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第二节 DNA分子的结构和复制
第二章 遗传的分子基础
第1课时
1962年诺贝尔生理学或医学奖与DNA分子有关，在颁发时，英国科学家富兰克林已经在四年前因病去世。很多科学家为富兰克林的英年早逝感到惋惜，认为不该忘记她为DNA分子结构模型的建立所做出的杰出贡献。那么，富兰克林为DNA分子结构模型的建立做出了哪些贡献呢？
课前引入
积极思维
富兰克林为DNA分子结构模型的建立做出了什么贡献？
富兰克林拍摄的DNA的X射线衍射图
X衍射技术是用X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术。这个方法可以用来推测晶体的分子排列。
为推算出DNA分子呈螺旋结构的结论，提供了决定性的实验依据。
积极思维
肺炎链球菌有哪些主要特征？
20世纪50年代，科学界掀起了对DNA的研究热潮。当时，两位年轻科学家在富兰克林关于DNA分子X射线衍射图的启发下，最终揭示了DNA分子结构。他们所建立的DNA分子结构模型具有哪些特点呢？
孟德尔:
提出“遗传因子”遗传规律
萨顿假说：
遗传因子在染色体上
摩尔根:
果蝇杂交实验——基因在染色体上
“生命的基本特征就是能够储存和传递信息，亦即遗传密码能够代代相传。基因是活细胞的关键组成部分，要懂得什么是生命，就必须知道基因是如何发挥作用的 ——薛定谔《生命是什么？》
格里菲思:
肺炎双球菌转化实验
艾弗里:
肺炎双球菌体外转化实验
1952年
赫尔希和蔡斯：噬菌体侵染实验
1866年
1903年
1910年
1928年
1944年
1896年
约翰逊:
将“遗传因子”改为“基因”
经典遗传学发展之路
1869年
（1）研究伤口脓细胞时从白细胞的细胞核中分离出一种他称为“核素”（Nuclein，现称核酸）的化学物质。
（2）生殖细胞富含核酸，核酸在各种细胞中广泛存在。
（3）细胞分裂前核酸含量会显著增加。
米歇尔：
首先发现核酸
米歇尔F · Miescher 1844~1895
经典遗传学发展之路
1869年
米歇尔：
首先发现核酸
科塞尔
A · Kossel 1853~1927
1901年
（1）1885至1901年间：
（2）Kossel和他的学生经水解和化学分析确认发现核酸含有戊糖、磷酸、嘌呤和嘧啶 。
（3）腺嘌呤：Adenine；鸟嘌呤：Guanine；胞嘧啶：Cytosine；胸腺嘧啶：Thymine；尿嘧啶：Uracil
科塞尔：
核酸含有嘌呤和嘧啶
科塞尔：
1910年诺贝尔生理学与医学奖
经典遗传学发展之路
1869年
米歇尔：
首先发现核酸
1901年
科塞尔：
核酸含有嘌呤和嘧啶
莱文
P.A.Levene
1869~1940
1934年
1920年：莱文发现两种不同的核酸，即：DNA和RNA。
1934年：莱文发现核酸可被分解成含有一个嘌呤/嘧啶、一个核糖或脱氧核糖和一个磷酸的片段,这样的组合称为“核苷酸”。
莱文：
核酸的基本构成单位是核苷酸
经典遗传学发展之路
含氮碱基
磷酸
A
G
C
T
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸腺嘧啶
脱氧
核糖
经典遗传学发展之路
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
威廉·劳伦斯·布拉格
威廉·劳伦斯和他的父亲合作发展出X射线衍射（绕射）晶体图学。
20世纪初
A
B
S
A
B
孔较大时
孔较小时
光的衍射
光沿直线传播
a角度进行衍射
c角度进行衍射
b角度进行衍射
晶体空间结构和其X射线衍射图谱的关系
20世纪初
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
威尔金斯在一场关于DNA演讲上展示了两张用X射线做的DNA衍射照片。
威尔金斯
沃森
现象：DNA呈现“X”形
推断：DNA分子是螺旋的
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
1951年
……
两条脱氧核苷酸长链如何排布呢？
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
思考：请结合磷脂双分子层的排布方式，推测碱基排列在内部还是外部呢？
磷酸
亲水
碱基
疏水
亲水磷酸头部
疏水脂肪酸尾部
磷脂分子
图片资料:
水环境
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
水环境
富兰克林发现提高空气的湿度，发现DNA易吸收水分。所以她认为脱氧核糖核苷酸的亲水磷酸基团应该位于DNA的外侧，其余部分位于内侧。这是解开DNA结构的重要线索。
富兰克林
内侧
外侧
1951年
