核酸是遗传信息的携带者教学建议及补充资料

核酸是遗传信息的携带者教学建议及补充资料一.教学建议通过本节课的教学，应让学生掌握“核肯酸是组成核酸的基本单位（体），核苷酸可以通过脱水缩合形成长链，进而形成核酸分子”、“核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）"等概念，进而形成“核酸是细胞内携带遗传信息的物质，在生物体的遗传、变异和蛋白质的合成中具有极其重要的作用”这一概念。本节内容建议安排I课时。由于核酸的结构微观，复杂抽象，因此提高教学的直观性，充分借助学具模型、多媒体动画等，开展教学尤为重要。另外，课前也可以让学生收集“人类基因组计划”、“DNA

指纹技术”、“全国打击拐卖儿童DNA数据库”等资料，让学生提前了解DNA所携带遗传信息的重要性。1.紧密联系生活，创设情境，导入新课策略一利用教材中“问题探讨”背景资料，结合真实犯罪案例的图片、文字等信息，创设问题情境：“为什么DNA能提供犯罪嫌疑人的信息？”“你还能说出DNA鉴定技术在其他方面的应用吗？”策略二教师利用实物和实验，创设3个真实情境：（1）用简易的方法快速粗提取某种生物的DNA；（2）教师呈示用该生物的DNA制作的“DNA项链”；（3）呈示从市场购得的某品牌的“核酸口服液”。教师提问：“DNA

是由什么物质组成的？又具有怎样的结构呢？核酸口服液真的能有效提升人体免疫力，针对性治疗某些疾病吗？”策略三收集关于“拐卖儿童”问题的背景资料，结合图片、表格和文字等信息，创设情境：“自从全国打击拐卖儿童DNA数据库建成后，借助‘打拐DNA数据库’，数以千计的被拐儿童得以重回父母身边。”教师提问：“为什么打拐DNA数据库能帮助大量的被拐儿童找到亲生父母？”2.利用直观的图解或学具，引导学生认识核酸的组成、结构与功能经过初中生物学的学习，学生已经知道细胞核内具有储存遗传信息的物质——DNA。但学生对DNA的结构不了解，对RNA的结构与功能更是陌生。受一些生活经验的影响，学生还会形成“DNA就是核酸，核酸就是DNA"等错误的前概念。因此，在“核酸的组成与功能”教学中，建议以学生原有的知识为基础，利用已有的化学知识，采用小组合作形式，开展多种形式的教学。策略一利用图解与绘图，理解核酸的种类与结构。教师提出问题：“核酸分为哪几种？基本组成单位分别是什么？每一种基本组成单位又由哪几个部分组成？”学生带着问题阅读教材相关内容，在小组讨论的基础上进行汇报。接着，让学生在纸上绘制出脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸的结构模式图，说出DNA和RNA在化学组成上的异同，进而要求每个同学分别绘制脱氧核糖核苷酸与核糖核苷酸的长链，教师巡视、指导，小组成员组内交流。小组代表展示，教师评价，小组完善模型。策略二利用学具模型与绘图，理解核酸的种类与结构。教师首先提出问题：“核酸分为哪几种？其基本组成单位分别是什么？每一个基本组成单位又由哪几个组成部分？”学生带着问题阅读教材内容。教师再呈示核苷酸的学具模型，介绍各种模型结构所代表的物质种类，学生倾听后组内交流。在此基础上，学生用不同的模型结构分别搭建4种脱氧核苷酸和4种核糖核苷酸，并说出DNA和RNA在化学组成上的异同。学生进一步搭建脱氧核糖核苷酸与核糖核苷酸的长链，教师巡视、指导，小组成员组内交流。小组代表展示，教师评价，小组完善模型。根据不同小组利用4种脱氧核苷酸为原料，绘制（或搭建）的各不相同的脱氧核苷酸长链和核糖核苷酸长链这一事实，引导学生认识DNA分子具有多样性和特异性等特点，以此说明DNA分子可以储存大量不同的遗传信息。通过图片、文字或短视频等信息形式，向学生介绍少数病毒的遗传信息储存在RNA中，RNA也具有遗传物质的一般特征。