师：各位同学大家好，今天我们将复习人教版高中生物必修2第三章第二节DNA分子结构的相关内容。首先，我给大家展示两幅图，一幅是芜湖市二院的雕塑，另一幅是2004年雅典奥运会开幕式上科学家用激光模拟出的模型。这两幅图都体现了象征生命的DNA分子双螺旋结构。那么，DNA分子的双螺旋结构是如何被发现的呢？下面我们来看关于DNA双螺旋结构模型的构建。其构建者是美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。
沃森和克里克是如何构建出DNA的双螺旋结构的呢？在DNA被证明是生物体的遗传物质之后，许多科学家迫切想揭开DNA分子的结构，想知道它如何储存遗传信息以及控制生物性状，于是大量科学家投入到DNA结构的研究中。
到20世纪三四十年代，化学和遗传学取得巨大成就，我们已经知道DNA的化学组成。其元素组成包括碳、氢、氧、氮、磷，这些元素构成三类小分子物质：含氮碱基、脱氧核糖和磷酸。含氮碱基和脱氧核糖结合形成脱氧核苷，脱氧核苷再与磷酸连接形成脱氧核苷酸，脱氧核苷酸就是构成DNA的基本单位，也就是说此时我们已知道DNA是以四种脱氧核苷酸为单位组成的长链。
1951年，英国科学家威尔金斯和富兰克林提供了DNA的X射线衍射图谱，并在一次讲座中展示了图谱照片。沃森和克里克获得该信息后开始构建双螺旋模型。他们根据X射线衍射图谱推算出DNA分子呈螺旋结构，构建出由三条链组成的三螺旋模型和由两条链组成的双螺旋模型。在这两个模型中，他们将碱基排在螺旋外侧，磷酸和脱氧核糖连接构成的基本骨架排在内侧。富兰克林参观三螺旋模型时，因其推测的DNA含水量与实际测得的含水量不符，直接否定了该模型，而双螺旋模型很快也被一些化学家否定。
否定原因在于，化学研究表明碱基是疏水性的，磷酸和脱氧核糖是亲水性结构。我们在必修一学过细胞膜的磷脂双分子层，磷脂有亲水性头部和疏水性尾部，为使细胞膜在水环境中保持相对稳定，亲水性头部排在外侧，疏水性尾部排在中间。同理，若将疏水性碱基排在外侧，DNA分子无法在细胞的水溶液环境中保持稳定。因此，化学家根据碱基疏水性以及磷酸和脱氧核糖的亲水性否定了该模型。那从亲水性和疏水性角度考虑，该如何修饰模型呢？是不是可以把亲水性的脱氧核糖和磷酸交替连接构成的骨架排在外侧，把碱基排在内侧，就类似细胞膜的结构。于是，在化学家提出质疑后，沃森和克里克构建了第二种模型，更改了链的排列方式，将磷酸和脱氧核糖构成的基本骨架排在外侧，碱基排在内侧，但两条链之间要建立连接。沃森和克里克认为是相同碱基进行配对来连接两条链，然而很快又有化学家指出这种配对方式违背化学规律。
为什么呢？我们看化学里含氮碱基的结构，腺嘌呤、鸟嘌呤是双环化合物，胞嘧啶和胸腺嘧啶是单环化合物。若按此模型相同碱基配对，嘌呤配嘌呤，嘧啶配嘧啶，会导致DNA分子直径不固定，无法解释DNA分子的稳定性，也与X射线衍射图谱结构不吻合。
那怎样配对能得到相对稳定的结构呢？要使DNA分子稳定，需形成固定直径，很容易想到双环配单环，这样能保证DNA分子直径固定。但嘌呤有两种，嘧啶也有两种，具体哪种嘌呤配哪种嘧啶呢？1952年春天，奥地利生物化学家查哥夫对多种生物的DNA分子碱基进行研究，发现在DNA分子中，A=T，C=G。
根据这一研究结果，怎样配对能保证A=T、C=G的数量关系呢？很简单，让A和T配对，腺嘌呤配胸腺嘧啶，C和G配对，这样就能保证双链直径的稳定。
1952年11月，富兰克林的另一份研究发现，DNA分子的结构即使翻转180度，看起来还是一样的，就像数学里的中心对称图形旋转180度后不变。据此，克里克推测DNA的两条链应该是反向的。于是，沃森和克里克又构建了第三种模型，同样是双螺旋模型，其中A和T配对，G和C配对，并且两条链是反向平行的。
沃森和克里克提出的这种双螺旋模型有什么优势呢？首先，它能解释DNA具有稳定的直径；其次，能解释A=T、C=G的数量关系；第三，能科学地解释DNA的准确复制；最关键的是，用金属材料制作的物理模型与拍摄的X射线照片比较时，两者完全相同，证明了这种双螺旋模型的合理性。因此，1953年，沃森和克里克在《自然》杂志上发表了题为《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》。
