第二節(jié) DNA的分子結(jié)構(gòu)
一、 教學(xué)目標(biāo)
1.概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點。
2.制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。
3.討論DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建歷程。
二、教學(xué)重點和難點
1.教學(xué)重點
（1）DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點。
（2）制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。
2.教學(xué)難點
DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點。
三、教學(xué)策略
本節(jié)可用2課時，建議采用下列教學(xué)策略。
1.引導(dǎo)學(xué)生分析沃森和克里克構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的過程，總結(jié)科學(xué)研究方法。
本節(jié)以故事敘述的形式介紹了美國生物學(xué)家沃森和英國物理學(xué)家克里克構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的研究過程。教學(xué)中應(yīng)通過介紹這一過程，讓學(xué)生總結(jié)這兩位科學(xué)家所運用的多種研究方法。
模型建構(gòu)是自然科學(xué)研究中一種常用的方法。當(dāng)研究對象難以直接操作或研究時，可以考慮模型建構(gòu)的方法。該方法用模型來模擬研究對象，被模擬的對象稱做原型。模型的構(gòu)建是否正確，還需要通過與原型的比較來確證。沃森和克里克構(gòu)建的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型最終被認可，就是因為這一模型與原型──DNA結(jié)晶的X射線衍射圖相符，并能解釋DNA作為遺傳物質(zhì)所具備的多種功能。
除了讓學(xué)生體驗?zāi)Ｐ徒?gòu)的研究方法外，教學(xué)中還可以引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)在生物學(xué)的研究中，多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用。例如，從化學(xué)角度認識生物大分子是由分子和原子組成的，它們在分子水平的運動都遵循量子力學(xué)的規(guī)律；結(jié)晶DNA的獲得必須應(yīng)用化學(xué)和物理的原理和方法；X射線衍射技術(shù)則主要運用物理學(xué)原理和方法；而對DNA的X射線衍射圖的分析又需要借助于數(shù)學(xué)方法?？梢?，科學(xué)發(fā)現(xiàn)史中包含了豐富的科學(xué)方法，蘊含著科學(xué)思想和科學(xué)精神，學(xué)生可以從中大獲裨益。
2.以DNA模型為依托，培養(yǎng)學(xué)生的空間想像能力。
DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)是本節(jié)學(xué)習(xí)的重點和難點，需要學(xué)生通過空間想像才能理解。學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時，可以利用現(xiàn)成的模型進行教學(xué)，還可以利用課外活動小組的同學(xué)自制的模型教具。教學(xué)程序可采用“空間結(jié)構(gòu)→平面結(jié)構(gòu)→單鏈結(jié)構(gòu)→基本單位”的順序，即由立體到平面，由大分子到組成單位，使學(xué)生逐步認識DNA分子的空間結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)以及化學(xué)組成。此外，還應(yīng)特別注意以下幾個問題。