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
沃森与克里克推算出三股螺旋的DNA结构（磷酸排在内侧，含氮碱基排在外侧）。他们邀请威尔金斯和富兰克林观看，被两人评价为“一无是处”，并告知他们含氮碱基应该排列在内侧。沃森和克里克默默地记录下了这个关键信息。
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
1951年
20世纪40年代后期，科学家有用电子显微镜观察，并通
过计算得出DNA分子的直径约为2nm。
思考：碱基是同型配对还是异型配对呢？尝试一下吧。
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
1952年春天，奥地利生物化学家查哥夫（E.Chargaff，1905-2002）访问了剑桥大学，沃森和克里克从他那里得知了一条重要信息：在DNA中，腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的含量；鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量
DNA来源 DNA的碱基组成（单位：每摩尔磷酸） A T G C
人（胸腺） 0.28 0.28 0.18 0.15
A=T G=C
牛胸腺 0.26 0.25 0.21 0.16
牛脾脏 0.26 0.24 0.21 0.17
酵母菌 0.24 0.25 0.14 0.14
禽结核杆菌 0.12 0.11 0.28 0.26
DNA分子具有多样性和特异性
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
DNA来源 DNA的碱基组成（单位：每摩尔磷酸） A/G T/C A/T G/C
人（胸腺） 0.28 0.28 0.18 0.15
不同生物的DNA都满足A=T G=C
鲱鱼 0.26 0.25 0.21 0.16
小麦 0.26 0.24 0.21 0.17
结核分枝杆菌 0.24 0.25 0.14 0.14
DNA分子具有多样性和特异性
DNA来源 猪 牛 器官 肝 脾 胰 肺 肾 胃
A+T/G+C 1.43 1.43 1.42 1.29 1.29 1.30
同种生物DNA碱基组成相同；不同生物DNA碱基组成不同
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
A:G T:C A:T G:C 嘌呤：嘧啶
牛 1.29 1.43 1.04 1.00 1.1
人 1.56 1.75 1.00 1.00 1.0
小麦 1.22 1.18 1.00 0.97 0.99
酵母 1.67 1.92 1.03 1.20 1.0
母鸡 1.45 1.29 1.06 0.91 0.99
沙雷氏菌 0.7 0.7 0.95 0.86 0.9
鲱鱼 1.43 1.43 1.02 1.02 1.02
不同生物DNA 4种碱基比例关系
DNA的碱基组成有什么规律？
（1）不同生物DNA分子嘌呤与嘧啶的物质的量大致相同。 即A+G=T+C。
（2）腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)的物质的量大致相同； 鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)的物质的量大致相同。
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
奥地利生物化学家查加夫来到沃森和克里克的实验室，两人得到了一个关键信息：DNA中碱基会相互配对，而且A与T的数量相等，C与G的数量相等。
查加夫
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
胸腺嘧啶（T）
1952年
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
沃森和克里克的 核酸的分子结构
1953年4月25日
罗莎琳的胸腺核苷酸酸钠盐的分子构象
威尔金斯的脱氧戊糖核酸的分子结构
沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
1962年，沃森、克里克和威尔金斯三人共同获得了诺贝尔生理学和医学奖。左一：威尔金斯；左三：克里克；左五：沃森1962年沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜
C
T
T
G
A
C
A
G
5’
5’
3’
3’
（1）由 条单链按_________方式盘旋成_______结构
反向平行
双螺旋
2
3',5'-磷酸二酯键
DNA分子的双螺旋结构
和 交替连接，构成基本骨架；
