1、第2节 DNA分子的结构 课前自主预习案一、DNA 双螺旋结构模型的构建1构建者：。2构建过程沃森和克里克3新模型的特点及意义(1)特点：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 分子具有。(2)意义能解释的数量关系。能解释 DNA 的。模型与 X 射线衍射照片完全相符。稳定的直径A、T、G、C复制二、DNA 分子的结构1结构图示2图示解读基本组成元素 组成物质，基本组成单位，共 4 种整体结构 由两条链按方式盘旋成双螺旋结构 外侧 由和交替连接组成基本骨架 结构特点 内侧碱基之间通过氢键连接；遵循原则，即 T()一定与配对，C(胞嘧啶)一定与配对C、H、O、N、P
2、碱基脱氧核糖磷酸脱氧核苷酸反向平行脱氧核糖磷酸碱基互补配对胸腺嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤判断对错(正确的打“”，错误的打“”)1沃森和克里克在构建 DNA 双螺旋结构模型过程中，碱基配对方式经历了相同碱基配对到嘌呤与嘧啶配对的过程。()提示：2组成 DNA 分子的基本单位是 4 种脱氧核苷酸，其中所含的碱基是 A、U、G、C。()提示：U(尿嘧啶)只在 RNA 中含有，DNA 中特有的是T(胸腺嘧啶)。3在 DNA 分子中一定存在如下关系：CT，AG。()提示：在 DNA 分子双链上，A 和 T 配对，C 与 G 配对，一定存在的关系：AT，GC。4双链 DNA 分子中的每个磷酸都与 2 个五碳糖连接。
3、()提示：双链 DNA 分子中大多数磷酸与 2 个五碳糖连接，但位于末端的磷酸只与 1 个五碳糖连接。课堂互动探究案 课程标准概述 DNA 分子是由四种脱氧核苷酸构成，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码了遗传信息搜集 DNA 分子结构模型建立过程的资料并进行讨论和交流制作 DNA 分子双螺旋结构模型素养达成1了解科学家构建模型的研究历程，领悟模型建构在研究中的应用，体会持之以恒的科学精神。(社会责任)2通过动手制作模型，培养观察能力，动手能力及空间想象能力等，形成结构与功能观。(科学探究)3理解并掌握 DNA 分子的结构特点，并掌握有关的计算规律。(科学思维
4、)你知道冷泉港实验室吗？美国冷泉港实验室被誉为世界生命科学的圣地与分子生物学的摇篮，如今约有 300 倍研究人员在冷泉港实验室从事科研工作。曾任冷泉港实验室负责人的沃森是DNA 双螺旋结构的发现者之一，诺贝尔奖得主。请思考：沃森发现的 DNA 双螺旋结构与图中的结构一样吗？探究点一 DNA 分子的结构【师问导学】一、DNA 双螺旋结构模型的构建 仔细阅读教材 P4748 沃森和克里克构建 DNA 双螺旋结构模型的故事，探究下列问题：(1)沃森和克里克在构建模型的过程中，借鉴利用了他人的哪些经验和成果？提示：当时科学界已发现的证据；英国科学家威尔金斯和富兰克林提供的 X 射线衍射图谱；奥地利著名
5、生物化学家查哥夫的研究成果，腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量，鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量。(2)沃森和克里克在构建模型过程中，出现了哪些错误？提示：将碱基置于螺旋外部。以相同碱基进行配对连接双链。二、如图是 DNA 片段的结构图，请据图思考下列问题：(1)DNA 的基本单位是什么？四种基本单位的主要区别是什么？提示：脱氧核苷酸；碱基种类。(2)写出图中数字的名称。提示：1：碱基对；2：脱氧核苷酸链；3：脱氧核糖；4：磷酸基团；5：腺嘌呤脱氧核苷酸；6：腺嘌呤；7：氢键。(3)为什么“GC”含量越多的 DNA 越耐高温？提示：GC 之间的氢键数量是 3 个，而 AT 之间
