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DNA是主要的遺傳物質

來源:     閱讀量:1021     時間: 2012-06-19 14:06:23

DNA是主要的遺傳物質”教學設計

汪興澤 (江蘇省泰興市第一高級中學?? 225400

摘要:該教學設計以科學家發現和闡明“DNA是主要的遺傳物質”的探索歷程為主線,力圖展現科學家探索過程的嚴謹性。

關鍵詞:遺傳物質? DNA? 教學設計

1 教材分析及目標

人教版《DNA是主要的遺傳物質》一節以基本史實為線索,意圖引導學生體驗科學探索過程,領悟科學研究方法。該教學設計正是以科學家發現和闡明“DNA是主要的遺傳物質”探索歷程為主線,力圖全面展現科學家嚴謹探索過程的同時,設計環環相扣的問題串等,期望能激發學習者的興趣。

2 教學過程設計

2.1 導入新課

1 提問:遺傳物質是什么?學生多數會回答:DNA。繼續提問:那么,科學家是如何證實DNA是遺傳物質的呢?(意在激發同學們思考)

2 引導學生閱讀教材:20世紀上半世紀大多數科學家認為遺傳物質是蛋白質。為何最后又確認遺傳物質是DNA,而不是蛋白質呢?科學家探索遺傳物質的經典實驗能給我們深刻的啟示。

2.2? 激發科學家興趣的“格里菲斯肺炎雙球菌轉化實驗”

1 1928年,英國的格里菲斯報道了一系列有趣的、但又令人迷惑不解的肺炎雙球菌的觀察資料。是什么觀察資料讓這位資深醫學家迷惑不解呢?

2 結合課件介紹肺炎雙球菌。

3 仔細閱讀教材相關內容及格里菲斯的試驗過程圖解,并適時播放格里菲斯實驗動畫。

4 讓學生討論,談談自己的迷惑不解之處。適時提問:為什么第四組實驗中將R型活細菌和加熱殺死后的S型細菌混合后注射到小鼠體內,導致小鼠死亡?部分學生會回答:格里菲斯從第四組實驗中死亡的小鼠尸體內分離出了S型細菌,直接原因應該是小鼠患敗血癥而死。繼續問:尸體內為什么會有S型細菌呢?學生可能茫然。啟發式提問:遇到問題該怎么辦?提醒同學們:大膽假設,小心求證。暗示常用方法即假說——演繹法。

系列問題激發同學們思考,學生提出的假說可能五花八門。但最終會從教材中得到結論:已經被加熱殺死的S型細菌中,必然含有某種促成這一轉化的活性物質——轉化因子。簡要說明:該結論嚴格地還屬于假說階段,格里菲斯認為R型活細菌和加熱殺死后的S型細菌混合后可能轉化為S型細菌,已經被加熱殺死的S型細菌中可能存在轉化因子。

5)引導學生:科學工作必須嚴謹,正確的假設須經得起試驗的驗證。提問:R型細菌真能轉化為S型活菌嗎?轉化因子真的存在嗎?如果存在,那又會是什么物質呢?如何進一步探究呢?

2.3? 艾弗里探究轉化因子的實驗

1 用課件展示下列材料。回顧過去,格里菲斯也許并沒有意識到在他發現的現象中有遺傳物質的傳遞,但他的發現激發了其它一些科學家的極大的興趣,艾弗里就是其中最杰出的一位。早在1933年,艾弗里的同事埃洛維就制備了轉化因子的粗提取溶液,但進一步純化很困難。于是,他們首先去除提取物中的蛋白質,發現提取物仍能轉化。接下來,用各種酶消化提取物:降解蛋白質的酶對轉化無影響,降解RNA的酶對轉化也沒有影響,這些實驗結果排除了蛋白質和RNA是轉化因子。另外,艾弗里及同事發現分解DNA的酶能破壞提取物的轉化能力,這些結果暗示了DNA可能是轉化物質。大約1943年,在艾弗里實驗室工作的麥克勞德和麥卡蒂從S型肺炎雙球菌中純化出有活性的轉化因子,通過多種理化分析都支持純化的物質是DNA

2 艾弗里等肺炎雙球菌轉化實驗動畫播放。結合教材圖示,讓學生嘗試對艾弗里實驗進行總結。同學們多會從教材中找到相應的內容“DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質”。與艾弗里總結出的 “現有的證據強烈暗示了DNA是轉化因子” 的結論相比較,應該說艾弗里總結出的結論更為確切,也更令人回味。

3)艾弗里結論遭當時人質疑的原因。直至20世紀四十年代,人們對DNA的了解還很少。如形成于上個世紀早期的“四核苷酸理論”就認為DNA是一種類似糖原的多聚體,不能產生在遺傳物質中所必需的多樣性。此外,部分人認為轉化實驗中的DNA并未能提得很純,還附有其他物質,可能正是這些少量的特殊蛋白質在起轉化作用;還有部分人認為即使轉化因子確實是DNA,但DNA也可能只是對莢膜的形成起著直接的化學效應,而不是充當遺傳信息的載體。

2.4 ?源于質疑DNA是轉化因子的赫爾希“韋林攪拌器試驗”