（1）板書應(yīng)該圖文結(jié)合。
（2）注重DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系。
DNA分子的雙鏈?zhǔn)怯蓛蓷l脫氧核苷酸長鏈以氫鍵連接起來的；DNA分子的主鏈?zhǔn)怯闪姿岷兔撗鹾颂墙惶媾帕械模籇NA分子的堿基對的排列順序變化多端，說明DNA分子具有多樣性，可以貯存大量的遺傳信息；DNA分子的堿基對特定的排列順序說明DNA分子具有特異性。
（3）挖掘DNA分子結(jié)構(gòu)中隱含的原理，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。
①為什么說DNA分子是規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)？
DNA分子結(jié)構(gòu)的規(guī)則性體現(xiàn)在兩個方面：第一，DNA分子的每個螺旋都是由10對堿基組成的，相鄰兩對堿基間的距離為0.34 nm；第二，兩條長鏈之間的距離恒等于2nm。
②為什么堿基配對是嘌呤堿基與嘧啶堿基配對？
嘌呤堿基A和G是雙環(huán)化合物，而嘧啶堿基C和T是單環(huán)化合物，在堿基互補配對時，只有始終是嘌呤堿基與嘧啶堿基配對，才能保證兩條長鏈之間的距離恒定。
3.依據(jù)堿基互補配對原則，推算DNA分子的堿基比例，學(xué)會用數(shù)學(xué)語言描述生命現(xiàn)象。
教師在指導(dǎo)學(xué)生觀察DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后，可以進一步引導(dǎo)學(xué)生思考在DNA分子中，其堿基的比例和數(shù)量之間的規(guī)律，再進行總結(jié)。
（1）在雙鏈DNA分子中，所有的嘌呤堿之和等于所有的嘧啶堿之和，即A+G/C+T=1。
（2）根據(jù)上述公式，可鑒定DNA分子是單鏈還是雙鏈。若在一個DNA分子中，A+G/C+T≠1，且A≠T、C≠G，說明此DNA為單鏈。若在一個DNA分子中，A+G/C+T=1，且A=T、C=G，說明此DNA為雙鏈。
（3）根據(jù)不同的堿基比例進行計算。
例1：在一個DNA分子中，若甲鏈A+G/C+T=1/2，則在互補的乙鏈中，A+G/C+T=2（倒數(shù)關(guān)系），在整個DNA分子中，A+G/C+T=1。
例2：在一個DNA分子中，若甲鏈A+T/C+G=1/2，則在互補的乙鏈中，A+T/C+G=1/2（對等關(guān)系），在整個DNA分子中A+T/C+G=1/2。
四、答案和提示
（一）問題探討
提示：本節(jié)的問題探討主要是培養(yǎng)學(xué)生收集資料、討論交流的能力。
（二）旁欄思考題
1.（1）當(dāng)時科學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的證據(jù)有：組成ＤNＡ分子的單位是脫氧核苷酸；ＤNＡ分子是由含4種堿基的脫氧核苷酸長鏈構(gòu)成的；（2）英國科學(xué)家威爾金斯和富蘭克林提供的ＤＮＡ的Ｘ射線衍射圖譜；（3）美國生物化學(xué)家鮑林揭示生物大分子結(jié)構(gòu)的方法（1950年），即按照Ｘ射線衍射分析的實驗數(shù)據(jù)建立模型的方法（因為模型能使生物大分子非常復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，以完整的、簡明扼要的形象表示出來），為此，沃森和克里克像擺積木一樣，用自制的硬紙板構(gòu)建ＤNＡ結(jié)構(gòu)模型；（4）奧地利著名生物化學(xué)家查哥夫的研究成果:腺嘌呤（Ａ）的量總是等于胸腺嘧啶（Ｔ）的量，鳥嘌呤（Ｇ）的量總是等于胞嘧啶（Ｃ）的量這一堿基之間的數(shù)量關(guān)系。
2.沃森和克里克根據(jù)當(dāng)時掌握的資料，最初嘗試了很多種不同的雙螺旋和三螺旋結(jié)構(gòu)模型，在這些模型中，他們將堿基置于螺旋的外部。在威爾金斯為首的一批科學(xué)家的幫助下，他們否定了最初建立的模型。在失敗面前，沃森和克里克沒有氣餒，他們又重新構(gòu)建了一個將磷酸—核糖骨架安排在螺旋外部，堿基安排在螺旋內(nèi)部的雙鏈螺旋。
