必修1《分子与细胞》教师用书

第1节 从生物圈到细胞 第一章走近细胞 第1节 从生物圈到细胞 一、 教学目标 1.举例说出生命活动建立在细胞的基础之上。 2.举例说明生命系统的结构层次。 3.认同细胞是基本的生命系统。 二、教学重点和难点 1.教学重点 （1）生命活动建立在细胞的基础之上。 （2）生命系统的结构层次。 2.教学难点 生命系统的结构层次。 三、教学策略 生物圈是所有生物共同的家园，生物圈中的生物尽管多种多样，千姿百态，但细胞是构成生物体结构和功能的基本单位，并且有的生物就是由一个细胞构成的，即使是没有细胞结构的微小生物──病毒，也必须依赖活细胞生活。因此，从宏观的生物圈逐级深入到微观的细胞，有利于学生用全局的、系统的观点来认识生物界。同时，从细胞到生物圈这些生命系统的各个结构层次，是本模块和其他模块将要逐一研究和学习的内容。 本节教学建议用1课时。 本节在教学上可以采取以下策略。 选择SARS病毒作为“问题探讨”的素材，是基于以下两点理由。（1）SARS病毒给人类的健康造成非常严重的后果，是社会关注的热点，是学生经历过并且相对比较熟悉的一类病毒，容易激发学生的学习兴趣。（2）病毒不是一个细胞，不具有细胞的结构，但它不能离开活细胞而独立生活，选择SARS病毒侵害人体肺部细胞作为“问题探讨”的素材，有助于服务“生命活动离不开细胞”的主题。因此，在教学时应注意将病毒与细胞联系起来，但不宜要求学生深入学习SARS病毒的相关知识。 教师可以展示SARS病毒的电镜照片或模式图、SARS患者肺部X光片示弥漫性阴影图，引导学生回顾初中学习过的病毒的结构组成，并与细胞作简单比较。同时探讨教材中的两个问题，达成“像病毒那样没有细胞结构的生物，也必须依赖活细胞才能生活”的认识。 关于让学生理解“生命活动离不开细胞”的观点，教材中的资料分析已比较全面，分别是从生命特征的不同方面，不同生物体的不同生命活动等来论证这一观点的。下表反映了编者的意图。 免疫作为机体对入侵病原微生物的一种防御反应，需要淋巴细胞的参与 由于本资料中的一些事例是义务教育阶段七 年级 六年级体育公开课教案九年级家长会课件PPT下载六年级家长会PPT课件一年级上册汉语拼音练习题六年级上册道德与法治课件 涉及的内容，因此，在分析本资料时，除按照教材的问题引导学生讨论外，教师还可以补充一些问题供学生思考。例如，草履虫是单细胞生物还是多细胞生物？它具有生物的哪些基本特征？人类发育的起点是从什么细胞开始的？新生儿逐渐发育长大是由于细胞发生了怎样的变化？等等。 “生命系统的结构层次”是本节的难点，教师应引导学生系统地理解这几个层次，在理解这些结构层次时，教师可以适当地补充各个层次的名词解释，以利于学生从微观到宏观，步步紧扣地理解生命系统的严密性、层次性和多样性。教师可以按下表的方式呈现这几个层次的递进关系。    教师在引导学生学习这些层次时需要注意以下几点。 1.在这些层次中，只有种群和群落这两个名词是学生陌生的，需要教师用具体的事例补充讲解。例如，在一个池塘中的全部鲫鱼就是一个种群，而池塘中的全部生物就构成了一个群落。这两个概念不需要掌握，只需要学生能通过具体的事例理解就行。 2.除种群和群落外，其他的几个层次都是学生在义务教育阶段七年级接触过的概念，可以让学生分组回忆、讨论。 3.除教材列举的事例外，教师还可以让学生列举其他的事例。例如，与心肌细胞同层次的还有平滑肌细胞、骨骼肌细胞、上皮细胞、神经细胞，等等；与心肌组织同层次的有上皮组织、结缔组织、神经组织，等等。另一方面，教师可以让学生以一个人、一棵松树或一只草履虫为例，用不同生物研究生命系统各个层次的关系，以便理解生命系统的复杂性和多样性。 四、答案和提示 （一）问题探讨 1.提示：病毒尽管不具有细胞结构，但它可以寄生在活细胞中，利用活细胞中的物质生活和繁殖。 2.提示：SARS病毒侵害了人体的上呼吸道细胞、肺部细胞，由于肺部细胞受损，导致患者呼吸困难，患者因呼吸功能衰竭而死亡。此外，SARS病毒还侵害人体其他部位的细胞。 （二）资料分析 1.提示：草履虫除能完成运动和分裂外，还能完成摄食、呼吸、生长、应激性等生命活动。如果没有完整的细胞结构，草履虫不可能完成这些生命活动。 2.提示：在子女和父母之间，精子和卵细胞充当了遗传物质的桥梁。父亲产生的精子和母亲产生的卵细胞通过受精作用形成受精卵，受精卵在子宫中发育成胚胎，胚胎进一步发育成胎儿。胚胎发育通过细胞分裂、分化等过程实现。 3.提示：完成一个简单的缩手反射需要许多种类的细胞参与，如由传入神经末梢形成的感受器、传入神经元、中间神经元、传出神经元、相关的骨骼肌细胞，等等。人的学习活动需要种类和数量繁多的细胞参与。由细胞形成组织，由各种组织构成器官，由器官形成系统，多种系统协作，才能完成学习活动。学习活动涉及到人体的多种细胞，但主要是神经细胞的参与。 4.提示：例如，胰岛细胞受损容易导致胰岛素依赖型糖尿病；脊髓中的运动神经元受损容易导致相应的肢体瘫痪；大脑皮层上的听觉神经元受损可导致听觉发生障碍，等等。 5.