最终，求同归纳得出概念——核酸是细胞内携带遗传信息的物质，在生物体的遗传、变异和蛋白质的合成中具有极其重要的作用。3.引导学生归纳总结，理解生物大分子以碳链为骨架呈现前述的脂肪酸分子结构，特别是其碳链构成的骨架，再呈现出葡萄糖分子结构、氨基酸分子结构、核苷酸分子结构，以引导学生绘制概念图的方式，归纳整理糖类、脂质、蛋白质和核酸等组成细胞的有机化合物的概念及其关系，进而引导学生总结多糖（淀粉、糖原）、蛋白质和核酸等生物大分子的基本组成单位，进一步认识多糖（淀粉、糖原）、蛋白质和核酸等生物大分子是由相应的单体连接成多聚体，理解生物大分子以碳链为骨架，并绘制本章内容的完整概念图。二.背景资料1.核酸的发现1868年，在德国化学家雀佩-赛勒（Hoppe-Seyler）的实验室里，有一个瑞L籍的研究生，名叫米舍尔（F.Miescher，1844-1895），他在实验室所承担的工作是研究脓血中细胞的化学成分，当时实验室附近有一家医院，常常扔出许多带脓血的绷带，脓血里有与病菌“作战”而死亡的白I细胞以及其他死亡的人体细胞。米舍尔细心地用洗脱的办法将绷带上的脓血收集起来。他先用洒精把细胞中的脂肪性物质去掉，然后用猪胃黏膜的酸性提取液（一种能除掉蛋白质的胃蛋白酶粗制品）进行处理，结果发现细胞的大部分被分解了，而细胞核只是缩小了一点儿，仍然保持完整..得到细胞核后，米舍尔对组成细胞核的物质进行了化学分析，发现细胞核内含有与细胞内其他有机物明显不同的物质，这种物质的磷含量很高，远高于蛋白质，而且对蛋白酶有耐受性。米含尔认为这是一种新物质。霍佩-赛勒当时是生物化学界的权威，治学严谨，他要在亲自做实验验证米舍尔的T.作后，才允许米舍尔发表这个成果。霍佩-赛勒用酵母细胞做实验，证实了米合尔的发现。米舍尔将他发现的新物质命名为“核素”。核素十分不稳定，提取时必须非常小心，速度要快，还得保持很低的温度。为了制备核素，米舍尔常常从清晨5：00就开始在低温的房向里工作。这大大影响了他的健康，以致积劳成疾，51岁就离开了人间。霍佩-赛勒的另一个学生，德国的科塞尔（A.Kossel，1853-1927），发现核素是蛋白质和核酸的复合物、他小心地水解核酸，得到了组成核酸的基本成分：鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，还有些具有糖类性质的物质和磷酸。确定了核酸这个生物大分子的组成之后，随之而来的问题是这些物质在大分子中的比例，它们之间是如何连接的。斯托伊德尔（H.Steudel）找到了前一个问题的答案。通过分析，他发现单糖、每种嘌呤或嘧啶碱基、磷酸的比例为1：1：1。限于当时的实验条件，后一个问题没有完全解决，科塞尔及其同事只是发现，如果小心地水解核酸，糖基团与含氮的基团是连在一起的。科塞尔还对核酸与蛋白质的结合方式进行了研究。他发现有此物种的核酸与蛋白质结合比较紧密，有些则比较松散。科塞尔因其在核酸化学领域的开创性I作，荣获1910年的诺贝尔生理学或医学奖。1911年，科塞尔的学生列文（P.ATLevine，1869-1940）对核酸做了进一步的研究。他证明核酸所含的糖类由5个碳原子组成，并将这种糖类命名为核糖。当时已经发现两种不同的核酸，列文找到了它们之间的区别：它们中的五碳糖不同。另一种糖类比核糖少一个氧原子，称为脱氧核糖。两种核酸也由原来的名字改为核糖核酸和脱氧核糖核酸。1934年，列文发现核酸可被分解成含有一个嘌呤、一个核糖或脱氧核糖和一个磷酸的片段，这样的组合叫核开酸。他认为核酸是由五碳糖与磷酸基团组成的长链，每一个五碳糖上再接一个碱基。列文认为这些碱基可能以一种非常简单的方式排列，如12341234等，每个数字代表一种特定的碱基。这个模型后来被称为核酸结构的四核苷酸假说。列文虽然没有获得诺贝尔奖，但他的贡献有目共睹，并将永远留在核酸化学的历史中。弄清物质结构的最终证明是成功地合成出这种物质。