沃森和克里克最初構(gòu)建的模型，連接雙鏈結(jié)構(gòu)的堿基之間是以相同堿基進行配對的，即A與A、T與T配對。但是，有化學(xué)家指出這種配對方式違反了化學(xué)規(guī)律。1952年，沃森和克里克從奧地利生物化學(xué)家查哥夫那里得到了一個重要的信息：腺嘌呤（Ａ）的量總是等于胸腺嘧啶（Ｔ）的量，鳥嘌呤（Ｇ）的量總是等于胞嘧啶（Ｃ）的量。于是，沃森和克里克改變了堿基配對的方式，讓A與T配對，G與C配對，最終，構(gòu)建出了正確的DNA模型。
（三）思考與討論
2.提示：主要涉及物理學(xué)（主要是晶體學(xué)）、生物化學(xué)、數(shù)學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科的知識。涉及的方法主要有：X射線衍射結(jié)構(gòu)分析方法，其中包括數(shù)學(xué)計算法；建構(gòu)模型的方法等。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中許多成果的取得，都是多學(xué)科交叉運用的結(jié)果；反過來，多學(xué)科交叉的運用，又會促進學(xué)科的發(fā)展，誕生新的邊緣學(xué)科，如生物化學(xué)、生物物理學(xué)等。
3.提示：要善于利用他人的研究成果和經(jīng)驗；要善于與他人交流和溝通，閃光的思想是在交流與撞擊中獲得的；研究小組成員在知識背景上最好是互補的，對所從事的研究要有興趣和激情等。
（四）模型建構(gòu)
1.DNA雖然只含有4種脫氧核苷酸，但是堿基對的排列順序卻是千變?nèi)f化的。堿基對千變?nèi)f化的排列順序使DNA儲存了大量的遺傳信息。
2.提示：（1）靠DNA分子堿基對之間的氫鍵維系兩條鏈的偶聯(lián)；（2）在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，由于堿基對平面之間相互靠近，形成了與堿基對平面垂直方向的相互作用力（該點可不作為對學(xué)生的要求，教師可進行補充說明）。
（五）練習(xí)
基礎(chǔ)題
1.（1）胞嘧啶；（2）腺嘌呤；（3）鳥嘌呤；（4）胸腺嘧啶；（5）脫氧核糖；（6）磷酸；（7）脫氧核苷酸；（8）堿基對；（9）氫鍵；（10）一條脫氧核苷酸鏈的片段。
2.C 。
3.B 。
拓展題
∵A＝TG＝C
∴A＋G＝T＋C
∴A＋G/（A＋G＋T＋C）＝T＋C/（A＋G＋T＋C）＝50%
也可以寫成以下形式：A＋G／T＋C＝(T＋G )／(A＋C)＝(T＋C )／(A＋G)……＝1
規(guī)律概括為：在DNA雙鏈中,任意兩個不互補堿基之和恒等，并為堿基總數(shù)的50%。
五、參考資料
1.查哥夫研究DNA堿基組成的實驗數(shù)據(jù)
20世紀50年代初，查哥夫應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合紙層析等技術(shù)，對多種生物DNA做堿基定量分析（表10），發(fā)現(xiàn)DNA的堿基組成是有規(guī)律的。
表10 不同來源DNA四種堿基的摩爾比例關(guān)系
DNA
來源
A
T
G
C
（A+T）/
（G+C）
大腸
桿菌
25.4
24.8
24.1
25.7
1.01
小麥
24.8
28.0
23.2
22.7
1.21
鼠
24.1
25.6
21.9
22.8
1.21
豬肝
25.7
29.7
20.5
20.5
1.43
豬胸腺
26.8
28.9
20.4
20.7
1.43
豬脾
28.0
29.2
20.4
20.8
1.43
酵母
23.2
32.9
18.7
17.5
1.08
（1）同一生物的不同組織的DNA堿基組成相同；
（2）每一種生物的DNA堿基組成不隨生物體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而改變；
