核酸是遺傳信息的攜帶者教學(xué)建議及補(bǔ)充資料

核酸是遺傳信息的攜帶者教學(xué)建議及補(bǔ)充資料一.教學(xué)建議通過本節(jié)課的教學(xué)，應(yīng)讓學(xué)生掌握“核肯酸是組成核酸的基本單位（體），核苷酸可以通過脫水縮合形成長鏈，進(jìn)而形成核酸分子”、“核酸分為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）"等概念，進(jìn)而形成“核酸是細(xì)胞內(nèi)攜帶遺傳信息的物質(zhì)，在生物體的遺傳、變異和蛋白質(zhì)的合成中具有極其重要的作用”這一概念。本節(jié)內(nèi)容建議安排I課時(shí)。由于核酸的結(jié)構(gòu)微觀，復(fù)雜抽象，因此提高教學(xué)的直觀性，充分借助學(xué)具模型、多媒體動(dòng)畫等，開展教學(xué)尤為重要。另外，課前也可以讓學(xué)生收集“人類基因組計(jì)劃”、“DNA

指紋技術(shù)”、“全國打擊拐賣兒童DNA數(shù)據(jù)庫”等資料，讓學(xué)生提前了解DNA所攜帶遺傳信息的重要性。1.緊密聯(lián)系生活，創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課策略一利用教材中“問題探討”背景資料，結(jié)合真實(shí)犯罪案例的圖片、文字等信息，創(chuàng)設(shè)問題情境：“為什么DNA能提供犯罪嫌疑人的信息？”“你還能說出DNA鑒定技術(shù)在其他方面的應(yīng)用嗎？”策略二教師利用實(shí)物和實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)3個(gè)真實(shí)情境：（1）用簡易的方法快速粗提取某種生物的DNA；（2）教師呈示用該生物的DNA制作的“DNA項(xiàng)鏈”；（3）呈示從市場購得的某品牌的“核酸口服液”。教師提問：“DNA

是由什么物質(zhì)組成的？又具有怎樣的結(jié)構(gòu)呢？核酸口服液真的能有效提升人體免疫力，針對(duì)性治療某些疾病嗎？”策略三收集關(guān)于“拐賣兒童”問題的背景資料，結(jié)合圖片、表格和文字等信息，創(chuàng)設(shè)情境：“自從全國打擊拐賣兒童DNA數(shù)據(jù)庫建成后，借助‘打拐DNA數(shù)據(jù)庫’，數(shù)以千計(jì)的被拐兒童得以重回父母身邊?！苯處熖釂枺骸盀槭裁创蚬誅NA數(shù)據(jù)庫能幫助大量的被拐兒童找到親生父母？”2.利用直觀的圖解或?qū)W具，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)核酸的組成、結(jié)構(gòu)與功能經(jīng)過初中生物學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道細(xì)胞核內(nèi)具有儲(chǔ)存遺傳信息的物質(zhì)——DNA。但學(xué)生對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)不了解，對(duì)RNA的結(jié)構(gòu)與功能更是陌生。受一些生活經(jīng)驗(yàn)的影響，學(xué)生還會(huì)形成“DNA就是核酸，核酸就是DNA"等錯(cuò)誤的前概念。因此，在“核酸的組成與功能”教學(xué)中，建議以學(xué)生原有的知識(shí)為基礎(chǔ)，利用已有的化學(xué)知識(shí)，采用小組合作形式，開展多種形式的教學(xué)。策略一利用圖解與繪圖，理解核酸的種類與結(jié)構(gòu)。教師提出問題：“核酸分為哪幾種？基本組成單位分別是什么？每一種基本組成單位又由哪幾個(gè)部分組成？”學(xué)生帶著問題閱讀教材相關(guān)內(nèi)容，在小組討論的基礎(chǔ)上進(jìn)行匯報(bào)。接著，讓學(xué)生在紙上繪制出脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸的結(jié)構(gòu)模式圖，說出DNA和RNA在化學(xué)組成上的異同，進(jìn)而要求每個(gè)同學(xué)分別繪制脫氧核糖核苷酸與核糖核苷酸的長鏈，教師巡視、指導(dǎo)，小組成員組內(nèi)交流。小組代表展示，教師評(píng)價(jià)，小組完善模型。策略二利用學(xué)具模型與繪圖，理解核酸的種類與結(jié)構(gòu)。教師首先提出問題：“核酸分為哪幾種？其基本組成單位分別是什么？每一個(gè)基本組成單位又由哪幾個(gè)組成部分？”