3.2 DNA的结构（教学设计）高中生物人教版（2019）必修2（表格版）

第 3 章 基因的本质
第2节　DNA的结构
年级 高一年级 授课时间 1课时
课题 第2节　DNA的结构
教材分析 本节课是必修2第3章第2节"DNA的结构"的核心内容。在上一节学习了DNA是主要的遗传物质后，本节进一步探究DNA的分子结构，为后续学习DNA的复制、基因的表达等内容奠定基础。本节课主要包括三个核心部分： 1.DNA双螺旋结构模型的构建：通过科学史再现沃森和克里克发现DNA双螺旋结构的过程，包括富兰克林的X射线衍射图谱、查哥夫的碱基分析等关键证据。 2.DNA的结构特性：掌握DNA双螺旋结构的主要特点，包括反向平行、外侧骨架、内侧碱基对、碱基互补配对原则等。 3.DNA分子中碱基数目的相关计算规律：通过碱基互补配对原则，推导DNA分子中碱基的数量关系，掌握相关计算规律。 本节课是分子生物学的重要基础，对培养学生的空间想象能力和逻辑推理能力具有重要意义。
学情分析 【已有知识基础】 已掌握DNA是主要的遗传物质的相关实验证据。 了解核酸的基本组成单位——核苷酸的结构。 知道DNA由脱氧核苷酸组成，RNA由核糖核苷酸组成。 具备一定的空间想象能力和逻辑推理能力。 【可能存在的学习困难】 1.空间结构想象困难：DNA双螺旋结构是三维立体结构，学生难以在脑海中构建清晰的图像。 2.科学史理解不清：沃森和克里克发现DNA结构的过程涉及多个科学家的贡献，逻辑关系复杂。 3.碱基计算规律混淆：DNA分子中碱基比例的计算规律较多，容易混淆和记错。 4.氢键概念理解不足：学生对氢键的形成和作用理解不深，影响对DNA稳定性的理解。 5.模型构建能力不足：动手构建DNA模型时，可能出现连接错误、配对错误等问题。 【教学策略】 采用科学史教学法，让学生跟随科学家的脚步，逐步构建DNA模型。 设计模型构建活动，让学生动手搭建DNA模型，加深理解。 用动态演示和3D动画，直观展示DNA双螺旋结构。 通过例题讲解，帮助学生掌握碱基计算的规律和技巧。 设计趣味闯关游戏，巩固所学知识。
教学目标 【知识目标】 1.了解DNA双螺旋结构模型的构建历程 2.掌握DNA分子的基本组成单位和化学组成 3.理解DNA双螺旋结构的主要特点 4.掌握碱基互补配对原则及其相关计算规律 5.理解DNA分子的结构特性（稳定性、多样性、特异性） 【素养目标】 1.生命观念：理解DNA双螺旋结构的生物学意义，认识结构与功能相适应的生命观念；理解DNA的多样性、特异性和稳定性在遗传中的重要作用。 2.科学思维：通过分析DNA结构发现的科学史，培养科学推理和逻辑思维能力；能够运用碱基互补配对原则进行相关计算。 3.科学探究：能够参与DNA模型构建活动，体验科学家的探究过程；能够分析不同科学家的贡献，理解科学探究的协作性。 4.社会责任: 认识DNA结构发现对生命科学发展的重大意义；理解DNA指纹技术在刑侦、亲子鉴定等领域的应用价值。
教学重、难点 【教学重点】 1.DNA双螺旋结构的主要特点 2.碱基互补配对原则 3.DNA分子的结构特性 【教学难点】 1.DNA分子中碱基数量的相关计算规律 2.DNA双螺旋结构模型的构建思路 3.理解DNA分子的多样性和特异性
教学过程
教学内容 教师活动 学生活动
新课导入 【情景材料】 DNA比对技术是一种在生物学和生物信息学领域中常用的技术，它可以用比较两个或多个DNA序列的相似性和差异性。并播放视频。 【讨论】 (1)为什么通过DNA比对技术就能找到犯罪嫌疑人？ 引出课题：DNA的结构——探究DNA多样性和特异性的分子基础。 阅读资料并观看视频，思考并回答问题。 明确本节课探究主题。
