1、第二节DNA分子的结构和复制第一课时DNA分子的结构【目标导航】1.阅读教材图文，了解DNA双螺旋结构模型的构建过程。2.结合教材图48和相关模型，概述DNA分子的双螺旋结构模型的特点。3.通过制作DNA双螺旋结构模型，进一步理解其结构特点并掌握有关的计算规律。一、DNA分子的结构(一)对DNA分子结构的认识过程时期科学家成果20世纪30年代后期瑞典科学家证明DNA是不对称的续表1951年查戈夫(美)定量分析DNA分子的碱基组成发现腺嘌呤(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)的量续表1952年富兰克琳(英)确认DNA为螺旋结构，并且是由不止一条链所构成195
2、3年沃森(美)和克里克(英)提出DNA分子的双螺旋结构模型(二)基本组成单位(1)DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，如下图所示：(2)碱基：A.腺嘌呤；G：鸟嘌呤；C：胞嘧啶；T：胸腺嘧啶。(三)DNA的双螺旋结构1填图右图为DNA分子的双螺旋结构模型图，试着完成相关内容。(1)写出图中各部分的名称：胸腺嘧啶(T)；脱氧核糖；磷酸；胸腺嘧啶脱氧核苷酸；碱基对；腺嘌呤(A)；鸟嘌呤(G)；胞嘧啶(C)。(2)图中可以看出，和A配对的一定是T，和G配对的一定是C，碱基对之间靠氢键连接。其中AT之间是2个氢键，GC之间是3个氢键。2双螺旋结构特点(1)DNA分子是由两条链构成的，这两条链按反向平行方
3、式盘旋成双螺旋结构。(2)DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基对排列在内侧。(3)两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。碱基配对的规律是：A与T配对，G与C配对。碱基之间的这种一一对应的关系，叫做碱基互补配对原则。3DNA分子的特性(1)稳定性：空间结构相对稳定。位于外侧的基本骨架一定是由磷酸和脱氧核糖交替连接形成的，不会改变。两条链间的碱基互补配对方式稳定不变，总是A与T、G与C配对。碱基对及其侧链基团对维持DNA分子的空间结构的稳定有着重要的作用。(2)多样性：不同的DNA分子中脱氧核苷酸的数目有差异，排列顺序多种多样。n对脱氧核苷酸可构成4n种排列次序(n为
4、脱氧核苷酸“对”数)。(3)特异性：每一种DNA分子都有特定的碱基对排列顺序。二、设计和制作DNA分子双螺旋结构模型1材料用具硬塑方框2个(长约10 cm)，细铁丝2根(长约0.5 m)，球形塑料片(代表磷酸)若干，双层五边形塑料片(代表脱氧核糖)若干，4种不同颜色的长方形塑料片(代表4种不同碱基)若干，粗铁丝2根(长约10 cm)，订书钉。2方法步骤(1)制作脱氧核苷酸模型：按照每个脱氧苷核酸的结构组成，挑选模型零件，组装成若干个脱氧核苷酸。(2)制作多核苷酸长链模型：按照一定的碱基排列顺序，将若干个脱氧核苷酸依次穿起来，组成一条多核苷酸长链。在组装另一条多核苷酸长链时，方法相同，但要注意两
5、点：一是两条长链的单核苷酸数目必须相同；二是两条长链并排时，必须保证碱基之间能够相互配对，不能随意组装。这是实验成败的关键所在。(3)制作DNA分子平面结构模型：按照碱基互补配对的原则，将两条多核苷酸长链互相连接起来。(4)制作DNA分子的立体结构(双螺旋结构)模型：把DNA分子平面结构旋转一下，即可得到一个DNA分子的双螺旋结构模型。判断正误(1)DNA分子由四种脱氧核苷酸组成，这四种脱氧核苷酸含有的碱基是A、U、C、G。()(2)AT碱基对和GC碱基对具有相同的形状和直径，使DNA分子具有稳定的直径。()(3)DNA的两条核糖核苷酸链反向平行盘旋成双螺旋结构。()(4)DNA双螺旋结构的基