學(xué)生帶著問題閱讀教材內(nèi)容。教師再呈示核苷酸的學(xué)具模型，介紹各種模型結(jié)構(gòu)所代表的物質(zhì)種類，學(xué)生傾聽后組內(nèi)交流。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生用不同的模型結(jié)構(gòu)分別搭建4種脫氧核苷酸和4種核糖核苷酸，并說出DNA和RNA在化學(xué)組成上的異同。學(xué)生進(jìn)一步搭建脫氧核糖核苷酸與核糖核苷酸的長鏈，教師巡視、指導(dǎo)，小組成員組內(nèi)交流。小組代表展示，教師評(píng)價(jià)，小組完善模型。根據(jù)不同小組利用4種脫氧核苷酸為原料，繪制（或搭建）的各不相同的脫氧核苷酸長鏈和核糖核苷酸長鏈這一事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)DNA分子具有多樣性和特異性等特點(diǎn)，以此說明DNA分子可以儲(chǔ)存大量不同的遺傳信息。通過圖片、文字或短視頻等信息形式，向?qū)W生介紹少數(shù)病毒的遺傳信息儲(chǔ)存在RNA中，RNA也具有遺傳物質(zhì)的一般特征。最終，求同歸納得出概念——核酸是細(xì)胞內(nèi)攜帶遺傳信息的物質(zhì)，在生物體的遺傳、變異和蛋白質(zhì)的合成中具有極其重要的作用。3.引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)，理解生物大分子以碳鏈為骨架呈現(xiàn)前述的脂肪酸分子結(jié)構(gòu)，特別是其碳鏈構(gòu)成的骨架，再呈現(xiàn)出葡萄糖分子結(jié)構(gòu)、氨基酸分子結(jié)構(gòu)、核苷酸分子結(jié)構(gòu)，以引導(dǎo)學(xué)生繪制概念圖的方式，歸納整理糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等組成細(xì)胞的有機(jī)化合物的概念及其關(guān)系，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)多糖（淀粉、糖原）、蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子的基本組成單位，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)多糖（淀粉、糖原）、蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子是由相應(yīng)的單體連接成多聚體，理解生物大分子以碳鏈為骨架，并繪制本章內(nèi)容的完整概念圖。二.背景資料1.核酸的發(fā)現(xiàn)1868年，在德國化學(xué)家雀佩-賽勒（Hoppe-Seyler）的實(shí)驗(yàn)室里，有一個(gè)瑞L籍的研究生，名叫米舍爾（F.Miescher，1844-1895），他在實(shí)驗(yàn)室所承擔(dān)的工作是研究膿血中細(xì)胞的化學(xué)成分，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室附近有一家醫(yī)院，常常扔出許多帶膿血的繃帶，膿血里有與病菌“作戰(zhàn)”而死亡的白I細(xì)胞以及其他死亡的人體細(xì)胞。米舍爾細(xì)心地用洗脫的辦法將繃帶上的膿血收集起來。他先用灑精把細(xì)胞中的脂肪性物質(zhì)去掉，然后用豬胃黏膜的酸性提取液（一種能除掉蛋白質(zhì)的胃蛋白酶粗制品）進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的大部分被分解了，而細(xì)胞核只是縮小了一點(diǎn)兒，仍然保持完整..得到細(xì)胞核后，米舍爾對(duì)組成細(xì)胞核的物質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)含有與細(xì)胞內(nèi)其他有機(jī)物明顯不同的物質(zhì)，這種物質(zhì)的磷含量很高，遠(yuǎn)高于蛋白質(zhì)，而且對(duì)蛋白酶有耐受性。米含爾認(rèn)為這是一種新物質(zhì)?；襞?賽勒當(dāng)時(shí)是生物化學(xué)界的權(quán)威，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，他要在親自做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證米舍爾的T.作后，才允許米舍爾發(fā)表這個(gè)成果。