师：同学们，大家好。今天我们一起来学习三维打印制作DNA分子结构模型。近些年来，分子生物学技术飞速发展，基因检测已经走入寻常百姓家。通过基因测试服务，我们可以对身体的多种特征和疾病发生的概率进行评估，并针对性地进行预防，就像天气预报能预先告知我们天冷要加衣服一样。因此，基因检测是预防疾病的可靠手段。
为什么基因检测有如此神奇之处呢？这正是我们这节课要解决的学习问题。首先要清楚，基因通常是指有遗传效应的DNA片段。在这个概念中，DNA片段指的是基因的结构和化学本质，遗传效应指的是基因的功能，也就是基因能通过其表达合成蛋白质，从而控制生物的某一性状。比如，我们通过一定的技术，将苏云金芽孢杆菌的BT基因转入棉花植株的细胞中后，棉株体内也能合成BT杀虫蛋白，从而表现出抗虫性。所以，只有知道了基因的结构，也就是DNA的结构，才能深刻理解基因检测为什么会有未卜先知的神奇作用，才能明白基因测序技术测的是什么，才能更清晰地理解基因检测在当前生物医学上的应用价值。
沃森和克里克于1953年提出了DNA双螺旋分子结构的模型，开启了分子生物学时代，生命之谜从此被打开。接下来，让我们跟随着科学家的脚步，构建DNA分子结构的模型，挖掘这小螺旋背后神奇的奥秘。这节课我们会先用到球棍模型来模拟DNA的分子结构，理解清楚原理后，再用三维打印机进一步制作DNA分子结构模型。
第一部分，DNA双螺旋分子结构的发现与模型构建。第一步，DNA的基本单位是什么？我们来看资料。从1905年开始，化学家列文便致力于研究核酸工作。他测得DNA的分子量可达20万到100万道尔顿，从而确定DNA为大分子化合物。他还识别了DNA的成分，发现DNA含有腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、脱氧核糖和磷酸盐。他弄清了这些成分是按磷酸 - 糖基的顺序连接在一起形成单元的。他将这些单元称为脱氧核苷酸，并指出DNA分子是由一串通过磷酸基团连接在一起的脱氧核苷酸单元组成。
首先介绍一下模型组件。蓝色的小球表示脱氧核糖，白色的小球表示磷酸基团，红色的柱体表示腺嘌呤（A），绿色的柱体表示胸腺嘧啶（T），黄色的柱体表示胞嘧啶（C），蓝色的柱体表示鸟嘌呤（G），白色的小棍表示相应的化学键。接下来我们利用模型组件来拼装DNA的基本单位——脱氧核苷酸。1分子的脱氧核苷酸是由1分子的脱氧核糖、1分子磷酸基团和1分子含氮碱基组成。
这是我们拼装好的若干个DNA的基本单位——脱氧核苷酸。同学们，DNA是生物大分子，由众多基本单位组成。那么第二步，这些小小的基本单位脱氧核苷酸又是如何相连的呢？我们来看资料二。1952年，化学家托德认为核苷酸之间是通过磷酸二酯键进行连接的，此处的磷酸基团同时与前后两个羟基形成酯键，所以称为磷酸二酯键。就这样依次连接下去，形成长长的脱氧核苷酸链。接下来请插入视频，脱氧核苷酸之间通过3',5'-磷酸二酯键连接成脱氧核苷酸链，让我们把这些小小的基本单位连接成长链吧。
同学们，既然我们已经知道了脱氧核苷酸之间通过磷酸二酯键连接成长链，那么第三步，一个DNA分子到底有几条脱氧核苷酸链呢？我们来看资料。1938年，科学家由DNA的密度推算出DNA中含有的脱氧核苷酸链数不少于两条，不多于4条。物理学家威尔金斯分析DNA分子，发现每个DNA结构单位有22个脱氧核苷酸，而每条链上则有11个脱氧核苷酸。1952年，富兰克林成功获得了一张足够清晰的DNA的X光衍射图。X射线在照射DNA分子时先后经两个互成角度单缝后发生衍射，由此形成的衍射图呈X形。这张图成为DNA双螺旋结构的最关键证据。通过以上数据和证据的分析，相信同学们心中已经有明确的答案了，那就是一个DNA分子是由两条脱氧核苷酸链组成的，并且在空间结构上是螺旋的，也就是双螺旋的分子结构。根据碱基互补配对原则，我们再拼装好另外一条脱氧核苷酸链。同学们请进一步思考，既然DNA是由两条脱氧核苷酸链组成的双螺旋结构，那么结构的稳定性靠什么维系呢？也就是第四步，两条脱氧核苷酸链之间的连接方式又是怎样的呢？我们来看资料4、5、6。
1951年，富兰克林系统地研究了湿度对DNA分子晶格衍射的影响，发现当湿度从70%增至90%时，晶格由A型变为B型，并明确认为B型结构为螺旋型。他还指出DNA分子中的磷酸根基团暴露在水中，这就暗示了磷酸根基团应该在螺旋的外侧，而碱基则应该在内侧。科学家佩鲁兹对DNA进行晶体分析，发现DNA的双链是呈相反方向排列的。1950年，美国生化学家查戈夫采用纸层析、分光光度法等精确测定了多种生物的碱基组成，提出了查哥夫规则，即在任何DNA当中，A=T，G=C，所以有A + G = T + C。到此，双螺旋的谜底就全部揭开了。原来DNA分子是一个由两条反向平行的脱氧核苷酸链通过氢键相连的立体双螺旋结构。最后我们把两条脱氧核苷酸链连接在一起。注意这两条链的关系是反向平行的，这就是DNA的平面结构。