提示：例如，生物体的运动离不开肌细胞；兴奋的传导离不开神经细胞；腺体的分泌离不开相关的腺（上皮）细胞，等等。 （三）思考与讨论 1.提示：如果把龟换成人，图中其他各层次的名称不变，但具体内容会发生变化。例如，心脏应为二心房、二心室；种群应为同一区域的所有人，等等。应当指出的是，生物圈只有1个。如果换成一棵松树，图中应去掉“系统”这个层次，细胞、组织、器官、种群的具体内容也会改变。如果换成一只草履虫，细胞本身就是个体，没有组织、器官、系统等层次。 2.提示：细胞层次；其他层次都是建立在细胞这一层次的基础之上的，没有细胞就没有组织、器官、系统等层次。另一方面，生物体中的每个细胞具有相对的独立性，能独立完成一系列的生命活动，某些生物体还是由单细胞构成的。 3.提示：一个分子或一个原子是一个系统，但不是生命系统，因为生命系统能完成一定的生命活动，单靠一个分子或一个原子是不可能完成生命活动的。 （四）练习 基础题 1.（1）活细胞：A、D、G、I；   （2）死细胞：B、E；   （3）细胞的产物：C、F、H。 2.（1）细胞层次（也是个体层次，因为大肠杆菌是单细胞生物）；   （2）种群层次；   （3）群落层次。 拓展题 1.提示：不是。病毒不具有细胞结构，不能独立生活，只能寄生在活细胞中才能生活，因此，尽管人工合成脊髓灰质炎病毒，但不意味着人工制造了生命。 2.提示：人工合成病毒的研究，其意义具有两面性，用绝对肯定或绝对否定的态度都是不全面的。从肯定的角度看，人工合成病毒可以使人类更好地认识病毒，例如，研制抵抗病毒的药物和疫苗，从而更好地为人类的健康服务；从否定的角度看，人工合成病毒的研究也可能会合成某些对人类有害的病毒，如果这些病毒传播开来，或者被某些人用做生物武器，将给人类带来灾难。 第2节 细胞的多样性和统一性     一、 教学目标 1.说出原核细胞和真核细胞的区别和联系。 2.分析细胞学说建立的过程。 3.使用高倍镜观察几种细胞，比较不同细胞的异同点。 4.认同细胞学说的建立是一个开拓、继承、修正和发展的过程；讨论技术进步在科学发展中的作用。 二、教学重点和难点 1.教学重点 （1）使用高倍镜观察几种细胞，比较不同细胞的异同点。 （2）分析细胞学说建立的过程。 2.教学难点 原核细胞和真核细胞的区别和联系。 三、教学策略 本节教材引导学生通过观察（大量的实验材料）和比较（原核细胞和真核细胞的异同）来认识细胞的多样性和统一性，从细胞学说的建立过程（科学史）中认识细胞的统一性。本节在教学策略上也应该体现这些思路。 本节教学建议用2课时。其中1课时完成观察细胞的实验，1课时完成原核细胞和真核细胞的比较以及细胞学说的建立过程的学习。 1.领悟原理，细心操作，学会使用高倍镜。 教师应注意提供不同的生物材料，不同生物的各种细胞可以更好地说明细胞的多样性，而不同生物的细胞共有的结构又可以说明细胞的统一性。根据材料的多样性和可行性，教师可以提供给学生下面的一些材料。 教师也可以展示这些生物细胞的图片，给学生观察时提供参考。 正确使用高倍显微镜和制作临时装片是重要的实验室操作技能。在实际教学中，学生的积极性很高，但动手能力较差，很可能找不到所要观察的细胞，制作的临时装片也不合格，因此，需要教师详细示范和指导。高倍显微镜的使用方法步骤见教材图示，但学生并不知其所以然，因此，教师可以在操作前提出问题引导学生思考，学生只有真正理解了这些操作步骤，才能更好地完成观察细胞的任务。 教师针对高倍显微镜的使用可以提出下列问题。 （1）是低倍镜还是高倍镜的视野大，视野明亮？为什么？ 提示：低倍镜的视野大，通过的光多，放大的倍数小；高倍镜视野小，通过的光少，但放大的倍数高。 （2）为什么要先用低倍镜观察清楚后，把要放大观察的物像移至视野的中央，再换高倍镜观察？ 提示：如果直接用高倍镜观察，往往由于观察的对象不在视野范围内而找不到。因此，需要先用低倍镜观察清楚，并把要放大观察的物像移至视野的中央，再换高倍镜观察。 （3）用转换器转过高倍镜后，转动粗准焦螺旋行不行？ 提示：不行。用高倍镜观察，只需微调即可。转动粗准焦螺旋，容易压坏玻片。 另外，临时装片的制作也是难点，学生容易犯的错误是：用的材料过多；切片太厚；不盖盖玻片，或者盖盖玻片的方法不当；压片的方法不当；气泡太多而不容易观察到细胞，等等，这些都需要教师示范和指导。 使用高倍镜观察各种细胞是手段，认识细胞的多样性和统一性是目标，教师应在学生观察之后及时进行总结。 2.比较见异同，出真知──原核细胞和真核细胞的学习。 原核细胞和真核细胞的学习是本节的教学难点。教师可先采用“顾名思义”的方法，从字面上分析这两类生物的最主要区别在于细胞核。例如，“原核”是指原始的细胞核，“真核”是指真正的细胞核。这两类细胞的“核”到底有什么区别呢？还有没有其他的区别呢？教师可展示细菌细胞和蓝藻细胞的模式图，让学生识图、辨认、归纳和总结，通过比较，学生很自然地得出原核细胞的“核”叫拟核，教师可进一步提出下列问题引导学生观察和思考。 （1）细胞核和拟核在结构上有什么不同？ （2）拟核的成分是什么？与真核细胞的染色体有什么不同？ （3）原核细胞中有什么结构？