霍佩-賽勒用酵母細(xì)胞做實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了米合爾的發(fā)現(xiàn)。米舍爾將他發(fā)現(xiàn)的新物質(zhì)命名為“核素”。核素十分不穩(wěn)定，提取時(shí)必須非常小心，速度要快，還得保持很低的溫度。為了制備核素，米舍爾常常從清晨5：00就開始在低溫的房向里工作。這大大影響了他的健康，以致積勞成疾，51歲就離開了人間。霍佩-賽勒的另一個(gè)學(xué)生，德國的科塞爾（A.Kossel，1853-1927），發(fā)現(xiàn)核素是蛋白質(zhì)和核酸的復(fù)合物、他小心地水解核酸，得到了組成核酸的基本成分：鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，還有些具有糖類性質(zhì)的物質(zhì)和磷酸。確定了核酸這個(gè)生物大分子的組成之后，隨之而來的問題是這些物質(zhì)在大分子中的比例，它們之間是如何連接的。斯托伊德爾（H.Steudel）找到了前一個(gè)問題的答案。通過分析，他發(fā)現(xiàn)單糖、每種嘌呤或嘧啶堿基、磷酸的比例為1：1：1。限于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，后一個(gè)問題沒有完全解決，科塞爾及其同事只是發(fā)現(xiàn)，如果小心地水解核酸，糖基團(tuán)與含氮的基團(tuán)是連在一起的?？迫麪栠€對(duì)核酸與蛋白質(zhì)的結(jié)合方式進(jìn)行了研究。他發(fā)現(xiàn)有此物種的核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合比較緊密，有些則比較松散?？迫麪栆蚱湓诤怂峄瘜W(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)性I作，榮獲1910年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1911年，科塞爾的學(xué)生列文（P.ATLevine，1869-1940）對(duì)核酸做了進(jìn)一步的研究。他證明核酸所含的糖類由5個(gè)碳原子組成，并將這種糖類命名為核糖。當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩種不同的核酸，列文找到了它們之間的區(qū)別：它們中的五碳糖不同。另一種糖類比核糖少一個(gè)氧原子，稱為脫氧核糖。兩種核酸也由原來的名字改為核糖核酸和脫氧核糖核酸。1934年，列文發(fā)現(xiàn)核酸可被分解成含有一個(gè)嘌呤、一個(gè)核糖或脫氧核糖和一個(gè)磷酸的片段，這樣的組合叫核開酸。他認(rèn)為核酸是由五碳糖與磷酸基團(tuán)組成的長鏈，每一個(gè)五碳糖上再接一個(gè)堿基。列文認(rèn)為這些堿基可能以一種非常簡單的方式排列，如12341234等，每個(gè)數(shù)字代表一種特定的堿基。這個(gè)模型后來被稱為核酸結(jié)構(gòu)的四核苷酸假說。列文雖然沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但他的貢獻(xiàn)有目共睹，并將永遠(yuǎn)留在核酸化學(xué)的歷史中。弄清物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最終證明是成功地合成出這種物質(zhì)。核酸的結(jié)構(gòu)問題很復(fù)雜，糖類和堿基都是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的組分，有多種連接的可能，而且還有磷酸基團(tuán)的位置問題。英國生物化學(xué)家托德（A.R.Todd）成功地合成了核苷酸，并于1955年成功合成了二核苷酸。托德因其在核苷酸合成以及核苷酸輔酶方面的貢獻(xiàn)而獲得1957年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。核酸功能的闡明以及DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史已為大家所熟知，《遺傳與進(jìn)化》模塊將做詳細(xì)的介紹，這里不再贅述。2.核酸的分離和提純研究核酸首先要對(duì)其進(jìn)行分離和提純。制備核酸要注意防止核酸的降解和變性，盡量保持其在生物體內(nèi)的天然狀態(tài)。早期研究時(shí)，由于受到方法上的限制，得到的樣品往往是一些降解產(chǎn)物。