师：同学们，今天我们要学习高一人教版生物学必修2第三章第二节DNA的结构。大家看，这是坐落在北京中关村高科技园区的DNA雕塑。为什么会将DNA的结构作为高科技的标志呢？通过上节课的学习，我们已经知道DNA是生物体的主要遗传物质，这是DNA的功能。我们常说结构与功能相适应，那么DNA的结构到底是怎样的？它又是如何储存遗传信息以实现这一功能的呢？DNA双螺旋结构的揭示是划时代的伟大发现，正因为DNA分子结构的重要性，所以它能作为高科技的标志之一。
那DNA的结构到底是怎样的呢？科学家又是如何探索发现DNA的结构的呢？下面我带领同学们重走科学家探索之路。当时科学界已对组成DNA的基本单位有所认识，知道DNA分子是以四种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链。这四种核苷酸分别含有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶四种碱基，也就是说，组成DNA的基本单位是四种脱氧核苷酸。那这四种脱氧核苷酸又是如何组成DNA分子的呢？研究DNA结构常用的方法是X射线晶体衍射法。英国生物物理学家威尔金斯和他的同事富兰克林应用了X射线衍射技术，获得了高质量的DNA衍射图谱。英国物理学家出身的克里克对X射线晶体衍射图谱的分析十分熟悉，能帮助美国生物学家沃森理解晶体学原理，而沃森可以帮助克里克理解生物学的内容，于是他们合作研究，以富兰克林拍摄的DNA衍射图谱的相关数据为基础，推算DNA分子的结构。
当X射线通过平行线阵列的时候，会产生一行垂直于该平行线的斑点。当X射线穿过左侧三组平行线的时候，就会产生右侧三组的斑点，同学们看看DNA的衍射图谱更像哪一组。DNA的衍射图谱有X型的斑点，与第三组斑点相吻合，说明DNA分子呈螺旋结构。
沃森和克里克也得到了相同的结论。他们尝试搭建了许多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型，但都被否定了。直到奥地利生物学家查戈夫到剑桥大学访学，沃森和克里克从他那里得知了其发现。表格中的信息就是当时查戈夫通过实验所获得的数据，同学们尝试分析一下，看看查戈夫发现了什么规律。
生：查戈夫发现在DNA当中，腺嘌呤的量总是等于胸腺嘧啶的量，而鸟嘌呤的量又总是等于胞嘧啶的量。
师：非常好。那沃森和克里克又可以从这个规律当中推测出什么呢？
生：由于这两对碱基存在数量相等的关系，他们大胆推测在DNA当中腺嘌呤与胸腺嘧啶相配对，鸟嘌呤与胞嘧啶相配对。
师：基于上述信息，沃森和克里克尝试构建DNA双螺旋结构模型，他们将脱氧核糖 - 磷酸骨架安排在外部，将碱基安排在双螺旋结构的内部。碱基间A与T配对，G与C配对，且DNA两条链的方向是相反的。在构建出模型之后，还需要验证模型的正确性。他们发现在这个模型当中，由于A和G都是嘌呤，属于双环化合物，而T和C都是嘧啶，属于单环化合物，所以当A与T配对，G与C配对的时候，AT碱基对与GC碱基对具有相同的形状和直径，这样组成的DNA就具有恒定的直径，而且能够解释ATGC的数量关系。
此外，将这一模型与所拍摄的X射线衍射照片做比较时，发现该模型与基于照片所推算出来的DNA双螺旋结构相符。经过这几方面的验证就可以确定DNA双螺旋结构模型的正确性。随后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》论文发表在《自然》杂志上，引起了极大的轰动。也正因为这一划时代的伟大发现，沃森、克里克和威尔金斯三人共同获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。这就是DNA结构模型的探索历程。下面我们结合沃森和克里克的发现，归纳一下DNA的结构特点。
