DNA的结构和复制

教学目标

一、使学生理解DNA的双螺旋结构模型和DNA分子的复制过程，掌握运用碱基互补配对原则分析问题的方法。

二、通过对有关遗传实验的介绍培养学生分析问题的能力。

三、通过介绍DNA双螺旋模型的建立过程，使学生了解现代遗传学的研究方法，强化对学生进行科学态度和方法的教育。

重点、难点分析

DNA分子的双螺旋结构模型是学生理解遗传学基本理论的重点。它对于学生理解后面的有关DNA的复制、基因控制蛋白质合成、基因突变的知识是非常重要的基础。由于课文中是直接给出的DNA双螺旋结构模型，而这个模型本身又涉及学生还没有接触过的许多化学知识，因此也成为这一课题的难点。

在教学过程中一方面要结合科学发现和科学研究的过程讲授知识，另一方面要借助于直观教具——模型使枯燥无味的知识变得形象生动起来。这对于突出重点，突破难点，帮助学生透彻地理解和掌握知识是非常有益的。

教学过程设计

一、本课题参考课时为二课时。

二、第一课时：

1．上一节课我们了解了科学家们是怎样通过“噬菌体侵染细菌的实验”，证明DNA具有遗传物质的两个特点，从而证明DNA是遗传物质的。“作为遗传物质DNA还应该具备什么特点？”学生这时要通过回忆说出：“遗传物质还应该具备的另外两个特点是分子结构具有稳定性和可变性——遗传物质的结构在基本稳定的前提下，也可能而且应该是发生了少量的变化。”“那么，DNA在结构上是否具备这样的特点呢？”这是我们这节课要解决的问题。

“通过化学分析可以清楚地了解DNA分子的成分以及它是由哪些小分子组成的。德国生物化学家科赛尔第一个系统地研究了核酸的分子结构，发现核酸是由三种物质构成的。其中有四种不同的碱基，还有磷酸和戊糖——核糖。”通过这一引导语，教师可带领学生从构成DNA的五种化学元素和三种物质的关系入手进行复习。在复习时将C、H、O三元素与核糖、P元素与磷酸、N元素与碱基联系起来，以便于学生理解C、H、O、N、P五种元素。

DNA分子的化学成分早在40年代就已经研究清楚了，那么，DNA的各种组成成分是如何排列成有序的空间结构，仍然是个谜。科学家们应用了物理的方法来研究DNA分子的结构，经过几位不同学科的科学家从不同的方向去研究，在1953年终于揭开了DNA分子结构的秘密（具体内容详见小资料）。DNA分子结构模型的建立，反映了近代生物科学研究发展的特点——不同学科的科学家运用不同的科学方法来研究生物的奥秘。

2.在介绍了DNA分子双螺旋结构模型理论的建立之后，教师可以用自制的DNA分子结构组合模型对DNA分子双螺旋结构做进一步的说明。在说明时要注意层次分明，按从小到大的顺序展开：

①三种物质如何构成四种基本组成单位：碱基、磷酸分别与脱氧核糖相连，形成腺嘌吟脱氧核苷酸（A）、鸟嘌吟脱氧核苷酸（G）、胸腺嘧啶脱氧核苷酸（T）、胞嘧啶脱氧核苷酸（C）四种基本组成单位。

②四种基本组成单位如何形成脱氧多核苷酸单链：由脱氧核糖与磷酸间隔排列形成DNA分子的外侧，即DNA的两条主链。

③DNA分子内侧的碱基，按互补配对原则，经氢键连接形成碱基对，即DNA内部的侧链。

④借助于模型可以示意双链如何盘旋形成独特的双螺旋结构。

3．在用组合模型讲解说明的基础上，就可以帮助学生搭建有关DNA分子结构的知识体系了。在搭建知识体系时仍然按照构成DNA分子的五种化学元素、三种物质、四种基本单位、两条脱氧多核苷酸单链和一种双螺旋结构的顺序来安排，以便于学生理解和记忆。