要制備天然狀態(tài)的核酸，必須在溫和的條件下進(jìn)行，防止過酸、過堿，避免劇烈攪拌，尤其是防止核酸酶的作用。真核生物中的染色體DNA與組蛋白結(jié)合成核蛋白（DNP），存在于核內(nèi)。DNP溶于水和濃鹽溶液（如質(zhì)量濃度為1mol/L的NaCI溶液），但不溶于質(zhì)量濃度為0.14mol/L的NaCI溶液。利用這一性質(zhì)，可將細(xì)胞破碎后用濃鹽溶液提取，然后用水稀釋至0.14molL，使DNP纖維沉淀出來，纏繞在玻璃棒上，再經(jīng)多次溶解和沉淀以達(dá)到純化目的。苯酚是很強(qiáng)的蛋白質(zhì)變性劑，可用苯酚抽提，除去蛋白質(zhì)。用水飽和的苯酚與DNP一起振蕩，冷凍離心，DNA溶于上層水相，不溶性變性蛋白質(zhì)殘留物位于中間界面，一部分變性蛋白質(zhì)停留在酚相。如此操作反復(fù)多次以除凈蛋白質(zhì)。將含DNA的水相合并，在有鹽存在的條件下加2倍體積冷的乙醇，可將DNA沉淀出來。再用乙醚和乙醇洗滌沉淀，用這種方法可以得到純的DNA。RNA比DNA更不穩(wěn)定，而且RNase又無處不在，因此RNA的分離更為困難。制備RNA通常需要注意3點(diǎn)：（1）所有用于制備RNA的器具必須滅菌；（2）在破碎細(xì)胞的同時(shí)加入強(qiáng)變性劑使RNase失活；（3）在RNA的反應(yīng)體系中加入RNase的抑制劑。目前最常用的制備RNA的方法有兩種：（1）用酸性胍鹽/苯酚/氯仿抽提。胍是極強(qiáng)烈的蛋白質(zhì)變性劑，它幾乎使所有遇到的蛋白質(zhì)都變性。用苯酚和氯仿多次除凈蛋白質(zhì)。此法用于小量制備RNA。（2）用胍鹽/氯化銫將細(xì)胞抽提物進(jìn)行密度梯度離心。蛋白質(zhì)在最上層，DNA位于中間，RNA沉在底部。此法可制備較大量高純度的天然RNA。不同功能RNA常分布于細(xì)胞的不同部位，分離這些RNA常常先用差速離心法，將細(xì)胞核、線粒體、葉綠體、細(xì)胞質(zhì)等各部分分開，再從這些部分中分離出RNA。3.核酸的水解核酸的嘌呤堿和嘧啶堿與戊糖形成糖苷鍵。戊糖有兩種：核糖和脫氧核糖，所以形成4種糖苷，即嘌呤核苷、嘌呤脫氧核苷、嘧啶核苷、嘧啶脫氧核苷。磷酸基與兩種糖類分別形成核糖磷酸酯和脫氧核糖磷酸酯。所有糖苷鍵和磷酸酯鍵都能被酸、堿和酶水解。水解核酸的酶種類很多。非特異性水解磷酸二酯鍵的酶為磷酸二酯酶；專一水解核酸的磷酸二酯酶稱為核酸酶。核酸酶按底物專一性分類，又可分為作用于核糖核酸的核糖核酸酶，作用于脫氧核糖核酸的脫氧核糖核酸酶；按對(duì)底物作用的方式，可分為核酸內(nèi)切酶和核酸外切酶。內(nèi)切酶的作用點(diǎn)在多核苷酸鏈的內(nèi)部，而外切酶的作用點(diǎn)從多核背酸鏈的末端開始，逐個(gè)地將核苷酸切下，從而對(duì)核酸進(jìn)行降解。也有少數(shù)酶既可內(nèi)切，也能外切。4.核酸在不同生物（細(xì)胞）中的分狀況所有生物細(xì)胞都含有DNA和RNA這兩類核酸。原核細(xì)胞DNA集中在擬核。真核細(xì)胞DNA分布在核內(nèi)，與蛋白質(zhì)組成染色體（染色質(zhì)）。線粒體、葉綠體等細(xì)胞器也含有DNA。病毒或只含DNA，或只含RNA從未發(fā)現(xiàn)兩者兼有的病毒。原核生物DNA、質(zhì)粒DNA、真核生物細(xì)胞器DNA都是環(huán)狀雙鏈DNA。所謂質(zhì)粒是指擬核DNA外基因，它能夠自主復(fù)制，并表現(xiàn)出特定的性狀。真核生物染色體DNA是線型雙鏈DNA。病毒DNA種類很多，結(jié)構(gòu)各異。動(dòng)物病毒DNA通常是環(huán)狀雙鏈或線型雙鏈。植物病毒基因組大多是RNA，DNA較少見。少數(shù)植物病毒DNA或是環(huán)狀雙鏈，或是環(huán)狀單鏈。噬菌體DNA多數(shù)是線型雙鏈，也有為環(huán)狀雙鏈的。參與蛋白質(zhì)合成的RNA有三類：轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA），核糖體RNA（rRNA）和信使RNA（mRNA）。無論是原核生物還是真核生物都有這三類RNA。自20世紀(jì)80年代以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多新的具有特殊功能的RNA，幾乎涉及細(xì)胞功能的各個(gè)方面。病毒RNA種類很多，結(jié)構(gòu)也是多種多樣的。5.核酸中核苷酸的連接方式核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子，無分支結(jié)構(gòu)。核酸中的核苷酸以磷酸二酯鍵彼此相連。