新知探究 一、 DNA双螺旋结构模型的构建 【探究活动1】构建脱氧核苷酸单体 史料1:莱文和琼斯(美)，DNA由6种小分子组成:脱氧核糖、磷酸和4种含氮碱基(A、G、T、C)。 讨论: (1) DNA的基本单位是什么？ (2) 它是由什么组成的？ 【小组任务】绘制脱氧核苷酸单体模型 【探究活动2】构建脱氧核苷酸长链模型 史料2：化学家托德(英)相邻的1个脱氧核苷酸的3号C上的羟基与另一个脱氧核苷酸5号C上的磷酸基团通过聚合反应形成磷酸二酯键连接起来。 磷酸二酯键位置示意图 讨论: (1)脱氧核苷酸是如何连接成一条脱氧核苷酸长链？ 【小组任务】利用脱氧核苷酸模型，构建一条脱氧核苷酸单链模型 史料3：1952年5月,英国物理学家威尔金斯和其同事富兰克林利用X射线晶体衍射技术获得了一张清晰的十字B型DNA的照片(如图1)。 模型共同点:①相同碱基进行配对。 ②磷酸和脱氧核糖排列在外侧，碱基排列在内部。 史料4：利用2链和3链的DNA模型推测DNA的含水量，将其与DNA分子的实际含水量相比，2链螺旋结构模型中DNA含水量的理论值与实际测定数值相符，而3链螺旋结构模型不相符。 讨论: (1) 根据富兰克林的研究结果可知，DNA是由———条链组成的。 【探究活动3】构建DNA双链平面模型 史料5: 奥地利生物化学家查哥夫研究发现不同物种DNA中的4种碱基的含量如表1。 物种AGTC人19.930.919.829.4小麦23.825.624.626.0洋葱18.431.818.231.3
表 1 不同生物来源的 DNA 碱基含量 讨论: (1) 根据表1，可以推断出这四种含氮碱基之间有什么关系？ 【知识讲解】碱基间1的关系 (1)A=与T配对，形成两个氢键，C与G配对，形成三个氢键;碱基间一一对应的关系，称为碱基互补配对原则。 (2)氢键数目越多，耐热性就越强，结构越稳定。 阅读史料，完成任务。 小组利用卡纸上台绘制模型。 阅读史料，完成任务。 小组利用卡纸上台绘制模型。 阅读史料，完成任务。
二、DNA的结构特性 【知识讲解】DNA的结构特性 稳定性: (1)两条链反向平行盘旋成规则的双螺旋结构。 (2)外侧：脱氧核糖和磷酸交替连接成基本骨架。 (3)外侧：脱氧核糖和磷酸交替连接成基本骨架。 多样性: 每个DNA分子中碱基对的特定排列顺序。 特异性: 碱基对的数量不同、排列顺序的千变万化。 认真听讲，做笔记。
三、DNA分子中碱基数目的相关计算规律 【知识讲解】DNA分子中碱基数目的相关计算规律 规律一：氢键数目 已知：A与T之间形成两个氢键，C与G之间形成三个氢键。 完成任务: 例1：一个DNA分子有100个碱基对，其中A=24个，该DNA分子中含有_____个氢键。 规律二：碱基的数量关系 设DNA一条链为1链，互补链为2链。根据碱基互补配对原则可知，A1＝T2，A2＝T1，G1＝C2，G2＝C1。 双链中A＝T ，G＝C ，A＋G＝T+C＝A＋C＝T＋G＝T＋C。 规律1：双链DNA中，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数，任意两个不互补碱基之和为碱基总数的一半。 完成任务:例1：某生物细胞DNA分子的碱基中，腺嘌呤的分子数占18%，那么鸟嘌呤的分子数占_______。 规律2：互补碱基之和所占比例在任意一条链及整个DNA分子中都相等，简记为“补则等”。 完成任务: 例2：某DNA中A+T占整个DNA碱基总数的44%，其中一条链上的G占该链碱基总数的21%，那么，对应的另一条互补链上的G占该链碱基总数的比例是____。 规律3：非互补碱基之和的比值在两条互补链中互为倒数，简记为“不补则倒”。 完成任务: 例3：DNA的一个单链中（A+C）/（G+T）=0.4,上述比例在其互补单链和整个DNA分子中分别是_____、_____。 推理4：某种碱基在双链中所占的比例等于它在每一条单链中所占比例和的一半。 归纳：巧解DNA分子中有关碱基比例计算—“三步曲” 1.搞清题中已知的和所求的碱基比例是占整个DNA分子碱基的比例，还是占DNA分子一条链上碱基的比例。 2.画一个DNA分子模式图，并在图中标出已知的和所求的碱基。 3.根据碱基互补配对原则及其规律进行计算。 认真听讲，做笔记。 思考问题。
