01. DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建
一、新課導(dǎo)學(xué)--DNA雕塑
坐落于北京中關(guān)村高科技園區(qū)的金黃色雙螺旋雕塑，始建于1992年，原名為“生物鏈”，以獨特的DNA造型成為中關(guān)村的標(biāo)志。在中關(guān)村科技園區(qū)海淀園成立20周年之時，北京市海淀區(qū)政府重塑了這座雙螺旋雕塑，更名為“生命”，寓意著中關(guān)村以跨越式方式向前發(fā)展、邁向新臺階。
24歲的瑞士醫(yī)生米歇爾首先發(fā)現(xiàn)核酸，但因為不同生物的核酸性質(zhì)過于接近，無法解釋生物遺傳的多樣性而與遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)失之交臂。
1868年米歇爾發(fā)現(xiàn)核酸
美國生化學(xué)家萊文闡明了核苷酸的基本結(jié)構(gòu)，但同時又提出一種“四核苷酸假說”，認為核酸由等量的四種核苷酸構(gòu)成，就像糖原一樣，不可能有什么重要功能。
奧地利生化學(xué)家查戈夫采用紙層析、分光光度法等精確測定了多種生物的堿基組成，才徹底推翻“四核苷酸假說”，并提出“查蓋夫規(guī)則”，即在任何DNA中，A=T，G=C，所以有A+G=T+C。這成為雙螺旋模型中堿基互補配對原則的基礎(chǔ)。
1950年莫里斯·威爾金斯首先采用X-射線衍射技術(shù)分析DNA晶體，改進衍射技術(shù)后，得到了清晰的DNA衍射照片。其同事富蘭克林于1952年5月獲得一張非常清晰的B型DNA衍射照片
1953年，沃森和克里克撰寫的《核酸的分子結(jié)構(gòu)—脫氧核糖核酸的一個結(jié)構(gòu)模型》論文在英國《自然》雜志上刊載，引起了極大的轟動。1962年，沃森、克里克和威爾金斯共同獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。
1950年查戈夫提出“查哥夫規(guī)則”
1929年萊文提出 “四核苷酸假說”
1950-1952年威爾金斯和富蘭克林得到DNA衍射照片
1953年沃森和克里克闡明DNA結(jié)構(gòu)模型
二、新課教學(xué)--DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建
DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)重要事件歷程
1866年，現(xiàn)代基因?qū)W之父孟德爾經(jīng)過長達8年的豌豆實驗，發(fā)現(xiàn)了生物遺傳的基本規(guī)律：“遺傳分離規(guī)律”與“基因自由組合規(guī)律”，并得到了相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，這是揭示生物遺傳奧秘的基本規(guī)律。1865年，他又提出用一種結(jié)構(gòu)化的方式來思考“遺傳因子”。
奧地利生物學(xué)家孟德爾（Gregr Mendel,1822-1984）
丹麥生物學(xué)家約翰遜（,1857-1927）
1909年，丹麥的遺傳學(xué)家約翰遜提出了表現(xiàn)型和遺傳型這兩個術(shù)語，然后又發(fā)明了“基因”和“基因型”這些術(shù)語，基因型就是遺傳型。至此，生物性狀對應(yīng)于表現(xiàn)型，遺傳因子對應(yīng)于基因，徹底的將遺傳因子和生物性狀兩者區(qū)分開來。
1902-1907年，博韋里發(fā)表多篇文章在用海膽做實驗證明染色體的關(guān)鍵作用。他提出細胞的每個染色體功能不同，而細胞的正常發(fā)育需要一套完整的染色體，不能多、也不能少。博韋里還認為那些染色體并不是籠統(tǒng)地攜帶著那些遺傳因子，而是某個特定的染色體攜帶著某些特定的遺傳方向。通過研究細胞分裂的細節(jié)，發(fā)現(xiàn)“中心體” 安排諧調(diào)著細胞的分裂過程。
美國遺傳學(xué)家薩頓（W.Suttn,1877-1916）
1902年美國遺傳學(xué)家薩頓發(fā)表了一篇對遺傳學(xué)極為重要的論文。他證明染色體成對存在，并且指出染色體極可能就是孟德爾在其工作中假設(shè)的遺傳因子。1903年，他在另一篇論文中堅持認為：染色體帶有基因；每一個性細胞只具有每一對染色體中的一個，具有哪一個是隨機決定的。將遺傳因子改名為基因。
德國細胞學(xué)家博韋里（T.Bveri，1862-1915）
