DNA分子的雙螺旋結構 DNA分子模型的搭建
同學們，今天我們要學習的內容是DNA分子的雙螺旋結構，DNA分子模型的搭建。上一節課我們學習了遺傳物質，你還記得遺傳物質的特點嗎？遺傳物質能夠儲存巨大數量的遺傳信息，能夠精確地自我複製並遺傳給後代，化學性質比較穩定，產生可遺傳的變異。那麼DNA應該具備怎樣的結構才能擔當如此的重任呢？如何構建一個DNA分子模型解釋這一切？今天我們的學習任務就是解決這些問題。本節課的關鍵問題。一、DNA分子的雙螺旋結構；二、DNA分子模型的搭建；三、DNA和基因的關係。一九五三年，沃森和克裡克建立了DNA雙螺旋結構模型，沃森曾經做過實驗，用同位素標記噬菌體追蹤DNA，堅信DNA就是遺傳物質，克裡克也是知道DNA比蛋白質更為重要的人。正是因為沃森和克裡克堅信DNA是遺傳物質，並且理解遺傳物質的特點，才能做出如此重大的發現。一九五三年的四月二十五號，克裡克和沃森在英國雜誌《自然》上公開了他們的DNA模型，他們這個發現被譽為二十世紀最偉大的發現。目前親子鑑定、轉基因技術、基因治療以及人類基因組計劃都源於此。接下來我們就一起由簡至繁，從構成DNA的基本單位開始學習。DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸，脫氧核苷酸是由一分子磷酸、一分子脫氧核糖和一分子含氮鹼基組成。含氮鹼基有四種，A、G、C、T，分別是腺嘌呤、鳥嘌呤胞嘧啶、胸腺嘧啶。其中嘌呤鹼基有兩個環，嘧啶鹼基有一個環，它們的大小是不一樣的。因為含氮鹼基有四種，所以脫氧核苷酸就有四種。同學們，你能利用身邊的材料搭建這四種脫氧核苷酸模型嗎？在搭建過程中又要注意些什麼呢？請同學們課後在家進行活動一，搭建脫氧核苷酸模型。活動要求：能組裝四種不同的脫氧核苷酸。同學們在家用紙張剪出代表脫氧核糖的五邊形模型、代表磷酸的圓形模型、代表含氮鹼基的長方形模型。請同學們思考，我的長方形模型在剪的時候是一樣大小嗎？為什麼要剪出不一樣的大小？當然還要準備若干的回形針，在搭建時穿過紙片，將紙片連接起來，我們看看搭建時要注意些什麼。脫氧核糖與鹼基連接的位置是脫氧核糖的一號位，脫氧核糖與磷酸連接的位置是脫氧核糖的五號位，嘌呤鹼基有兩個環，嘧啶鹼基有一個環，長方形模型大小要不同。你能通過觀察發現，把一種脫氧核苷酸模型改裝成另一種脫氧核苷酸，最簡單的方法是換個鹼基，脫氧核苷酸的差異本質上就是鹼基的差異。你能利用已有知識來推測脫氧核苷酸是如何連接形成長鏈的？與胺基酸脫水縮合形成肽鏈，類似脫氧核苷酸之間也是通過脫水縮合連接起來的。那麼是如何連接的？是磷酸與磷酸連接，還是磷酸與脫氧核糖連接？磷酸與磷酸連接不穩定，如ATP的高能磷酸鍵容易斷裂，釋放能量，不符合遺傳物質穩定性的特點。磷酸與脫氧核糖連接則穩定，符合遺傳物質穩定性的特點。脫氧核苷酸之間的連接就是一個脫氧核苷酸的磷酸與相鄰脫氧核苷酸的脫氧核糖。脫去一份水連接起來的。脫氧核苷酸聚合成多核苷酸鏈是相鄰脫氧核苷酸之間以磷酸和脫氧核糖相連接而成。想一想不同的多核苷酸鏈相同的地方在哪裡？不同的地方又會有哪些？相同的是磷酸和脫氧核糖交替連接，不同的是含氮鹼基的排列順序，這就是多核苷酸鏈的特點。下面我們用人像模擬的多核苷酸鏈來鞏固一下。同學們看。人像的左手代表鹼基，右手代表磷酸，身體代表脫氧核糖。如果再來一排，將如何相互連接？組成雙鏈，也就是小人的左手可以怎麼放。有三種情況，一，左手搭右手，鹼基在同側。