制作DNA双螺旋结构模型.docx

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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（nucleicacid）。

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。

三、实验原理

（一）依据沃森和克里克提出的DNA分子双螺旋结构，其主要特点如下：

（1）每个DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成的规则的双螺旋结构。

脱氧核苷酸长链的两端是不同的，一端是脱氧核糖上羟基，另一端是磷酸基，而DNA分子两条长链的同一端，一个是磷酸基，另一个则是羟基，因而两条长链的方向是相反的；

（2）DNA分子的外侧是脱氧核糖和磷酸交替连结构成的基本骨架，内侧是碱基对；（3）DNA分子两条链上的内侧碱基按照碱基互补配对原则（A配T，G配C）两两配对，通过氢键互相连结；（4）在DNA分子双螺旋结构中相邻碱基对之间夹角是36°,所以,在DNA分子双螺旋结构中10对碱基对正好螺旋一圈,是360°。

另外研究发现磷酸基团与脱氧核糖之间连接的是3‘-5’磷酸二酯键，脱氧核糖与含氮碱基之间连接的是糖苷键。

在本实验中可以通过运用不同的实验材料表示脱氧核苷酸的不同构成成分，再根据上述的DNA双螺旋结构来构建其模型。

（二）实验原理图片

脱氧核苷酸（图1）

脱氧核苷酸单链（图3）

脱氧核苷酸双链（图4）

DNA双螺旋结构立体模拟图（图5）

四、实验材料及器具

1.实验材料

硬塑方框两个（硬且可弯曲既可做成框形也可固定做支架。

用作两端固定以及方便拿取旋转展示的支架，长15cm/宽8cm），0.5m细铁丝两根（柔软且有韧性，便于做好模型后的扭转和固定。

用作双螺旋两边的固定，分别将两条子链串连起来），剪好的球形卡纸片（有韧性，不易损坏。

用来代表磷酸，半径1cm）,长方形卡纸片（有韧性，不易损坏。

4种不同颜色的长方形塑料片分别代表4种不同的碱基，长5cm/宽4cm，根据人教版材料材料修改）,正五边形卡纸片（有韧性，不易损坏。

代表脱氧核糖，边长3cm）,订书机5个（自己提供）、订书针5盒（订书针用来连接碱基和脱氧核糖代表氢键以及脱氧核糖和磷酸的连接），小剪刀两把（用于材料剪制，自己提供）。

四种DNA碱基大小比例图（图6）

2.实验药品

无

3.实验仪器

六个瓷盘（用于盛装材料）

五、实验步骤

实验材料的准备：

需将买回来的材料卡纸剪成上述要求的规格，然后进行下面的操作步骤。

1、先做支架

取一个硬塑或硬铁丝做成方框，在硬塑方框一侧的两端各拴上一条长0.5m长度的细铁丝或细线（注意固定牢）。

2、制作脱氧核苷酸模型

将一个圆形卡纸片（代表磷酸）和一个长方形卡纸片（4种不同颜色的长方形塑料片分别代表4种不同的碱基），分别连接在一个剪好的正五边形卡纸片上（代表脱氧核糖），连接时订书针连接（磷酸基团与脱氧核糖之间用一颗订书针就可以，代表3‘-5’磷酸二酯键，脱氧核糖与含氮碱基之间也用一颗订书针连接，代表糖苷键），用同样的方法制作出一个个含有不同碱基的脱氧核苷酸模型，其连接方式如图6—4—1，具体连接方式是磷酸基团与脱氧核糖的5号碳原子连接，碱基与脱氧核糖的1号碳原子连接。

3、制作多核苷酸长链模型

将若干个制成的脱氧核苷酸模型，按照一定的碱基顺序（可自行设定）依次穿在长细铁丝上。

具体方式是一个脱氧核苷酸的磷酸基团与下一个脱氧核苷酸的脱氧核糖的3号碳原子连接，依次类推连接成一条完整的多核苷酸长链模型。

4、制作DNA平面结构模型

按同样方法制作好DNA的另一条脱氧核苷酸链（注意碱基的顺序与第一条链上碱基顺序互补配对，但方向相反）。

用相同的大小的订书针将其两两连接，在此过程中一定要注意两条长链并排时，必须保证碱基之间能够相互配对，不能随意组装，且需用订书针的数目表示碱基两两连接时之间的氢键数目（G与C配对时氢键数为3，A、T配对时氢键数为2）。

5、展示立体DNA结构模型

将上述制作好的DNA平面结构模型左右两支手上下拿好，分别沿不同时针方向旋转90°，即为立体DNA结构模型。

六、替代的实验方法

替代方案一：

在替代实验中我们首先改变了制作DNA双螺旋结构的顺序，再通过改变制作双螺旋结构的材料来实现替代方案，其具体方案如下：

1、实验背景资料

同上

2、实验原理

同上，只是塑料片替代上述材料，且在制作过程中先做若干的两两连接的脱氧核苷酸模型（通过氢键，碱基互补连接），然后再将它们对应连接起来，从而构成一条完整的DNA双螺旋结构。