盡管艾弗里提出上述觀點時很謹慎,但當時仍然有相當多的大科學家表示懷疑,赫爾希就曾是著名的一個。正是對艾弗里結論的質疑,促使赫爾希和助手蔡斯進行了著名的“韋林攪拌器試驗”。

試驗中用到了一種叫做T2噬菌體的微生物。結合課件介紹T2噬菌體結構和物質組成。思考:用哪些同位素分別標記DNA和蛋白質? 怎樣用同位素分別標記DNA和蛋白質?參看教材可得出相應的結論。

1 課件展示兩組實驗過程示意圖[2]

該圖及說明引自周德慶著《微生物教程》,并作改動

2 試驗結果分析。提問:根據“韋林攪拌器試驗”結果,同學們能得出什么結論?學生回答:DNA才是真正的遺傳物質。的確,“韋林攪拌器試驗”結果使得包括沃森在內的一些科學家很快接受了DNA就是遺傳物質觀點。請比較赫爾希和蔡斯結論:試驗表明大約85%DNA進入沉淀物中,75%的蛋白質在上清液中;結果暗示DNA進入細菌細胞中,蛋白質外殼仍留在外面(正如赫爾希和蔡斯所言:由于從被感染的大腸桿菌細胞中分離標記的噬菌體蛋白質外殼的技術帶有某種不確定性,不能斷言該實驗為DNA是遺傳物質提供了確鑿的證據,需要進一步的化學工作來確定遺傳物質的本質[1]。再次體會大科學家工作的嚴謹性)。

赫爾希的“韋林攪拌器試驗”并不能讓我們親眼目睹T2噬菌體的DNA進入細菌細胞中。進入細菌細胞的真是T2噬菌體的DNA嗎?

3 適時介紹科學家后續的研究,播放T2噬菌體侵染視頻。讓同學們感知后來經過眾多科學家的研究現已證實進入細菌細胞內部的確實是噬菌體的DNA

小結:回顧兩個經典的實驗,我們認識到:人們最初并沒有僅憑這兩個實驗立即確認DNA是遺傳物質,而是不斷地質疑和探索,最終證明DNA是遺傳物質。

4 肺炎雙球菌R型菌轉化為S型細菌的后續研究。該內容可為積極思考的同學提供一些補充知識。有的學生會問:肺炎雙球菌轉化實驗中S型細菌DNA是如何將R型菌轉化為S型細菌的呢?

利用課件簡介圖示及相應內容:

S型細菌的DNA進入R型菌細胞內的過程發生機理非常復雜。研究表明少數R型活菌會處于感受態,膜表面會出現多種負責DNA的結合、切割及加工等的蛋白質,其中細菌自溶素等蛋白質使細菌細胞壁部分溶解,暴露出細胞膜上的DNA結合蛋白和核酸酶等。被加熱殺死的S型肺炎雙球菌可釋放出小分子量的DNA片段。這些DNA片段遇到感受態的R型菌時,就會與細胞膜表面的DNA結合蛋白相結合,激活鄰近的核酸酶,其中一條鏈降解,另一條鏈則被吸收到受體菌內。進入受體細胞的單鏈DNA與單鏈DNA結合蛋白等結合,形成的復合物有效保護了單鏈DNA免受細胞內核酸酶的降解,并將其引至受體菌DNA處。供體單鏈DNA片段在一些蛋白質如RecA等的參與下與受體菌的DNA同源重組,并使受體DNA相應的單鏈片段被切除,從而將其替換,形成一個雜種DNA區段(它們間不一定完全互補,可呈雜合狀態)。隨著受體菌DNA的復制和分裂生殖形成R型和S型兩種后代,并不是R型直接變成S

階段小結:實驗中R型細菌的轉化實質是S型細菌的部分DNA進入R型細菌細胞內的同源重組(替換)過程。上述介紹表明確實是DNA進入細胞中,實現了遺傳信息的傳遞[34]

3 DNA是主要的遺傳物質

提問:DNA是唯一的遺傳物質嗎?利用課件介紹煙草花葉病毒;展示格勒等的煙草花葉病毒實驗。結論:煙草花葉病毒的遺傳物質是RNA。階段小結:有些病毒(如煙草花葉病毒)不含有DNA,? 只含有RNA,在這種情況下,RNA就起著遺傳物質的作用。因為絕大多數生物的遺傳物質是DNA,所以講DNA是主要的遺傳物質。

4 小結

格里菲斯實驗:已經被加熱殺死的S型細菌中可能含有轉化因子;艾弗里等實驗:強烈暗示DNA是轉化因子;赫爾希和蔡斯實驗:暗示了是噬菌體的DNA進入細菌細胞中;后續的科學研究表明:絕大多數生物的遺傳物質是DNADNA是主要的遺傳物質。至于DNA為什么能充當遺傳物質?以及DNA作為遺傳物如何行使其儲存、傳遞、表達遺傳信息的功能?這些內容教材后面的知識會告訴同學們。

利用課件展示適當的練習,當堂訓練。鼓勵同學們質疑并查閱資料。

主要參考文獻:

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