【课件】DNA衍射图谱课件高一下学期生物人教版(2019)必修2

科普课：DNA衍射图谱致敬：罗莎琳德·富兰克林富兰克林拍摄的B型DNA衍射照片富兰克林1921年生于伦敦，15岁就立志要当科学家，但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，当获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱，有人评价她“从来没有见到法语讲得这么好的外国人”。1951年，她回到英国，在剑桥大学国王学院取得了一个职位。一.X射线X射线，是一种频率极高，波长极短、能量很大的电磁波。X射线的频率范围30PHz~300EHz，对应波长为0.01nm~10nm，能量为124eV~1.24MeV。（波长越短，能量越大）1.X射线简介必修一P99

X片的成像原理：通过硝酸银见光分解为银而成像,与以前的普通黑白胶卷一样。因不同组织对X射线的透射率不一样,这样,光分解的程度也不一样。故形成不同的密度，根据不同的密度，区别不同的组织。

人体各种组织的密度会有一定的差异，在X光片上就会表现出不同的颜色，一般含气的组织，比如肺脏、气管以及胃肠道等，会表现为黑色。一些软组织，比如心、肝、肾、肌肉等脏器，会表现为灰色，而骨组织一般表现为白色。一.射线例如：在医学上的应用1.X射线简介胸片一.X射线2.光的衍射光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射激光发射器可调节的狭缝接收屏狭缝比较宽狭缝比较宽时，光沿着直线方向通过狭缝，在屏上产生一条跟缝宽相当的亮线（白框内）缝宽大约等于波长亮线的宽度增大，出现了一条条亮线和暗线，表明光没有沿着直线传播，绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射。一.X射线2.光的衍射光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（1）光的衍射的条件：狭缝、障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长差不多。为什么我们一般都说光沿着直线传播呢？原因：狭缝、障碍物的尺寸相比于光的波长太大了。（2）不同色光或不同宽度单缝衍射条纹的特征①波长一定时，单缝越窄，中央条纹越宽，各条纹间距越大.（衍射越明显）②单缝不变时，波长大的中央亮纹越宽，条纹间隔越大（衍射越明显）③白光的单缝衍射条纹为中央白色亮纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近光源的内侧为紫色.一.X射线2.光的衍射（3）单缝衍射的成因许多的相干光源发生叠加，进而在有的区域增强，有的区域减弱，出现明暗相间的条纹。一.X射线2.光的衍射

【解析】到达光屏的两道光波，正好相位相同，波形一致，波峰遇波峰，波谷遇波谷就会加强，在光屏上就会得到一道亮带，相反，两道到光屏时，相位相反，波峰遇波谷，结果减弱，抵消了，所以在光屏上得到的就是暗带。（4）当光通过单缝时会发生衍射产生衍射条纹，

而通过双缝时则会发生干涉产生干涉条纹一.X射线2.光的衍射①干涉：等距的明暗相间的条纹，亮条纹的亮度向两边减弱较慢。②衍射：中央有一条较宽亮条纹，两边是对称明暗相间的条纹，亮条纹的亮度向两边减弱得很快。（双缝）干涉图样（单缝）衍射4图样双缝间距越小，条纹间距越大单缝宽度越小，条纹间距越大（单色光）波长越小，条纹间距越小（单色光）波长越小，条纹间距越小一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析什么结构能充当X射线的一个光栅（缝隙）呢？能让X射线发生衍射呢？答案：晶体（1）晶体晶体（crystal）是由大量微观物质单位（原子、离子、分子等）按一定规则有序排列的结构，因此可以从结构单位的大小来研究判断排列规则和晶体形态。（分子或原子之间的距离非常的近，接近或小于X射线的波长，于是晶体可以使X光发生有规律的衍射，并且能用底片收到斑纹）一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析将DNA纯化后，结晶。生成晶体后，使用同步辐射X射线投射到DNA晶体上，X射线将产生衍射。d晶面X射线底片θ晶体内部有大量的循环往复，重复排列的分子和原子，即DNA分子的晶体中含脱氧核苷酸的重复排列，我们把这些重复排列的颗粒想象成一个一个的圆点，许许多多的颗粒就构成一个一个的平面，这个平面就叫做晶格平面，简称晶面（如上图），晶面和晶面之间的距离为d。一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析d晶面X射线底片θ当我们用X射线以一定的角度（θ）照射晶面，照射到第一层晶面时，有一部分X射线会发生反射，还有一部分会穿透后照射到第二层晶面再次发生反射，那么这两道反射的X射线当它们到达底片的时候，如果正好发生了加强，底片上就会得到一个斑点，如果没有得到加强而是减弱了，就不会得到斑点。要想得到这个现象，要满足布拉格方程：2d

