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7月12日  

2010-07-12 13:23:00|  分类: 教学过程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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四、DNA分子的结构

        根据上节课对DNA双螺旋结构模型构建资料的分析,我们已经可以大致了解DNA双螺旋结构模型的一些轮廓。那么让我们回忆一下这个大致的轮廓是什么样子?如果你已经忘了,那么再参考一下你在教材P49所回答的第1题。

         对了,我们大体上知道了,DNA分子由两条链构成,是个双螺旋结构;在双螺旋结构的外侧是磷酸和脱氧核糖;内侧是A和T之间形成碱基对,G和C形成碱基对。

         接下来,我们来看看教材对双螺旋结构的相对完善一些的表述。大家把教材翻开至P49,找出双螺旋结构的主要内容。

 

         1、立体结构——双螺旋结构

          教材把DNA的双螺旋结构分成三部分来表述。请大家找出来。

         (1)由两条链以反向平行的方式盘旋成双螺旋;

          ——“两条链”大家都已经大致了解了;“平行”这一点,大家有点想象力基本上也能想象得到;这样的结构叫做“双螺旋”,这一点在前面的资料中我们也都学习过了。那么什么是“反向”呢?这个反向是什么意思?我们留着这个疑问,一会进行阐释。

      (2)外侧(基本骨架):磷酸和脱氧核糖交替连接;

               内侧:碱基对

         (3)碱基通过氢键以碱基互补配对的方式形成碱基对。

          大致就这三点,可能有些内容你并不是很清楚,但是请大家先记下来,OK?给你一分钟把这三点记一次。

 

         2、平面结构

         接下来,我们换种方式,一些同学抱怨说自己的空间想象能力不好,立体结构理解起来比较困难,那么我们就像拧麻花一样,把这个双螺旋给它拧一下,把两条螺旋的链拧成两条平行的直线。这就有点像教材P49页的图3-11一样,图的右边是比较标准的双螺旋,左边则是我们把双螺旋拧成了平面结构。平面结构是不是看起来比立体结构舒服多了呢?接下来我们就重点对这个平面的结构进行分析。

         首先,我希望同学们能够从平面结构中找到DNA分子是由两条链构成,你能指示出来给我看看吗?

         ——学生指出。

         当然了,显然这两条链基本上是一种平行的关系。

         现在我来告诉大家,这样的两条链是有方向的。有点奇怪嘛,没有什么可奇怪的。对于平面结构图的左边一条链来说:我们可以看到它的最上面是一个圆圈(当然,高一知识记忆较牢的同学知道它就代表了磷酸),而在这条链的最下面,则是一个五边形(也就是高一中所学习的“脱氧核糖)。我们把一条链中以磷酸开始的一端看做是“头”,而把以脱氧核糖结尾的一端看做是“尾”。

         根据这样的知识,我们可以看到:教材所示的平面结构中左边一条链是“站立着的”,而右边一条链则是“倒立着的”,因此,我们说两条链的方向是“反向的”。  

 

         (1)DNA的基本组成单位——脱氧核苷酸      

           A、脱氧核苷酸的组成与结构

          接下来,我带领大家看看教材P49所提供的图3-11,你也可以尝试利用教材P51课后练习中的那幅图,当然也可以看我在屏幕上演示的图。 任选一个就好。  

           ——教师演示:将一条链中核苷酸分开,然学生可以看到重复单元。

           那么,大家可以看看被我圈起来的那些,它们在结构上是不是“长”的很像呢?你还记不记得它们叫什么吗?

           ——这些结构上相似的重复单元就是我们以前了解的脱氧核苷酸,它也就是构成DNA的基本单位。

           现在我把演示屏蔽掉,有没有同学可以上来画出核苷酸的简图?没有呀,不要太谦虚啦。看来你们都把发胖的机会留给我这个瘦老师了,非常感谢。好吧,时间关系就由我来画出脱氧核苷酸的结构简图。

                                  7月12日 - 小狗啃骨头 - 小狗的窝
          脱氧核苷酸大致就可以用这个图来表示。如果我们用DNA酶处理DNA,所得到的就是脱氧核苷酸。那么脱氧核苷酸还可以继续水解吗?答案是肯定的,我用箭头标出的化学键都可以在一定的条件下被打开,最终脱氧核苷酸可以被水解成三部分:一部分是磷酸,我们用P的符号外加一个圈来表示;一部分是脱氧核糖,我们用五边形为主体的形状来表示;还有一部分是含氮碱基。
 