【习题巩固】 1．关于 DNA 和 RNA 的叙述，正确的是（ ） A．核酸包括脱氧核苷酸和核糖核苷酸两类 B．烟草花叶病毒中有 5 种含氮碱基，5 种核苷酸 C．烟草中共有 4 种含氮碱基，4 种核苷酸 D．若某种核酸含有 U，则该核酸一般由一条链组成 【答案】D 【详解】 A、核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类，而非由核苷酸类型分类。脱氧核苷酸是DNA的基本单位，核糖核苷酸是RNA的基本单位，A错误； B、烟草花叶病毒为RNA病毒，遗传物质仅为RNA，含4种含氮碱基（A、U、C、G）和4种核糖核苷酸，B错误； C、烟草为真核生物，细胞中同时含DNA和RNA。DNA含碱基A、T、C、G及4种脱氧核苷酸；RNA含碱基A、U、C、G及4种核糖核苷酸。故共有5种碱基（A、T、C、G、U）和8种核苷酸，C错误； D、含尿嘧啶（U）的核酸为RNA。RNA通常为单链结构（如mRNA、tRNA），D正确。 故选D。 2．DNA 指纹技术利用遗传信息的特异性，在现代刑侦工作中发挥了重要作用，下列叙述正确的是（　　） A．细胞中的DNA通常是由脱氧核苷酸连接而成的1条长链分子 B．不同生物的DNA分子中，碱基的种类和数目均存在明显差异 C．DNA指纹技术的原理体现在不同DNA 分子的脱氧核苷酸排列顺序不同 D．办案人员身体疲惫时服用核酸类保健口服液，可对自身基因进行有效修复 【答案】C 【详解】 A、细胞中的DNA通常是由两条脱氧核苷酸链组成的双螺旋结构，A错误； B、不同生物的DNA分子中，碱基的种类均为腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）四种，无差异，B错误； C、DNA指纹技术的原理是基于不同个体DNA分子的脱氧核苷酸排列顺序（即碱基序列）不同，导致遗传信息具有特异性，C正确； D、办案人员服用核酸类保健口服液后，核酸在消化道内被分解为核苷酸，用于核苷酸合成，但无法直接参与基因修复，D错误； 故选C。 3．如图为DNA分子片段的平面结构模式图，1~4是组成DNA分子的物质，相关叙述错误的是（　　） A．图中1是磷酸 B．图中2是核糖 C．图中3、4构成了碱基对 D．3、4含量高的DNA分子其稳定性较高 【答案】B 【详解】 A、由图可知，图中1是磷酸，A正确； B、图中为DNA片段，因此图中2是脱氧核糖，B错误； C、图中3、4构成了碱基对，而且为胞嘧啶和鸟嘌呤构成的碱基对，C正确； D、图中3、4构成了碱基对，含有三个氢键，其含量高的DNA分子稳定性相对较高，D正确。 故选B。 4．某小组在进行DNA模型搭建时，准备了代表碱基A、C、T、G、U的纸片15、12、11、13、14个，其它材料足量。已知1bp=1碱基对，该小组搭建的双链DNA模型最长为（ ） A．23bp B．26bp C．46bp D．52bp 【答案】A 【详解】DNA中含有A、C、T、G四种碱基，其中A和T配对，最多11对A-T，G和C配对，最多12对G-C，共最多23对碱基对，已知1bp=1碱基对，该小组搭建的双链DNA模型最长为23bp，A正确，BCD错误。 故选A。 5．