制作DNA双螺旋结构模型

制作DNA双螺旋结构模型

一、实验背景资料

本实验的来源是人教版高中生物第二册中的实验十二——《制作DNA双螺旋结构模型》，旧人教必修高中生物实验十《制作DNA双螺旋结构模型》。在上课之前同学们学习了DNA的发现历程，了解到DNA是生物的主要遗传物质，且它由四种脱氧核苷酸（腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胸腺嘧啶脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸）组成，它的排列顺序以及数量多少决定了其储存遗传信息的多样性，同时明确组成DNA的化学元素是C、H、O、N、P，由它们组成磷酸、脱氧核糖和含氮碱基，再由1分子磷酸、1分子脱氧核糖和1分子的含氮碱基组成基本单位一—脱氧核苷酸；再通过一定的化学键（氢键、3‘-5’磷酸二酯键）连接作用形成DNA分子。在本实验前中学生物学中与本实验相关的理论知识主要有“基因在染色体上”、“DNA是生物的主要遗传物质”、“DNA的分子结构内容”等内容。即学生在本实验前已经对DNA双螺旋结构模型的制作有了一定的理论基础。

高中生物课程标准对本实验相关内容的要求主要有：1、通过制作DNA分子双螺旋结构模型，深入理解DNA双螺旋结构的特点；2、通过本实验锻炼学生的动手操作能力；3、培养学生对生物的兴趣爱好；4、激发学生的探究能力；5、培养学生的团队合作精神。

本实验现代生物教学中起着举足轻重的作用，在现代生物科学研究中，模型方法被广泛运用，DNA分子双螺旋结构模型的成功就是一个范例。DNA分子双螺旋结构模型是以形象化的具体模型，能使研究对象直观化，既可以促进研究，又可以简略地描述研究成果，又便于理解和传播。在中学生物学教材中，制作DNA 分子双螺旋结构模型作为生物技术性设计和制作的第一案例，对学生的学习有很大的帮助。

常见的难题和疑问：1、如何选取更好的实验材料便于更好地制作DNA双螺旋结构模型；2、如何确保模型构建的成功，即构建的关键步骤有哪些；3如何将模型和理论知识结合使学生更好、更全面的弄懂DNA的双螺旋结构；4、怎么通过平面结构使学生对DNA的空间立体结构有更深的了解；5、如何通过本实验开发学生的动手能力以及他们对生物学的兴趣。6、实验的拓展（替代实验）

（一）核酸的发现历程

1868年，瑞士的内科医生F. Miescher从脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为核素(nuclein)；后来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的核酸(nucleic acid)。

1889年Altman制备了不含蛋白质的核酸制品,命名为核酸.以后四五十年中,Kossel和Levene等在确定核酸组分方面做了大量的工作,逐步明确核酸可分为两大类:脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。

（二）DNA是主要遗传物质的发现历程

1928年，美国科学家格里菲斯（1877--1941）用一种有荚膜、毒性强的和一种无荚膜、毒性弱的肺炎双球菌对老鼠做实验。他把有荚病菌用高温杀死后与无荚的活病菌一起注人老鼠体内，结果他发现老鼠很快发病死亡，同时他从老鼠的血液中分离出了活的有荚病菌。这说明无荚菌竟从死的有荚菌中获得了什么物质，使无荚菌转化为有荚菌。这种假设是否正确呢？格里菲斯又在试管中做实验，发现把死了的有荚菌与活的无荚菌同时放在试管中培养，无荚菌全部变成了有荚菌，并发现使无荚菌长出蛋白质荚的就是已死的有荚菌壳中遗留的核酸（因为在加热中，荚中的核酸并没有被破坏）。格里菲斯称该核酸为"转化因子"。

1944年，美国细菌学家艾弗里（1877--1955）从有美菌中分离得到活性的"转化因子"，并对这种物质做了检验蛋白质是否存在的试验，结果为阴性，并证明"转化因子"是DNA。但这个发现没有得到广泛的承认，人们怀疑当时的技术不能除净蛋白质，残留的蛋白质起到转化的作用。

美籍德国科学家德尔布吕克（1906--1981）的噬菌体小组对艾弗里的发现坚信不移。因为他们在电子显微镜下观察到了噬菌体的形态和进入大肠杆菌的生长过程。噬菌体是以细菌细胞为寄主的一种病毒，个体微小，只有用电子显微镜才能看到它。它像一个小蝌蚪，外部是由蛋白质组成的头膜和尾鞘，头的内部含有DNA，尾鞘上有尾丝、基片和小钩。当噬菌体侵染大肠杆菌时，先把尾部末端扎在细菌的细胞膜上，然后将它体内的DNA全部注人到细菌细胞中去，蛋白质空壳仍留在细菌细胞外面，再没有起什么作用了。进入细菌细胞后的噬菌体DNA，就利用细菌内的物质迅速合成噬菌体的DNA和蛋白质，从而复制出许多与原噬菌体大小形状一模一样的新噬菌体，直到细菌被彻底解体，这些噬菌体才离开死了的细菌，再去侵染其他的细菌。

1952年，噬菌体小组主要成员赫尔希（1908一）和他的学生蔡斯用先进的同位素标记技术，做噬菌体侵染大肠杆菌的实验。他把大肠杆菌T2噬菌体的核酸标记上32P，蛋白质外壳标记上35S。先用标记了的T2噬菌体感染大肠杆菌，然后加以分离，结果噬菌体将带35S标记的空壳留在大肠杆菌外面，只有噬菌体

内部带有32P标记的核酸全部注人大肠杆菌，并在大肠杆菌内成功地进行噬菌体的繁殖。这个实验证明DNA有传递遗传信息的功能，而蛋白质则是由 DNA的指令合成的。

（三）DAN双螺旋结构发现历程：

1、X射线衍射数据－－Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。

2、1950～1953碱基成对证据－－Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了研究，发现：①所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（即A=T）;鸟嘌呤与胞嘌呤的摩尔含量相等，（即G=C）。碱基当量定律：嘌呤碱总量=嘧啶碱总量。（即A+G=T+C）②不同生物DNA的碱基组成有很大差异，可用不对称比率：A+T/G+C表示。亲缘相近的生物，其DNA的碱基组成相近，即不对称比率相近。

③同一种生物所有体细胞DNA的碱基组成相同，可作为该物种的特征。

3、Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。

4、电位滴定行为－－电位滴定证明，DNA中的磷酸基可滴定，而嘌呤与嘧啶的可解离基团不能滴定，因为碱基间是由氢键连接。

5、1953年由Wilkins研究小组完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。

6、1953年，沃森（J. Watson）和克里克（F. Crick）在前人研究工作的基础上，根据DNA纤维和DNA结晶的X-衍射图谱分析及DNA碱基组成的定量分析以及DNA中碱基的物化数据测定，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。

二、实验目的

（一）学习目标：

1、使学生明确４种脱氧核糖的根本区别在于含氮碱基的不同；

2、让学生理解ＤＮＡ分子的结构特点；

3、知识深化，使学生在ＤＮＡ的碱基计算问题上不但知道有Ａ＝Ｔ，Ｇ＝Ｃ，以及演化出的Ａ＋Ｇ＝Ｔ＋Ｃ，还进一步知道在ＤＮＡ的结构特点上还有总链=a 链=b链，并能具体运用在实际计算中。

（二）技能目标

1、培养学生的动手操作能力，初步学会制作DNA双螺旋结构模型,掌握制作技术；

2、培养学生提出问题的能力；

（三）情感目标

1、培养学生的团队合作精神。