植物细胞的细胞质中有哪些结构？ （4）你认为原核细胞的结构简单，还是真核细胞的结构简单？ 学生回答问题后，教师可进一步列表总结： 表5 原核细胞与真核细胞的区别（教学用简表）   类别 原核细胞 真核细胞 细胞大小 较小 较大 细胞核 无成形的细胞核，无核膜，无核仁，无染色体 有成形的真正的细胞核，有核膜、核仁和染色体 细胞质 有核糖体 有核糖体、线粒体等，植物细胞还有叶绿体和液泡等 生物类群 细菌、蓝藻 真菌、植物、动物 为加深学生对原核生物的认识，教师应以蓝藻为例，具体说明原核生物的一些基本特征。 3.从科学史中认识细胞学说的建立是一个不断开拓、继承、修正和发展的过程。 细胞学说的内容比较简单，与义务教育阶段学过的内容相比，只增加了“新细胞可以从老细胞中产生”的要点，这一要点为第6章第1节《细胞的增殖》打基础。关于新细胞怎样从老细胞中产生的问题，细胞学说的建立者施莱登和施旺的观点是不正确的，而修正施莱登和施旺的观点的科学家是魏尔肖。魏尔肖之所以能取得这样的成绩，得益于同时代更多科学家的实验观察和材料的选择及勤奋的工作，也是他不迷信权威的结果。 细胞学说建立的过程体现了科学探究的过程，是一则很好的科学史教育的素材。学生通过认真的阅读，在教师的引导下，可以获得许多重要的启示。例如，科学发现的过程是一个长期的过程，涉及到许多科学家的辛勤工作；科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证；科学学说不是一成不变的，需要不断修正和发展；科学发展与技术有很大的关系，技术的进步可以更好地促进科学的发展，等等。 四、答案和提示 （一）问题探讨 1.从图中至少可以看出5种细胞，它们分别是：红细胞、白细胞、口腔上皮细胞、正在分裂的植物细胞和洋葱表皮细胞。这些细胞共同的结构有：细胞膜、细胞质和细胞核（植物细胞还有细胞壁，人的成熟红细胞没有细胞核）。 2.提示：细胞具有不同的形态结构是因为生物体内的细胞所处的位置不同，功能不同，是细胞分化的结果。例如，红细胞呈两面凹的圆饼状，这有利于与氧气充分接触，起到运输氧气的作用；洋葱表皮细胞呈长方体形状，排列紧密，有利于起到保护作用。 （二）实验 1.使用高倍镜观察的步骤和要点是：（1）首先用低倍镜观察，找到要观察的物像，移到视野的中央。（2）转动转换器，用高倍镜观察，并轻轻转动细准焦螺旋，直到看清楚材料为止。 2.提示：这些细胞在结构上的共同点是：有细胞膜、细胞质和细胞核，植物细胞还有细胞壁。各种细胞之间的差异和产生差异的可能原因是：这些细胞的位置和功能不同，其结构与功能相适应，这是个体发育过程中细胞分化产生的差异。 3.提示：从模式图中可以看出，大肠杆菌没有明显的细胞核，没有核膜，细胞外有鞭毛，等等。 （三）思考与讨论 提示：绝大多数细胞有细胞核，只有少数细胞没有细胞核。例如，人的成熟的红细胞就没有细胞核。细菌是单细胞生物，蓝藻以单细胞或以细胞群体存在，它们的细胞与植物细胞和动物细胞比较，没有成形的细胞核，而有拟核。拟核与细胞核的区别主要有两点：（1）拟核没有核膜，没有核仁；（2）拟核中的遗传物质不是以染色体的形式存在，而是直接以DNA的形式存在。 （四）资料分析 1.提示：通过分析细胞学说的建立过程，可以领悟到科学发现具有以下特点。 （1）科学发现是很多科学家的共同参与，共同努力的结果。 （2）科学发现的过程离不开技术的支持。 （3）科学发现需要理性思维和实验的结合。 （4）科学学说的建立过程是一个不断开拓、继承、修正和发展的过程。 2.细胞学说主要阐述了生物界的统一性。 3.提示：细胞学说的建立揭示了细胞的统一性和生物体结构的统一性，使人们认识到各种生物之间存在共同的结构基础；细胞学说的建立标志着生物学的研究进入到细胞水平，极大地促进了生物学的研究进程。 （五）练习 基础题 1.B。 2.提示： （1）人体皮肤：本切片图中可见上皮组织的细胞、角质保护层细胞（死亡）和皮下结缔组织中的多种细胞。 迎春叶：表皮细胞（保护）、保卫细胞（控制水分蒸发和气体进出）、叶肉细胞（光合作用）、导管细胞（运输水和无机盐）、筛管细胞（运输有机物），等等。 （2）动植物细胞的共同点为：都有细胞膜、细胞质和细胞核；不同点为：植物细胞有细胞壁、有液泡，植物细胞一般还有叶绿体。 （3）因为它们都是由多种组织构成的，并能行使一定的功能。例如，人体皮肤由上皮组织、肌肉组织、结缔组织和神经组织共同构成，人体皮肤有保护、感受环境刺激等功能；迎春叶由保护组织（表皮）、营养组织、机械组织和输导组织等构成，有进行光合作用、运输营养物质等功能。 3.原核细胞和真核细胞的根本区别是：有无成形的细胞核。即真核细胞有核膜包围的细胞核；原核细胞没有细胞核，只有拟核，拟核的结构比细胞核要简单。 它们的区别里包含着共性：细胞核和拟核的共同点是都有遗传物质DNA，体现了彼此之间在生物进化上的联系。 五、参考资料 1.原核细胞和真核细胞 细胞分为原核细胞和真核细胞两种类型，由原核细胞构成的生物称为原核生物，包括细菌、蓝藻、支原体、衣原体，等等。原核细胞与真核细胞相比，有以下几点不同。