磷酸
A
T
A
T
T
A
G
G
G
C
C
A
T
C
（2）外侧：
碱基
内侧:
脱氧核糖
（3）碱基互补配对原则
两条链上的碱基通过 连接形成
，且A只和 配对、G只和 配对，碱基之间的一一对应的关系，就叫作
。
氢键
氢键
T
C
碱基互补配对原则
碱基对
碱基对
DNA分子的双螺旋结构
（4）总结：
氢键
A
T
A
T
T
A
G
G
G
C
C
A
T
C
碱基对
五种元素：
C、H、O、N、P
四种碱基：
A、T、C、G
三种物质：
两条长链：
一种螺旋：
规则的双螺旋结构
磷酸、脱氧核糖、含氮碱基
两条反向平行的脱氧核苷酸链
氢键关系:
A=T G≡C
DNA分子的双螺旋结构
氢键
A
T
A
T
T
A
G
G
G
C
C
A
T
C
碱基对
DNA分子的双螺旋结构
稳定性
多样性
特异性
DNA分子碱基对的排列顺序千变万化。
特定的DNA分子具有特定的碱基排列顺序。
外侧的脱氧核糖和磷酸的相间排列方式不变，内侧碱基配对方式稳定不变。
边做边学：设计和制作DNA分子双螺旋结构模型
实践：
1.一位同学用不同颜色的纸片制作了一
2.小组同学分析该模型的优缺点后，再种简号的DNA分子结构模型。确定本组的制作计划，并分工准备各种材料。
3.绘制DNA分子双螺旋结构模型的设计图，确定模型的大小（如高度与直径的比例）、维系立体构型的方式等。
建议：先考虑模型和DNA分子各部分结构的数量关系，再考虑空间关系。
4.用准备好的各种材料分别制作相关配件（如脱氧核糖、磷酸、碱基），再将各种配件整合在一起，逐步完成DNA分子双螺旋结构模型的制作。
5.根据设计图，检查已经完成的DNA分子双螺旋结构模型，对模型的不足之处加以修正。
6.全班展示制作的模型，开展小组内自评和小组之间的互评。
(1) A=T，G=C，即：两个互补的碱基数量相等
A1+T1=A2+T2=n%
所以A+T=A1+A2+T1+T2= =n%
互补碱基之和的比例在整个DNA分子中以及任何一条链中都相等
(2)设双链DNA分子的一条链上A1+T1=n%，则A+T、A2+T2的比例是多少？
在不同的DNA分子中，上述比例是否一样？
不一样，因为DNA分子具备特异性
DNA分子的双螺旋结构
(3)在DNA双链中，任意两个非互补碱基和的比例_______，并为碱基总数的_____（教材P52概念检测(2)）。
恒等
50%
在双链DNA分子中：∵ A = T G = C
∴A+G =T+C
也可写成：
∴A+G/(A+G+C+T) =T+C/(A+G+C+T)
=1
=
A+G
T+C
T+G
A+C
A+C
T+G
T+C
A+G
=
=
=50%
任意两个非互补碱基和的比例为1，则可能为双链
若为双链，则任意两个非互补碱基和的比例为1
DNA分子的双螺旋结构
(4)在双链DNA分子的两条互补链中，非互补碱基之和的比例__________。
互为倒数
A1+G1
T1+C1
在一条链中，
= m
A1+G1
T1+C1
则，
= m
=
T2+C2
A2+G2
A2+G2
T2+C2
在互补链中，
= 1/m
DNA分子的双螺旋结构
五种元素：
C、H、O、N、P
四种碱基：
A、G、C、T，相应的有四种脱氧核苷酸
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
课堂小结
【巧学助记】DNA分子结构的“五、四、三、二、一
随堂小测
2.一个DNA分子的碱基中，腺嘌呤占20%，那么在含有100个碱基对的DNA分子中，胞嘧啶应是_____
1.某双链DNA分子的碱基中，鸟嘌呤占30%，则胸腺嘧啶为_____
20%
60个
3.若DNA的一个单链中，A+T/G+C=0.4，上述比例在其互补链和整个DNA分子中分别是多少？
0.4 0.4
4.在DNA的一个单链中，A+G/T+C=0.4，上述比例在其互补链和整个DNA分子中分别是多少？
2.5 1
5.从某生物组织中提取DNA进行分析，其4种碱基数的比例是鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基总数的46%。又知该DNA的一条链(H链)，所含的碱基中有28%是腺嘌呤，问与H链互补的另一条链中腺嘌呤占该链全部碱基数的( )
A.42% B.27% C.26% D.14%
C
6.从某生物组织提取的DNA成分中，鸟嘌呤和胞嘧啶之和占全部碱基含量的46%，已知1号链的碱基中28%是腺嘌呤，22%是胞嘧啶。
（1）全部碱基中腺嘌呤占_____%
（2）与1号链相对应的2号链中，腺嘌呤占该链全部碱基_____%
27
26
随堂小测
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汇报人

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