3、实验材料及器具

同上（用塑料片替代卡纸片）

4、实验步骤

（1）先做支架

取一个硬塑方框，在硬塑方框一侧的两端各拴上一条长0.5m长度的细铁丝。

（2）制作脱氧核苷酸模型

将一个圆形塑料片（代表磷酸）和一个长方形塑料片（4种不同颜色的长方形硬纸片分别代表4种不同的碱基），分别用钉书钉连接在一个剪好的五边形塑料片上（代表脱氧核糖），用同样的方法制作出一个个含有不同碱基的脱氧核苷酸模型，其连接方式如图6—4—1。

（3）制作两两连接的脱氧核苷酸（碱基互补连接）

将上述制作好的单个脱氧核苷酸，两两将其碱基按照碱基互补原则通过氢键连接，这里的氢键连接是指用订书针连接，其数目的多少表示碱基连接的氢键数目的多少。

（4）制作DNA平面结构模型

将上述制作好的两两连接的脱氧核苷酸模型再与另一个这样的模型通过两边的磷酸基团和脱氧核糖的3号碳原子连接，依次类推再将其与另一个两两连接的脱氧核苷酸模型连接，从而连成一条完整的DNA平面结构模型。

（5）展示立体DNA结构模型

将上述制作好的DNA平面结构模型左右两支手上下拿好，分别沿不同时针方向旋转90°，即为立体DNA结构模型。

替代方案二：

1、实验背景资料

同上

2、实验原理

理论基础相同，只是在做单个脱氧核苷酸时，将三个部分连在一起剪，然后再将上述连在一起的单个脱氧核苷酸连成单链脱氧核苷酸链，再连成双脱氧核苷酸链。

3、实验材料及器具

同上（用塑料片替代卡纸片）

4、实验步骤

（1）先做支架

取一个硬塑方框，在硬塑方框一侧的两端各拴上一条长0.5m长度的细铁丝。

（2）制作单个脱氧核苷酸模型

用剪刀将塑料片剪成单脱氧核苷酸模型，图形如下：

脱氧核苷酸（图7）

（3）制作多核苷酸长链模型

将若干个剪成的单个脱氧核苷酸模型，按照一定的碱基顺序（可自行设定）依次穿在长细铁丝上。

具体方式是一个脱氧核苷酸的磷酸基团与下一个脱氧核苷酸的脱氧核糖的3号碳原子连接，依次类推连接成一条完整的多核苷酸长链模型。

（4）制作DNA平面结构模型

同上

（5）展示立体DNA结构模型

同上

替代方案三：

应用绳子制作DNA双螺旋结构模型

1、实验背景资料

同正实验

2、实验原理

同正实验

3、实验材料及器具

三根棉绳（颜色不同），其中一根为主绳，两根为副绳缠绕着主绳编，三种颜色不代表具体含义，主要是为实验方便。

4、实验步骤

将主绳对折，用橡皮筋将两根副绳绑在其上，紧接着进行相关的缠绕，步骤具体如下图1：

绳子制作DNA双螺旋结构模型1（图8）

重复进行上述步骤即可得到下图2的效果。

需要绳子的长度为：

副绳为6m。

主绳依具体情况而定，则可以制作出长度差不多1m的DNA链，以此类推副绳为3m，则制作出的DNA链长度为0.5m。

具体效果如下图2：

绳子制作DNA双螺旋结构模型2（图9）

替代实验四：

应用纸张制作DNA双螺旋结构模型

具体步骤略，见参考文献，主讲负责制作一幅给学生展示。

纸张制作DNA双螺旋结构模型1（图10）

纸张制作DNA双螺旋结构模型1（图10）

七、思考题（关于本实验的重要问题或值得探讨的问题，含答案）

1、DNA双螺旋结构的特点有哪些？

2、DNA的反向平行是怎样表示出来的？

3、在制作过程中，DNA双螺旋结构有两种不同的连接顺序（正实验和替代实验），比较两种方式哪种更科学？

4、查阅资料，回答为什么在碱基互补配对中只能A与T配对，C与G配对？

5、本实验中几个成功的关键步骤分别是哪几个？

七、注意事项

1、制作注意事项

（1）制作磷酸、脱氧核糖和含氮碱基的模型材料时，须注意各分子的大小比例；

（2）磷酸、脱氧核糖、碱基三者之间的连接部位要正确；

（3）整个制作过程中，各种模型零件间的连接必须牢固；

（4）制作DNA的两条长链时，必须注意每条链上的碱基总数要一致，碱基对间应是互补配对的，两条链的方向是相反的；

（5）由平面结构右旋成立体结构时，若未成规则的双螺旋，则应矫正。

（6）DNA双链反向平行要做出来

（7）碱基、磷酸及三五磷酸二酯键要连在C原子上的具体位置不要搞混

（8）A/TC/T配对要用两颗和三颗钉书针分别表示出来

（9）构建模型的过程要科学合理（要先构建核苷酸分子，然后是核苷酸链，进而双链合在一起，最后螺旋。

）

2、关键

（1）要注意各分子的大小比例，相同的物质大小要一致。

3、安全事项

（1）在使用订书机时一定要注意不要订到自己的手；

（2）使用细铁丝要注意尖端不要对着人，小心戳伤。

八、用品清单

硬塑方框、0.5m长度细铁丝、圆形塑料片、四种不同颜色长方形塑料片、正五边形塑料片（只需购买塑料板，大小形状实验人员剪切）、订书针、订书机

剪刀2把（实验前准备材料需要）。

（上述实验材料为六套，预实验一套，预实验成功后再需五套）

替代实验材料自己准备少量，便于给学生展示。