6、本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成的。()(5)两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。()(6)DNA上碱基对的形成遵循碱基互补配对原则，即AT，GC。()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)一、DNA分子的结构及特点1DNA的分子组成2DNA的结构分类主链侧链构成方式磷酸和脱氧核糖交替连接，两条主链呈反向平行，有规则地盘旋成双螺旋主链上对应碱基以氢键连接成对，对应碱基之间互补(AT，GC)配对，碱基平面之间平行续表排列位置双螺旋结构外侧双螺旋结构内侧动态变化相对稳定碱基比率和碱基序列可变模型图解3巧记DNA分子的组成及结构五种元素：C、H、O、N、P；四种碱基：A、G、C、T，相应的有四
7、种脱氧核苷酸；三种物质：磷酸、脱氧核糖、含氮碱基；两条长链：两条反向平行的脱氧核苷酸链；一种螺旋：规则的双螺旋结构。4制作DNA双螺旋结构模型(1)制作原理DNA的脱氧核苷酸双链反向平行，磷酸与脱氧核糖交替连接，排列在外侧。碱基排列在内侧，碱基对通过氢键连接，碱基互补配对。(2)制作程序使用各种材料分别“制作”若干个磷酸、脱氧核糖、碱基；将各种配件整合在一起，并连接成脱氧核苷酸链；连接两条脱氧核苷酸链，拼成DNA分子平面结构图；再“旋转”成双螺旋结构。根据设计计划，对制作的DNA分子双螺旋结构模型进行检查，对模型的不足加以修正。1DNA分子中的碱基是如何连接的？答案DNA单链中相邻的碱基之间通
8、过“脱氧核糖磷酸脱氧核糖”相连接，而在双链中碱基通过氢键连接。2在一个双链DNA分子中，脱氧核糖、磷酸和含氮碱基的数量比例关系如何？一个DNA分子中含有多少个游离磷酸基团？答案脱氧核糖磷酸碱基111。一个DNA分子中只含有2个游离磷酸基团。3双链DNA分子中，嘌呤碱基数与嘧啶碱基数有什么关系？答案嘌呤碱基数嘧啶碱基数。1如图是DNA分子的部分平面结构示意图，下列有关叙述不正确的是()A图中4的全称是腺嘌呤脱氧核苷酸B构成DNA的核苷酸种类的不同与2有关CN元素存在于图中的含氮碱基中D从主链上看，两条脱氧核苷酸链反向平行【问题导析】(1)构成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸；(2)脱氧核苷酸种类
9、的不同与含氮碱基有关，与脱氧核糖和磷酸无关，图中2为脱氧核糖，3为含氮碱基。答案B【一题多变】(1)从主链上看，两条单链_平行；从碱基关系看，两条单链_。(2)_和_相间排列，构成了DNA分子的基本骨架。(3)图中有_种碱基，_种碱基对。(4)含有200个碱基的某DNA片段中碱基间的氢键共有260个。请回答：该DNA片段中共有腺嘌呤_个，C和G构成的碱基对共_对。在DNA分子稳定性的比较中，_碱基对的比例越高，DNA分子稳定性越高。答案(1)反向碱基互补配对(2)脱氧核糖磷酸(3)43(4)4060G与C解析(1)从主链上看，两条单链是反向平行的；从碱基关系看，两条单链遵循碱基互补配对原则。(
10、2)脱氧核糖与磷酸交替连接排列在外侧，构成DNA分子的基本骨架。(3)图中涉及到4种碱基，4种碱基之间的配对方式有两种，但碱基对的种类有4种，即AT、TA、GC、CG，但图中只有3种。(4)假设该DNA片段只有A、T两种碱基，则200个碱基，100个碱基对，含有200个氢键，而实际上有260个氢键，即GC或CG碱基对共60个，所以该DNA中腺嘌呤数为：(200260)/240个，C和G共60对。由于G与C之间有三个氢键，A与T之间有两个氢键，因此，G与C构成的碱基对的比例越高，DNA分子稳定性越高。二、有关DNA分子结构的计算1DNA分子的共性和特异性(1)共性：不因生物种类的不同而不同。1；