（3）幾乎所有的DNA，無論種屬來源如何，其腺嘌呤摩爾含量與胸腺嘧啶摩爾含量相同，即A=T，鳥嘌呤摩爾含量與胞嘧啶摩爾含量相同，即G=C，總的嘌呤摩爾含量與總的嘧啶摩爾含量相同，即A+G=C+T。
（4）不同生物來源的DNA堿基組成不同，表現(xiàn)為A+T/G+C的比值不同。
2.核酸與核苷酸的化學(xué)組成
核酸組成核酸的元素有C、H、O、N、P。與蛋白質(zhì)比較，核酸在組成上主要有兩個特點：核酸一般不含有S元素；核酸中P含量較多并且恒定，約占9%～10%。通常情況下通過測定P含量來代表核酸的量。核酸經(jīng)水解可得到很多核苷酸（nucleotide），核苷酸是核酸的基本單位。核酸就是由很多單核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解產(chǎn)生核苷（nucleoside）和磷酸（phosphate），核苷還可再進一步水解，產(chǎn)生戊糖和含氮堿基，戊糖包括核糖（ribose）和脫氧核糖（deoxyribose）兩類。
（1）堿基
核苷酸中的堿基（表11）都是含氮的雜環(huán)化合物，它們分別屬于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤堿（purine）主要是鳥嘌呤（guanine，G）和腺嘌呤（adenine，A），嘧啶堿（pyrimidine）主要是胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）。DNA和RNA都含有鳥嘌呤（G）、腺嘌呤（A）和胞嘧啶（C）；胸腺嘧啶（T）一般而言只存在于DNA中，不存在于RNA中；而尿嘧啶（U）只存在于RNA中，不存在于DNA中。
（2）核苷
戊糖和嘧啶堿或嘌呤堿以糖苷鍵連接起來稱為核苷。RNA中的核苷以核糖作為糖基組成，稱為核糖核苷。DNA中的糖基為脫氧核糖，因而稱為脫氧核糖核苷。DNA中有腺嘌呤脫氧核苷，鳥嘌呤脫氧核苷，胸腺嘧啶脫氧核苷和胞嘧啶脫氧核苷。在各種核苷中，都是糖基的Cl通過堿基的N原子連接到堿基上（圖24）。若堿基是嘧啶，則所結(jié)合的N原子為1位的氮原子（N-l）；若堿基是嘌呤，則所結(jié)合的是堿基的第9位氮原子（N-9）。
圖24 胞嘧啶脫氧核苷和腺嘌呤脫氧核苷
（3）核苷酸
核苷中戊糖羥基與磷酸以磷酸酯鍵連接的形式連接在一起成為核苷酸。生物體內(nèi)的核苷酸大多數(shù)是核糖或脫氧核糖的C-5上羥基被磷酸酯化，形成單磷酸核苷。單磷酸核苷進一步被磷酸化，生成二磷酸核苷和三磷酸核苷。以核糖腺苷酸為例，除AMP外，還有二磷酸腺苷（adenosinediphosphate，ADP）和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）兩種形式。
核苷酸的二磷酸酯和三磷酸酯多為與核苷酸有關(guān)的代謝的中間產(chǎn)物或者酶活性和代謝的調(diào)節(jié)物質(zhì)，也是生理儲能和提供能量的重要形式。
DNA的一級結(jié)構(gòu)DNA的一級結(jié)構(gòu)是指四種核苷酸（dAMP、dCMP、dGMP、dTMP）按照一定的排列順序，通過磷酸二酯鍵連接形成的多核苷酸，由于核苷酸之間的差異僅僅是堿基順序的不同，又可稱為堿基順序。
核苷酸之間的連接方式是：一個核苷酸的5′位磷酸與下一個核苷酸的3′-OH形成3′，5′磷酸二酯鍵，構(gòu)成不分支的線性大分子。其中磷酸基和戊糖基構(gòu)成DNA鏈的骨架，可變部分是堿基排列順序。核酸是有方向性的分子，通常將DNA的羥基（—OH）末端稱為3′端，而磷酸基的末端稱為5′端。這兩個末端并不相同，生物學(xué)特性也有差異。
3.DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)