核酸的结构问题很复杂，糖类和碱基都是结构比较复杂的组分，有多种连接的可能，而且还有磷酸基团的位置问题。英国生物化学家托德（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辅酶方面的贡献而获得1957年诺贝尔化学奖。核酸功能的阐明以及DNA双螺旋结构的揭示的科学发现史已为大家所熟知，《遗传与进化》模块将做详细的介绍，这里不再赘述。2.核酸的分离和提纯研究核酸首先要对其进行分离和提纯。制备核酸要注意防止核酸的降解和变性，尽量保持其在生物体内的天然状态。早期研究时，由于受到方法上的限制，得到的样品往往是一些降解产物。要制备天然状态的核酸，必须在温和的条件下进行，防止过酸、过碱，避免剧烈搅拌，尤其是防止核酸酶的作用。真核生物中的染色体DNA与组蛋白结合成核蛋白（DNP），存在于核内。DNP溶于水和浓盐溶液（如质量浓度为1mol/L的NaCI溶液），但不溶于质量浓度为0.14mol/L的NaCI溶液。利用这一性质，可将细胞破碎后用浓盐溶液提取，然后用水稀释至0.14molL，使DNP纤维沉淀出来，缠绕在玻璃棒上，再经多次溶解和沉淀以达到纯化目的。苯酚是很强的蛋白质变性剂，可用苯酚抽提，除去蛋白质。用水饱和的苯酚与DNP一起振荡，冷冻离心，DNA溶于上层水相，不溶性变性蛋白质残留物位于中间界面，一部分变性蛋白质停留在酚相。如此操作反复多次以除净蛋白质。将含DNA的水相合并，在有盐存在的条件下加2倍体积冷的乙醇，可将DNA沉淀出来。再用乙醚和乙醇洗涤沉淀，用这种方法可以得到纯的DNA。RNA比DNA更不稳定，而且RNase又无处不在，因此RNA的分离更为困难。制备RNA通常需要注意3点：（1）所有用于制备RNA的器具必须灭菌；（2）在破碎细胞的同时加入强变性剂使RNase失活；（3）在RNA的反应体系中加入RNase的抑制剂。目前最常用的制备RNA的方法有两种：（1）用酸性胍盐/苯酚/氯仿抽提。胍是极强烈的蛋白质变性剂，它几乎使所有遇到的蛋白质都变性。用苯酚和氯仿多次除净蛋白质。此法用于小量制备RNA。（2）用胍盐/氯化铯将细胞抽提物进行密度梯度离心。蛋白质在最上层，DNA位于中间，RNA沉在底部。此法可制备较大量高纯度的天然RNA。不同功能RNA常分布于细胞的不同部位，分离这些RNA常常先用差速离心法，将细胞核、线粒体、叶绿体、细胞质等各部分分开，再从这些部分中分离出RNA。3.核酸的水解核酸的嘌呤碱和嘧啶碱与戊糖形成糖苷键。戊糖有两种：核糖和脱氧核糖，所以形成4种糖苷，即嘌呤核苷、嘌呤脱氧核苷、嘧啶核苷、嘧啶脱氧核苷。磷酸基与两种糖类分别形成核糖磷酸酯和脱氧核糖磷酸酯。所有糖苷键和磷酸酯键都能被酸、碱和酶水解。水解核酸的酶种类很多。非特异性水解磷酸二酯键的酶为磷酸二酯酶；专一水解核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶。核酸酶按底物专一性分类，又可分为作用于核糖核酸的核糖核酸酶，作用于脱氧核糖核酸的脱氧核糖核酸酶；按对底物作用的方式，可分为核酸内切酶和核酸外切酶。内切酶的作用点在多核苷酸链的内部，而外切酶的作用点从多核背酸链的末端开始，逐个地将核苷酸切下，从而对核酸进行降解。也有少数酶既可内切，也能外切。4.核酸在不同生物（细胞）中的分状况所有生物细胞都含有DNA和RNA这两类核酸。原核细胞DNA集中在拟核。真核细胞DNA分布在核内，与蛋白质组成染色体（染色质）。线粒体、叶绿体等细胞器也含有DNA。病毒或只含DNA，或只含RNA从未发现两者兼有的病毒。原核生物DNA、质粒DNA、真核生物细胞器DNA都是环状双链DNA。所谓质粒是指拟核DNA外基因，它能够自主复制，并表现出特定的性状。真核生物染色体DNA是线型双链DNA。病毒DNA种类很多，结构各异。动物病毒DNA通常是环状双链或线型双链。