11、1；1。(2)特异性：的值在不同DNA分子中是不同的，是DNA分子多样性和特异性的表现。2相关计算如图是DNA分子中碱基配对的情况示意图，与碱基互补配对原则有关的规律：腺嘌呤与胸腺嘧啶相等，鸟嘌呤与胞嘧啶相等，即AT，GC。因此，嘌呤总数与嘧啶总数相等，即AGTC。一条链中的A和另一条链中的T相等，可记为A1T2，同样：T1A2，G1C2，C1G2。设在双链DNA分子中的一条链上A1T1n%，因为A1T2，A2T1，则：A1T1T2A2n%。整个DNA分子中：ATn%。在双链DNA分子中，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。设双链DNA分子中，一条链上：m，则：m，所以互
12、补链上。双链DNA分子中，非互补碱基之和的比值在两条互补链中互为倒数。DNA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DNA分子可有4n种碱基对排列方式。1在双链DNA分子中，若某一条链中m，则在另一条链中的比值是多少？在整个DNA分子中的比值是多少？答案在另一条链中及整个DNA分子中都是m。2在双链DNA分子中，若某一条链中n，则在另一条链中的比值是多少？在整个DNA分子中的比值是多少？答案在另一条链中的比值为1/n，在整个DNA分子中1。2某DNA分子中AT占整个DNA分子碱基总数的44%，其中一条链(a)上的G占该链碱基总数的21%，那么，对应的另一条互补链(b)上的
13、G占该链碱基总数的比例是()A35% B29% C28% D21%【问题导析】(1)整个DNA中的AT占整个DNA碱基总数的44%，则GC占整个DNA碱基总数的56%；(2)因为其中一条链(a)上的G占该链碱基总数的21%，所以与G对应的互补链(b)上的C占b链碱基总数的21%，则G(a链上)C(b链上)占DNA分子碱基总数的21%。(3)因为总的GC占整个DNA分子碱基总数的56%，所以G(b链上)C(a链上)占整个DNA分子碱基总数的35%，推得G占b链碱基总数的35%。答案A【一题多变】已知某双链DNA分子中，G与C之和占全部碱基总数的34%，其一条链中的T与C分别占该链碱基总数的32%
14、和18%，则在它的互补链中，T和C分别占该链碱基总数的()A34%和16% B34%和18%C16%和34% D32%和18%答案A解析根据双链DNA分子的特点，双链中，GC17%，AT33%，因其一条链中的T与C分别占该链碱基总数的32%和18%，则在它的互补链中，T66%32%34%，C34%18%16%。1下列能正确表示DNA片段的示意图的是()答案D2由50个脱氧核苷酸构成的DNA分子，按其碱基的排列顺序不同，决定了DNA的种类及特性分别是()504种450种425种遗传性多样性特异性A B C D答案D解析50个脱氧核苷酸共构成了25个碱基对，共有排列顺序425种，由此说明由于碱基对
15、(或脱氧核苷酸对)的排列顺序的多样性，决定了DNA分子的多样性。3假设一个DNA分子片段中，碱基T共312个，占全部碱基的26%，则此DNA片段中碱基G所占百分比和数目分别是()A26%,312个 B24%,288个C24%,298个 D12%,144个答案B解析DNA分子的碱基数目和比例严格遵循碱基互补配对原则，即DNA分子中有一个A，必定有一个和其互补的T；有一个C，必有一个G。根据这个原理可知G24%；又知T共312个，占26%，则可知该DNA分子片段中共有碱基31226%1 200个；前面已计算出G占24%，则G的数目是1 20024%288个。4分析以下材料，回答有关问题。材料一在沃
16、森和克里克提出DNA的双螺旋结构模型之前，人们已经证实了DNA分子是由许多脱氧核苷酸构成的长链，自然界中的DNA并不以单链形式存在，而是由两条链结合形成的。材料二在1949年到1951年期间，科学家查戈夫(E.Chargaff)研究不同生物的DNA时发现，DNA分子中的嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数，即A的总数等于T的总数，G的总数等于C的总数，但(AT)与(GC)的比值是不固定的。材料三根据富兰克琳(R.E.Franklin)等人对DNA的X射线衍射分析表明，DNA分子由许多“亚单位”组成，每一层的间距为0.34 nm，而且整个DNA分子长链的直径是恒定的。以上科学研究成果为195