（1）最小的原核生物支原体的直径只有100 nm，比较大的原核细胞如大肠杆菌的直径为3 μm;真核细胞的直径一般为20～30 μm,人的卵细胞的直径为100 μm。（2）原核细胞的结构比真核细胞的结构要简单得多。原核细胞没有成形的细胞核，即没有由核膜包被的细胞核，只有拟核，拟核由DNA分子构成。拟核没有明显的边界，不含有染色体。原核细胞的细胞质中除核糖体外没有其他的细胞器。有些原核细胞的细胞质中还有很小的环状DNA分子，称为质粒。 下表是原核细胞和真核细胞的比较。 表6 原核细胞与真核细胞的区别（详表）   类别 原核细胞 真核细胞 细胞大小 较小（一般为1～10 μm） 较大（一般为20～30 μm） 染色体 一个细胞只有一条DNA，与RNA、蛋白质不结合在一起 一个细胞有几条染色体，DNA与RNA、蛋白质结合在一起 细胞核 无真正的细胞核，无核膜，无核仁。有拟核 有真正的细胞核，有核膜、核仁 细胞质 除核糖体外，无其他细胞器。细菌一般有质粒 有核糖体、线粒体等多种复杂的细胞器 生物类群 细菌、蓝藻 真菌、植物、动物 2.蓝藻门 旧称蓝绿藻门，藻类植物中最简单、低级的一门。根据近些年来形成的生物分界系统，蓝藻属于原核生物界。但是，蓝藻和原绿藻与植物界又有一些相同之处，故一些文献资料将它们分别归纳为原核藻类中的两个门。藻体是单细胞或群体，不具鞭毛，不产生游动细胞。一部分丝状种类能伸缩或左右摆动。细胞壁缺乏纤维素，由黏肽（含8种氨基酸和二氨基庚二酸以及氨基葡萄糖等）组成，壁外常形成黏性胶质鞘。无真正的细胞核，拟核的组成物质集中在细胞中央，无核膜和核仁，细胞内除含叶绿素和类胡萝卜素外，还含有藻蓝素，部分种类还含有藻红素。色素不包在质体内，而是分散在细胞质的边缘部分。藻体因所含色素的种类和多寡不同而呈现不同的颜色。储藏物质为蓝藻淀粉。繁殖方式主要是分裂生殖，没有有性生殖。主要分布在含有机质较多的淡水中，部分生活在湿土、岩石、树干上和海洋中，有的同真菌共生形成地衣，或生活在植物体内形成内生植物。少数种类能生活在85 ℃以上的温泉内或终年积雪的极地。 第2章 组成细胞的分子 生物科学的许多问题，都要在细胞层面寻求解答；要深入阐明细胞生命活动的规律，必须了解生物大分子的结构和功能。从系统的视角来认识细胞，首先也需要了解细胞这个系统的物质组成。本章介绍了组成细胞的蛋白质、核酸、糖类、脂质等有机物的结构和功能，以及水和无机盐的作用，为学生学习后续内容，即细胞这个基本生命系统的结构、物质输入和输出、能量供应和利用，以及系统的发生、发展和衰亡的过程打基础。 本章教材分析 一、教学目的要求 1.概述蛋白质的结构和功能。 2.简述核酸的结构和功能。 3.概述糖类的种类和作用。 4.举例说出脂质的种类和作用。 5.说明生物大分子以碳链为骨架。 6．说出水和无机盐的作用。 1.认同生命的物质性，探讨组成细胞的分子的重要作用。 2.认同生物界在物质组成上的统一性。 能力方面 1.尝试检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质。 2.以人的口腔上皮细胞为材料，进行特定的染色，观察DNA和RNA在细胞中的分布。 与原来的高中教材相比，本章的内容有所拓展。基本概念和原理几无增加，补充的是课堂上即可完成的学生活动，如“问题探讨”，“观察DNA和RNA在细胞中的分布”，关于“氨基酸结构通式”“脂肪的分布和作用”“无机盐的重要生理功能”等内容的“思考与讨论”；以及所学内容与现实生活、人体健康的联系，科学史话和科学前沿等。希望教师在教学时能够注意到教材的这些特点，根据学生实际灵活处理。 二、教学内容的结构和特点 （一）教学内容的结构 第2节 生命活动的主要承担者──蛋白质 一、 教学目标 1.说明氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程。 2.概述蛋白质的结构和功能。 3.认同蛋白质是生命活动的主要承担者。 4.关注蛋白质研究的新进展。 二、教学重点和难点 1.教学重点 （1）氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程。 （2）蛋白质的结构和功能。 2.教学难点 （1）氨基酸形成蛋白质的过程。 （2）蛋白质的结构多样性的原因。 三、教学策略 本节是第2章的重点内容。教学应从学生生活经验出发，使学生通过学习明确蛋白质的结构多种多样，在生命活动中承担着多种多样的功能，是非常重要的生物大分子。建议采用“提出问题—获取信息—解决问题”的教学模式。 1.通过“问题探讨”“思考与讨论”的表达交流活动，使学生获得有关蛋白质和氨基酸结构的知识。 “问题探讨”中学生的讨论会给教学提供丰富的素材，教师要利用学生对蛋白质和氨基酸的认识，开展教学活动。 通常学生能够说出一些富含蛋白质的食品，也知道蛋白质对人的生活非常重要，但对于蛋白质的结构以及氨基酸的结构是陌生的。因此教师要引导学生对比观察几种氨基酸的结构，利用已有的化学知识，识别氨基酸，在对比的基础上找出不同氨基酸分子共有的结构，写出氨基酸分子的结构通式，为理解氨基酸形成蛋白质奠定基础。 