核酸是以化合物b为基本组成单位的生物大分子，具有复杂的结构和重要的生物学功能。化合物b的结构组成如图所示，下列有关叙述正确的是（ ） A．组成化合物b的元素有C、H、O、N、P五种，其中a属于不能水解的糖，是生物体内的能源物质 B．若a为核糖，m为尿嘧啶，则由b组成的核酸主要分布在细胞核中 C．大肠杆菌体内含的化合物m共有5种 D．烟草叶肉细胞、烟草花叶病毒的遗传物质所具有的碱基和核苷酸的种类数依次是5、4和8、4 【答案】C 【详解】 A、化合物 b 为核苷酸，组成元素是 C、H、O、N、P，a 为五碳糖（核糖或脱氧核糖），是构成核酸的成分，不是能源物质，A错误； B、a为核糖、m为尿嘧啶时，b为尿嘧啶核糖核苷酸，组成的核酸是 RNA，主要分布在细胞质中，B错误； C、大肠杆菌含有 DNA 和 RNA，含有的碱基 m（含氮碱基）有 A、T、C、G、U 共 5 种，C正确； D、烟草叶肉细胞遗传物质是 DNA，碱基有 4 种（A、T、C、G），核苷酸有 4 种；烟草花叶病毒遗传物质是 RNA，碱基有 4 种（A、U、C、G），核苷酸有 4 种，D错误。 故选C。 6．某同学在准备了足够的材料制作成DNA双螺旋结构模型，下列关于模型叙述正确的是（　　） A．嘌呤碱基与嘧啶碱基之间都连接2个氢键 B．每个脱氧核糖上都应连接2个磷酸 C．应在脱氧核糖上连接磷酸和碱基 D．碱基和脱氧核糖交替连接位于主链的外侧 【答案】C 【详解】 A、嘌呤碱基包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），嘧啶碱基包括胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C），其中A-T通过氢键配对，有2个氢键，G-C通过氢键配对，有3个氢键，A错误； B、在DNA链中，位于中间的脱氧核糖同时连接1个上游磷酸和1个下游磷酸，连接2个磷酸，但链两端的脱氧核糖仅连接1个磷酸，B错误； C、脱氧核糖的一端连接含氮碱基，另一端连接磷酸基团，这是DNA基本单位脱氧核糖核苷酸的组成特征，C正确； D、DNA主链（骨架）由磷酸和脱氧核糖通过磷酸二酯键交替连接而成，位于外侧；碱基位于内侧并通过氢键配对形成碱基对，D错误。 故选C。 7．检测某双链DNA分子得知碱基A的数目为x，其所占比例为y，以下推断正确的是（ ） A．鸟嘌呤的数目为x（0.5y-1） B．嘌呤数与嘧啶数之比为y/（1-y） C．胸腺嘧啶的比例为 D．氢键的数目为3x/2y —x 【答案】D 【详解】 A、一个DNA分子中碱基A的数目为x，其占碱基总数量比例为y，则与该碱基互补配对的碱基T数目也为x，占碱基数量比例为y，因此鸟嘌呤的数目为（x/y-2x）÷2=x（0.5/y-1），A错误； B、双链DNA分子中嘌呤与嘧啶相等，因此嘌呤与嘧啶的比例是1，B错误； C、一个DNA分子中碱基A的数目为x，其占碱基总数量比例为y，则与该碱基互补配对的碱基T数目也为x，占碱基数量比例为y，C错误； D、DNA分子中，C和G之间有3个氢键，A和T之间有2个氢键。若该碱基为C或G，则该DNA分子的碱基之间的氢键数是3x+2(x/2y x)=（x+xy）/y；若该碱基为A或T，则该DNA分子的碱基之间的氢键数是2x+3(x/2y x)=3x/2y-x，D正确。 故选D。 8．刑侦人员将获得的DNA样品用合适的酶切成片段，然后用电泳的方法将这些片段按大小分开，形成DNA指纹图，下列说法错误的是（　　） A．人的遗传信息主要分布于染色体上的DNA中 B．依据图中的结果，怀疑对象1最可能是罪犯 C．DNA指纹技术依据的是DNA分子具有多样性 D．DNA指纹技术还可用于亲子鉴定和死者遗骸的鉴定 【答案】C 【详解】 A、人属于真核生物，其遗传物质DNA主要分布在染色体上，A正确； B、根据图中的实验结果，怀疑对象1的DNA指纹图与从受害者体内分离的精液样品最相似，所以最可能是罪犯，B正确； C、DNA指纹技术依据的是DNA分子具有特异性，C错误； D、根据DNA分子的特异性，DNA指纹技术可用于亲子鉴定和死者遗骸的鉴定，D正确。 故选C。 做习题，巩固知识。