17、3年沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构模型奠定了基础。请分析回答：(1)材料一表明DNA分子是由两条_组成的，其基本单位是_。(2)嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数，说明_。(3)A的总数等于T的总数，G的总数等于C的总数，说明 _。(4)A与T的总数和G与C的总数的比值不固定，说明_。(5)富兰克琳等人提出的DNA分子中的亚单位事实上是_；亚单位的间距都为0.34 nm，而且DNA分子的直径是恒定的，这些特征表明_。(6)基于以上分析，沃森和克里克提出了各对应碱基之间的关系是_，并成功地构建了DNA分子的双螺旋结构模型。答案(1)脱氧核苷酸长链脱氧核苷酸(2)DNA分子中嘌呤与嘧啶之
18、间一一对应(3)A与T一一对应，C与G一一对应(4)A与T之间的对应和C与G之间的对应互不影响(5)碱基对DNA分子的空间结构非常规则(6)A与T配对，C与G配对解析材料一表明了当时科学界对DNA的认识是：DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的双链结构。嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数，即A的总数等于T的总数，G的总数等于C的总数，说明二者可能是一种对应关系，而A与T的总数和G与C的总数的比值不固定则说明A与T之间的对应和C与G之间的对应是互不影响的，所以沃森和克里克提出了各对应碱基之间的关系是A与T配对，C与G配对，结果发现与各种事实相符，从而获得了成功。【基础巩固】1下列各项
19、中，能正确表示DNA分子中脱氧核苷酸对的是()答案A解析DNA分子中的碱基互补配对原则为A与T配对，G与C配对，A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键，两条链反向平行，所以A项正确；B、D两项配对方式不对，C项两条链方向不对。2DNA的一条单链中0.4。上述比例在其互补单链和整个DNA分子中分别为()A0.4、0.6 B2.5、1.0 C0.4、0.4 D0.6、1.0答案B解析根据碱基互补配对原则，在整个DNA分子中，因为AT，GC，所以比值为1.0。在双链DNA分子中，一条链上的与互补链上相等为0.4，因而互补链中2.5，互为倒数。3在DNA分子双螺旋结构中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之间有
20、2个氢键，胞嘧啶与鸟嘌呤之间有3个氢键。现有四种DNA样品，根据样品中碱基的百分含量判断最有可能来自嗜热菌(生活在高温环境中)的是()A含胸腺嘧啶32%的样品 B含腺嘌呤17%的样品C含腺嘌呤30%的样品 D含胞嘧啶15%的样品答案B解析DNA分子双螺旋结构中，A与T之间可以形成2个氢键，而G与C之间可以形成3个氢键，3个氢键稳定性强，因此G与C含量多的DNA分子的稳定性大于G与C含量少的DNA分子的稳定性。4下面为DNA分子的结构示意图，对该图的正确描述是()A和相间排列，构成了DNA分子的基本骨架B构成胞嘧啶脱氧核苷酸C占的比例越大，DNA分子越稳定DDNA分子中依次代表A、G、C、T答案
