高中生物必修二教学设计16：3.2 DNA分子的结构教案

DNA分子的结构
●从容说课
本节内容首先是以讲故事的形式介绍DNA分子的双螺旋结构模型的建立过程。

故事首先出场的是英国伦敦皇家学院的晶体衍射专家维尔金斯和年轻的女科学家弗兰克林。

他们拍摄出来非常清晰的DNA分子的X射线衍射照片，为分析DNA结构提供了重要的依据和证据。

这些证据的展示，就是要学生总结这两位科学家所应用的多种研究方法，明白一个道理：科学研究不但要有深厚的专业知识，还要有广博的知识面。

对于沃森和克里克来说，两人的组合就是一个黄金搭档。

物理学家克里克是毕业于伦敦大学，他曾参加过用X射线研究血红蛋白的分子结构，在研究X射线衍射照片方面有很高的造诣。

沃森是年轻有为的分子生物学家，他对生物学中的大分子非常熟悉。

两人的合作就是一个强强联手。

在借鉴了许多科学家研究成果的基础上，沃森和克里克建立了很多种双螺旋和三螺旋模型，但很快就知道是错误的。

奥地利生物化学家查哥夫的研究成果再一次给了他们成功的启示。

查哥夫发现：（1）在DNA样本中，A的数目总是和T的数目相等，C的数目总是和G的数目相等。

即：（A＋G）∶（T＋C）=1。

（2）（A＋T）∶（C＋G）的值具有物种特异性。

沃森和克里克吸收了美国生物化学家查哥夫的研究成果，经过深入的思考，终于建立了DNA的双螺旋结构模型，并把这个模型用金属材料制成之后与拍摄的X射线衍射照片比较，发现二者完全相符。

这个成果的探究历史，蕴含着科学思想和科学精神，让学生从中吸取营养，对培养他们科学研究方法的掌握及与人合作的能力大有好处。

DNA分子的结构部分是本节知识的重点和难点，学习这部分要利用现成的模型教具，让学生有一个直观的印象，然后分步解剖这些结构的组成，就形成了从空间结构→平面结构→单链结构→基本单位的教学顺序，这样使学生对DNA的认识层层细化，培养学生对事物的认知能力。

为了更形象地说明DNA是如何由四种基本组成单位构成，以及碱基、磷酸分别与脱氧核糖的相连，让学生动手来制作DNA模型，让学生在动手中对前面的知识得以巩固和提高。

同时掌握一种重要的科学方法——模型建构。

●三维目标
1.知识与技能
（1）理解DNA分子的结构特点。

（2）制作DNA分子双螺旋结构模型。

2.过程与方法
（1）培养观察能力、分析理解能力：通过观察DNA结构模型及制作DNA双螺旋结构模型来提高观察能力、分析和理解能力。

（2）通过分析DNA结构模型的建立过程，培养学生发现问题、解决问题、应用最新
研究成果以及与人合作的能力。

3.情感态度与价值观
通过DNA的结构和复制的学习，探索生物界丰富多彩的奥秘，从而激发学生学科学、用科学、爱科学的求知欲。

●教学重点
1.理解DNA分子的结构特点；
2.制作DNA分子双螺旋结构模型。

●教学难点
理解DNA分子的结构特点。

●教具准备
DNA双螺旋结构模型。

●课时安排
本节内容需安排两个课时进行教学：
第1课时DNA双螺旋结构模型的构建
第2课时DNA的结构及模型的制作
第1课时
●教学过程
［课前准备］
学生收集沃森、克里克、威尔金斯的简介；收集有关DNA研究过程的资料。

［情境创设］
有同学去过北京中关村高科技园吗？那里有个独特形状的雕塑，那是以何为蓝本制作的呢？（展示雕塑图）那是一个DNA雕塑。

DNA结构模型的创立是许多科学家智慧的结晶。

它的结构创立过程就是一个科学方法和科学精神的完美结合过程。

［师生互动］
DNA作为遗传物质已经不容置疑，但是它怎样决定生物的性状，要回答这些问题，必须要弄清DNA的结构。

在DNA结构的研究过程中，沃森和克里克的研究成果，让世人终于认清了这个生命现象决定者的真面目——DNA双螺旋结构。

请1～2位同学根据自己找的资料来介绍一下这两位科学家的重要成果。

如不全面可补充，主要介绍的内容应包括：1953年4月25日，英国的《自然》杂志刊登了美国的沃森（J.Watson，1928～）和英国的克里克（F.H.C.Crick，1916～2004）在英国剑桥大学合作的成果，DNA双螺旋结构的分子模型，这一成就后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，也被认为是分子生物学诞生的标志。