            ——磷酸当然含有P元素;脱氧核糖是糖,高一时我们已经学习了构成糖的元素一定包括C、H、O;而含氮碱基从名称上我们就可以知道它含有N元素。因此高一的时候,老师会告诉你:DNA的组成元素包括C、H、O、N、P。现在你应该明白当时为什么老师那么教你了。
 
           ——在构成脱氧核苷酸的3部分组件中,我们比较陌生的可能是含氮碱基。高一时有所接触,不过那时候没有强调。就如同大家在教材提供的资料中描述的那样,研究表明构成DNA的碱基有4种,分别简写做:A、T、G、C。我们是中国人,当然也应该了解这些英语简写用汉语怎样表达。四种碱基中,A代表腺嘌呤,G代表鸟嘌呤,T代表胸腺嘧啶,C代表胞嘧啶。总得来说,有两种嘌呤:A和G;也有两种嘧啶:T和C。后面我们就会推出一个很有趣的结论:嘌呤=嘧啶,这里先给大家预告一下。
 
           ——弄清这三部分之后,接下来我们看一下这三部分怎样形成一个脱氧核苷酸。左边脱氧核糖和磷酸脱水缩合,右边脱氧核糖和碱基之间也脱水缩合,这样三者就联系成一个整体即脱氧核苷酸了。要注意,在联系成一个整体时,脱氧核糖是居于核心的位置。
          为了便于大家记住磷酸和脱氧核糖分别是连接在脱氧核糖的什么部位,我接下来将使用一个错误的类比,虽然类似是错误的,但是真的可以帮助你记住一些东西。高一的时候,都学过苯吧?还记不记得苯中的多个氢被取代时,有临位、间位和对位的区别,那么你来看看,磷酸和含氮碱基的位置关系像是位于脱氧核糖的临位?间位?还是对位呢?
          ——学生回答:间位。
         好的,你就可以这样记下来三者之间在构成脱氧核苷酸时的位置关系。
 
         B、脱氧核苷酸的命名
         ——下面一个问题:我们来命名脱氧核苷酸。我知道大家最近正在学习有机化学的命名,你别怕,我们的这个命名比你化学上的命名简单多了。学习命名之前,我们再来看一下脱氧核苷酸的结构。在构成脱氧核苷酸的三部分中,磷酸可变吗?脱氧核糖可变吗?最终可变的只有碱基,所以命名的时候,显然是以碱基为主体。碱基有4种,脱氧核苷酸也就应该有4种如果碱基是A,我们就把这个脱氧核苷酸叫做腺嘌呤脱氧核苷酸;如果碱基是T,则叫做胸腺嘧啶脱氧核苷酸;以此类推这里我就不再详述了。
 
        好啦,给大家一分钟把这些内容在脑子里快速的过一下。
 
       (2)脱氧核苷酸之间以磷酸二酯键的方式连接成脱氧核苷酸链(疑问:学案中为什么这里就出现了磷酸二酯键?好像应该选修才学)
 
        弄清楚了脱氧核苷酸,还不足以让我们全面的了解DNA的平面结构。我们还需要知道这些脱氧核苷酸之间是怎样连接在一起的。好的,接下来,我在图中指出这样一个位置(演示脱氧核苷酸链中间的磷酸基团)。我先请大家来判断一下,这个磷酸基团属于哪个脱氧核苷酸呢?
         很好,那大家再来看一下,这个磷酸属于这个脱氧核苷酸,它连接了自身的脱氧核糖,同时又连接了上面另一个脱氧核苷酸的脱氧核糖,因此通过这个磷酸,就把两个相连的脱氧核苷酸联系在了一起。我们有必要对这个神奇的磷酸基团所形成的化学键起个名字。
        ——补充点化学知识。化学中,通常把酸和羟基之间发生的反应叫做什么反应呢?对了,酯化反应,酯化反应所形成的化学键叫酯键。磷酸是酸,它和脱氧核糖上的羟基发生发生反应,生成的化学键也被视作是酯键,又由于这个酯键是磷酸参与形成的,所以叫磷酸酯键。
        由于磷酸基团可以和两个脱氧核糖形成磷酸酯键,所以我们把连接脱氧核苷酸的化学键叫做磷酸二酯键。这样,脱氧核苷酸之间通过形成磷酸二酯键连接形成脱氧核苷酸链。
 