21、D解析DNA分子的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成，选项A错误；胞嘧啶脱氧核苷酸由组成，B项错误；表示AT碱基对，G、C对含量越多，DNA分子越稳定，选项C错误；根据碱基互补配对原则，、依次代表A、G、C、T，D项正确。5下表为生物学家在分析大麦、果蝇、猪、牛和人等生物DNA碱基比率时得到的结果：生物的种类大麦果蝇猪牛人1.211.371.431.311.52根据上表，可获得的最恰当的结论是()ADNA分子具有特异性BDNA分子具有多样性CDNA分子具有遗传性DDNA分子具有特异性和多样性答案D解析在双链DNA分子中，AT，GC，但的比值因生物种类不同而不同，每一种生物都有其特定的比值，
22、这就构成了DNA分子的特异性；不同生物，其比值又不同，这就构成了DNA分子的多样性。6下图是制作DNA双螺旋结构模型的过程图，请回答下面的问题。(1)在制作模型前进行的设计中，甲处应考虑具备_种材料，它们分别是_；其中五边形材料表示_。(2)乙表示的物质是_，a位置的元素是_。制作一个乙用到了_种材料。(3)由乙连接成丙的过程，需考虑的主要有：两条链中五边形材料的顶角应呈_(填“同向”或“反向”)关系；若一条链的下端是磷酸，则另一条链的上端应该是_，这样制作的目的是体现DNA双链_的特点。(4)随机将班里某两位同学制作的单链连接成双链，不合理的地方最可能是_。(5)丙到丁过程体现了DNA分子_
23、的特点，丁中排在外侧的物质是_。答案(1)6磷酸、脱氧核糖、四种碱基脱氧核糖(2)脱氧核苷酸氧3(3)反向磷酸反向平行(4)双链间的碱基配对不遵循碱基互补原则(5)螺旋交替连接的脱氧核糖和磷酸【巩固提升】7某生物核酸的碱基组成是嘌呤碱基占58%，嘧啶碱基占42%，此生物不可能是()A噬菌体 B大肠杆菌C人或酵母菌 D烟草答案A解析噬菌体由DNA和蛋白质构成，DNA为双链，嘌呤数与嘧啶数应相等，在人、酵母菌、大肠杆菌、烟草中既有DNA，也有RNA，且RNA为单链，因此嘌呤数与嘧啶数可能不相等。8下列关于沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型的叙述，错误的是()A沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型
24、是建立在DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链基础上的B查戈夫和富兰克琳通过对DNA衍射图谱的有关数据进行分析，得出DNA分子呈双螺旋结构C沃森和克里克曾尝试构建了多种模型D沃森和克里克最后受腺嘌呤(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)的量的启发，构建出科学的模型答案B9下图为某同学在学习DNA的结构后画的含有两个碱基对的DNA片段(“”代表磷酸基团)，下列为几位同学对此图的评价，其中正确的是()A甲说：“物质组成和结构上没有错误”B乙说：“只有一处错误，就是U应改为T”C丙说：“至少有三处错误，其中核糖应改为脱氧核糖”D丁说：“如果说他画的是RNA双
25、链则该图应是正确的”答案C解析图中有三处错误：核糖应改为脱氧核糖，“U”改为“T”，3,5磷酸二酯键应建立于磷酸和脱氧核糖的3号碳位间。10某双链DNA分子中，鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基的54%。其中链上的碱基中，22%是腺嘌呤，28%是胞嘧啶，则链中腺嘌呤占该链上所有碱基的比例和链中的胞嘧啶占整个DNA分子中所有碱基的比例分别为()A24%、13% B23%、27%C48%、26% D22%、28%答案A解析假设该DNA分子中碱基总数为200个，则GC108(个)，又因GC，所以GC54(个)；已知A10022%22(个)，C28个，又因CCC，所以C542826(个)，则链中C占整个DN
