师：同学们好，今天我们来学习第三章第二节 DNA 分子的结构。本节课的学习目标有两个：一是简述 DNA 双螺旋结构模型的构建过程；二是熟练掌握 DNA 双螺旋结构模型的主要特点。
关于 DNA 的化学组成，我们先来温故知新。DNA 的中文全称是脱氧核糖核酸，组成元素有碳、氢、氧、氮、磷，它的基本组成单位叫脱氧核苷酸。每一个脱氧核苷酸都是由 1 分子的磷酸、1 分子的脱氧核糖以及 1 分子的含氮碱基构成。需要注意的是，与含氮碱基相连的五碳糖上的位置称作 1 号位碳，按顺时针方向依次是 2、3、4、5 号位碳。含氮碱基的种类有 A 腺嘌呤、G 鸟嘌呤、C 胞嘧啶、T 胸腺嘧啶。若含氮碱基是 A，那么该脱氧核苷酸就叫腺嘌呤脱氧核苷酸，以此类推，含氮碱基的种类决定了脱氧核苷酸的种类。所以，脱氧核苷酸也有 4 种，分别是腺嘌呤脱氧核苷酸、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。
新课标提出了生物学科素养。在生命观念里，常说结构决定功能，功能与结构相适应。在前面的学习中，我们已知道 DNA 是主要的遗传物质，作为遗传物质，必须具备储存、传递和表达遗传信息这三大功能。那么，DNA 要有怎样的结构才能实现这些功能呢？许多科学家为此展开研究，其中沃森和克里克构建了 DNA 的双螺旋结构。1953 年 4 月 25 日，沃森和克里克撰写的论文《核酸的分子结构——DNA 的一种可能结构》发表在《自然》杂志上，引起极大轰动，被誉为生物学的一个标志，开创了新的时代。1962 年，克里克、沃森以及威尔金斯因这项研究成果获得诺贝尔生理学或医学奖，有人认为这是迄今为止分量最重的一项诺贝尔奖。
那么 DNA 分子双螺旋结构是如何构建的呢？在这个过程中，许多科学家做出了贡献，比较突出的有克里克、沃森、威尔金斯、鲍林、查戈夫以及富兰克林，他们分别做了哪些贡献呢？下面我们一起来回顾。英国皇家的威尔金斯和富兰克林主要用 X 射线衍射研究 DNA 的结构；美国加州理工大学的鲍林主要用模型建构法研究物质的结构；奥地利的查戈夫研究 DNA 的化学组成，他们都取得了一定成就，鲍林还在 1954 年获得诺贝尔奖。英国剑桥大学的沃森和克里克采用鲍林的模型建构法研究 DNA 分子的结构，这些科学家的研究成果为沃森和克里克提供了有力依据。沃森和克里克在吸取知识和经验的同时，不断纠正其他科学家的失误，最终在 1953 年 2 月 28 日制作出规则且美丽的双螺旋结构模型，揭开了生命的重要秘密，为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。
如果时光倒流到 1951 年，根据当时已掌握的材料，同学们，你们能否自行摸索出 DNA 的结构呢？下面我们来进行模拟探究：四种脱氧核苷酸是怎样连接成 DNA 单链的？同学们看，老师这里有模型，白色代表磷酸，蓝色代表脱氧核糖，红色和绿色代表含氮碱基。这两个核苷酸是怎样连接在一起的呢？是磷酸与磷酸连接，脱氧核糖与脱氧核糖连接，还是含氮碱基之间连接？这要看它们的化学结构式。
从化学结构式来看，一个核苷酸分子中五碳糖的 3 号位碳上的磷酸与另一个核苷酸分子中五碳糖的 5 号位碳上的磷酸之间相连，这个过程会脱去一分子的水，属于脱水缩合反应。在 DNA 合成的聚合反应中，不断在五碳糖的 3 号位碳上连接新的单体，众多核苷酸如此连接，就形成了 DNA 的单链。图中的红色圈圈代表 3',5'-磷酸二酯键。回到刚才的两个脱氧核苷酸，就知道它们是这样连接的。众多核苷酸连接形成这样一条长长的 DNA 单链，观察这条单链，能看到磷酸和脱氧核糖交替连接。由此得出结论，DNA 单链是通过磷酸和脱氧核糖交替连接形成的。那么 DNA 分子的形状是怎样的呢？假如这就是一个 DNA 分子，它可能是长条形、圆形，或者是螺旋形。我们来探究一下。
二战后，有科学家用电子显微镜测定出 DNA 分子的直径约为两纳米，该直径比脱氧核糖核酸直链的直径大，这位科学家使用的是电子显微镜。其实在 50 年代，DNA 是研究热点，主要研究方式是 X 射线衍射技术。如图，这是一个 X 射线发射器，它发出的 X 射线穿过 DNA 分子的晶体。由于 DNA 分子内有大量原子，原子间距离与 X 射线波长相近，穿过之后会发生衍射现象，偏离一定角度使照相底片感光，从而拍到 DNA 分子晶体的 X 射线衍射照片，再根据照片经过大量计算，就能逆推出 DNA 分子的立体结构。
威尔金斯分析和测量了 DNA 的 X 射线衍射图谱，发现 DNA 分子缠绕在一起像一个圆筒，沿其分子长度方向每隔 0.3 - 0.4 纳米就有一个很强的衍射。若将这些很强的衍射区分离出来，沿长度方向是中空的，也就是说 DNA 分子呈现螺旋结构。根据这个结论可知 DNA 分子呈螺旋结构，那么问题来了，在这个螺旋结构中包含几条链呢？我们进一步探究。关于 DNA 的螺旋结构包含几条脱氧核苷酸链，我们可以提出一些假说，如单链螺旋、双链螺旋、三链螺旋、四链螺旋等等。根据当时已掌握的材料，沃森和克里克很快否定了单链螺旋和双链螺旋，建立了一个三链螺旋结构。
那么问题又来了，在这个三链结构中，不同的链之间怎样保持稳定呢？史料记载，沃森和克里克设想由金属离子的结合力保持多链分子内部结构的稳定，但很快遭到威尔金斯等科学家的质疑，由此可知三链螺旋是错误的。1953 年，威尔金斯出示了一张富兰克林拍摄的绝妙的 DNA 晶体衍射照片，沃森看后不禁感叹：“上帝！DNA 链，只有是双链才会显示出这样漂亮而清晰的图。”从这张图可以看到，切面 X 样式的结构显示 DNA 具有螺旋结构，直径两纳米进一步说明螺旋是双螺旋。由此得出结论，DNA 是由两条脱氧核苷酸链盘旋而成的规则双螺旋结构。既然含有两条链，那么这两条链该如何连接呢？是这样连还是那样连呢？我们继续探究。
我们提出两种假说：一是 DNA 双链由位于螺旋内部的碱基连接；二是 DNA 双链由位于螺旋内部的磷酸脱氧核糖骨架连接。在解决这个问题之前，我们先回忆一下磷脂双分子层，它的头部和尾部是怎样分布的呢？磷脂分子头部是亲水端，尾部是疏水端。在生物膜中，磷脂双分子层所处环境内外都是水，所以亲水的头部位于外侧，疏水的尾部位于内侧。研究发现，脱氧核糖和磷酸基团具有亲水性，而碱基具有疏水性，细胞中的 DNA 分子总处于液体环境中。