根据学生对氨基酸结构的认识情况，利用“氨基酸形成蛋白质的示意图”，指导学生明确氨基酸和蛋白质的关系，以及蛋白质结构多种多样的原因。 在学生观察、思考和讨论过程中，独立阅读氨基酸分子相互结合的方式、肽链形成具有空间结构的蛋白质的相关内容是不可缺少的学习环节，这将有助于学生学习能力的提高。 2.联系学生生活实际，在学生原有生活经验和知识基础上，引导学生理解蛋白质的功能。 如果学生在“问题探讨”中谈到了蛋白质的功能，教学也可以先介绍蛋白质的功能。教师可引导学生结合自身的生命活动，观察教材中蛋白质主要功能示例，进行这部分的学习。在了解了蛋白质多种多样的功能后，提出“蛋白质能够承担多种多样的功能，这与它的结构有什么关系？”“蛋白质的结构是怎样的？”等问题，进入蛋白质和氨基酸结构的学习。 如果按照“问题探讨”、“思考与讨论”这样的顺序，学生在了解了蛋白质结构及其多样性后，就应解决“蛋白质的功能有哪些”的问题。 教师应该让学生交流一下他们了解的蛋白质功能有哪些，再结合教材中的示例，这样学生理解起来就容易了。 3.利用“科学史话”“科学前沿”的内容拓展学生的视野，激发学生学习的兴趣。 虽然这些栏目的内容不作为教学要求，但是它们可以成为教学的素材。比如学习氨基酸形成蛋白质的内容时，可以介绍科学家人工合成蛋白质的过程，其中既有科学方法，又有科学发展的曲折历程，更有科学精神和爱国主义情感的渗透，对学生也是一种情感教育。再比如，教师组织学生总结了蛋白质的功能后，提出“科学家研究蛋白质结构和功能，对人类社会的发展有哪些促进作用呢？”“科学家对蛋白质结构和功能的研究进展怎样？有哪些新的成果？”等问题，再指导学生通过阅读或上网查询等方式，使学习内容更加丰富，学习空间更加广阔。 四、答案和提示 （一）问题探讨 1.提示：富含蛋白质的食品有大豆制品，如豆浆、豆腐、腐竹；奶类制品，如奶粉、酸奶、袋装奶；还有肉、蛋类食品，如烤肉、肉肠、鸡蛋，等等。 2.提示：有些蛋白质是构成细胞和生物体的结构成分，如结构蛋白；有些蛋白质能够调节生命活动，如胰岛素；有些蛋白质有催化作用，如绝大多数酶都是蛋白质；有些蛋白质具有运输载体的功能，如红细胞中的血红蛋白；有些蛋白质有免疫功能，如人体内的抗体。 3.提示：因为氨基酸是构成蛋白质的基本单位，在人体内约有20种氨基酸，其中有8种是人体需要而不能自己合成的，必须从外界环境获得，如赖氨酸、苯丙氨酸等，它们被称为必需氨基酸。所以有些食品中要添加赖氨酸或苯丙氨酸等人体必需的氨基酸。 （二）思考与讨论1 1.每个氨基酸都有氨基和羧基，并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。 2.“氨基酸”代表了氨基酸分子结构中主要的部分──氨基和羧基。 （三）思考与讨论2 1.提示：氨基酸→二肽→三肽→……→多肽，一条多肽链盘曲折叠形成蛋白质，或几条多肽链折叠形成蛋白质。 2.提示：食物中的蛋白质要经过胃蛋白酶、胰蛋白酶、肠蛋白酶、肠肽酶等多种水解酶的作用，才能分解为氨基酸。这些氨基酸进入细胞后，要形成二肽、三肽到多肽，由多肽构成人体的蛋白质。人体的蛋白质与食物中的蛋白质不一样，具有完成人体生命活动的结构和功能。 3.提示：10个氨基酸能够组成2010条互不相同的长链。氨基酸的种类、数量、排列顺序以及蛋白质空间结构的不同是蛋白质多种多样的原因。 （四）旁栏思考题 n个氨基酸形成一条肽链时，脱掉n-1个水分子，形成n-1个肽键。同理，n个氨基酸形成m条肽链时，脱掉n-m个水分子，形成n-m个肽键。 （五）练习 基础题 1.（1）√；（2）√。 2.A。 3.B。 拓展题 提示：红细胞中的蛋白质和心肌细胞中的蛋白质，其氨基酸的种类、数量和排列顺序以及蛋白质分子的空间结构都不同，它们的功能也不相同。 五、参考资料 1.蛋白质的水解 研究蛋白质的水解作用可以为研究蛋白质的组成和结构提供有价值的资料。根据蛋白质的水解程度，可以分为完全水解和部分水解两种。完全水解（或称彻底水解），得到的水解产物是各种氨基酸的混合物；部分水解（或称不完全水解），得到的产物是各种大小不等的肽段和氨基酸。蛋白质可以被酸、碱或蛋白酶催化水解。 酸水解：常用硫酸或盐酸，使用最广泛的是盐酸。酸水解的优点是：不引起氨基酸的消旋作用（得到的是L氨基酸，不产生D-氨基酸）。缺点是：色氨酸全部被酸破坏，丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸等也有一小部分被分解。由于甲基磺酸具有许多优点，目前，常用它代替盐酸来水解。 碱水解：常用氢氧化钠。碱水解的缺点是：水解过程中多数氨基酸会遭到不同程度的破坏，并且产生消旋现象（所得产物是D-氨基酸和L氨基酸的混合物）。优点是：在碱性条件下色氨酸稳定，能定量回收。 酶水解：酶水解获得的是蛋白质的部分水解产物，主要用于蛋白质一级结构分析。常用的蛋白酶有胰蛋白酶、糜蛋白酶和胃蛋白酶等。酶水解的优点是：不产生消旋作用，也不破坏氨基酸。缺点是：使用一种酶往往水解不彻底，需要几种酶协同作用，才能使蛋白质完全水解。