摩爾根在孟德爾定律的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立現(xiàn)代遺傳學(xué)的“基因理論”。利用果蠅進行遺傳學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了染色體是基因的載體，確立了伴性遺傳規(guī)律。并發(fā)現(xiàn)位于同一染色體上的基因之間的連鎖、交換和不分開等現(xiàn)象，建立了遺傳學(xué)的第三定律——連鎖交換定律。把400多種突變基因定位在染色體上，制成染色體圖譜，即基因的連鎖圖。于1926年出版了《基因論》專著，對基因這一遺傳學(xué)基本概念進行了具體而明確的描述。他創(chuàng)立的基因理論實現(xiàn)了遺傳學(xué)上的第一次理論綜合。在胚胎學(xué)和進化論之間架設(shè)了遺傳學(xué)橋梁，推動了細胞學(xué)的發(fā)展，并促使生物學(xué)研究從細胞水平向分子水平過渡，以及遺傳學(xué)向生物學(xué)其它學(xué)科的滲透，為生物學(xué)實現(xiàn)新的大綜合奠定了基礎(chǔ)。
美國生物學(xué)家摩爾根（,1866-1945）
1928年，格里菲斯在實驗室里，格里菲斯將肺炎球菌SⅡ在特殊條件下進行離體培養(yǎng)，從中分離出R型。當(dāng)他把這種R型的少量活細菌和大量已被殺死的SⅢ型混合注射到小家鼠體內(nèi)以后，出乎意外，小家鼠卻被致死了。剖檢發(fā)現(xiàn)，小家鼠的心血中有SⅢ型細菌。格里菲斯發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化作用，為爾后認識到DNA是遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。
艾弗里等人將S型肺炎球菌的主要細菌結(jié)構(gòu)去除，在剩余下來的物質(zhì)中加入了蛋白酶，分解蛋白質(zhì)，取得S型細菌的DNA。在將R型細菌培養(yǎng)基加入S型細菌的DNA后，艾弗里等人發(fā)現(xiàn)R型細菌被轉(zhuǎn)化成S型細菌，并穩(wěn)定地進行了幾代的自我復(fù)制。1944年，艾弗里和他的同事科林·麥克勞德和麥克林·麥卡蒂共同在《藥品實驗雜志》中刊登了他們的實驗，并謹慎地表明DNA很有可能是主要的遺傳物質(zhì)。
美國遺傳學(xué)家赫爾希（，1908-1997）和助手蔡斯（ , 1927-2003）
奧地利猶太生物學(xué)家查戈夫（Erwin Chargaff，1905-2002）
二、課程教學(xué)--DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建
1952年，美國遺傳學(xué)家赫爾希和他的助手蔡斯以T2噬菌體為實驗材料研究，利用放射性同位素標(biāo)記的新技術(shù)，分別標(biāo)記了噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)。噬菌體侵染細菌時，DNA進入到細菌的細胞中，而蛋白質(zhì)外殼仍留在外面。因此，子代噬菌體的各種性狀，是通過親代的DNA遺傳的。
奧地利猶太生物學(xué)家埃爾文·查戈夫注意到，DNA中含氮堿基所出現(xiàn)的頻率因物種而異。他在1950年發(fā)現(xiàn)，DNA中的腺嘌呤與胸腺嘧啶數(shù)量幾乎完全一樣，鳥嘌呤與胞嘧啶的數(shù)量也是一樣。這似乎暗示他們之間相互有著某種聯(lián)系，并提出“查蓋夫規(guī)則”，即在任何DNA中，A=T，G=C，所以有A+G=T+C。
萊納斯·鮑林團隊——最有力競爭者萊納斯·鮑林在當(dāng)時已是知名的科學(xué)家，在量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)都有著杰出的成就，是1954年諾貝爾化學(xué)獎的獲得者。他們在蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域已經(jīng)走在世界的前沿。毫無疑問，他的團隊最有實力，是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的最有力競爭者。但是他暫時放下科學(xué)研究，轉(zhuǎn)身投入追求和平事業(yè)。
美國化學(xué)家萊納斯·鮑林（，1901-1994）