DNA中的脫氧核糖核苷酸，通過3’，5'-磷酸二酯鍵連接起來，形成直線形或環(huán)形多聚體。組成RNA的核苷酸也是以3'，5'-磷酸二酯鍵彼此連接起來的。6.DNA指紋圖譜的建立與識(shí)別小衛(wèi)星DNA是基因組中可變數(shù)目的串聯(lián)重復(fù)DNA（variablenumberoftandemrepeat，VNTR）。它具有高度變異性，幾乎可以使每個(gè)個(gè)體形成唯一的特征性帶型，因此可用來鑒別不同的個(gè)體。在人類基因組中，每一個(gè)小衛(wèi)星家族都共有一種“核心”序列，制備含有核心序列的探針，再通過DNA印跡法，將其與不同個(gè)體的酶切DNA進(jìn)行雜交，就會(huì)將每個(gè)個(gè)體獨(dú)特的雜交圖譜呈現(xiàn)出來，這就是DNA指紋技術(shù)（DNAfingrprining）。英國的遺傳學(xué)家杰弗瑞斯（A.J.Jeffreys）是最早提出DNA指紋的人。1985

年，他的研究團(tuán)隊(duì)將一段人類肌紅蛋白的小衛(wèi)星DNA制備成探針（33bp），并用限制性內(nèi)切核酸酶消化含有短串聯(lián)重復(fù)序列的DNA，再將兩者雜交得到了包含十幾條條帶的雜交圖諧，不同個(gè)體的雜交圖譜如同人的指紋一樣具有高度個(gè)體特異性，于是杰弗瑞斯就將其稱為DNA“指紋”。這一技術(shù)很快在世界范圍內(nèi)的醫(yī)學(xué)和司法領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行親子鑒定時(shí)，如果能從父母的DNA指紋中找到孩子的所有條帶，就可以確定親子關(guān)系。在用于刑事案件工作時(shí)，如果條帶完全-致（條帶的位置和強(qiáng)度均相同）則為同一個(gè)體，如果檢測結(jié)果顯示的條帶與嫌疑者的條帶相比有部分缺失，則還需要計(jì)算二者的相關(guān)性和同一認(rèn)定的可信程度。隨著微衛(wèi)星DNA（shorttandemrepeat，簡稱STR，是由2~4個(gè)核苷酸組成的短串聯(lián)重復(fù)序列）的發(fā)現(xiàn)和PCR技術(shù)的應(yīng)用，DNA

指紋分析技術(shù)也在不斷改進(jìn)?，F(xiàn)在這一技術(shù)開始應(yīng)用對(duì)樣本微衛(wèi)星DNA序列的分析，因?yàn)檫@種序列在環(huán)境中留存的概率更大。PCR技術(shù)則使得樣本的需要量大大減少，如一根頭發(fā)甚至一個(gè)精子就可以進(jìn)行檢測，這對(duì)于法醫(yī)物證檢驗(yàn)尤為重要，并且PCR技術(shù)還能極大地提高DNA指紋分析的靈敏度。從個(gè)體的血液或其他組織提取DNA樣本后，采用PCR技術(shù)擴(kuò)增STR區(qū)域，擴(kuò)增產(chǎn)物再經(jīng)聚丙烯酰胺凝膠電泳后，用溴化乙錠或其他染料染色即可獲得結(jié)果。DNA指紋技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在司法鑒定、物種分類鑒定、遺傳病診斷、腫瘤研究等領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的應(yīng)用價(jià)值。7.生物大分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)生物大分子一般是指存在于生物體內(nèi)的分子量大于10KD（千道爾頓）的大分子物質(zhì)。如蛋白質(zhì)、核酸，也包括多糖等。生物體內(nèi)還存在由生物大分子相互作用形成的復(fù)合大分子，如糖脂、糖蛋白、脂蛋白等。生物大分子的結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)。（1）生物大分子是小分子單元的聚合物構(gòu)成生物大分子的小分子單元稱為單體，也稱構(gòu)件。氨基酸、核苷酸和單糖分別是蛋白質(zhì)、核酸和多糖的單體。（2）生物大分子以碳鏈為骨架所有生物大分子都含有碳原子，并且以碳鏈為骨架。這是碳原子的化學(xué)性質(zhì)決定的。碳骨架有線形的，有分支形的，也有環(huán)形的；有飽和的，也有不飽和的。（3）生物大分子具有復(fù)雜、有層次的結(jié)構(gòu)生物大分子分子量大，單體種類多、數(shù)量大、排列順序千變?nèi)f化，因而其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。據(jù)估計(jì)，僅蛋白質(zhì)就有1010~1012種。生物大分子又是有序的，每種