此外，酶水解所需时间较长。因此，酶水解法主要用于蛋白质的部分水解。 2.氨基酸的分类 从蛋白质水解产物中分解出来的常见氨基酸有20种。这些氨基酸（除脯氨酸外）在结构上的共同点是：与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基，因而叫做α-氨基酸，它们的结构通式如下： 从氨基酸的结构通式可以看出，各种α-氨基酸的区别在于侧链上R基的不同。因此，20种氨基酸可以按照R基的化学结构或极性进行分类。 （1）按照R基的化学结构20种常见的氨基酸可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸三大类。它们的分类和结构如下表所示。 (2)按照R基的极性  有些氨基酸的R基是亲水性的极性基，这样的氨基酸叫做极性氨基酸，如丝氨酸，它的R基含有一个亲水性的羟基，因此是极性氨基酸。其他的极性氨基酸有苏氨酸、半胱氨酸、谷氨酰氨、天冬酰氨、酪氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等。有些氨基酸的R基是疏水性的非极性基，这样的氨基酸叫做非极性氨基酸，如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等（参见上表）。 3.蛋白质的化学组成、大小和分类 蛋白质的化学组成蛋白质的元素组成与糖类和脂质不同，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫，有些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、铜、碘、锌和钼等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为下面各数值： 碳50%  氢7%  氧23% 氮16%  硫0～3% 蛋白质元素组成的一个特点是：氮的含量较恒定。利用这一特点，可以进行蛋白质含量的计算。蛋白质含量=蛋白氮×6.25。上式中6.25是16%的倒数，即为1 g氮所代表的蛋白质量（克数）。 蛋白质的大小蛋白质是相对分子质量很大的生物分子。蛋白质相对分子质量变化的范围也很大，从大约6 000到1 000 000，有的还更大一些。某些蛋白质是由两个或更多个蛋白质亚基（多肽链）通过非共价结合而成的，称寡聚蛋白质。一些寡聚蛋白质的相对分子质量可高达数百万，甚至数千万。 蛋白质的分类蛋白质分子可按其分子的形状、分子组成和溶解度来分类。 根据分子的形状可将蛋白质分为两大类：球状蛋白质和纤维状蛋白质。血红蛋白、血清球蛋白、豆类的球蛋白等，分子似球形，都属于球状蛋白质；而指甲、羽毛中的角蛋白和蚕丝的丝蛋白等，形状似纤维，都属于纤维状蛋白质。 根据分子的组成可将蛋白质分为两大类：简单蛋白质和结合蛋白质。简单蛋白质的分子完全由氨基酸构成，如淀粉酶、核糖核酸酶、胰岛素等。结合蛋白质除了含有蛋白质成分外，还含有非蛋白质成分（即辅基），如血红蛋白、核蛋白等。 （1）简单蛋白质又可以根据其物理化学性质，如溶解度进行分类。根据溶解度可将其分为以下几类。 清蛋白（又叫白蛋白）：溶于水及稀盐、稀酸或稀碱溶液，如血清清蛋白、乳清蛋白等。 球蛋白：微溶于水而溶于稀盐溶液，如血清球蛋白、肌球蛋白和大豆球蛋白等。 谷蛋白：不溶于水、醇及中性盐溶液，但溶于稀酸、稀碱，如米谷蛋白、麦谷蛋白等。 醇溶蛋白：不溶于水及无水乙醇，但溶于70%～80%乙醇。这类蛋白主要存在于植物种子中，如玉米醇溶蛋白、麦醇溶蛋白等。 鱼精蛋白：溶于水及酸性溶液，呈碱性，含碱性氨基酸（如精氨酸、赖氨酸、组氨酸）多，如鲑精蛋白等。 组蛋白：溶于水及稀酸溶液，呈碱性，含精氨酸、赖氨酸较多，如小牛胸腺组蛋白等。 硬蛋白：不溶于水、盐、稀酸或稀碱溶液。这类蛋白常常作为结缔组织和起保护功能的蛋白，如胶原蛋白，毛、发、蹄、角和甲壳中的角蛋白，以及腱和韧带中的弹性蛋白等。 （2）结合蛋白质可以根据辅基进行分类，人们通常将结合蛋白质分为以下几类。 糖蛋白和黏蛋白：与糖类结合的蛋白质，如唾液中的黏蛋白，硫酸软骨素蛋白和细胞膜的糖蛋白等。 脂蛋白：与脂质结合的蛋白质，如血液中的β脂蛋白和作为细胞膜和细胞主要成分的脂蛋白。 核蛋白：与核酸结合的蛋白质，如脱氧核糖核蛋白、核糖体和烟草花叶病毒中的蛋白。 磷蛋白：与磷酸结合的蛋白质，如酪蛋白、卵黄蛋白、胃蛋白酶等。 色蛋白：与多种色素物质结合而成的蛋白质，如血红蛋白和细胞色素C等。 4.蛋白质的分子结构 蛋白质是由各种氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，再由一条或一条以上的多肽链按各自的特殊方式组合成具有生物活性的分子。由于氨基酸种类、排列顺序和肽链数目及空间结构的不同，就形成了分子结构不同的蛋白质。蛋白质的分子结构是蛋白质功能的物质基础。 蛋白质的分子结构有不同的层次，为了研究方便，人们将其分为四个层次。 