1955，鮑林和愛因斯坦、羅素、約里奧·居里、玻恩等簽署宣言：呼吁科學(xué)家應(yīng)共同反對發(fā)展毀滅性武器，反對戰(zhàn)爭，保衛(wèi)和平。1957年5月，鮑林起草《科學(xué)家反對核實驗宣言》，該宣言在兩周內(nèi)就有2000多名美國科學(xué)家簽名，在短短幾個月內(nèi)，就有49個國家的11000余名科學(xué)家簽名。1962年因反對核彈在地面測試的行動獲得諾貝爾和平獎。
威爾金斯在一場研討會中拿到萃取自小牛胸腺的純DNA樣品。富蘭克林對樣品進行了研究，在衍射圖上她發(fā)現(xiàn)樣品干燥時，呈現(xiàn)出細小的針簇狀，較短較粗。而與水接觸后，則變成一團黏膠狀物質(zhì)，較長較細。她立即意識到，這可能是DNA的兩種形態(tài)，她將DNA干燥的形態(tài)命名為A型，潮濕的形態(tài)命名B型。富蘭克林還根據(jù)Pattersn函數(shù)分析中的堆積法，推測出堿基、磷酸基團分別位于DNA鏈內(nèi)、外，為闡明DNA的結(jié)構(gòu)打開了窗戶。
威爾金斯、富蘭克林團隊——矛盾重重的優(yōu)勢團隊1950年，富蘭克林受聘倫敦大學(xué)國王學(xué)院，負責(zé)管理的物理學(xué)家藍道爾安排她接手威爾金斯的工作，可以獨立的研究DNA結(jié)構(gòu)。由于威爾金斯不知道此事，度假歸來后兩人發(fā)生劇烈的爭吵。此后，除了逼不得已的工作需要，二人互不說話。威爾金斯、富蘭克林的強項是實驗物理，他們的獨門絕技是“X射線衍射技術(shù)”，所以研究遙遙領(lǐng)先。
英國物理化學(xué)家與晶體學(xué)家羅莎琳德·富蘭克林?（，1920-1958）
英國分子生物學(xué)家莫里斯·威爾金斯（Maurice Wilkins，1916-2004）
1953年1月，威爾金斯在富蘭克林不知情的情況下給沃森、克里克看了“照片51號” 。“照片51號”讓沃森與克里克茅塞頓開，結(jié)合之前的研究，以及查戈夫提出的“查蓋夫規(guī)則”，即在任何DNA中，A=T，G=C。他們很快就研究出了DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)，提煉出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。沃森、克里克在1953年5月25日出版的英國《自然》雜志上報告了這一發(fā)現(xiàn)，并獲得1962年的諾貝爾生理學(xué)獎。
沃森、克里克團隊——拼勁十足的團隊沃森是正統(tǒng)的生物學(xué)家，而克里克是理論物理學(xué)家，他們理論功底扎實，在相同數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，能夠更快、更好地推導(dǎo)出結(jié)果。但因為實驗?zāi)芰皸l件的限制，他們的研究處于下風(fēng)。沃森和克里克嘗試了不同的結(jié)構(gòu)模型,單鏈螺旋結(jié)構(gòu)模型、三鏈螺旋結(jié)構(gòu)模型，被富蘭克林嗤之以鼻。
美國分子生物學(xué)家詹姆斯·沃森（，1928-至今）
英國生物學(xué)家，物理學(xué)家，及神經(jīng)科學(xué)家弗朗西斯·克里克（,1916-2004）
“照片51號” B型DNA的X射線晶體衍射照片
X射線的特點波長短、穿透力強．能產(chǎn)生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等現(xiàn)象。
利用X射線在晶體物質(zhì)中的衍射效應(yīng)進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)。
衍射概念物理上指各種波在傳播時，若被大小相近于波長的物體阻擋，即繞過此物體繼續(xù)行進。若通過大小相近于波長的孔，則以此孔為中心，形成環(huán)形波往前傳遞，此種現(xiàn)象稱為「衍射」。
二、新課教學(xué)--DNA的結(jié)構(gòu)
DNA基本單位——脫氧核苷酸
A、G、C、T，相應(yīng)的有四種脫氧核苷酸
磷酸、脫氧核糖、含氮堿基
兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈
DNA的結(jié)構(gòu)和組成總結(jié)
思考：DNA是遺傳物質(zhì)，那么DNA是通過什么儲存大量的遺傳信息？
答：DNA通過堿基對的排列順序儲存大量的遺傳信息，即為脫氧核苷酸的排列順序。