植物病毒基因组大多是RNA，DNA较少见。少数植物病毒DNA或是环状双链，或是环状单链。噬菌体DNA多数是线型双链，也有为环状双链的。参与蛋白质合成的RNA有三类：转运RNA（tRNA），核糖体RNA（rRNA）和信使RNA（mRNA）。无论是原核生物还是真核生物都有这三类RNA。自20世纪80年代以来，陆续发现许多新的具有特殊功能的RNA，几乎涉及细胞功能的各个方面。病毒RNA种类很多，结构也是多种多样的。5.核酸中核苷酸的连接方式核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子，无分支结构。核酸中的核苷酸以磷酸二酯键彼此相连。DNA中的脱氧核糖核苷酸，通过3’，5'-磷酸二酯键连接起来，形成直线形或环形多聚体。组成RNA的核苷酸也是以3'，5'-磷酸二酯键彼此连接起来的。6.DNA指纹图谱的建立与识别小卫星DNA是基因组中可变数目的串联重复DNA（variablenumberoftandemrepeat，VNTR）。它具有高度变异性，几乎可以使每个个体形成唯一的特征性带型，因此可用来鉴别不同的个体。在人类基因组中，每一个小卫星家族都共有一种“核心”序列，制备含有核心序列的探针，再通过DNA印迹法，将其与不同个体的酶切DNA进行杂交，就会将每个个体独特的杂交图谱呈现出来，这就是DNA指纹技术（DNAfingrprining）。英国的遗传学家杰弗瑞斯（A.J.Jeffreys）是最早提出DNA指纹的人。1985

年，他的研究团队将一段人类肌红蛋白的小卫星DNA制备成探针（33bp），并用限制性内切核酸酶消化含有短串联重复序列的DNA，再将两者杂交得到了包含十几条条带的杂交图谐，不同个体的杂交图谱如同人的指纹一样具有高度个体特异性，于是杰弗瑞斯就将其称为DNA“指纹”。这一技术很快在世界范围内的医学和司法领域广泛应用。在进行亲子鉴定时，如果能从父母的DNA指纹中找到孩子的所有条带，就可以确定亲子关系。在用于刑事案件工作时，如果条带完全-致（条带的位置和强度均相同）则为同一个体，如果检测结果显示的条带与嫌疑者的条带相比有部分缺失，则还需要计算二者的相关性和同一认定的可信程度。随着微卫星DNA（shorttandemrepeat，简称STR，是由2~4个核苷酸组成的短串联重复序列）的发现和PCR技术的应用，DNA

指纹分析技术也在不断改进。现在这一技术开始应用对样本微卫星DNA序列的分析，因为这种序列在环境中留存的概率更大。PCR技术则使得样本的需要量大大减少，如一根头发甚至一个精子就可以进行检测，这对于法医物证检验尤为重要，并且PCR技术还能极大地提高DNA指纹分析的灵敏度。从个体的血液或其他组织提取DNA样本后，采用PCR技术扩增STR区域，扩增产物再经聚丙烯酰胺凝胶电泳后，用溴化乙锭或其他染料染色即可获得结果。DNA指纹技术凭借其独特的优势，在司法鉴定、物种分类鉴定、遗传病诊断、肿瘤研究等领域都发挥着巨大的应用价值。7.生物大分子结构特点生物大分子一般是指存在于生物体内的分子量大于10KD（千道尔顿）的大分子物质。如蛋白质、核酸，也包括多糖等。生物体内还存在由生物大分子相互作用形成的复合大分子，如糖脂、糖蛋白、脂蛋白等。生物大分子的结构具有以下特点。（1）生物大分子是小分子单元的聚合物构成生物大分子的小分子单元称为单体，也称构件。氨基酸、核苷酸和单糖分别是蛋白质、核酸和多糖的单体。（2）生物大分子以碳链为骨架所有生物大分子都含有碳原子，并且以碳链为骨架。这是碳原子的化学性质决定的。碳骨架有线形的，有分支形的，也有环形的；有饱和的，也有不饱和的。（3）生物大分子具有复杂、有层次的结构生物大分子分子量大，单体种类多、数量大、排列顺序千变万化，因而其结构十分复杂。据估计，仅蛋白质就有1010~1012种。生物大分子又是有序的，每种