课堂小结
板书设计 第2节 DNA的结构 一、DNA的基本单位——脱氧核苷酸 组成：磷酸 + 脱氧核糖 + 含氮碱基（A、T、C、G） 连接方式：磷酸二酯键（3'端与5'端连接） 二、DNA双螺旋结构的主要特点 1. 两条链反向平行盘旋成双螺旋 2. 外侧：脱氧核糖和磷酸交替连接，构成基本骨架 3. 内侧：碱基通过氢键连接成碱基对 A与T配对（2个氢键） G与C配对（3个氢键） 4. 碱基互补配对原则 三、DNA的结构特性 1. 稳定性：磷酸二酯键、氢键、碱基堆积力 2. 多样性：碱基对数量、排列顺序千变万化 3. 特异性：每个DNA分子有特定的碱基排列顺序 四、DNA碱基计算规律 规律1：A=T，G=C，A+G=T+C 规律2：互补碱基之和的比例在每条链和整个DNA中相等 规律3：非互补碱基之和的比值在两条链中互为倒数 规律4：某种碱基在双链中的比例等于它在每条链中比例的平均值 五、解题"三步曲" 画DNA模式图 → 标出已知碱基 → 根据规律计算
课后作业 1．图1表示某种核苷酸的结构，图2表示一条核苷酸长链的部分结构。下列叙述正确的是（ ） A．将图2分子初步水解和彻底水解后都能得到6种水解产物 B．图2中标号4为核苷酸，包括胞嘧啶脱氧核苷酸或胞嘧啶核糖核苷酸 C．在人体细胞中由A、C、T3种碱基参与构成的核苷酸共有3种 D．图1的名称是腺嘌呤核糖核苷酸，构成的大分子通常是单链结构 【答案】D 【详解】 A、由图2可知，图2表示为脱氧核苷酸长链，其初步水解的产物为4种脱氧核苷酸，其彻底水解为6种产物，分别为脱氧核糖、磷酸、A、C、T、G，A错误； B、图2中含有T，则表示DNA，则标号4为胞嘧啶脱氧核苷酸，B错误； C、人体细胞中含有DNA和RNA两种核酸。T是DNA特有的碱基，只能参与构成胸腺嘧啶脱氧核苷酸。因此，由A、C、T3种碱基参与构成的核苷酸共有5种，C错误； D、图1中五碳糖是核糖，含氮碱基是腺嘌呤。所以图1的名称是腺嘌呤核糖核苷酸，构成的RNA通常是单链结构，D正确。 故选D。 2．某真核生物体内DNA分子片段的结构如图所示。下列叙述正确的是（　　） A．①的形成需要解旋酶催化，③的形成需要DNA聚合酶催化 B．②表示腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，数量多时DNA结构不稳定 C．该分子复制时，原料按碱基互补配对原则连接在子链的5’端 D．该DNA的结构中，一定存在碱基的比例是（A+G）/（T+C）=1 【答案】D 【详解】 A、①是氢键，其形成不需要解旋酶催化，解旋酶的作用是断裂氢键；③是磷酸二酯键，其形成需要 DNA 聚合酶催化，A错误； B、图中②与T配对，②表示腺嘌呤（A），A与T之间存在两个氢键，C与G之间存在三个氢键，当C与G的数量多时，氢键数量多，DNA结构更稳定，B错误； C、该分子复制时，原料按碱基互补配对原则连接在子链的3' 端，而非 5' 端，因为 DNA 聚合酶只能从子链的 3' 端延伸 DNA 链，C错误； D、根据碱基互补配对原则，A=T，G=C，所以 (A+G)/(T+C)=1，该比例在双链 DNA 分子中一定成立，D正确。 故选D。 3．某同学欲制作DNA双螺旋结构模型，已准备了足够的相关材料。