下面我们简单回顾一下，在DNA模型构建中具有重大贡献的科学家。威尔金斯和富兰克林提供了DNA的X射线衍射图谱；查哥夫提供了DNA分子中含氮碱基A、T、C、G的数量关系；沃森和克里克根据威尔金斯、富兰克林以及查哥夫提供的研究数据构建出了DNA的双螺旋模型。1962年，沃森、克里克、威尔金斯因发现DNA分子的双螺旋结构而获得诺贝尔生理学或医学奖。
DNA双螺旋结构构建的成功给我们什么启示呢？首先，在构建过程中存在大量科学家跨学科的合作，多学科的综合应用是双螺旋结构能被正确提出的重要因素。此外，沃森和克里克善于利用他人的研究成果和经验，构建双螺旋结构模型过程中应用到富兰克林、威尔金斯的X射线衍射图谱，也用到查哥夫关于碱基的数量关系；他们还善于与他人交流和沟通，并且在失败面前锲而不舍。从双螺旋结构模型构建过程可以看出，它是不断构建、否定、再构建、再否定的过程，最终才形成正确结构。这让我们想起爱迪生说过的一句话：“我不是失败了一千次，而是发现了一千种不能成功的方法。”我们不能因害怕失败而不去努力。下面我们来看DNA分子的具体结构。
首先看DNA分子的平面结构，DNA分子由四种脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成核苷酸链，两条反向平行的核苷酸链构成DNA分子，即DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成。为什么需要两条链构成呢？双链结构比单链结构更稳定，双链结构若想发生突变，需要突变一对碱基，而单链结构只需改变一个碱基，所以双链结构更有利于遗传信息的稳定储存。此外，脱氧核糖和磷酸交替连接排在外侧，构成基本骨架，碱基排在内侧，这一点我们刚才通过亲水性和疏水性解释过，有利于DNA分子在水溶剂中稳定存在。然后碱基按碱基互补配对原则通过氢键连接成碱基对，A、T之间产生两个氢键，C、G之间产生3个氢键。
这里我们解释一下，碱基按碱基互补配对连接有什么好处呢？碱基互补配对保证遗传信息在传递和表达过程中的准确性。比如在DNA复制过程中，只需以其中一条链为模板，按碱基互补配对原则就可以合成另一条链。以DNA的两条链为模板，复制出的两个子代DNA完全相同，保证了遗传信息在传递过程中的准确性。通过氢键将两条链连接，赋予了DNA分子一定的刚性和柔性。氢键比分子间作用力（范德华力）要强一点，比共价键相对弱，氢键将两条链连接，使两条链既保持一定稳定性，又相对容易被拆开，既有利于维持双螺旋结构的相对稳定，又有利于DNA执行复制、转录等基本生命活动。
接着看DNA分子的空间结构，DNA分子的空间结构是双螺旋结构。从平面结构到双螺旋结构很简单，如果把平面结构看作一个平面，握住平面两端进行扭转，就可以形成双螺旋结构。双螺旋结构在生活中比较常见，比如扶梯就是典型的双螺旋结构。DNA形成双螺旋结构有什么优势呢？首先，双螺旋结构对DNA分子进行了压缩处理，降低了空间占有率，这样一个细胞核中才有可能储存多个DNA分子。同时，它使DNA分子结构紧密，碱基几乎不暴露在外面，不容易受到外界干扰，发生突变的概率降低，有利于遗传信息的稳定储存。
我们对DNA双螺旋结构进行简单总结：在DNA的单链中，相邻的碱基通过什么连接？一条链中的相邻碱基，比如A、G，是通过包含脱氧核糖、磷酸和脱氧核糖的结构连接，所以答案是脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖。互补链中的相对碱基通过什么连接？比如互补链中的G和C，它们之间通过氢键连接。每条DNA单链中有几个游离的磷酸基团？游离的磷酸基团是指未参与两个基本单位之间磷酸二酯键形成的磷酸基团，一条链中只有一个游离的磷酸基团，所以是一个。每个双链DNA分子中有几个游离的磷酸基团？因为双链DNA分子有两条链，每条单链有一个游离磷酸基团，所以是两个。DNA分子中一个脱氧核糖与几个磷酸基团相连？正常情况下，一个脱氧核糖一般与两个磷酸相连，一个是基本单位内部的磷酸基团，另一个是基本单位之间连接的磷酸基团，但最后一个脱氧核糖只与一个磷酸基团连接，所以答案是一或2。