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DNA分子的结构教学实录

 蓝天枫 2010-05-18
吉林省吉林毓文中学 岳冬燕 132000



教学目标:通过制作脱氧核苷酸和DNA结构模型的活动,使学生理解 DNA的分子结构,理解DNA空间结构的主要特点和DNA分子的多样性、特异性和稳定性,通过了解科学家的研究过程,鼓励学生大胆创新,从而体验探究的乐 趣和获得成功后的喜悦,学会科学的探究方法。

教学重点:理解DNA立体结构的主要特点。

教学难点:分析DNA结构中的碱基数量关系及DNA分子的多样性。

教学方法:制作模型、实验、探究式学习法。

课前准备:每位同学准备四张边长为10 cm不同颜色的硬卡纸,并用其中一张白色的剪出4个等大的五边形,用一张黄色的剪出四个直径为1.5 cm的等大的圆,用粉色和绿色卡纸分别剪成长8 cm、宽1.5 cm的长条,并按照虚线图示剪成下面的形状。

导入新课(情景创设)

教师:同学们,矗立在北京海淀区中关村村创业大厦前的 城市雕塑──中关村的“麻花”,成为世人瞩目的标志。然而,就是这个雕塑曾引发一起纠纷案件,那就是北京市海淀区法院受理的北京世纪盛典文化艺术交流有限公司起诉北京大学DNA雕塑合同纠纷案(教师对案情进行简短介绍)。

看完图片,听完案情介绍,同学们又什么想法呢?

有同学会问:案件的发生是由于DNA的空间结构的旋转方向的问题,DNA到底有什么样的化学组成和空间结构呢?就是这样两条链 吗?为什么要在这里制作一个DNA结构的雕塑呢?

新课教学

第一部分:DNA的研究

教师:1869年德国生物化学家米歇尔最早发现DNA这种化合物的存在。在之后的近一个世纪里,许多科学家进行了大量的研究和 探讨,分析DNA的化学结构和组成,并努力探索这蕴涵生命奥秘的物质的结构,希望揭开DNA结构的神秘面纱。

同学介绍在网上查到资料:1944年,发现的DNA(脱氧核糖核酸)可能携带遗传信息。1953年英国科学家沃森和克里克推断 出DNA的双螺旋结构模型。

第二部分:跟随科学家研究足迹,认识DNA的结构

教师:在沃森和克里克之前,人们已经认识了DNA的化学成分是由脱氧核苷酸组成,每分子的脱氧核苷酸又是由三个分子组成。

学生:是由一分子脱氧核糖、一分子含氮的碱基和一分子磷酸基组成。

教师:看课件学习三个分子的化学结构,重点理解它们是如何形成脱氧核苷酸的。

学生活动:学生自己制作四种脱氧核苷酸

脱氧核苷酸间通过脱水缩合连在一起成为多核苷酸链。

教师:人们虽然已经知道了DNA的化学成分,但是脱氧核糖、磷酸和四种碱基是如何组成多核苷酸链的,却一直未达成一致的意见。

学生活动:我们先试着把自己制作的四个脱氧核苷酸连成长链,找几个同学说明他的四个核苷酸是怎样排序的,并提示同学思考。

你手边的四个四种核苷酸能排成多少种顺序?如果有足够的四种核苷酸仍旧排成4个核苷酸构成的链,排列方式应有多少种?如果用足 够的四种脱氧核苷酸连成一条由4 000个脱氧核苷酸形成的一条脱氧核苷酸长链,那么,能形成多少种排序不同的脱氧核苷酸长链呢?

教师:这样可以蕴藏无穷信息的脱氧核苷酸长链到底是怎 样组成DNA分子的呢?近百年来科学家没有找到能被人们公认的答案,当时有的知名科学家曾提出DNA的三链、四链模型,沃森和克里克也曾试图着做了三链结 构,但都被科学界否定了。

学生介绍:直到富兰克林拍摄了一张DNA纤维B型照片,当沃森看到这张片子时激动得话也说不出来了,他的心怦怦直跳,因为从这 张片子上完全可以断定DNA的结构是一个螺旋体。当沃森骑着自行车回到学校,进门的时候,他已打定了主意要亲自制作一个DNA双链模型。沃森认为,自然界 中的事物,如机体内部的各种器官和细胞内的染色体都是成双成对的,DNA分子可能是一种双链结构。他的这种想法得到了克里克认可。于是他们两人便想尽办法 用纸和铁丝制作模型。 

教师:我们不妨大胆想象一下,怎样搭建这个双链DNA模型呢?