6、的氢键数量是 2 个，所以含“GC”越多则结构越稳定，越不容易被高温破坏。(4)乙比甲结构更稳定，为什么？提示：甲所示的是平面结构，乙是双螺旋结构，螺旋化使DNA 分子的结构更稳定。(5)不同的 DNA 分子哪些方面会有所不同？(供选：脱氧核苷酸的数量、碱基种类、基本骨架、碱基对的排列顺序)提示：脱氧核苷酸的数量和碱基对的排列顺序。(6)DNA 分子中，每个脱氧核糖均连接一个磷酸和一个碱基吗？提示：DNA 分子中，每个脱氧核糖均连一个碱基；而除 3端的脱氧核糖只连一个磷酸外，其他部位的脱氧核糖均连两个磷酸。(7)DNA 分子中，互补链之间相邻两个脱氧核苷酸靠什么连接？提示：互补链配对的两脱氧核
7、苷酸之间靠氢键相连。【智涂笔记】利用数字“五、四、三、二、一”巧记 DNA 分子的结构【师说核心】1DNA 分子的结构(1)DNA 单链：脱氧核苷酸分子连接成脱氧核苷酸链(如图)。(2)DNA 双链：两条脱氧核苷酸单链以氢键相连形成(如图)。每个 DNA 片段中、之间的数量比为 1：1：1，游离的磷酸基团有 2 个；一条核苷酸链中相邻两个核苷酸通过磷酸二酯键相连；连接双链之间的化学键为碱基对之间的氢键；每个脱氧核糖(除两端外)连接着 2 个磷酸，分别在 3 号、5 号碳原子上相连接；在 DNA 分子的一条单链中相邻的碱基通过“脱氧核糖磷酸脱氧核糖”相连接；若碱基对数为 n，则氢键数为 2n3n
8、；若已知 A 有 m 个，则氢键数为 3nm。2DNA 分子的结构特性(1)稳定性：DNA 中脱氧核糖和磷酸交替连接的方式不变；两条链间碱基互补配对的方式不变。(2)多样性：DNA 分子中碱基对(脱氧核苷酸对)的排列顺序多种多样，构成了 DNA 的多样性遗传信息的多样性生物多样性。(3)特异性：每种 DNA 有别于其他 DNA 的特定的碱基排列顺序。【检测反馈】1在 DNA 分子的一条单链中，相邻的碱基 A 与 T 是通过下列哪种结构连接起来的()A氢键B脱氧核糖磷酸脱氧核糖C肽键D磷酸脱氧核糖磷酸解析：在 DNA 分子的一条单链中，相邻碱基之间的连接是脱氧核苷酸之间的连接，故相邻的碱基 A
9、与 T 之间是通过“脱氧核糖磷酸脱氧核糖”彼此连接起来的，B 正确。答案：B2如图为核苷酸的模式图，下列相关说法，正确的是()ADNA 与 RNA 的不同点只体现在处B若为核糖，则可以是胸腺嘧啶C在 T2 噬菌体中核苷酸共有 8 种D人体内的有 5 种，有 2 种解析：图中分别是磷酸、五碳糖、含氮碱基。DNA与 RNA 的不同点体现在两处，A 错误；若为核糖，则可以是 A、U、C、G，但是不可能是 T(胸腺嘧啶)，B 错误：T2噬菌体是 DNA 病毒，只含有一种核酸，4 种核苷酸，C 错误；人体内有 2 种核酸，故有 2 种核糖，5 种碱基，D 正确。答案：D3下列关于威尔金斯、沃森和克里克、
10、富兰克林、查哥夫等人在 DNA 分子结构构建方面的突出贡献的说法中，正确的是()A威尔金斯和富兰克林提供了 DNA 分子的电子显微镜图像B沃森和克里克提出了 DNA 分子的双螺旋结构模型C查哥夫提出了 A 与 T 配对、C 与 G 配对的正确关系D富兰克林和查哥夫发现 A 的量等于 T 的量、C 的量等于G 的量解析：在 DNA 分子结构构建方面，威尔金斯和富兰克林提供了 DNA 的衍射图谱，A 错误；查哥夫发现了 A 的量总是等于T 的量、C 的量总是等于 G 的量，沃森和克里克在此基础上提出了 A 与 T 配对、C 与 G 配对的正确关系，并构建了 DNA 分子的双螺旋结构模型，B 正确，