DNA分子是由两条单链组成的，这两条链是按照什么方式组合在一起的呢？通过观察我们可以发现，左侧单链的上端是与脱氧核糖的5号碳原子相连的磷酸基团，这一端称为5’端，而下端则是与脱氧核糖上的3号碳原子相连的羟基，这一端就称为3’端。而脱氧核苷酸链的双链方向都是从5’端至3’端的，所以左侧单链的方向是从上往下，而右侧单链的5’端在下方，3’端在上方，所以右侧单链的方向是从下往上的。也就是说这两条链是按照反向的方式来进行组合的。另外，由于碱基对具有相同的形状和直径，所以两条链是平行关系，并且组成螺旋结构，也就是说，这两条链按照反向平行的方式盘旋成双螺旋结构。
第二，DNA分子当中什么和什么交替连接构成基本骨架呢？通过观察我们可以发现，在DNA双链当中不变的是排列在外侧的脱氧核糖和磷酸，那它们又是怎样连接的呢？这是两个脱氧核苷酸，前一个3号碳原子上的羟基与下一个5号碳原子上磷酸基团的羟基相连接，并且脱去一分子水并形成化学键。这一个磷酸基团一侧连着3号碳原子，另外一侧连着5号碳原子，所以这一部分被称为3’,5’ - 磷酸二酯键。也就是说脱氧核糖和磷酸是通过磷酸二酯键交替连接的，而碱基则排列在双螺旋的内侧。第三，两条链上的碱基是通过氢键相连接的。
配对的两个碱基称为一个碱基对，而碱基之间的配对存在着一一对应的关系，我们将这种碱基之间一一对应的关系称为碱基互补配对原则。其中腺嘌呤会与胸腺嘧啶配对，通过两个氢键相连接，而鸟嘌呤则会与胞嘧啶相配对，通过三个氢键相连接。GC碱基对由于具有更多的氢键，所以也更加稳定。而GC碱基对含量越高的DNA分子，其结构也会更加稳定。DNA分子的特殊结构赋予了DNA分子的三大特性，第一就是稳定性，那DNA分子是如何保持其结构的稳定的呢？前面提到氢键数越多，DNA结构也就会越稳定，所以主要是依靠碱基对之间的氢键来维持DNA双链结构的。其次，相邻碱基对平面之间会存在着纵向的相互作用力，这些作用力可以进一步加固其稳定性。此外，螺旋化结构也可以增加DNA分子的稳定性。构成DNA的基本单位只是4种脱氧核苷酸。
那为什么DNA还能储存大量的遗传物质呢？这是因为DNA具有第二个特性——多样性。我们可以类比蛋白质多样性的原因，思考一下DNA多样性的原因。蛋白质之所以具有多样性，是因为组成蛋白质的氨基酸的种类、数目可能不同，氨基酸的排列顺序千变万化，肽链的数量和盘曲折叠方式及其所形成的空间结构千差万别，使得蛋白质分子的结构多样，种类繁多。回到DNA，不同的DNA的脱氧核苷酸种类是否有不同呢？一般来说，自然界中的生物的DNA都含有4种脱氧核苷酸。所以核苷酸的种类并不会导致DNA多样性。那构成DNA的脱氧核苷酸数目这一方面，不同的DNA可能会有所不同。所以导致DNA多样性的其中一个原因就是脱氧核苷酸的数量，也可以说成是碱基对的数量。那脱氧核苷酸的排列顺序是否会引起DNA的多样性呢？我们会发现DNA的四种脱氧核苷酸的排列顺序可以是千变万化的，而这千变万化就使得DNA可以储存大量的遗传信息。所以导致DNA多样性的第二个原因就是脱氧核苷酸的排列顺序，也可以称为碱基对或碱基的排列顺序。
那脱氧核苷酸链的数量和空间结构是否会导致DNA的多样性呢？其实不然，因为DNA一般是由两条链组成的，空间结构也都是双螺旋结构，所以并不会导致DNA多样性。而在DNA结构多样性的两个原因当中，脱氧核苷酸的排列顺序对DNA分子种类的影响更大，所以这也是更为主要的原因。
在介绍DNA分子的第三个特性之前，我们先来了解一种在刑事案件侦查和亲子鉴定时常用的技术——DNA指纹技术。这种技术是指用合适的酶将待检测的样品DNA切成片段，然后用电泳的方法将这些片段按大小分开，再经过一系列的步骤，最后形成DNA指纹图。
右上角这幅图就是典型的DNA指纹图，第一行是受害者的DNA指纹图谱，第二行是从受害者体内分离的精液样品当中的DNA指纹图谱。下面三行是三位怀疑对象的DNA指纹图谱，请同学们尝试判断一下三位怀疑对象当中哪个人是罪犯呢？
生：从图中可以看出，从受害者体内分离的精液样品当中的DNA指纹图谱与怀疑对象一是相同的，所以怀疑对象一就是罪犯。
师：非常好。那DNA指纹技术在用于鉴定时依赖于DNA分子的什么特性呢？
生：由于不同生物DNA的碱基排列顺序是不同的，所以某一特定的生物当中，它的DNA分子当中的碱基排列顺序也是特定的，这就是DNA分子的第三个特性——特异性。