DNA是由兩條單鏈組成的，這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架；堿基排列在內(nèi)側(cè)。兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對，并且堿基配對具有一定的規(guī)律：A(腺嘌呤)一定與T(胸腺密啶)配對；G(鳥嘌呤)一定與C(胞密啶）配對。堿基之間的這種一一對應(yīng)的關(guān)系，叫作堿基互補配對原則。
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要性質(zhì)
具有n個堿基對的DNA具有4n種堿基對排列順序。
每個DNA分子都具有其特定的堿基對排列順序。
磷酸與脫氧核糖之間的共價鍵維持了一級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；氫鍵與其他作用力維持了空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
嘌呤和嘧啶之間通過氫鍵配對，形成堿基對，且A只和T配對、C只和G配對，這種堿基之間的一一對應(yīng)的關(guān)系就叫做堿基互補配對原則。
兩條長鏈上的脫氧核糖與磷酸交替排列的順序是穩(wěn)定不變的。
長鏈中的堿基對的排列順序是千變?nèi)f化的。
3、一條鏈中不互補堿基的和之比等于另一條鏈中這種比值的倒數(shù)。
對于堿基數(shù)量計算，主要是抓住幾個基礎(chǔ)關(guān)系，只要能掌握三個關(guān)系式,靈活運用，就可解決一般的堿基計算的題目，這三個關(guān)系式分別是
A=T，C=G，A1=T2，A2=T1，C1=G2，C2=G1
1、在雙鏈中，兩種不互補的堿基和與另外兩種的和相等。
2、雙鏈中不互補的堿基和與雙鏈堿基總數(shù)之比等于50%。
4、一條鏈中互補堿基的和之比等于另一條鏈中這種比值，也等于雙鏈中的這種比值。
2、某同學(xué)在構(gòu)建DNA分子模型時，想用不同的幾何圖形代表脫氧核苷酸的三個不同組成部分。那么該同學(xué)組建的DNA分子模型中共有多少種不同的幾何圖形（ ）。A．五種 B．六種C．七種 D．八種
1、下列關(guān)于威爾金斯、沃森和克里克、富蘭克林、查哥夫等人在DNA分子結(jié)構(gòu)構(gòu)建方面突出貢獻的說法中，正確的是（ ）。A．威爾金斯和富蘭克林提供了DNA分子的電子顯微鏡圖像B．沃森和克里克提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型C．查哥夫提出了A與T配對、C與G 配對的正確關(guān)系D．富蘭克林和查哥夫發(fā)現(xiàn)A的量等于T的量、C的量等于G的量
4、下面關(guān)于DNA分子結(jié)構(gòu)的敘述中錯誤的是 ( )A．每個雙鏈DNA分子通常都會含有四種脫氧核苷酸B．每個核糖上均連接著一個磷酸和一個堿基C．每個DNA分子的堿基數(shù)＝磷酸數(shù)＝脫氧核糖數(shù)D．雙鏈DNA分子中的一段若含有40個胞嘧啶，就一定會同時含有40個鳥嘌呤
3、如果某DNA分子的一條鏈上的某段堿基排列順序是……A—G—A—T—C—G—A—T……，則另一條鏈上對應(yīng)的堿基排列順序是(　　)A．……A—G—A—T—C—G—A—T……B．……G—A—G—T—C—G—T—A……C．……T—C—T—A—G—C—T—A……D．……C—T—C—G—C—T—A—T……
6、決定DNA分子的多樣性主要是（ ）。A．組成DNA的脫氧核糖核酸種類很多 B．組成DNA的堿基種類很多C．組成DNA的堿基數(shù)量極多 D．組成DNA的堿基排列順序不同
5、現(xiàn)有一待測核酸樣品，經(jīng)檢測后，對堿基個數(shù)統(tǒng)計和計算得到下列結(jié)果：(A+T)∶(G+C)=(A+G)∶(T+C)=1。根據(jù)此結(jié)果，該樣品（ ）。A. 無法被確定是脫氧核糖核酸還是核糖核酸B. 可被確定為雙鏈DNAC. 無法被確定是單鏈DNA還是雙鏈DNAD. 可被確定為單鏈DNA

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第2節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)

版本： 人教版 (2019)

年級： 必修2《遺傳與進化》

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