1962年，沃森、克里克和维尔金斯（伦敦皇家
学院）三人共同获得了诺贝尔生物医学奖。

问：这一成果为何在当时引起了极大的关注？
答：它第一次揭示了生命本质的决定者的真面目——双螺旋结构，使人们对遗传物质的认识水平步入了分子水平。

问：它的研究是不是一帆风顺的？
答：不是。

介绍研究过程：DNA双螺旋结构模型的建立过程中，威尔金斯和弗兰克林这两位科学家却比沃森和克里克研究得还要早。

1951年，威尔金斯在DNA结构的研究中，采用了Ｘ射线衍射法，得到了一张非常清楚的DNA的Ｘ射线衍射图谱。

问：沃森和克里克从DNA的衍射图谱中受到了什么启示？
答：从这个图谱中，这两位科学家和其他科学家一起分析有关数据得出结论：DNA是螺旋的。

问：从方法上有何变化？
答：开辟了一种新的研究DNA的方法，就是从研究组成为主，转为研究结构为主。

问：是不是从此一切问题迎刃而解了呢？
答：没有。

做了不同的螺旋模型，但结果很快被否定了。

介绍查哥夫的研究成果
1952年，查哥夫（E.Chargaff）在已进行多年的对各种DNA样品的组分研究中发现，DNA中四种核苷酸的量并不一定是相等的。

但是，在各种DNA中嘌呤的量和嘧啶的量总相等，而且腺嘌呤的量和胸嘧啶的量相等；鸟嘌呤的量和胞嘧啶的量相等。

沃森在开始研究碱基之间连接的方式时，先将同样的碱基成对地安排在两条链上。

例如，使腺嘌呤和腺嘌呤配对，胸腺嘧啶和胸腺嘧啶配对等。

他认为这样还可以说明DNA的模板作用。

这个模型被晶体学家J·多诺休（Donohue）否定。

多诺休根据他对类似的小分子化合物所作的晶体衍射研究，主张碱基是以酮式结构存在的，而不是沃森在建立模型时所用的烯醇式。

于是沃森只好继续寻找各种配对的可能性。

就在这时，沃森发现腺嘌呤和胸腺嘧啶，以及鸟嘌呤和胞嘧啶各自成对后，两类碱基对具有相似的形状，而且发现这样的配对恰恰可以解释查哥夫测定的DNA碱基比例的数据。

问：通过吸取查哥夫的成果，两位科学家做出了模型，是不是就能说明模型是正确的？
答：不能。

只能从化学成分上说明正确。

问：如何证明这个模型的正确性？
答：做出的模型与X射线衍射照片相比较，完全相符。

不但从成分上证明正确，还从结构上证明模型的正确性。

问：从沃森和克里克建立DNA模型的过程中，你觉得他们和其他科学家是一种什么关系？
答：相互配合。

沃森和克里克的合作本身就意味着不同学科之间的交叉和结合。

问：从他们的研究历程看对你有何启示？
答：研究的过程就是不断纠正自己的错误的过程，取对方之长，补自己之短的过程。

问：从这个研究过程你能不能得出科学研究的一般过程？
答：发现问题（DNA的结构是怎样的？）→解决问题（提出自己的模型）→验证（可以的模型不正确）→吸取最新知识，再解决问题（提出双螺旋模型）→验证（和X射线衍射图比较）→结论（DNA是双螺旋结构）。

［教师精讲］
DNA双螺旋结构模型的阐明是生物学发展过程中一个具有历史意义的里程碑，它的出现标志着分子生物学这门新学科的诞生。

1962年，颁发诺贝尔生理学或医学奖时，同时授予沃森、克里克和维尔金斯。

因弗兰克林已于1958年逝世而未被授予，但弗兰克林功不可没。

［课堂小结］
DNA结构模型的建立过程，实际上就是科学家密切合作的过程。

沃森和克里克吸取了许多科学家当时最新的科研成果，所以可以说它是科学家精诚合作探究自然奥秘的典范。

同时在这个过程中，可以看出科学家在研究中应用了多种研究方法，它应用了化学方法、物理方法以及生物学方法，这也反映出现代科学的发展方向——多学科交叉，相互作用，共同发展。