沃森和克里克提出的DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型的主要內(nèi)容如下。在DNA分子中，兩股DNA鏈圍繞一個假想的共同軸心形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2.0 nm；雙螺旋的外側(cè)是DNA鏈的骨架（backbone），由交替出現(xiàn)的、親水的脫氧核糖基和磷酸基構(gòu)成；堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，兩股鏈中的嘌呤和嘧啶以它們疏水的、近于平面的環(huán)形結(jié)構(gòu)彼此接近，平面與雙螺旋的長軸相垂直；一股鏈中的嘌呤堿基與另一股鏈中位于同一平面的嘧啶堿基之間以氫鍵相連，稱為堿基互補配對或堿基配對（base pairing），堿基對層間的距離為0.34nm；堿基互補配對總是出現(xiàn)在腺嘌呤與胸腺嘧啶之間（A=T），形成兩個氫鍵；或者出現(xiàn)于鳥嘌呤與胞嘧啶之間（G≡C），形成三個氫鍵；DNA雙螺旋的兩股鏈走向是反平行的，一股鏈?zhǔn)?′→3′走向，另一股鏈?zhǔn)?′→5′走向。兩股鏈之間在空間上形成一條大溝（majorgroove）和一條小溝（minor groove），這是蛋白質(zhì)識別DNA的堿基序列并與其發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)。
4.從染色質(zhì)到染色體的四級結(jié)構(gòu)
染色質(zhì)和染色體的基本成分相同，主要包括DNA和組蛋白，除此之外，還有非組蛋白和RNA。染色體是染色質(zhì)經(jīng)過高度聚縮后形成的特殊結(jié)構(gòu)。根據(jù)目前廣泛認可的染色體的四級結(jié)構(gòu)模型，可以把從染色質(zhì)到染色體的聚縮過程分為四個階段。
一級結(jié)構(gòu) 染色質(zhì)是一系列核小體相互連接成的念珠狀結(jié)構(gòu)。核小體的核心是由組蛋白H2A、H2B、H3、H4各兩個分子構(gòu)成的八聚體，在八聚體的表面纏繞有1.75圈的雙螺旋DNA。在相鄰的兩個核小體之間，由DNA連接，稱為連接線，在連接線部位結(jié)合有一個組蛋白分子H1?，F(xiàn)在普遍認為，在組蛋白H1存在時，每個核小體間緊密接觸，形成直徑為10 nm的纖維狀結(jié)構(gòu)，DNA的長度被壓縮了約7倍（圖25）。
圖25 從染色質(zhì)到染色體的四級結(jié)構(gòu)模型
二級結(jié)構(gòu) 由核小體連接起來的纖維狀結(jié)構(gòu)經(jīng)螺旋化形成中空的螺線管，這就是染色體構(gòu)型變化的二級結(jié)構(gòu)。螺旋管的每一圈包括6個核小體，外徑約為30nm。因此，DNA的長度在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又被壓縮了6倍。
三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu) 由螺線管進一步聚縮形成染色體的方式，現(xiàn)在有不同的看法。有研究表明，從人胚胎的成纖維細胞中分離出來的染色體，經(jīng)溫和的破壞后，在光學(xué)顯微鏡下可見到有伸展的、直徑約為400 nm的細絲結(jié)構(gòu)。在電子顯微鏡下觀察這些細線時，判明它就是由直徑30nm的螺線管螺旋化形成的筒狀結(jié)構(gòu)，稱為超螺線管。這就是染色體構(gòu)型變化的三級結(jié)構(gòu)。超螺線管再進一步螺旋折疊則形成染色單體，這是染色體構(gòu)型變化的四級結(jié)構(gòu)。
染色單體是由一條連續(xù)的DNA長鏈，經(jīng)過四級的盤旋、折疊而形成的。一條DNA長鏈經(jīng)過一級結(jié)構(gòu)即形成核小體后，其長度被壓縮了7倍。二級結(jié)構(gòu)即形成螺旋管后，DNA長度又被壓縮了6倍。三級結(jié)構(gòu)，即由螺線管形成超螺線管后，DNA的長度在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上被壓縮了40倍。由三級到四級結(jié)構(gòu)，即形成染色單體后，DNA的長度在三級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上被壓縮了5倍。因此由一條DNA長鏈，經(jīng)過多級螺旋化，可以使幾厘米長的DNA與組蛋白共同形成幾微米長的染色體，其長度總共被壓縮了8 000～10 000倍。
下載：