学生讨论:许多现代化的建筑为了节省空间都有一个螺旋形的楼梯。楼梯的支撑就是脱氧核糖和磷酸形成的链,即糖—磷酸—糖—磷酸 —糖—磷酸……好像一节一节的链一样。然后给它配上碱基,好像给楼梯装上梯级一样。我们两个人一组把你们的两段DNA链连成双链。同学们马上发现提出异 议,在大多数同学之间的两条链无法连成合理的稳定的结构。

教师:在制作模型的过程中,沃森和克里克当时也遇到同样的问题,他们无法把碱基放到模型中他们任意选择的位置上,这些碱基不得 不用一种特殊的方式连在一起。 每一个梯级必须由两个碱基组成。问题在于嘌呤是长的,而嘧啶是短的。如果把这两个“长”的连接起来,那么做出来的梯级就太宽,不适合这个楼梯扶手的两个链 之间的空间。在另一头,如果把两个“短”的连接在一起,其结果是梯级又太狭窄,同样无法布满两个扶手之间的空间。可是天然形成的结构总是十分合理而完善 的。

学生朗读教材内容:1952年春天,奥地利的著名生物化学家查哥夫访问了剑桥大学,沃森和克里克从他那里得到了一个重要的信 息:A的量等于T的量,G的量等于C的量。于是沃森和克里克又兴奋起来,让A(“长”的)必须和T(“短”的)连接,G(“长”的)必须和C(“短”的) 连接,这样便能做成一个结构很牢固很平衡的螺旋体。内部的碱基间严格遵循碱基互补配对原则:一条链上有碱基A,另一条链必有碱基T与其配对,一条链上有碱 基C,另一条链上必有碱基G与其配对;碱基间通过氢键连在一起。之后的研究中我们了解到A与T有两个氢键,G与C有三个氢键。

学生活动:下面我们八人一组,要求一些组之间互换一些种类脱氧核苷酸对,然后把你们的核苷酸重新按着碱基互补配对的原则组合在 一起形成双链,制作成DNA的平面结构。

展示一下各组制作的DNA平面结构,检查有无连接错误并给与正确的评价。

教师:在制作过程中同学们有没有发现碱基数量或脱氧核苷酸的数量有什么规律?

学生思考后作答:在双链DNA分子中,因为碱基互补配对,有A=T,C=G;同时使嘧啶碱基的总数与嘌呤碱基的总数相等即 A+G=C+T。这可作为判断单、双链DNA的基本依据。

 教师:我们每组计算本组制作的DNA分子片段的(A+T)/(G+C)的比值是多少,比较不同小组该比值,不同小组所得的 DNA中的该比值有差异。由此我们可以得出什么结论呢?

学生总结:不同的DNA分子中AT对和GC对的比例不同。

教师:如果某段DNA分子由4 000个脱氧核苷酸对组成,其DNA分子的排列顺序有多少种?

学生总结:44000种 (有学生会问)为什么不是48000种?

学生总结:因为碱基互补配对,所以一条链的碱基排序决定另一条链的排序,因而只要计算其中一侧链的种类即可。

第三部分:建立DNA的空间模型

教师:我们知道化学原子的化学建是向空间延展的,不是平面的。那么DNA的空间结构是什么样的呢?沃森和克里克在将DNA模型 与拍摄的X射线照片比较时,发现两者完全相符。

教师:下面我们用我们制作的DNA分子的平面结构,表现一下DNA分子的立体结构是有规则的双螺旋结构。(出示课件中DNA双 螺旋立体结构结构模型)

学生总结:请同学概括DNA双螺旋结构的特点:外侧是磷酸和脱氧核糖交替排列,内部是以碱基互补配对原则形成的碱基对。

老师补充:在DNA分子的双链螺旋结构中:①共有四种碱基对:AT对、TA对、GC对、CG对。②一般DNA每螺旋一周要绕过 10对碱基,在一对脱氧核苷酸之间的长度为2 nm,相邻两对碱基之间的距离为0.34 nm,一个螺旋为3.4 nm。这些都体现出DNA结构的稳定性。这样的螺旋结构对链上的脱氧核苷酸顺序无任何限制。因此,DNA分子中的脱氧核苷酸的排列顺序千变万化。这样千变 万化的顺序决定了生物界的多样性。人类中找不到两个人的指纹完全相同就在于此。