［布置作业］
根据提供的资料，从下列五个方面选取一个作为主题，来介绍遗传物质研究的过程及成果。

（1）DNA是遗传物质的实验研究；（2）DNA双螺旋结构的发现及模型的制作；（3）基因结构及基因表达调控；（4）基因工程技术；（5）应用。

可以以两人或三人为一个小组进行资料组织，再以班级大组为单位，把五方面的内容组成一个整体，整理出最后的报告。

［课后拓展］
推荐书籍，供学生阅读。

《双螺旋——发现DNA结构的故事》刘望夷等译。

此书是沃森写的一本作者自己亲身经历的重大事件印象记。

书中不仅有科学知识，亦有科学工作方法。

此书最早分期在《大西洋月刊》上发表，后出单行本。

1980年出版的英文新版本中，作者又加进了一些新内容。

另外，在附录中收进了四篇文章，即沃森和克里克的两篇原始论文，以及斯坦特写的介绍DNA双螺旋与分子生物学的崛起和《双螺旋》一书作者及出版概况的两篇文章。

●板书设计
第2节DNA分子的结构
1.DNA结构模型构建过程中的主要事件
1951年，威尔金斯展示出了DNA的衍射图谱
1952年，查哥夫研究发现在DNA中A=T、G=C
1953年，克里克和沃森的论文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》发表
1962年，沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔奖
第2课时
●教学过程
［课前准备］
教师准备制作DNA双螺旋结构模型的实验材料；学生预习模型建构的原理及方法。

［情境创设］
已经知道DNA是主要的遗传物质，它能使亲代的性状在子代表现出来。

那么，DNA 为什么能起遗传作用呢？它有哪些结构特点能使其表现出这样的作用？
［师生互动］
1953年，沃森和克里克提出了著名的DNA双螺旋结构模型，为合理地解释遗传物质的各种功能奠定了基础。

为了理解DNA的结构，先来学习DNA的化学组成。

（1）DNA的化学组成
问：组成DNA的基本单位是什么？这样的共识在双螺旋结构建立以前有的还是建立之后才有的？
答：组成DNA的基本单位是脱氧核苷酸，它由一个脱氧核糖、一个磷酸和一个含氮碱基组成。

这样的共识在1950年前后就有了，所以是在双螺旋结构建立之前就有的。

问：每个基本单位由哪三部分组成？
答:每个脱氧核苷酸由一分子脱氧核糖、一分子含氮碱基和一分子磷酸组成。

问：组成DNA的碱基有哪几种？脱氧核苷酸呢？DNA的每一条链是如何组成的？
答：组成DNA的碱基有四种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）；有四种脱氧核苷酸：腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸、胸腺嘧啶脱氧核苷酸。

DNA的每一条链由四种不同的脱氧核苷酸聚合而成多脱氧核苷酸链。

观察模型，分析问题：
问：DNA分子是这几种脱氧核苷酸连接在一起就可以了吗？
答：不可以。

DNA分子具有特定的空间结构。

问：是由几条链构成的？
答：由两条链构成。

且这两条长链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。

问：每条链的连接有什么特点？
答：脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在DNA分子的外侧，构成基本骨架，碱基排列在
内侧。

问：两条链之间的连接方式是怎样的？
答：两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，且碱基配对有一定的规律：A—T、G—C （A一定与T配对，G一定与C配对）。

问：如果知道一条链上碱基的排列顺序，能不能判断出整条DNA的碱基顺序？
答：DNA一条链上的碱基排列顺序确定了，根据碱基互补配对原则，另一条链上的碱基排列顺序也就确定了。

同样也就是知道整条DNA的碱基顺序。

学生动手：
为巩固DNA立体结构的有关知识，加深对DNA分子结构特点的理解，此时应让学生做模型建构。

一、实验原理
DNA分子具有特殊空间结构——规则的双螺旋结构。

这一结构的主要特点是：
1.DNA分子由两条反向平行的脱氧核酸长链盘旋而成，每条长链是由脱氧核糖与磷酸交替连接形成，排列在外侧，构成基本骨架；
2.DNA分子两条链上碱基以氢键连接成对，碱基对位于螺旋结构内侧，每螺距有10对碱基。