sinθ

=

nλ其中：d

为晶面间距，

θ

为衍射入射角n是整数

λ

是波长一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析d晶面X射线底片θ2d

sinθ

=

nλ其中：d

为晶面间距，

θ

为衍射入射角n是整数

λ

是波长实验时，用单色X射线（单一固定的波长），这两道X射线到达底片时，他们的光程差（也就是走过的距离的差值）正好等于波长的整数倍时，这两道射线的波形就是一样的，相位是相同的，就会加强而得到斑点。n代表它们的光程差，相差波长的整数倍，我们就可以计算出晶面之间的距离，进而推理出晶体的结构。一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析（2）X射线衍射α当我们将双螺旋结构去掉期中的一条链，观察测试图时，可以发现在其中的一组平行面（绿色），这些平行面对光的衍射作用与缝是相同的，他们构成了光栅，通过每个面衍射的光再发生干涉，就会形成一组明暗相间的条纹，这组光栅与竖直方向存在夹角（α），导致衍射条纹与水平方向存在着相同的角度（图1），而另外一组平行面同样会产生一组倾斜的衍射条纹，两种条纹就构成了DNA独特的“X”形衍射图谱（图2）。图1图2一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析（2）X射线衍射我们观察图谱，（细心的你）会发现，第四级亮条纹消失了，是由于其双螺旋结构造成的，另一条螺旋加入后会导致原来那组平面不再等间距，引起第四级条纹的消光。（图4）DNA中的碱基对不参与衍射，X射线只对螺旋骨架中的磷分子发生晶体衍射，我们看到的仅为双螺旋结构下的衍射图谱。图312345图4一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析d晶面X射线底片θ2d

sinθ

=

nλ其中：d

为晶面间距，

θ

为衍射入射角n是整数

λ

是波长我们也可以换另外一种解释：如果说晶面和晶面彼此平行并保持水平，那么就会在对面的底片之上得到几个斑点，而这几个斑点的连线一定是和晶面相垂直的，这一点是不会变的（斑点连线永远和晶面保持垂直）（见下图）。晶面底片上的斑点一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析d晶面X射线底片θ2d

sinθ

=

nλ其中：d

为晶面间距，

θ

为衍射入射角n是整数

λ

是波长那么，如果晶面是倾斜的，则斑点的连线也依旧和晶面相保持垂直，斑点连线也是倾斜的。（见下图）。晶面底片上的斑点一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析（3）X射线衍射照片分析12345根据斑点的连线和晶面相保持垂直，那就证明DNA分子（蓝色）中存在这样一列平行的晶面（蓝色），同理，还应该存在这样一列平行的晶面（绿色），整体观察，它像一个螺旋的侧面观（如果你在侧面观察一根弹簧，大概是这样一个形态），故推理出DNA分子结构就是一个螺旋结构。X形点阵推理螺旋结构一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析（3）X射线衍射照片分析12345仔细观察螺旋结构，我们观察右上角（绿色），它有5层斑点，但第4层斑点消失了，因为还存在另外一个螺旋（蓝色）并干扰了这一根（绿色）螺旋。因此推理出DNA双螺旋结构。X形点阵推理螺旋结构推理4消失双螺旋结构一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析（3）X射线衍射照片分析基于X射线的波长（0.15nm）,同时测量层次线间隔开的距离,进一步掲示岀螺旋的周期为3.4nm。10条层次线，根据布拉格方程，计算出晶面的距离为0.34nm,碱基对之间的距离为0.34nm。说明螺旋的周期（3.4nm）为原子周期的10倍，对应于以0.34nm为间隔的10个重复单元（螺距：上升一圈的距离），因此判断富兰克林研究的DNA（后来确定为B型DNA）的每一个螺旋周期由10个碱基对组成。（d）缺少了两条直线，是这是因为另一条螺旋的干扰。（b）菱形说明DNA分子是长链；（c）直线的间距是DNA分子重复单元（一个完整的螺旋）的间距；10个碱基对，就是20个碱基一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析（3）X射线衍射照片分析10个碱基对，就是20个碱基，不能被3整除，所有不可能是三螺旋。（d）缺少了两条直线，是这是因为另一条螺旋的干扰。（b）菱形说明DNA分子是长链；（c）直线的间距是DNA分子重复单元（一个完整的螺旋）的间距；一.X射线3.B型DNA衍射照片的分析（4）我做的“X射线衍射”1，教学激光笔2，圆珠笔弹簧绿色激光笔照射墙面上的X形衍射它的角度就是弹簧交叉细丝的夹角，这样就可以算出螺距和细丝间距的关系。2018年全国中学生物理竞赛复赛题目一.X射线4.布拉格方程的推导d晶面X射线底片θ2d

sinθ

=

nλ其中：d

为晶面间距，

θ

为衍射入射角n是整数

λ

是波长dθABCD条件：要在底片上得到斑点，两条X射线通过晶体，到达底片时的光程差正好是波长的整数倍。射线1射线2射线2和射线1走过的距离的差值为(光程差)：计算：AB=BC=d/sinθAD=AC•cosθ,AC我