         (3)脱氧核苷酸链之间形成氢键维系在一起。
 
          两条脱氧核苷酸链的碱基之间可以形成氢键。
          ——化学中的氢键通常形成于两个分子之间,氢键通常是由氢和一个氧化性(电负性)较强的原子之间形成。以H2O分子为例,一个水分子的氢可以和另一个水分子中的氧之间形成氢键。需要注意的是:氢键形成于两个分子之间,在水分子内部,氢和氧是以共价键的形式结合在一起的。氢键的形成可以使物体的结构更加稳定。
         
          2条脱氧核苷酸链的碱基之间可以通过形成氢键进行配对。大家可以看一下教材P51课后练习题第一题的图,该题的图中,在两条脱氧核苷酸链之间用虚线来联系,这些虚线表示的就是氢键。细心的同学就可以发现,在A、T之间划了两条虚线,而在G、C之间划了三条虚线,这样表示的意思是:A、T配对形成2个氢键,G、C配对形成3个氢键
          两条脱氧核苷酸链通过氢键维系在一起。这里需要指出一点:氢键由于不是在分子内部形成的,所以很容易破坏。还是以水为例,水分子之间存在氢键,但是我可以轻易的把水分开再分开。因此氢键虽然可以使两条脱氧核苷酸链联系在一起,但是这种联系可以被破坏,氢键的数目越多,这种联系被破坏起来就越困难。因此我们可以推论出这样的知识:DNA分子中G、C含量较多的话,DNA的双链结构就越稳定,不容易被拆分成单链;而A、T含量较多时,情况则反过来。
          
           请完成课后P51基础题第1题:
                                         7月12日 - 小狗啃骨头 - 小狗的窝
           说明:DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸(7)。脱氧核苷酸(7)可以继续水解成为磷酸基团(6)、脱氧核糖(5)和含氮碱基(1、2、3、4)。脱氧核苷酸(7)之间通过磷酸二酯键连接成多脱氧核苷酸链(10)。两条链之间碱基通过氢键(9,图中用虚线表示)按照碱基互补配对原则形成碱基对(8);并且A、T配对形成2个氢键,G、C配对形成3个氢键。 
 
    3、应用碱基互补配对原则进行相关计算
          有关DNA分子的计算通常都是围绕“碱基互补配对原则”进行的。 由于碱基互补配对,我们可以得到以下结论:
          (1)A = T;G = C
           由(1)可以推知:
           (2)A + G = T + C
           (2)式的含义就是:在DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数
          有时候的计算,需要对DNA分子的两条链进行分别的处理,这个时候,我们可以使用下图:
            (3)
                       7月12日 - 小狗啃骨头 - 小狗的窝 
 
          说明:我们用1、2这样的类似符号来区分两条链。同时,我们把第1条链中所有的腺嘌呤简单的记做A1,这里下标1表示位于第1条链中。采用下标的表示方式,主要是为了区别两条链。比如A1表示的就是第1条链中A;而A2则表示第2条链中的A。我建议大家以后做题画出辅助图形时,一定要标出下标,这样才指示明确。
          有时候,我们会讨论DNA分子和每一条链之间的数量关系。这种时候,通常我们用A来表示整个DNA分子中的A,即A = A1 + A2。希望同学们在以后的做题中能够注意我所使用的表示方法。
 
          以后做相关计算题时,我只希望你能记住这三点就好,学案上面总结了很多规律。我个人记忆力不好,感觉自己记不住那么多东西,所以我也不要求你们把所有东西都记下来,但是这三点基本上已经不能再省略了,记住它们是最起码的要求。当你熟练的掌握了这三点以后,其他的规律都是显然的。
 
课后:教参上说可以从立体到平面再到脱氧核苷酸的方式来讲述,可是我们怎么都想不来,怎样来保证这样处理的连贯性,虽然我也觉得教参处理的逻辑性很好。
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