二，左手拉左手，鹼基在內側。三，左手懸空，右手碰右手，鹼基在兩側。DNA是遺傳物質具有穩定性的特點，你認為以上哪種方式形成的結構最穩定？我認為左手拉左手鹼基在內側最穩定。同時我們還能觀察發現嘌呤配嘧啶鹼基對大小才相同。請同學們在課後完成活動二，搭建DNA分子模型。活動要求是將已經做好的四種脫氧核苷酸連接成多核苷酸鏈片段，再搭建四種脫氧核苷酸連接成另一條多核苷酸鏈片段，將兩條多核苷酸鏈片段組裝成DNA雙鏈，結果記錄與展示。
一九四八年到一九五二年，生物化學家查加夫用了四年的時間反覆實驗，終於測定了DNA的分子組成，發現雖然在不同物種中DNA的四種鹼基比例不同，但是A和T的含量基本相等，G和C的含量基本相等。綜上所述，得出DNA分子的平面結構特點，DNA由兩條互補平行的多核苷酸鏈組成，互補是鹼基互補配對原則：A和T配對，G和C配對，鹼基對之間通過氫鍵相連。我們一起鞏固一下。DNA的兩條鏈反向平行，雙鏈的外側是磷酸和脫氧核糖，內側是鹼基對，兩個鹼基配成一個鹼基對，兩條鏈之間的鹼基通過氫鍵配對，其中A和T以兩個氫鍵連接，G和C以三個氫鍵連接。鹼基互補配對原則，AT兩個氫鍵，GC三個氫鍵，這就是DNA分子的平面結構。兩條反向平行的多核苷酸鏈向右盤旋，呈規則的雙螺旋結構，就是DNA分子的空間結構。雙螺旋結構每十對鹼基繞螺旋一圈，高度為3.4納米。同學們，DNA分子模型的搭建是高一生命科學的學生實驗，實驗的目的是要理解DNA分子雙螺旋結構以及鹼基配對原則。學校的實驗室有下列實驗材料。搭建過程是：一、製作脫氧核苷酸；二、製作多核苷酸長鏈；三、製作雙鏈DNA；四、製作DNA雙螺旋結構。製作的過程中還是要注意遵循鹼基配對原則，向右旋轉，螺旋的螺距為十對鹼基對等。回到學校和你的同學一起動手做一做吧。請同學們思考，所有搭建出來的DNA分子模型中的鹼基對A和T、G和C的比例和排列順序都是一樣的嗎？肯定會有不同。因為雖然組成DNA的脫氧核苷酸只有四種，但是脫氧核苷酸的數目極多，排列方式又極其多樣，不受限制，這就構成了DNA分子的多樣性。我們來計算一下，一條含有6個鹼基對的DNA片段，理論上最多有多少種排列方式？為什麼？因為DNA分子的兩條多核苷酸鏈是互補的，一條鏈上的鹼基序列確定了，另一條鏈上鹼基序列也就確定了。據排列組合六個鹼基對的DNA片段最多有46種排列方式。人類最長的一號染色體含有2.46億個鹼基對，排列方式無法計量，這就是DNA分子多樣性的原因。脫氧核苷酸的數目極多，排列方式不受限制。DNA分子的脫氧核苷酸的排列順序蘊藏著遺傳信息。DNA分子的多樣性意味著遺傳信息的多樣性從分子水平上決定了生物的多樣性和個體之間的差異。那麼我們經常聽到的基因又是什麼呢？基因是。有遺傳效應的DNA區段，基因中脫氧核苷酸的排列順序就是遺傳信息，基因控制蛋白質合成，蛋白質表現生物性狀。最後我們一起來練一練，請同學們看題。在搭建DNA分子模型的實驗中，若有4種鹼基塑料片共20個，其中4個C、6個G、3個A、7個T，脫氧核糖塑料片40個，磷酸塑料片100個，脫氧核糖和磷酸之間的連接物若干，代表氫鍵的連接物若干，脫氧核糖和鹼基之間的連接物若干。選項應該是什麼呢？答案是D，能搭建出七個鹼基對的DNA分子片段。同學們有什麼問題可以與老師和同學線上交流。今天的作業是練習冊第八到第九頁，第一題到第五題。第七題到第九題。請同學們回去預習DNA複製和蛋白質合成，本節課到此結束。