新课标人教版生物学教材遗传与进化第 3章第 2节DNA 的结构（教学设计）一、情景引入（感受 DNA 实物），贴近生活（一）观 DNA 实物实验材料：高浓度白酒;水果（草莓）;洗涤剂;食盐;塑料密封袋;纱布;烧杯;蒸馏水;吸管等。实验过程：在密封袋中加入 3 颗草莓（或其他食材）、一勺食盐、一瓶盖洗涤剂;密封塑料袋，用手掌按压草莓至糊状;用纱布过滤密封袋内糊状物质，收集滤液到烧杯内;将低温处理后的高浓度白酒（95%的酒精）倒入滤液中，观察到混合液上层出现白色丝（絮）状物质。近距离观察烧杯内上浮且呈白色、丝状（或絮状）的 DNA 实物，感受 DNA 的实物形态。使学生认同 DNA就在身边，调动学生的兴趣。通过回忆上节课 DNA 是主要的遗传物质，DNA 为什么能作为遗传物质，有什么样的结构特点和特性才能承担起遗传物质的重任。二、沿着科学史建构 DNA 的结构模型（一）讲述科学史DNA 结构研究上许多优秀的科学家都做出来卓越的贡献，首先从一位具有学科思想引领的科学家薛定谔说起，1933 年获得诺贝尔物理学奖，后来他的兴趣转向了生命科学的研究，1943年写了一本生命是什么，本书最前沿的思想是试图用物理学和化学理论来解释生命的本质。这一新的突破，使一些物理学家、化学家都转向了生命科学的研究，其中就包括克里克、鲍林、威尔金斯，为分子生物学的诞生奠定了坚实的基础。鲍林是美国化学家，获得过诺贝尔化学奖和诺贝尔和平奖，当时已经解析了蛋白质的空间结构，研究蛋白质的思路：基本单位（氨基酸）脱水缩合形成二肽多肽链盘曲折叠形成了具有空间结构的蛋白质。这为 DNA 的研究提供了研究思路。沿着科学家的步伐理解 DNA 的分子组成，1911 年美国化学家列文和琼斯两位科学家确定 DNA 的基本组成是脱氧核苷酸。核酸的组成元素、基本单位，对基本单位结构的深入理解，说出各核苷酸名称，并归纳核苷酸的结构特点：碱基与脱氧核糖中的 1 号碳连接，磷酸与 5 号碳连接。并且化学家已经研究出脱氧核苷酸是通过磷酸二酯键链接。富兰克林和威尔金斯采用 X 射线衍射技术，对 DNA 的结构进行射线拍摄和计算，仅停留拍摄和计算的阶段，DNA 的结构并不是他们发现的。沃森和克里克换了一种方法研究 DNA搭积木，也就是模型建构的方法。快速建构了 DNA的模型，和威尔金斯一起获得了诺贝尔生理学或医学奖。（二）建构模型过程1.建构一条脱氧核苷酸链教师提供资料：英国科学家富兰克林通过 X 射线对 DNA 形成的衍射图像，分析组成 DNA 的原子排列，了解到脱氧核苷酸之间通过磷酸与脱氧核糖 3 号碳原子形成磷酸二酯键而发生聚合。 2.建构 DNA 平面结构模型教师提供资料：科学家富兰克林不断完善研究工作，通过解析 X 射线的衍射图片推断出 DNA可能由两条链组成。与此同时，科学家沃森和克里克以威尔金斯和富兰克林提供的 DNA 衍射图谱的有关数据为基础，推断出 DNA 分子呈螺旋结构，利用化学家建构蛋白质分子模型的方法，尝试建构了不同的双螺旋和三螺旋结构模型，最终确定为双螺旋模型。后来，科学家对 DNA 模型的含水量进行推测，证实只有由 2 条链构成的 DNA 模型推测出的含水量与实际测得的 DNA 含水量相同，由此推出 DNA 分子是由两条链构成。学生小组讨论：由两条链构成的 DNA 平面模型可能有多少种类型？教师汇总小组讨论结果，由两条链构成的 DNA 平面模型可能类型。教师根据学生构建的平面模型，提出问题：哪种平面模型可能更科学？教师提供资料：化学特性上，DNA 周围为水环境且 DNA 溶于水;DNA 上的脱氧核糖和磷酸具亲水性，含氮碱基具有疏水性;物理特性上，沃森和克里克从富兰克林处得知，对 DNA 首尾两端分别进行 X 射线衍射，衍射图谱相同。学生分析可知：亲水的脱氧核糖和磷酸应该处于 DNA 双螺旋结构的外侧，疏水的碱基应该处于双螺旋结构的内侧;DNA 两端射线图相同，说明 DNA 首尾两端结构相同，即构成 DNA 的两条链是反向排列的。由此可推出 DNA 双链在平面上正确的方向组合。学生小组讨论：在 DNA 双螺旋结构的内部，4 种碱基是怎样的关系？可能存在的碱基配对类型有哪些？教师汇总小组讨论结果，碱基配对的可能类型有：（1）相同碱基配对（A 和 A 配对、T 和 T 配对等）;（2）不同碱基配对：嘌呤和嘌呤配对;嘧啶和嘧啶配对（A 和 G 配对，C 和 T 配对）;嘌呤和嘧啶配对（A 和 T 或 C 配对，G 和 T 或 C 配对）。