①在介绍四种基本单位时要特别指出两点：

a．在DNA样本中，A的数目总是和T的数目相等，C的数目总是和G的数目相等。即：（A＋G）：（T＋C）=l——碱基互补配对原则。

b．在来自不同样本的DNA中（A＋T）：（C＋G）的比值具有物种特异性。

②在介绍DNA分子的双链结构时要指出：这种结构从位置上看：主链在外，侧链在内，形成了稳定的空间结构；从成分上看主链稳定，侧链可变，侧链成分的可变性导致了物种的差异性。

4．在学习了DNA的结构后，要引导学生归纳总结DNA分子结构的三个主要特点，即相对的稳定性、多样性和特异性。要让学生明确：①DNA分子结构的相对稳定性，主要是由于外侧脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的；②DNA分子结构的多样性，主要是由于内侧碱基对的排列顺序是千变万化的；③DNA分子的特异性，是由于每个特定的DNA分子都具有其特定的碱基对排列顺序。明确了这些问题，将为后面学习DNA的复制、基因控制蛋白质合成、基因突变等内容奠定基础。

最后，还应以DNA分子的结构特点，进一步说明DNA作为遗传物质所必需具备的“分子结构具有相对的稳定性”、“能够产生可遗传的变异”这两个特点。

三、第二课时：

1．首先复习DNA分子的结构和结构特点，在此基础上提出梅赛尔一斯特尔的实验。

梅赛尔一斯特尔在1958年用大肠杆菌所做的实验，说明DNA分子是双链结构，DNA分子的双螺旋理论被证实（见小资料）。

DNA分子的复制机制是建立在DNA分子的双螺旋结构模型基础之上的。因此，要讲清复制过程就要分层次地讲清美国生物化学家康贝格的实验（详见小资料）。先说明没有模板不能合成DNA分子，再说明加入模板后复制即可进行。最后要说明这个实验证明DNA分子具有遗传物质的一个基本特点：“能够自我复制，使前后代保持一定的连续性”。然后按以下层次介绍有关DNA分子复制的知识。

2．有了前面介绍的实验做基础，学生对以下几个方面的内容会比较容易接受。教师在讲授时要注意采用启发的提问方式，引导学生得出结论。

“试管中事先放入的四种脱氧核苷酸是做什么用的？”“用作合成的原料，”“——这是合成DNA的分子基础。”“试管中加入DNA聚合酶起什么作用？”“催化化学反应。”“这个反应是什么样的反应？”“是个合成反应。”“试管中加入适量的ATP起什么作用？”“为合成反应供能。”“从实验结果看，合成出的新DNA分子的碱基序列与谁的碱基序列相同？康贝格在试管中放入的少量单键DNA在DNA复制的过程中起什么作用？”“少量的单链DNA是做模板用的。”经过上面的问答学生对DNA的复制过程就不难接受了。

3．“梅赛尔一斯特尔的实验表明：新合成的DNA分子中有一半是旧链，另一半是新链。这个现象说明DNA分子是如何复制的呢？是否是像洗相片似的，有一张底片就可以洗出许多相片来？”学生经过思考会认为与洗相片不同，教师这时可以问：“为什么你认为是不同的呢？”学生会回答：“因为DNA分子的复制结果并没有形成一个完整的、新的DNA分子。而是形成了一半新一半旧的两个DNA分子”。“那么，在细胞核内的双链DNA分子在开始复制的时候可能是什么状态？是单链还是双链？”“可能是单链。”“从螺旋型的双链结构转变为单链结构，必须先怎样变化？”“解开螺旋。”自此就可以介绍“解旋、复制、新旧链形成新的DNA分子”的DNA分子的复制过程了。接着教师再带领学生总结出DNA复制的概念就是顺理成章的了。

4．“在活细胞中，DNA分子在什么时间复制？”这一部分内容要联系有丝分裂和减数分裂的知识来讲授。实际上这是一个复习的过程。教师只需用“在体细胞中，染色体是在什么时间复制的？在原始的生殖细胞中，染色体是在什么时间复制的？”这样的问题启发学生，就可使学生回忆起相关的内容。由于染色体是遗传物质的主要载体，“在体细胞中，DNA是在细胞分裂期间复制。在原始的生殖细胞中，DNA是在细胞减数分裂之前复制的”这个结论学生是可以得出来的。