蛋白质的一级结构  蛋白质分子中的氨基酸都是按一定的排列顺序组成肽链的。氨基酸在多肽链中的排列顺序（包括氨基酸的种类、数量）和方式叫做蛋白质的一级结构。蛋白质的一级结构也叫初级结构或化学结构（图3） 蛋白质的二级结构  组成蛋白质的多肽链既不是全部以伸直状展开，也不是以任意曲折的状态存在，而是具有一定的空间构型。 多肽链中的一个肽键和相隔若干氨基酸残基的另一个肽键之间形成氢键，这些氢键使蛋白质分子中的部分多肽链盘旋成螺旋状（又叫α螺旋），或者折叠成片层状（又叫β折叠），或者形成180°回折（又叫β转角或β弯曲）（图4）。这种多肽链本身的折叠和盘绕方式构成了蛋白质的二级结构。蛋白质的二级结构是蛋白质的基本空间构型。 不同蛋白质的二级结构不同，有的相差很大，例如，α-角蛋白几乎全是α螺旋结构，而蚕丝的丝心蛋白又几乎全是β折叠结构。 蛋白质的三级结构  具有二级结构的多肽链还可以借助氢键和其他化学键（如离子键、二硫键等）进一步卷曲、折叠，形成更复杂的空间构象，这种空间构象叫做蛋白质的三级结构（图5）。 蛋白质的四级结构  有些蛋白质是由两条或两条以上具有三级结构的多肽链组成的，这时每条多肽链被称为一个亚基。几个亚基之间通过氢键或其他化学键形成一定的空间排列。这种由两个或两个以上具有三级结构的亚基聚合而成的构象是蛋白质的四级结构（图6）。例如，磷酸化酶是由2个亚基构成的，血红蛋白是由4个亚基构成的，谷氨酸脱氢酶是由6个亚基构成的。 在具有活性的蛋白质中，有些只有三级结构，没有四级结构，如肌红蛋白、细胞色素C等；而有些蛋白质只有在四级结构时，才具有活性，如谷氨酸脱氢酶、血红蛋白等。 5.蛋白质的结构和功能关系两例 每一种蛋白质都有特定的生物学功能，这是由它们特定的结构决定的。下面以肌红蛋白和血红蛋白为例，说明蛋白质结构和功能的关系。 肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质。在潜水哺乳类如鲸、海豹和海豚的肌肉中肌红蛋白含量特别丰富，致使它们的肌肉呈棕色。由于肌红蛋白能够储氧，使这些动物能长时间潜在水下。肌红蛋白是一条由153个氨基酸残基组成的肽链，盘绕一个血红素（辅基）而形成的，其分子折叠紧密，相对分子质量为16 700（图7）。 肌红蛋白分子内外层的氨基酸残基的排列都有一定的规律，具有极性基团侧链的氨基酸残基几乎全部分布在分子的表面，而非极性的残基则被埋在分子内部，不与水接触。正是因为分子表面极性基团与水分子的结合，才使肌红蛋白具有可溶性。 肌红蛋白中有1个含二价铁Fe(Ⅱ)的血红素辅基（或称铁卟啉），位于肌红蛋白分子表面的洞穴内，铁原子位于卟啉环的中心。CO与Fe(Ⅱ)的结合力比O2约大200倍。当CO多而O2缺乏时，肌红蛋白的大部分都以CO—肌红蛋白存在，此时机体就可能因缺O2而死亡。 血红素中的Fe(Ⅱ)能进行可逆氧合作用。铁原子如果处在水环境中，很容易被氧化成Fe(Ⅲ)，失去氧合能力。肌红蛋白正好为血红素提供了一个疏水洞穴，避免了二价铁原子发生氧化，从而保证了血红素的氧合能力。 血红蛋白是一个含有两种不同亚基的四聚体，由两条α链和两条β链组成（图8）。 血红蛋白的每一个亚基都含有一个血红素辅基。α链由141个氨基酸组成，β链由146个氨基酸组成，各自都有一定的排列次序。血红蛋白分子中四条链各自折叠卷曲形成三级结构，再通过分子表面的一些次级键（主要是盐键和氢键）的结合而联系在一起，互相凹凸相嵌排列，形成一个四聚体的功能单位。α链和β链的一级结构差别较大，但它们的三级结构却大致相同，并和肌红蛋白相似，这反映它们在主要功能上也具有相似性，即都能进行可逆的氧合作用。但是血红蛋白在进行氧合作用时表现出别构现象。 别构现象是指当某些蛋白质表现其功能时，其构象会发生改变，从而改变了整个分子的性质。例如，血红蛋白的四聚体具有稳定的结构，但与氧的亲合能力很弱。当氧和血红蛋白分子中一个亚基血红素铁结合后，就会引起该亚基的构象发生改变，这个亚基构象的改变又会引起另外三个亚基相继发生变化、整个血红蛋白分子构象的改变，会使所有亚基血红素铁原子的位置都变得适于与氧结合，血红蛋白与氧结合的速度大大加快。 血红蛋白是一个四聚体，它的整个结构要比肌红蛋白复杂得多，因此表现出肌红蛋白所没有的功能，例如，除运输氧外，还能运输H+和CO2。此外，血红蛋白与氧的结合受到环境中其他物质的调节，如H+和CO2，以及有机磷酸化合物的调节。 6.蛋白质功能的多样性 蛋白质的一个最重要的生物学功能是作为新陈代谢的催化剂──酶。绝大多数酶都是蛋白质。生物体内的各种化学反应几乎都是在相应的酶参与下进行的。 蛋白质另一个重要的生物学功能是作为生物体的结构成分。例如，细胞中的细胞膜、线粒体、叶绿体和内质网等都是由不溶性蛋白质与脂质组成的。人和动物的肌肉等组织的主要成分也是蛋白质，如横纹肌中的球状蛋白，平滑肌中的胶原蛋白，毛、甲、角、壳、蹄中的角蛋白等。 蛋白质的又一个重要的功能是调节或控制细胞的生长、分化和遗传信息的表达，如阻遏蛋白等。 除此之外，蛋白质还具有其他功能。 有些蛋白质具有运动的功能。