11、C、D 错误。答案：B4下面为含有四种碱基的 DNA 分子的结构示意图，对该图的正确描述是()A有可能是碱基 AB和相间排列，构成 DNA 分子的基本骨架C中特有的元素分别是 P、C 和 ND与有关的碱基对一定是 AT解析：该 DNA 分子含有四种碱基，且 A 与 T 之间形成两个氢键，G 与 C 之间形成三个氢键，因此与有关的碱基对一定是 AT，与有关的碱基对一定是 GC，但无法确定具体是哪一种碱基。DNA 分子的基本骨架是由磷酸和脱氧核糖交替连接构成的，应为图中的。中特有的元素是 P，中特有的元素是 N，而 C 并不是所特有的，中也含有 C。答案：D探究点二 DNA 分子碱基比率的计算【师
12、问导学】结合 DNA 分子双螺旋结构模型的特点思考下列问题：1为什么 DNA 分子中嘌呤和嘧啶数量相等？提示：碱基互补配对原则中，A 总是和 T 配对，G 总是和 C配对，所以 AT，GC，AGCT。2为什么“AT”或“GC”在整个双链上所占的比例与在每一条单链上所占的比例相等？提示：设在双链 DNA 分子中的一条链上 A1T1n%，因为 A1T2，T1A2，所以另一条链上：T2A2n%，整个 DNA分子中：ATn%。3如果一条链上A1G1T1C1m，则其互补链上A2G2T2C2比值是多少？提示：双链 DNA 分子的一条链上：A1G1T1C1m，因为A1G1T1C1T2C2A2G2m，所以互补
13、链上A2G2T2C21m。4DNA 分子中共有 4 种类型的碱基对，若某个 DNA 分子具有 n 个碱基对，则该 DNA 分子可能有多少种排列方式？提示：4n。5运用碱基互补配对原则分析，在所有的双链 DNA 分子中，(AG)/(CT)的值相同吗？在 DNA 分子的一条链中是否存在同样的规律？提示：相同。在双链 DNA 分子中，由于 AT，GC，所以嘌呤数等于嘧啶数，即 AGTC，可得(AG)/(TC)1，因此双链 DNA 分子中(AG)/(TC)的值相同。在单链 DNA 分子中不存在同样的规律，因为 A 与 T，G与 C 不一定相等。6DNA 的两条链之间，哪些比例是相等的？哪些比例互为倒数
14、？提示：能配对的两个碱基之和所占的比例，即(AT)或(GC)在每条链上占的比例。AGTC或ACTG在互补链上的比值互为倒数。【智涂笔记】三步解决 DNA 分子中有关碱基比例计算第一步：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。第二步：画一个 DNA 分子模式图，并在图中标出已知的和所求的碱基。第三步：根据碱基互补配对原则及其规律进行计算。易错提醒：碱基数量计算的两个易错点(1)看清单双链：所求的碱基占单链中的比例还是双链中的比例。(2)看清“个”或“对”：题干中给出的数量是多少“对”碱基还是多少“个”碱基。方法规律：关于碱基含量计算的
15、“两点两法”(1)“两点”为两个基本点。A 与 T 配对，G 与 C 配对(AT，GC)。双链 DNA 分子中，嘌呤总数嘧啶总数1/2 碱基总数(AGTC)。(2)“两法”为双链法和设定系数法。用两条直线表示 DNA 分子的双链结构即双链法。设定系数法即设定一个系数来表示碱基的总数或碱基的数目。,【师说核心】1碱基互补配对原则AT，GC，如图所示。2有关推论(1)规律一：一个双链 DNA 分子中，AT、CG，则 AGCT，即“嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数”。注意：一个双链 DNA 分子中，AT 与 CG 不一定相等，而且一般都不相等。(2)规律二：在双链 DNA 分子中，AT 或 CG 在全部