5．通过上述的过程，可以让学生讨论“DNA复制”这一概念如何表述。当此概念形成后，则可以进一步讨论或由师生共同小结如下的问题：①DNA复制一般发生在什么时候？②DNA复制的大致过程如何？③DNA复制需要哪些条件？④DNA复制的方式上有什么特点？⑤DNA的分子结构为DNA分子复制提供了什么样的分子基础？或一般情况下，为什么DNA复制能准确无误地完成？③DNA复制有什么重要的意义？

6.最后，仍然要以DNA复制的过程及其意义，进一步说明DNA作为遗传物质所必需具备的“能够自我复制，使前后代保持一定的连续性”的特点。

四、本课题教学中应注意的问题：

1．这一课题中的内容实际上是涉及分子水平的遗传学问题。有些知识因为仅仅是结论就显得很抽象枯燥，如果结合科学研究的过程来介绍就可以较好地解决这些问题。教师在教学过程中要特别注意：科学发现和科学研究的过程应该成为有关知识教学的载体和科学方法、科学素质培养的素材。一定要做到两条主线并行，不要有所偏废。

2.从这一课题开始所介绍的内容实际上都是围绕遗传物质的基本特点而展开的，教师要注意在相应内容结束时及时“点题”。

小资料

一、几种生物（A＋T）：（C＋G）的比值：

小麦：1．21；家鸡：1．34；黄牛：1．36；果蝇：1．37；小鼠：1．39；猪：1．43；人：1．5；家蚕：l.59。

二、DNA分子结构模型的制作：

1．材料：彩色塑料薄板（如小学生使用的塑料垫板）或硬纸板、细铁丝、白色塑料小球

（中成药蜜丸的外包装）。

2．制作：

①将一种颜色的塑料薄板剪成适当大小的五边形（代表脱氧核糖），将另外两种颜色的塑料薄板按课本图所示剪成适当大小（注意嘌呤同一种颜色，嘧啶用另一种颜色），分别剪成两色、代表四种形状的四种碱基。

②将白色塑料小球打开，在两个半球的中心处钻孔后，将细铁丝穿过小孔在半球内部打折。用白色塑料小球代表磷酸。

③组装：

用粗针在代表脱氧核糖的彩色塑料薄板相应的位置上钻孔。再用细铁丝将白色塑料小球与代表碱基和脱氧核糖的彩色塑料薄板按教材图49所示分别连接起来，即成一种脱氧核苷酸。

把多个脱氧核苷酸模型的白色塑料小球的两个半球扣合起来，即成一条脱氧多核酸链。

把两条脱氧多核苷酸链的碱基对之间分别用两根或三根细铁丝连接，即成为DNA的双链模型。

三、DNA分子的双螺旋结构模型的建立过程：

首先要介绍的是英国伦敦皇家学院的晶体衍射专家维尔金斯和年轻的女科学家弗兰克林。他们拍摄出来非常清晰的DNA分子的X射线衍射照片，为分析DNA结构提供了重要的依据和证据。

由于X射线的波长与晶体内原子或分子间的距离相近，当一束X射线照射晶体时，就会发生衍射。射线的强度在一些方向上加强，在一些方向上减弱。分析衍射图样，就可以确定晶体内部原子间的排列和距离。

克里克是毕业于伦敦大学的物理学家。他曾参加过用X射线研究血红蛋白的分子结构，在研究X射线衍射照片方面有很高的造诣。沃森是年轻有为的分子生物学家，他与克里克一见如故，共同研究DNA的分子结构。