教师:这样严谨的结构,使DNA分子的结构具有相对的稳定性,种类上具有特异性和多样性,从而使生命能种族延续、代代相传── 遗传,并表现出丰富多彩的自然世界。

第四部分:研究DNA结构的意义

教师:DNA结构的发现在生物科学的研究史上的地位是重大的,中科院副院长、国家863计划生物领域首席科学家陈竺教授评价说 (请学生朗读)“双螺旋结构显示出DNA分子在细胞分裂时能够复制,完善地解释了生命体要繁衍后代,物种要保持稳定,细胞内必须有遗传属性和复制能力的机 理。这一发现标志着沃森和克里克终于揭示出了基因复制和遗传信息传递的奥秘,两人由此获诺贝尔奖,并由此引发了一场蔚为壮观的生命科学和生物技术领域的重 大革命。”

课件演示:DNA结构发现后生命科学的几个重要的研究历程

1958年克里克提出遗传信息传递的“中心法则”;1977年建立了核苷酸序列分析技术;1990年以沃森为首的科学家倡导并 启动了国际人类基因组计划;近年来PCR技术使在生物体外克隆DNA片断成为可能,为基因分析、序列分析、金华关系分析和临床诊断等提供了足够的DNA研 究样本;2001年8月26日,人类基因组“中国卷”的绘制工作宣告完成;2003年4月14日中午,在美国华盛顿人类基因组序列图完成发布会现场,美国 联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯·柯林斯博士隆重宣布,人类基因组序列图绘制成功,人类基因组计划的所有目标全部实现。

通过本节课的学习,同学们还有哪些疑问?

在教师引导下,学生思考有着这样规则双螺旋结构的的DNA是如何完成复制,形成2个基本完全相同的DNA分子的呢?又是如何控 制生物性状的呢?激发学生深入思考,使学生能主动把问题探究下去。

教师总结:我们和沃森、克里克一样惊叹于我们的“发现”,我相信在座的各位同学和我一样此刻心潮澎湃,既为沃森和克里克的成果 和人类的科学研究的进步而激动,也为重大科学发现居然在弹指一挥间就凸现而惊讶。我们都很年轻,有着和沃森和克里克一样的梦想和冲动,我们有理由相信,只 要我们努力发现,善于捕获和分析有效信息,加上我们坚持不懈的努力,就一定能在科学研究中留下辉煌的一笔。 我相信,2003年10月6日,当红绸带从刻有DNA双螺旋结构发现者詹姆斯·沃森亲笔签名的浙江大学沃森基因组科学研究院的牌匾上滑落时,那一刻会有更 多的青年人备受激励,并能像沃森和克里克那样,在年轻时就为中国乃至世界科学做出贡献。让我们记住那些科学伟人的名字。

设计思路:在设计本节课时,我改变教材中对DNA结构介绍的顺序,教材中是先介绍科学史中的研究成果,然后学生进行实验,理解 DNA的结构,我认为这样容易造成科学知识和科学实验的割裂,使学生产生科学知识比较枯燥,实验只是对知识的验证的错误认识。事实上,实验是产生科学知识 的源泉,因此,我把该实验分解,并通过让学生通过跟随科学家的研究历程制作DNA的结构模型,在学生的探究中发现科学家们曾遇到的问题,并积极思考如何解 决问题,这样通过实验不仅促进对DNA结构的知识的学习和深入理解;同时能够学习到科学家善于捕获分析信息和严谨的思维品质及持之以恒的科研精神。在探究 中学生也能准确地分析出现的问题并积极地涉及解决问题的办法,并且有许多同学的想法与科学家的想法不谋而合,这样缩短了科学研究与高中生之间的距离,借此 激励学生勇敢的走上科学研究之路。

教学反思

在教学中我觉得把DNA结构模型的制作的实验分解后,对学生理解脱氧核苷酸的结构和DNA的结构非常有益。学生在实践中能准确 理解脱氧核苷酸是如何构成DNA双螺旋结构的,而且其中的碱基互补配对的原则,和数量关系以及DNA的排序等教学难点也能轻松的突破。

但从时间安排上内容有些多,需要一节半的时间方能完成教学任务,所以在实际教学中可以把这节和DNA的复制结合在一起,继续用 模型制作的方法探究DNA的复制规律,组成两节实验连排的课,这样知识比较完整,而且有知识深度的递进,学生的思考空间也比较大,能锻炼他们的思维品质和 科研意识。

在准备这节课的授课内容和授课过程时,我无数次的被科学家的机智、聪慧和大胆的创造性思维所打动,作为教师我不只要激励我的学 生勇攀科学的高峰,同时也要不断鞭策自己,使自己在教学教研领域有所建树。

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