菌；（2）在破碎細(xì)胞的同時(shí)加入強(qiáng)變性劑使RNase失活；（3）在RNA的反應(yīng)體系中加入RNase的抑制劑。目前最常用的制備RNA的方法有兩種：（1）用酸性鹽/苯酚/氯仿抽提。是極強(qiáng)烈的蛋白質(zhì)變性劑，它幾乎使所有遇到的蛋白質(zhì)都變性。用苯酚和氯仿多次除凈蛋白質(zhì)。此法用于小量制備RNA。（2）用鹽/氯化銫將細(xì)胞抽提物進(jìn)行密度梯度離心。蛋白質(zhì)在最上層，DNA位于中間，RNA沉在底部。此法可制備較大量高純度的天然RNA。不同功能RNA常分布于細(xì)胞的不同部位，分離這些RNA常常先用差速離心法，將細(xì)胞核、線粒體、葉綠體、細(xì)胞質(zhì)等各部分分開，再從這些部分中分離出RNA。3.核酸的水解核酸的嘌呤堿和嘧啶堿與戊糖

12、形成糖苷鍵。戊糖有兩種：核糖和脫氧核糖，所以形成4種糖苷，即嘌呤核苷、嘌呤脫氧核苷、嘧啶核苷、嘧啶脫氧核苷。磷酸基與兩種糖類分別形成核糖磷酸酯和脫氧核糖磷酸酯。所有糖苷鍵和磷酸酯鍵都能被酸、堿和酶水解。水解核酸的酶種類很多。非特異性水解磷酸二酯鍵的酶為磷酸二酯酶；專一水解核酸的磷酸二酯酶稱為核酸酶。核酸酶按底物專一性分類，又可分為作用于核糖核酸的核糖核酸酶，作用于脫氧核糖核酸的脫氧核糖核酸酶；按對底物作用的方式，可分為核酸內(nèi)切酶和核酸外切酶。內(nèi)切酶的作用點(diǎn)在多核苷酸鏈的內(nèi)部，而外切酶的作用點(diǎn)從多核苷酸鏈的末端開始，逐個(gè)地將核苷酸切下，從而對核酸進(jìn)行降解。也有少數(shù)酶既可內(nèi)切，也能外切。4.核酸在

13、不同生物（細(xì)胞）中的分布狀況所有生物細(xì)胞都含有DNA和RNA這兩類核酸。原核細(xì)胞DNA集中在擬核。真核細(xì)胞DNA分布在核內(nèi)，與蛋白質(zhì)組成染色體（染色質(zhì)）。線粒體、葉綠體等細(xì)胞器也含有DNA。病毒或只含DNA，或只含RNA，從未發(fā)現(xiàn)兩者兼有的病毒。原核生物DNA、質(zhì)粒DNA、真核生物細(xì)胞器DNA都是環(huán)狀雙鏈DNA。所謂質(zhì)粒是指擬核DNA外基因，它能夠自主復(fù)制，并表現(xiàn)出特定的性狀。真核生物染色體DNA是線型雙鏈DNA。病毒DNA種類很多，結(jié)構(gòu)各異。動(dòng)物病毒DNA通常是環(huán)狀雙鏈或線型雙鏈。植物病毒基因組大多是RNA，DNA較少見。少數(shù)植物病毒DNA或是環(huán)狀雙鏈，或是環(huán)狀單鏈。噬菌體DNA多數(shù)是線型雙鏈，也有為環(huán)狀雙鏈的。參與蛋白質(zhì)合成的RNA有三類：轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）,核糖體RNA（rRNA）和信使RNA（mRNA）。無論是原核生物或是真