当时沃森和克里克见到的DNAX射线衍射照片不是非常清楚，但是可以看出DNA分子很可能具有螺旋结构。他们用金属较合线建立了一个三链的模型，但很快就知道是错误的。

一次，沃森和克里克见到了维尔金斯和弗兰克林拍摄的、非常清晰的X射线衍射照片。他们从照片中央的那些小小的十字架样的图案上，敏锐地意识到DNA分子很可能是双链结构。他们立即投入模型的重建工作，以脱氧核糖和碱基间隔排列形成骨架——主链，让碱基两两相连夹于双螺旋之间。由于他们让相同的碱基两两配对，做出来的模型是扭曲的。此后，美国生物化学家查伽夫的研究成果给了沃森和克里克很大启发。查伽夫发现：（1）在他所分析的DNA样本中，A的数目总是和T的数目相等，C的数目总是和G的数目相等。即：（A＋G）：（T＋C）=1。（2）（A＋T）：（C＋G）的比值具有物种特异性。沃森和克里克吸收了美国生物化学家查伽夫的研究成果，经过深入的思考，终于建立了DNA的双螺旋结构模型。

四、梅赛尔一斯特尔（Meselson－stahl）的实验

（l）实验过程：实验分为两组，

①对照组：将大肠杆菌一直培养在含¹⁴N的培养基上生长。这样繁殖出的大肠杆菌DNA分子的碱基中的N都是¹⁴N。

②实验组：先将大肠杆菌培养在含¹⁵N同位素的培养基上生长。使大肠杆菌DNA分子中的N都成为¹⁵N。把含¹⁵N的大肠杆菌收集起来，洗去菌体外面的¹⁵N，并把它们转移到¹⁴N的培养基上生长，繁殖四次。从实验组的五代大肠杆菌中分别提取DNA，在每分钟四万至五万转的速度下进行密度梯度离心二至三天后，不同重量的DNA分布在离心管中的位置不同（因为¹⁴N比¹⁵N少一个质子，所以¹⁴N比¹⁵N的原子量轻）。

（2）实验结果：

对照组含¹⁴N的ONA分布在试管的上层。

实验组的DNA分子在离心管中分布的情况如下：

大肠杆菌    在离心管中的位置     DNA分子

第一代      下层                含¹⁵N

第二代      中层                含¹⁵N¹⁴N各一半

第三代      1中层：1上层        中层为¹⁵N¹⁴N、上层为N¹⁴

第四代      1中层：3上层        中层为¹⁵N¹⁴N、上层为N¹⁴

第五代      1中层：7上层        中层为¹⁵N¹⁴N、上层为N¹⁴

（3）结果分析：

对照组因含¹⁴N比较轻，所以DNA分布在离心管的上层。

实验组：

第一代：因为是在¹⁵N培养基上繁殖的，DNA含¹⁵N，所以DNA分布在离心管的下层。

第二代：从¹⁵N培养基移至¹⁴N培养基上繁殖的第一代。因吸收¹⁴N复制新DNA，而这些新DNA分子只分布在离心管的中层，说明DNA分子是半保留复制，而非全保留复制。

第三代：因为这一代是从第二代繁殖而来，它们的DNA分子有两种。一种在离心管的上层（全为¹⁴N），另一种在离心管的中层（全为¹⁵N¹⁴N）。这也说明不是全保留复制，而是半保留复制。

五、美国生物化学家康贝格的实验：

1956年美国生物化学家康贝格首次在试管中人工合成了DNA。他将从大肠杆菌中提取出的DNA聚合酶加入到具有四种丰富的脱氧核苷酸和适量的Mg+的人工会成体系中，四种脱氧核苷酸并不能聚合成脱氧核糖核酸链——并没有发生DNA的合成。当加入了少量DNA做引子和ATP作为能源物质，经保温孵育后，测定其中DNA的含量。发现其中DNA的含量增加了，并且这些DNA的（A＋T）：（C＋G）的比值不是随意的，而与所加入的单链DNA引子相同。换句话说，新合成的DNA的特异性不决定于人工会成体系中四种脱氧核苷酸原来的比例，也不决定于DNA聚合酶来自哪种生物，而完全决定于作为引物的DNA分子。所以，后代DNA分子是以引物的DNA分子为模板进行复制的。这一实验证明了DNA双螺旋结构模型的正确性。