DNA分子的结构教学实录与评析

人教版高一生物必修《遗传与进化》第3章第2节

DNA的结构

江苏省宜兴第一中学 李守宇

一、教学需求分析

1.适用对象分析：

本微课视频资源适用于使用人教版高一生物必修《遗传与进化》的教师和学生。

2.学习内容分析：

生物科学史具有独特的教育价值，高中新课标也要求重视生命科学史的学习。本微课视频资源在人类对遗传因子认识的基础上，呈现了DNA双螺旋结构模型的构建过程。

3.教学目标分析：

通过对DNA双螺旋结构模型的构建过程这一生命科学史的了解，培养学生在探究过程中的科学态度、科学精神、科学世界观和合作能力。

二、教学程序

【教学重点、难点】

DNA双螺旋结构模型的构建过程

【教学流程设计】

【教学过程】

坐落于北京中关村高科技园的DNA雕塑，以它简洁而独特的双螺旋造型吸引着过往行人。你知道为什么将它作为高科技的标志吗？DNA双螺旋结构模型又是如何建立起来的呢？今天我们就聊聊DNA双螺旋结构背后的故事。

1952年，赫尔希和蔡斯通过“噬菌体侵染细菌”的实验证明了DNA是遗传物质。但问题也随之而来，噬菌体是如何完成复制的？这个问题的解决需要从噬菌体DNA的两个功能，即DNA的自我复制和以DNA为模板合成蛋白质的角度入手。但当时，还没有人可以确定DNA如何实现这两种功能。

正所谓结构决定功能，结构与功能相适应，要了解其功能，必须揭示其结构。DNA分子应该具有怎样的结构，才能担负储存遗传信息的任务呢？对这个问题的研究从20世纪50年代一直延续到20世纪60年代中期。在这一历史时期中，沃森和克里克无疑是最璀璨的明珠。

1951年春天，一直对基因的奥秘深感兴趣的沃森，出席了在意大利举行的生物大分子结构会议。会上，英国著名生物物理学家威尔金斯在报告中展示了一张DNA的X射线衍射图谱的幻灯片，给沃森留下了极其深刻的印象。这年秋天，沃森来到英国剑桥大学卡文迪许实验室工作。在这里，他遇到了同样对DNA的结构着迷的克里克。

物理学家出身的克里克对衍射图谱的分析十分熟悉，能够帮助沃森理解晶体学的原理，而沃森可以帮助克里克理解生物学的内容。当时，科学界对DNA的认识是：DNA分子式以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链，这4种脱氧核苷酸分别含有A、T、C、G四种碱基。沃森和克里克以威尔金斯和其同事富兰克林提供的DNA衍射图谱的有关数据为基础，推算出DNA分子呈螺旋结构。

沃森和克里克尝试了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型，在这些模型中，碱基位于螺旋外侧，脱氧核糖-磷酸骨架位于内侧。但是，这些模型由于与DNA衍射图谱的数据不符合很快被否定了。在失败面前，沃森和克里克没有气馁，他们又重新构建了一个将脱氧核糖-磷酸骨架定位于螺旋外侧，碱基定位于螺旋内侧的双链螺旋模型。起初在这个模型中是相同碱基进行配对的，即A与A、T与T配对。但是，剑桥大学的数学家格里菲斯通过计算后认为，不是相同碱基之间的相互吸引，而是不同碱基之间的相互吸引。

1952年春天，奥地利著名的生物化学家查哥夫访问剑桥大学，沃森和克里克从他那里得到了一个重要的信息：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量；鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量。于是，沃森和克里克结合格里菲斯和查哥夫的信息，改变了碱基配对的方式，让A与T配对，G与C配对，构建出新的DNA模型。结果发现：A-T碱基对和G-C碱基对具有相同的分子形状和直径，这样组成的DNA分子既具有稳定的直径，又能够解释A、T、G、C的数量关系，同时也能很好地解释DNA的复制。当他们把这个用金属材料制作的模型与拍摄的X射线衍射照片比较时，发现两者完全相符。

1953年4月，沃森和克里克撰写的《核酸的分子结构-脱氧核糖核酸的一个结构模型》论文在英国《自然》杂志上刊载，引起了极大轰动。1962年沃森、克里克和威尔金斯三人因这一研究成果而同时获得了诺贝尔生理学和医学奖。

生物学中再没有比双螺旋结构更具代表性的图标了，正是这一结构最终形成了密实的染色体。DNA双螺旋结构被阐明，揭开了生命科学的新篇章，开创了科学技术的新时代。