16、碱基中所占的比例等于其任何一条单链中 AT 或 CG 所占的比例。由图知：A1T1G1C1m，A2T2G2C2m，整个双链 DNA 上的碱基总数为 2m。因为 A1T2、T1A2，则 A1T1A2T2，AT(A1T1)(A2T2)，A1T1mA2T2mA1T1A2T22m。(3)规律三：在 DNA 双链中，一条单链的A1G1T1C1的值与另一条互补单链的A2G2T2C2的值互为倒数关系。简记为“不配对的碱基和之比在两条单链中互为倒数”。注意：在整个 DNA 分子中该比值等于 1。(4)规律四：DNA 双链中，一条单链的A1T1G1C1的值，与另一条互补链的A2T2G2C2的值是相等的，也与整个
17、 DNA 分子中的ATGC的值是相等的。注意：综合规律三、四可简记为“补则等，不补则倒”。(5)规律五：不同生物的 DNA 分子中互补配对的碱基之和的比值不同，即(AT)/(CG)的值不同。该比值体现了不同生物DNA 分子的特异性。(6)规律六：若 A1单链b%，则 A1双链b2%。(7)规律七：若已知 A 在双链中所占的比例为 c%，则 A1 在单链中所占的比例无法确定，但最大值为 2c%，最小值为 0。3双链 DNA 分子中碱基数量关系的归纳(1)碱基互补配对原则的应用：在双链 DNA 分子中，四种碱基的比例和为 1。(2)AT，CG，AGCTACGT总碱基数的 1/2。(3)互补碱基之和
18、的比值(AG)在已知链、互补链和整个 DNA 分子中相等；非互补碱基之和的比值如(AG)在已知链与互补链间互为倒数，在整个 DNA 分子中该比值为 1。(4)在一个双链 DNA 分子中，某种碱基的比例等于其在每条链上所占比例的平均值。【检测反馈】1某双链 DNA 分子一条链上(AT)/(GC)的值为 0.3，则在整个 DNA 分子中 A:T:G:C 为()A1:1:1:1 B2:2:3:3C3:3:10:10 D10:10:3:3解析：某双链 DNA 分子一条链上(AT)/(GC)的值为 0.3，则另一条链上(AT)/(GC)的值也为 0.3。又因 AT、CG，故在整个 DNA 分子中 A:T
19、:G:C3:3:10:10，C 项正确。答案：C2甲生物核酸的碱基组成为嘌呤占 46%、嘧啶占 54%，乙生物遗传物质的碱基组成为嘌呤占 34%、嘧啶占 66%，则甲、乙生物可能是()A发菜、变形虫B玉米、T2 噬菌体C硝化细菌、绵羊D乳酸菌、SARS 病毒解析：甲生物核酸的碱基组成中嘌呤数不等于嘧啶数，可能是含有 DNA 和 RNA，也可能是只含有 RNA 一种核酸；乙生物遗传物质的碱基组成中嘌呤数不等于嘧啶数，说明只含有 RNA，而上述答案中，只有 D 项中 SARS 病毒的遗传物质是 RNA。答案：D3某双链 DNA 分子中 AT 占整个 DNA 分子碱基总数的38%，其中一条 a 链上
20、的 G 占该链碱基总数的 21%，那么，对应的另一条互补链 b 上的 G 占该链碱基总数的比例是()A41%B38%C28%D21%解析：在整个 DNA 分子中，AT38%，则 GC62%。在 a 链上 GC62%，由 G21%，推知 C62%21%41%。根据碱基互补配对原则可知，在 b 链上 G41%。答案：A4下列有关 DNA 分子的一条单链与其所在 DNA 分子中、一条单链与其互补链中碱基数目比值的关系图，不正确的是()解析：双链 DNA 分子中，(AC)/(TG)一定等于 1，故 A项正确；在 DNA 分子中，存在(A1T1)/(G1C1)(A2T2)/(G2C2)(AT)/(GC)
21、，故 B、D 项正确；当一条链中存在(A1C1)/(T1G1)1 时，其互补链中存在(A2C2)/(T2G2)(T1G1)/(A1C1)1，C 项错误。答案：C【网络建构】【主干落实】1DNA 分子的双螺旋结构(1)两条链反向平行。(2)脱氧核糖和磷酸交替连接，排列于外侧，构成基本骨架。(3)碱基通过氢键连接成碱基对，排列在内侧。2双链 DNA 分子中，嘌呤碱基数嘧啶碱基数，即 AGTC。3互补碱基之和的比例在 DNA 的任何一条链及整个 DNA分子中都相等。4在 DNA 分子中，含 GC 碱基对越多的 DNA 分子相对越稳定。5非互补碱基之和的比例在两条互补链中互为倒数，而在整个 DNA 分