教师提供资料，并展示 4 种碱基的分子结构式。20 世纪 40 年代后期，科学家用电子显微镜观察并计算出 DNA 分子直径约为 2 nm;沃森和克里克从奥地利著名化学家查哥夫处得知，A 的量总是等于 T 的量，G 的量总是等于 C 的量;剑桥数学家约翰格里菲斯通过数学方法计算出，A 吸引 T，G 吸引 C，且 A+T 的宽度与 G+C 的宽度相等;美国晶体学者多纳休向沃森和克里克证实，碱基之间是通过氢键相连;经其他科学家证实，碱基 A 和 T 通过两个氢键相连，碱基 C 和 G 通过三个氢键相连。学生讨论、指出 4 种碱基的分子结构特点;根据资料 4，推导碱基配对关系;总结配对的碱基间化学键的特点。教师汇总小组讨论结果：只有具有双环结构的嘌呤和具有单环结构的嘧啶结合，才能维持DNA 分子直径 2 nm 的稳定长度;DNA 中的碱基遵循碱基互补配对原则，即 A 与 T 配对，G 与 C 配对;碱基之间通过氢键相连，且 A 与 T 之间为两个氢键，G 与 C 之间为三个氢键。学生以小组为单位，建构由 10 个脱氧核苷酸对组成的 DNA 双链的平面模型。3.建构 DNA 立体结构模型教师展示沃森和克里克的 DNA 分子双螺旋结构模型：该模型两条链的直径为 2 nm，螺距为3.4 nm，每两个碱基对之间的间距为 0.34 nm。即，DNA 分子中，每 10 个脱氧核糖核苷酸对构成一个完整螺旋。当他们把用金属材料制作的模型与拍摄的 X 射线衍射照片比较时，发现两者完全相符。1953 年 4 月，沃森和克里克撰写的千字论文发表在自然上，在科学界引起轰动，他们将生物科学的研究视野从细胞水平推向了分子水平。因对 DNA 结构的贡献，沃森、克里克以及威尔金斯共同获得了 1962 年的诺贝尔生理学或医学奖。三、归纳 DNA 的结构特点学生讲述 DNA 的结构：DNA 为规则的双螺旋结构，两条链反向平行;脱氧核糖和磷酸交替连接排列在外侧，构成基本骨架;碱基通过氢键相连，排列在双螺旋结构内侧;碱基遵循碱基互补配对原则。老师展示 DNA 结构模型并升华：DNA 螺旋结构简约、舒适、充满力量、无限延展，它给予我们的不只是生命的奇妙，还可以从中获得面对生活的一种态度，面对生活，谁都不会一帆风顺，遇到困难，也应像螺旋结构一样不停向外生长，砥砺前行，也许这就是螺旋之美赋予生命的真谛。四、DNA 结构的多样性和特异性教师组织学生分析学生建构的 DNA 的作品，比较分析相同之处和不同之处相同之处：磷酸与脱氧核糖交替排列稳定不变稳定性碱基互补配对方式恒定不变稳定性不同之处：碱基排列顺序千变万化DNA 的多样性这样的结构才能承担遗传物质的重任。阐释了 DNA 作为遗传物质的结构基础。每组的 DNA 结构又有特定的排列顺序，也就见证了 DNA 的特异性知识迁移应用基于 DNA 的特异性，介绍 DNA 指纹技术的应用。特定的限制酶能将 DNA 分子切割成多个长度不同的片段，再利用电泳等技术分离这些片段，即可获得 DNA 片段图谱，即 DNA 指纹。DNA 指纹技术正发挥着越来越重要的作用，在亲子鉴定、侦察罪犯、物种鉴定等方面是目前最为可靠的鉴定技术。发散思维：学生讨论基于 DNA 的结构特点和特性，还有哪些应用？遗传病的检查、病毒的检测、精准医疗的应用等提升素养：DNA 的结构的开发和应用不断开拓新的领域，生命科学就是这样生生不息，生命科学的研究离不开新的学科，新的理论、新的技术的支持，这条路是非常漫长的，需要一代代人努力，希望你也能加入生物学的行列，投身于生命科学的研究之中。教师亲自编写 DNA 的故事总结孟德尔的豌豆一代又一代的茁壮成长;摩尔根的小果蝇在实验室里自由飞翔;证实了一个结论“基因在染色体上”。在那小小的细胞核里，有着许多神秘的染色体，染色体上的 DNA 记录着生命的全部遗传信息。1953 年沃森和克里克的一篇文章，扣人心弦，千字绝唱，DNA 盘旋着呼啸而上，但您慢慢走近它，方知道，它的内阁成员并不神秘，脱氧核糖、磷酸和碱基；磷酸、脱氧核糖交替排列，碱基严格配对形成规律，那就是碱基互补原则。碱基对排列顺序瞬息万变，构成大千世界的复杂信息。DNA 的了解还不彻底，辛勤的研究还在继续，期待着你的努力，你的加入会让生物世界更加绚丽。