26、A分子中所有碱基的比例为2620013%。关于腺嘌呤的计算，因为TA46(个)，A462224(个)，则在链中腺嘌呤占该链上所有碱基的比例为24%。11如图是DNA片段的结构图，请据图回答：(1)图甲是DNA片段的_结构，图乙是DNA片段的_结构。(2)填出图中部分结构的名称：2_、5_。(3)从图中可以看出：DNA分子的基本骨架是由_和_交替连接而成的。(4)碱基对之间通过_连接，碱基配对的方式为：_与_配对；_与_配对。(5)从图甲可以看出：组成DNA分子的两条链的方向是_的；从图乙可以看出：组成DNA分子的两条链相互缠绕成_的_结构。答案(1)平面立体(或空间)(2)一条脱氧核苷酸长链的
27、片段腺嘌呤脱氧核苷酸(3)脱氧核糖磷酸(4)氢键A(腺嘌呤)T(胸腺嘧啶)G(鸟嘌呤)C(胞嘧啶)(5)反向规则双螺旋解析(1)从图中可以看出：甲表示的是DNA分子的平面结构，而乙表示的是DNA分子的立体(空间)结构。(2)图中2表示的是一条脱氧核苷酸长链的片段，而5表示的是腺嘌呤脱氧核苷酸。(3)从甲图的平面结构可以看出：DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧构成了基本骨架。(4)DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，且有一定规律：A与T配对，G与C配对。(5)根据图甲可以判断：组成DNA分子的两条脱氧核苷酸链是反向平行的；从图乙可以看出组成DNA分子的两条脱氧核苷酸链相互缠
28、绕成规则的双螺旋结构。12根据相关知识回答下列问题。(1)已知在DNA分子的一条单链中m，则另一条互补链中这种比例是_，这个比例关系在整个DNA分子中这种比例是_。(2)如果在DNA分子的一条单链中n，则另一条互补链中这种比例是_。(3)若DNA分子的一条单链中k，则另一条互补链中这种比例是_，而在整个DNA分子中这种比例是_。(4)如果DNA分子的一条链中的A占15%，互补链中的A占25%，则整个DNA分子中A占_。答案(1)1(2)n(3)kk(4)20%【走进高考】13(2011上海卷，27，改编)某双链DNA分子含有200个碱基，一条链上ATGC1234，则该DNA分子()A含有4个游
29、离的磷酸基团B含有腺嘌呤脱氧核苷酸20个C四种含氮碱基ATGC3377D碱基排列方式共有4100种答案C解析A错误：一个双链DNA分子中含有2个游离的磷酸基。由一条链上ATGC1234，计算得一条链上100个碱基中含A、T、G、C依次是 10、20、30、40，另一条链上含A、T、G、C则依次是20、10、40、30。故该DNA中含腺嘌呤脱氧核苷酸数为102030个，故B项错误。C项正确：四种含氮碱基的比例是ATGC(1020)(2010)(3040)(4030)3377。D项错误：含200个碱基的DNA不考虑每种碱基比例关系的情况下，可能的碱基排列方式共有4100种。但因碱基数量比例已确定，
30、故碱基排列方式肯定少于4100种，且一个DNA分子只有一种特定的碱基排列顺序。14(2010上海)细胞内某一DNA片段中有30%的碱基为A，则该片段中()AG的含量为30% BU的含量为30%C嘌呤含量为50% D嘧啶含量为40%答案C15(2010江苏卷，1)下列关于核酸的叙述中，正确的是()ADNA和RNA中的五碳糖相同B组成DNA与ATP的元素种类不同CT2噬菌体的遗传信息贮存在RNA中D双链DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数答案D解析本题主要考查核酸的组成、结构和功能。DNA含有脱氧核糖，RNA含有核糖，A项错误；DNA和ATP都是由C、H、O、N、P五种元素组成，B项错误；T2噬菌体遗传物质为DNA，故其遗传信息也储存在DNA中，C项错误；双链DNA嘌呤总和嘧啶碱基互补配对，故两者数量相等，D项正确。16(广东，24)(多选)有关DNA分子结构的叙述，正确的是()ADNA分子由4种脱氧核苷酸组成BDNA单链上相邻碱基以氢键连接C碱基与磷酸基相连接D磷酸与脱氧核糖交替连接构成DNA链的基本骨架答案AD