制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

./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(lái)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(niǎo)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—脫氧核苷酸；再通過(guò)一定的化學(xué)鍵〔氫鍵、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的分子結(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(guò)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(guò)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(ài)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(jiàn)的難題和疑問(wèn)：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的雙螺旋結(jié)構(gòu)；4、怎么通過(guò)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(guò)本實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)學(xué)生的動(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)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(chēng)為核素<nuclein>；后來(lái)他又從鮭魚(yú)精子中分離出類(lèi)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<nucleicacid>。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(lèi):脫氧核糖核酸<DNA>和核糖核酸<RNA>。DNA是主要遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷程1928年,美國(guó)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(wú)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(wú)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(shuō)明無(wú)莢菌竟從死的有莢菌中獲得了什么物質(zhì),使無(wú)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(wú)莢菌同時(shí)放在試管中培養(yǎng),無(wú)莢菌全部變成了有莢菌,并發(fā)現(xiàn)使無(wú)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(méi)有被破壞。格里菲斯稱(chēng)該核酸為"轉(zhuǎn)化因子"。1944年,美國(guó)細(xì)菌學(xué)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(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(méi)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?tīng)柌紖慰恕?906--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(guò)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,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(kāi)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?！?908一和他的學(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?！踩鼶AN雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程：1、X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)－－Wilkins和Franklin發(fā)現(xiàn)不同來(lái)源的DNA纖維具有相似的X射線(xiàn)衍射圖譜。2、1950～1953堿基成對(duì)證據(jù)－－Chargaff研究小組對(duì)DNA的化學(xué)組成進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)：①所有DNA中腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾含量相等,〔即A=T;鳥(niǎo)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=嘧啶堿總量?！布碅+G=T+C②不同生物DNA的堿基組成有很大差異,可用不對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)比率相近。③同一種生物所有體細(xì)胞DNA的堿基組成相同,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－－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Wilkins研究小組完成的研究工作,發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線(xiàn)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(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)康摹惨粚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(wèn)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?！捕寄苣繕?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(wèn)題的能力；〔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(pán)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(guò)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°,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(guò)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(lái)構(gòu)建其模型?！捕?shí)驗(yàn)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4DNA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8cm,0.5m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(lái),剪好的球形卡紙片〔有韌性,不易損壞。用來(lái)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(shū)機(jī)5個(gè)〔自己提供、訂書(shū)針5盒〔訂書(shū)針用來(lái)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62.實(shí)驗(yàn)藥品無(wú)3.實(shí)驗(yàn)儀器六個(gè)瓷盤(pán)〔用于盛裝材料實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備：需將買(mǎi)回來(lái)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)0.5m長(zhǎng)度的細(xì)鐵絲或細(xì)線(xiàn)〔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(shū)針連接〔磷酸基團(tuán)與脫氧核糖之間用一顆訂書(shū)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(shū)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,其連接方式如圖6—4—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(lèi)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(shū)針將其兩兩連接,在此過(guò)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,且需用訂書(shū)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?lè)较蛐D(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(guò)改變制作雙螺旋結(jié)構(gòu)的材料來(lái)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(guò)程中先做若干的兩兩連接的脫氧核苷酸模型〔通過(guò)氫鍵,堿基互補(bǔ)連接,然后再將它們對(duì)應(yīng)連接起來(lái),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)0.5m長(zhǎng)度的細(xì)鐵絲?！?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(shū)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?！?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(guò)氫鍵連接,這里的氫鍵連接是指用訂書(shū)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?！?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(gè)這樣的模型通過(guò)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(lèi)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。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?lè)较蛐D(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)0.5m長(zhǎng)度的細(xì)鐵絲。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(lèi)推連接成一條完整的多核苷酸長(zhǎng)鏈模型。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(lèi)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(jiàn)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(wèn)題或值得探討的問(wèn)題,含答案1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特