例如，肌纤维中的肌球蛋白和肌动蛋白，是肌肉收缩系统的必要成分，它们伴随着肌原纤维的收缩而产生运动。细菌的鞭毛或纤毛蛋白也能产生类似的活动。近年来发现，在非肌肉的运动系统中也普遍存在着运动蛋白。 有些蛋白质具有运输的功能。例如，脊椎动物红细胞里的血红蛋白和无脊椎动物中的血蓝蛋白，在呼吸过程中都起着输送氧的作用。血液中的脂蛋白有运输脂质的作用。 有些蛋白质对生命活动起调节作用。例如，胰岛细胞分泌的胰岛素能参与血糖的代谢调节，降低血液中葡萄糖的含量。 有些蛋白质参与机体防御机能，如抗体。 有些蛋白质可以作为受体，起接受和传递信息的作用。例如，接受各种激素的受体蛋白，接受外界刺激的感觉蛋白（如味蕾上的味觉蛋白）等。 近年来，对于蛋白质的研究，取得了一些突破性的成果，例如，用蛋白质工程的方法制成在低温下保存半年的干扰素，用于微电子方面的蛋白质元件等。由此可见，人类对蛋白质的应用具有十分广阔的前景。 7.蛋白质的变性 实践经验告诉我们，吃鸡蛋前要将鸡蛋煮熟，并且知道煮熟的鸡蛋，蛋白会变成固态，不再溶于水；实践经验还告诉我们，为了防止病人不受感染，必须对医疗器具进行消毒。我们为什么要对鸡蛋和医疗器具进行这样的处理？或者说这样处理的根据是什么呢？从生化观点来看，是利用蛋白质分子在物理或化学因素的影响下，原有的空间构象发生改变，从而造成蛋白质分子原有的理化性质和生物活性的改变。这种现象在生物化学上叫做蛋白质的变性。 能使蛋白质变性的因素很多，化学因素有强酸、强碱、重金属离子，以及某些弱酸、尿素、酒精、丙酮等；物理因素有加热（70～100 ℃）、剧烈振荡或搅拌、超声波、强磁、紫外线照射及X射线等。 蛋白质变性后首先是失去其原有的生物活性，如酶失去催化能力、激素失去激素活性等。蛋白质生物活性的丧失是蛋白质变性的主要特征。 变性后的蛋白质还表现出各种理化性质的改变，如溶解度降低，易形成沉淀析出。此外，还有结晶能力丧失，球状蛋白分子形状改变等。 从蛋白质本身结构看，肽链变得松散，易被蛋白水解酶消化，因此，一般认为，蛋白质在体内消化的第一步是蛋白质的变性。 蛋白质变性在实际应用上具有重要意义。在临床工作中经常应用酒精、加热、紫外线等来消毒、杀菌，这实际上也就是利用这些手段，使菌体和病毒的蛋白质变性而失去其致病性和繁殖能力。在化验工作中常用钨酸或三氯醋酸使血液中的蛋白质变性沉淀，然后取其滤液进行血液中非蛋白化合物的分析。在急救重金属盐中毒时也常常利用蛋白质的这一特性。例如，汞中毒时，早期可以服用大量乳制品或鸡蛋清，使蛋白质在消化道中与汞盐结合成变性的不溶解物，以阻止有毒的汞离子吸收入体内，然后再设法将沉淀物自胃中洗出。 一般认为蛋白质的变性作用，主要是蛋白质分子的空间结构发生了改变。因为蛋白质分子是通过氢键、离子键等，使蛋白质形成一定的空间构型的，而促使变性的理化因素可使氢键、离子键等断裂，这时，蛋白质分子就从原来有序的卷曲的紧密结构变为无序的松散的伸展结构。但在变性过程中，蛋白质分子中的肽键并未断裂，它的化学组成也没有改变，也就是说，蛋白质分子的一级结构并没有改变。 变性后的蛋白质溶解度降低，也是由于肽链的展开，使原来朝向分子内部的疏水基团趋向表面，原来分布在分子表面的亲水基团被掩盖，从而造成蛋白质分子表面构成水膜的程度下降，蛋白质水合作用减少。 蛋白质的变性作用如果不过于激烈，蛋白质分子的内部结构变化不大，变性就是可逆的。例如，胃蛋白酶加热到80～100 ℃时会失去溶解性，并丧失消化蛋白质的能力，但如果再将温度降到37 ℃，它会恢复溶解性与消化蛋白质的能力。 蛋白质的变性作用并不都是可逆的，随着变性时间的增加，条件的加剧，变性的程度也会加深，如豆腐就是大豆蛋白在煮沸和加盐的条件下形成的变性蛋白的凝固体。这样的变性作用是不可逆的。 由于蛋白质的变性作用具有上述条件和特点，在制备蛋白质和酶制剂，以及进行蛋白质的操作时，应注意保持低温，并避免强酸、强碱、重金属盐类，以及震荡等情况发生；相反，在需要去掉不必要的蛋白质时，则可利用蛋白质的变性作用使之沉淀而除去。 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1～2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（HoppeSeyler）的实验室里，有一个瑞士籍的研究生，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5∶00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, 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,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。 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。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）。