高一下学期新教材苏教生物必修2第2章第2节第1课时　DNA分子的结构

第二节 DNA 分子的结构和复制 第 1 课时 DNA 分子的结构 课标内容要求 核心素养对接 1．概述 DNA 分子是由四种脱氧 核苷酸构成的，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 遗传信息。 2．DNA 中碱基的排列顺序编码 遗传信息。 1．生命观念：说明 DNA 双螺旋结构模型的 特点。 2．科学思维：思考在 DNA 分子中碱基的比 例和数量之间的规律，总结有关碱基计算的 方法和规律。 3．科学探究：动手制作模型，培养观察能力、 空间想象能力、分析和理解能力。 一、沃森和克里克解开了 DNA 分子结构之谜 1．20 世纪 30 年代后期，瑞典科学家证明了 DNA 分子是不对称的。 2．20 世纪 40 年代后期，科学家又用电子显微镜观察，并通过计算得出 DNA 分子的直径约为 2 nm。 3．1951 年，奥地利科学家查哥夫(E.Chargaff,1905—2002)在定量分析几种 生物 DNA 分子的碱基组成后，发现 DNA 分子中腺嘌呤(A)的量总与胸腺嘧啶(T) 的量相当，鸟嘌呤(G)的量总与胞嘧啶(C)的量相当。 4．1952 年，英国科学家富兰克林获得了一张 DNA 分子 X 射线衍射图片(图 2－2－1)。她通过解析，推断 DNA 分子可能由两条链组成。 5．1953 年，两位年轻科学家沃森和克里克，提出了 DNA 分子的双螺旋结 构模型。 二、DNA 分子的双螺旋结构模型 1．平面结构 2．立体结构 (1)DNA 分子的立体结构由两条脱氧核苷酸链组成，这两条链按照反向平行 的方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，排列在双螺旋结构的外侧，构 成 DNA 分子的基本骨架； (3)DNA 分子两条链上的碱基，通过氢键连接成碱基对，排列在双螺旋结构 的内侧。 (4)DNA 分子中碱基配对有一定的规律：A 与 T 配对，G 与 C 配对。碱基之 间的这种一一对应关系，称为碱基互补配对原则(the principle of complementary base pairing)。 (5)在碱基对中，A 和 T 之间形成两个氢键，G 和 C 之间形成三个氢键(图 2 －2－4)。 3．特性 (1)特异性：特定碱基对的排列顺序构成了 DNA 分子的特异性。 (2)多样性：碱基对排列顺序的千变万化导致了 DNA 分子的多样性。 判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”) 1．DNA 彻底水解的产物是四种脱氧核苷酸。 ( ) 2．DNA 分子一条链上相邻的两个碱基通过氢键相连。 ( ) 3．DNA 分子中 G、C 碱基的比例越高，分子结构的稳定性越高。( ) 4．DNA 分子中的嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。 ( ) 5．双链 DNA 分子中(A＋G)/(T＋C)存在特异性。 ( ) 6．双链 DNA 分子中的每个磷酸都与 2 个五碳糖连接。 ( ) [答案] 1．× 提示：DNA 初步水解的产物是四种脱氧核苷酸，彻底水解 的产物是含氮碱基、磷酸和脱氧核糖。 2．× 提示：DNA 分子两条链的碱基之间通过氢键相连，一条链上的两个 碱基则通过脱氧核糖、磷酸和脱氧核糖相连。 3．√ 4.√ 5．× 提示：双链 DNA 分子中(A＋G)/(T＋C)＝1，不存在特异性。 6．× 提示：双链 DNA 分子中大多数磷酸与 2 个五碳糖连接，位于末端 的磷酸只与 1 个五碳糖连接。 DNA 分子的结构 一、DNA 的结构 1．DNA 的结构 (1)数量关系 ①游离磷酸基团：每个 DNA 片段有 2 个。 ②氢键：A—T 之间有 2 个，G—C 之间有 3 个。 ③脱氧核糖数＝磷酸数＝含氮碱基数。 (2)位置关系 ①单链中：相邻碱基通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接。 ②双链间：相邻碱基通过氢键相连。 (3)化学键 ①氢键：连接互补链中配对的碱基。 ②磷酸二酯键：连接单链中相邻两个脱氧核苷酸的脱氧核糖和磷酸。 2．DNA 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。 合作探究：坐落在北京中关村高新科技园区的 DNA 雕塑，以它简洁而独特 的造型吸引着过往行人，它象征着中关村生生不息的精神，寓意创新的生命更 加顽强。 (1)该双螺旋模型代表的双链之间通过什么化学键连接？ 提示：氢键。 (2)该双螺旋模型代表的双链长度是否相等？为什么？ 提示：相等。两条链之间通过碱基互补配对，所以两条链的脱氧核苷酸数 目相等。 (3)DNA 中的 N、P 分别存在于脱氧核苷酸的哪一组成成分中？ 提示：N 存在于含氮碱基中，P 存在于磷酸基团中。 (4)DNA 若进行初步水解和彻底水解，则产物分别是什么？ 提示：初步水解产物是脱氧核苷酸，彻底水解产物是磷酸、脱氧核糖和含 氮的碱基。 1．下列关于威尔金斯、沃森和克里克、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 B [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，C、D 错误。] 2．(多选)如图是人体细胞中某 DNA 片段结构示意图。下列有关叙述正确的 是 ( ) A．图中 X 代表磷酸基团，A 代表腺嘌呤 B．DNA 的基本骨架是 N 所示的化学键连接的碱基对 C． 每个脱氧核糖上均连着两个磷酸和一个碱基 D．DNA 双链中，嘌呤总数等于嘧啶总数 AD [图中 X 代表磷酸基团，A 代表腺嘌呤，A 项正确；脱氧核糖和磷酸交 替连接，构成 DNA 的基本骨架，B 项错误；每条链 3′－端的脱氧核糖上连着 一个磷酸，C 项错误；DNA 双链中，嘌呤与嘧啶配对，嘌呤总数等于嘧啶总数， D 项正确。] DNA 分子结构的“五、四、三、二、一” DNA 分子碱基数量的计算 1．碱基互补配对原则 A－T，G－C，如图所示。 2．有关推论 (1)规律一：一个双链 DNA 分子中，A＝T、C＝G，则 A＋G＝C＋T，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，A＋T 与 C＋G 不一定相等，而且一般都不 相等。 (2)规律二：在双链 DNA 分子中，A＋T 或 C＋G 在全部碱基中所占的比例 等于其任何一条单链中 A＋T 或 C＋G 所占的比例。 由图知：A1＋T1＋G1＋C1＝m，A2＋T2＋G2＋C2＝m，整个双链 DNA 上的 碱基总数为 2m。 因为 A1＝T2、T1＝A2，则 A1＋T1＝A2＋T2，A＋T＝(A1＋T1)＋(A2＋T2)， A1＋T1 m ＝A2＋T2 m ＝A1＋T1＋A2＋T2 2m (3)规律三：在 DNA 双链中，一条单链的A1＋G1 T1＋C1 的值与另一条互补单链的 A2＋G2 T2＋C2 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A1＋T1 G1＋C1 的值，与另一条互补链的A2＋T2 G2＋C2 的值是相等的，也与整个 DNA 分子中的A＋T G＋C 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(A ＋T)/(C＋G)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＝b 2%。 (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。 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。 1．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( ) C [本题主要考查对 DNA 分子碱基互补配对原则的理解。双链 DNA 分子 中，(A＋C)/(T＋G)一定等于 1，故 A 项正确；在 DNA 分子中，存在(A1＋T1)/(G1 ＋C1)＝(A2＋T2)/(G2＋C2)＝(A＋T)/(G＋C)，故 B、D 项正确；当一条链中存在 (A1＋C1)/(T1＋G1)＝1 时，其互补链中存在(A2＋C2)/(T2＋G2)＝(T1＋G1)/(A1＋C1) ＝1，C 项错误。] 2．某双链 DNA 分子中 A＋T 占整个 DNA 分子碱基总数的 38%，其中一条 a 链上的 G 占该链碱基总数的 21%，那么，对应的另一条互补链 b 上的 G 占该 链碱基总数的比例是( ) A．41% B．38% C．28% D．21% A [在整个 DNA 分子中，A＋T＝38%，则 G＋C＝62%。在 a 链上 G＋C ＝62%，由 G＝21%，推知 C＝62%－21%＝41%。根据碱基互补配对原则可知， 在 b 链上 G＝41%。] 关于碱基含量计算的“两点两法” (1)“两点”为两个基本点 ①A 与 T 配对，G 与 C 配对(A＝T，G＝C)。 ②双链 DNA 分子中，嘌呤总数＝嘧啶总数＝1/2 碱基总数(A＋G＝T＋C)。 (2)“两法”为双链法和设定系数法 ①用两条直线表示 DNA 分子的双链结构即双链法。 ②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。 [课堂小结] 知 识 网 络 构 建 核 心 语 句 背 诵 1．DNA 的基本组成单位是脱氧核苷 酸，DNA 双链是反向平行的关系。 2.DNA 分子外侧由脱氧核糖和磷酸 交替连接构成基本骨架，内侧由氢 键相连的碱基对组成。 3.双链 DNA 分子中，嘌呤碱基数＝ 嘧啶碱基数，即 A＋G＝T＋C。 4.DNA 具有多样性和特异性，DNA 分子中碱基对的排列顺序代表遗传 信息。 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— B [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 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。] 2．(多选)如图为核苷酸的模式图，下列相关说法正确的是( ) A．DNA 与 RNA 的不同点只体现在②处 B．若②为核糖，则③不可能是胸腺嘧啶 C．在 T2 噬菌体中核苷酸共有 8 种 D．人体内的③有 5 种，②有 2 种 BD [图中①②③分别是磷酸、五碳糖、含氮碱基。DNA 与 RNA 的不同点 体现在②③两处，A 错误；若②为核糖，则③可以是 A、U、C、G，但是不可 能是 T(胸腺嘧啶)，B 正确；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。] 3．关于 DNA 双螺旋结构的特点，下列叙述错误的是( ) A．DNA 由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成 B．脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧 C．碱基对构成 DNA 的基本骨架 D．两条链之间的碱基配对方式为 A 与 T 配对，G 与 C 配对 C [DNA 由两条脱氧核苷酸链组成，这两条链反向平行，形成规则的双螺 旋结构，A 项正确；脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧构成 DNA 的基本骨 架，B 项正确，C 项错误；两条链之间的碱基配对方式为 A 与 T 配对，G 与 C 配对，D 项正确。] 4．已知一个 DNA 中有 1 000 个碱基对，其中鸟嘌呤有 600 个，这个 DNA 中脱氧核苷酸数目和腺嘌呤的数目依次是( ) A．2 000 个和 200 个 B．2 000 个和 400 个 C． 1 000 个和 400 个 D．1 000 个和 600 个 B [一个脱氧核苷酸含有 1 个碱基，因此 DNA 分子中碱基数目与脱氧核苷 酸数目相同。已知 1 个 DNA 分子中有 1 000 个碱基对，则这个 DNA 中含有 2 000 个脱氧核苷酸；双链 DNA 中，非互补配对的碱基之和占碱基总数的一半。已知 一个 DNA 中有 1 000 个碱基对，其中鸟嘌呤有 600 个，则这个 DNA 中腺嘌呤 的数目为 1 000－600＝400 个；故选 B。] 5．如图为 DNA 片段的结构图，请据图回答下列问题： (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 分子中的______________和________________交 替连接排列在外侧，构成基本骨架。 (4)连接碱基对的⑦是________，碱基配对的方式如下：即________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______________结构。 [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单链片 段，而⑤表示的是腺嘌呤脱氧核苷酸。(3)从图甲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绕成规则的双螺旋结 构。 [答案] (1)平面 立体(或空间) (2)一条脱氧核苷酸单链片段 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)反向平行 规则的双螺旋