22、子中比值为 1。(一)问题探讨提示：本节的问题探讨主要是培养学生收集资料、讨论交流的能力。(二)旁栏思考题1提示：(1)当时科学界已经发现的证据有：组成 DNA 分子的单位是脱氧核苷酸；DNA 分子是由含 4 种碱基的脱氧核苷酸长链构成的；(2)英国科学家威尔金斯和富兰克林提供的 DNA的 X 射线衍射图谱；(3)美国生物化学家鲍林揭示生物大分子结构的方法(1950 年)，即按照 X 射线衍射分析的实验数据建立模型的方法(因为模型能使生物大分子非常复杂的空间结构，以完整的、简明扼要的形象表示出来)，为此，沃森和克里克像摆积木一样，用自制的硬纸板构建 DNA 结构模型；(4)奥地利著名生物化学家
23、查哥夫的研究成果：腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量，鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量这一碱基之间的数量关系。2提示：沃森和克里克根据当时掌握的资料，最初尝试了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型，在这些模型中，他们将碱基置于螺旋的外部。在威尔金斯为首的一批科学家的帮助下，他们否定了最初建立的模型。在失败面前，沃森和克里克没有气馁，他们又重新构建了一个将磷酸核糖骨架安排在螺旋外部，碱基安排在螺旋内部的双链螺旋。沃森和克里克最初构建的模型，连接双链结构的碱基之间是以相同碱基进行配对的，即 A 与 A、T 与 T 配对。但是，有化学家指出这种配对方式违反了化学规律。1952 年，沃森
24、和克里克从奥地利生物化学家查哥夫那里得到了一个重要的信息：腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量，鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量。于是，沃森和克里克改变了碱基配对的方式，让A 与 T 配对，G 与 C 配对，最终，构建出了正确的 DNA 模型。(三)思考与讨论2提示：主要涉及物理学(主要是晶体学)、生物化学、数学和分子生物学等学科的知识。涉及的方法主要有：X 射线衍射结构分析方法，其中包括数学计算法；建构模型的方法等。现代科学技术中许多成果的取得，都是多学科交叉运用的结果；反过来，多学科交叉的运用，又会促进学科的发展，诞生新的边缘学科，如生物化学、生物物理学等。3提示：要善于利用
25、他人的研究成果和经验；要善于与他人交流和沟通，闪光的思想是在交流与撞击中获得的；研究小组成员在知识背景上最好是互补的，对所从事的研究要有兴趣和激情等。(四)模型建构1提示：DNA 虽然只含有 4 种脱氧核苷酸，但是碱基对的排列顺序却是千变万化的。碱基对千变万化的排列顺序使 DNA储存了大量的遗传信息。2提示：(1)靠 DNA 分子碱基对之间的氢键维系两条链的偶联；(2)在 DNA 双螺旋结构中，由于碱基对平面之间相互靠近，形成了与碱基对平面垂直方向的相互作用力(该点可不作为对学生的要求，教师可进行补充说明)。3略教材课后习题 一、基础题1.(1)胞嘧啶；(2)腺嘌呤；(3)鸟嘌呤；(4)胸腺嘧啶；(5)脱氧核糖；(6)磷酸；(7)脱氧核苷酸；(8)碱基对；(9)氢键；(10)一条脱氧核苷酸链的片段。2C3B二、拓展题 AT GCAGTCAG/(AGTC)TC/(AGTC)50%也可以写成以下形式：AG/TC(TG)/(AC)(TC)/(AG)1规律概括：在 DNA 双链中，任意两个不互补碱基之和恒等，并为碱基总数的 50%。