二、目的要求
1.通过制作DNA双螺旋结构模型，加深对DNA分子结构特点的理解和认识；培养学生团结合作的精神。

2.通过集体创作DNA分子模型，能使学生体会到成功的喜悦，培养学生克服困难的勇气。

三、制作过程
1.材料准备（教师组织学生课前完成）
每小组准备硬塑方框2个（长约10 cm），细铁丝2根（长约0.5 m），球形塑料片（代表磷酸）若干，双层五边形塑料片（代表脱氧核糖）若干，4种不同颜色的长方形塑料片（代表4种不同碱基）若干，粗铁丝2根（长约10 cm），订书钉。

熟悉制作DNA分子模型用的各种零件所代表的物质。

其中：
球形塑料片——代表磷酸；
双层五边形塑料片——代表脱氧核糖；
4种不同颜色的长方形塑料片——代表4种不同碱基。

2.具体制作过程
教师板书制作模型顺序：
制作脱氧核苷酸模型→制作多核苷酸长链模型→制作DNA分子平面结构模型→制作DNA分子的立体结构（双螺旋结构）。

指导学生制作：
从基本组成物质磷酸、脱氧核糖、含氮碱基的代表物开始，通过订书针连接成“基本单位——脱氧核苷酸”模型，然后把脱氧核苷酸模型按一定的碱基顺序依次穿在铁丝上构成一条DNA链，同样方法制作另一条，再按碱基互补配对方式用订书针连成两条链，将连好的两条链固定在硬塑方框上，最后旋转。

3.实验效果检查与评定
由每小组选一个代表介绍本小组的作品并说明DNA分子结构特点：
（1）DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。

（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。

（3）DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。

并且碱基配对有一定规律：A（腺嘌呤）一定与T（胸腺嘧啶）配对；G（鸟嘌呤）一定与C（胞嘧啶）配对。

老师与其他同学给予评价。

参考评选条件：
1.科学性能够体现DNA分子结构的特点。

包括DNA分子各个组件的比例是否科学，能否体现出碱基配对的情况，能否灵活转动成双螺旋，以及每个螺旋中的碱基数目是否正确等等。

2.艺术性要美观大方。

3.实用性便于拆卸，便于保存，能够反复使用。

4.超前性利用该模型还可以作为DNA分子复制的适宜模型。

［教师精讲］
（1）DNA分子是由两条平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成的；（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧；（3）碱基排列在内侧，两条链上的碱基通过氢键连接起来，形成碱基对，A与T之间以双键相连，C与G之间以三键相连。

这些连接特点使得DNA在结构上具有以下的特点：（1）稳定性（从两个角度看它的相对稳定性：①DNA都是由磷酸连接着脱氧核糖；②碱基互补配对）；多样性（DNA分子的多样性由DNA上的碱基对的排列顺序及DNA本身的空间结构所决定）；特异性（对所有的DNA分子来说表现为多样性，但对每一种DNA分子来说，有其特定的脱氧核苷酸排列顺序，从而显示出单个的独特性）。

［课堂小结］
这节课在学习DNA结构的基础上来制作它的模型。

从知识结构角度来说，一要加深对DNA分子化学组成的理解，二要掌握DNA分子结构的立体构型及特点。

从实验过程角度来说，一要理解各组成物质如何形成脱氧核苷酸长链；二要理解掌握碱基互补配对原则如何进行；三要掌握一种常见的科学研究方法——模型建构法。

［布置作业］
P51一、基础题1；二、拓展题。

［课后拓展］
查资料找答案：
1.碱基配对时，为什么嘌呤碱不与嘌呤碱或嘧啶碱不与嘧啶碱配对呢？
这是由于嘌呤碱是双环化合物（画出双环），占有空间大；嘧啶碱是单环化合物（画出单环），占有空间小。

而DNA分子的两条链的距离是固定的，只有双环化合物和单环化合物配对才合适。

2.为什么只能是A—T，G—C，不能是A—C，G—T呢？
这是由于A与T通过两个氢键相连，G与C通过三个氢键相连，这样使DNA的结构更加稳定，所以，A与T或G与C的物质的量比例均为1∶1。

●板书设计
1.DNA分子的结构
（1）化学组成
（2）基本单位
①两链反向平行盘旋
（3）双螺旋结构②脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架
③碱基排列在内侧，两条链上碱基通过氢键相连
2.碱基互补配对原则。