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1、第3节 遗传信息的携带者核酸一、 教学目标 1.说出核酸的种类，简述核酸的结构和功能。2.以特定的染色剂染色，观察并区分DNA和RNA在细胞中的分布。二、教学重点和难点1.教学重点核酸的结构和功能。2.教学难点观察DNA和RNA在细胞中的分布。三、教学策略本节虽然在题目中提出了遗传信息，但是对遗传信息的深入理解需要在遗传与进化模块完成。这节重点是让学生了解承载遗传信息的物质核酸。因此教学的直观性非常重要。1.利用“问题探讨”唤起学生对遗传物质的记忆，激发学习兴趣。由于现代科学技术的发展使DNA研究成果的应用范围愈来愈广泛，学生听到、看到有关DNA应用的报道是很多的，因此，对于“DNA指纹法”在
2、案件侦破中的作用可能略有所知。这也是学生倍感兴趣的内容。教师要给学生适当的空间进行表达交流，尽可能地让所有学生共享他们对遗传物质核酸的认识。2.通过实验观察，获得感性认识，解决核酸在细胞中的分布。教材提到了“核酸存在于所有细胞中”，物质的存在具有可检测性，因此“观察DNA和RNA在细胞中的分布”是重要的学习活动。实验材料选择了人的口腔上皮细胞，主要是考虑到取材方便。教师还可以准备常见的动植物细胞供学生观察，使他们认识到组成生物体的核酸包括DNA和RNA。这个实验比较简单，效果也非常明显，因此教师可以指导每个小组的学生分别观察12种材料，通过总结归纳，得出DNA和RNA在细胞中分布的特点。3.联
3、想“细胞核是遗传信息库”，将抽象的语言变为直观的图解，认识核酸的结构。在初中学习有关细胞的生活的内容时，学生已经知道细胞核内具有储存遗传信息的物质DNA。但是受认知水平的限制，学生还不知道DNA的结构。因此在讲述核酸的结构时，要以学生已有的知识为基础，利用学生具有的化学知识，让学生看懂脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸结构图解、DNA和RNA在化学组成上的区别图解，以及核苷酸长链的特点，为遗传与进化模块的学习奠定基础。四、答案和提示（一）问题探讨1.提示：脱氧核糖核酸。DNA是主要的遗传物质，而每个人的遗传物质都有所区别，因此DNA能够提供犯罪嫌疑人的信息。2.提示：DNA鉴定技术还可以运用在亲子鉴定
4、上。在研究人类起源、不同类群生物的亲缘关系等方面，也可以利用DNA鉴定技术。3.提示：需要。因为DNA鉴定只是提供了犯罪嫌疑人的遗传物质方面的信息，还需要有嫌疑人是否有作案动机、时间，是否在犯罪现场，是否有证人等其他证据。如果有人蓄意陷害某人，也完全有可能将他的头发、血液等含有DNA的物质放在现场。因此案件侦察工作应在DNA鉴定的基础上，结合其他证据确定罪犯。（二）旁栏思考题原核细胞的DNA位于拟核区域。（三）练习基础题1.（1）；（2）；（3）。2.C。3.C。五、参考资料1.核酸的发现1868年，在德国化学家霍佩赛勒（HoppeSeyler）的实验室里，有一个瑞士籍的研究生，名叫米舍尔（F
5、.Miescher, 18441895），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。他先用酒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。米舍尔认
6、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工作后，才允许米舍尔发表这个成果。霍佩赛勒用酵母细胞做实验，证实了米舍尔的发现。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500就开始在低温的房间里工作，这大大影响了他的健康。由于积劳成疾，他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, 18531927），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
7、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111。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，糖集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。他发现有些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工作，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.A.T.Levine,18691940）
8、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，这样的组合叫核苷酸。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法排列，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
9、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
10、，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1 mol/L的NaCl溶液），但不溶于质量浓度为0.14 mol/L的NaCl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0.14 mol/L，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
11、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）用酸性盐/苯酚/氯仿抽提。是极强烈的蛋白质变性剂，它几乎使所有遇到的蛋白质
12、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
13、。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苷酸链的末端开始，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）中的分布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，
14、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：转移RNA（tRNA）,核糖体RNA（rRNA）和信使RNA（mRNA）。无论是原核生物或是真核生物都有这三类RNA。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（图9）。组成RNA的核苷酸也是以3，5磷酸二酯键彼此连接起来的（图10）。5