下列叙述正确的是（　　） A．鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连 B．腺嘌呤与胞嘧啶之和等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶之和 C．磷酸和脱氧核糖交替连接位于主链的内侧 D．需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基 【答案】B 【详解】 A、DNA中鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）之间通过3个氢键连接，并非2个，A错误； B、根据DNA的碱基互补配对原则，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对、鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对，即 A=T、G=C，因此A+C=G+T， B正确； C、DNA双螺旋的主链是磷酸与脱氧核糖交替连接，且主链位于双螺旋的外侧，碱基位于内侧， C错误； D、DNA的基本单位是脱氧核苷酸，其结构是脱氧核糖同时连接磷酸和碱基，并非在磷酸上连接脱氧核糖和碱基，D错误。 故选B。 4．识别下图进行判断，下列说法正确的是（ ） A．若该图为人体内一段肽链结构模式图，则N元素主要在1中，3的种类有21种 B．若该图为多糖的结构模式图，则由1、2、3组成的单体只含有C、H、O C．若该图为一段RNA结构模式图，则1表示磷酸，2表示碱基，3表示核糖 D．若该图为一段单链DNA结构模式图，则其多样性主要由3排列顺序千变万化造成的 【答案】D 【详解】 A、若该图为人体内一段肽链结构模式图，1是中心碳原子，2是肽键，3是R基。N元素主要存在于-CO-NH-结构中，而不是1（中心碳原子）中，A错误； B、该图表示多糖的结构模式图，几丁质属于多糖，含有C、H、O、N元素，B错误； C、若该图为一段RNA结构模式图，1应表示核糖，2表示磷酸，3表示碱基，C错误； D、若该图为一段单链DNA结构模式图，其多样性主要由4种碱基（3代表碱基）的排列顺序千变万化造成的，D正确。 故选D。
教学反思 成功之处与预期效果 1.科学史教学效果显著：通过再现沃森和克里克发现DNA结构的过程，让学生亲历科学探究历程，加深了对知识的理解。 2.模型构建活动有效：学生动手构建DNA模型，将抽象的空间结构具体化，突破了教学难点。 3.多媒体资源充分利用：3D动画和动态演示，帮助学生直观理解DNA双螺旋结构。 4.计算规律讲解清晰：通过例题讲解和规律总结，学生掌握了碱基计算的方法和技巧。 实施难点与应对策略 1.空间结构想象困难：学生难以想象三维结构。策略：使用3D动画和实物模型；从平面到立体逐步引导；鼓励学生动手构建模型。 2.碱基计算规律混淆：多条规律容易记混。策略：强调规律推导过程，理解记忆；制作记忆口诀；通过典型例题巩固。 3.氢键概念理解不足：策略：用比喻解释氢键作用；强调G-C对含3个氢键，稳定性更高；联系DNA热稳定性应用。 4.时间分配紧张：内容较多。策略：突出重点；精简讲解；合理分配各环节时间；部分内容作为课后拓展。 改进建议 1.开发DNA结构虚拟实验室，供学生课后探索DNA三维结构。 2.制作碱基计算微课，帮助学生掌握计算技巧。 3.设计分层练习题，满足不同层次学生的学习需求。 4.收集学生常见错误，编制针对性训练材料。 5.开展DNA模型制作比赛，激发学习兴趣。
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