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第三章 基因的本质
第2节 DNA的分子结构
问题探讨
生命
这个名为“生命”的双螺旋标志，昭示着中关村不断向上、勇攀高峰的发展轨迹，也象征着中关村生生不息的精神。
DNA双螺旋结构模型的构建
DNA双螺旋结构模型的构建
在20世纪初，德国科赛尔（1853—1927）和他的两个学生琼斯（1865—1935）和列文（1869—1940）的研究，弄清了核酸的基本化学结构，认为它是由许多核苷酸组成的大分子。
列文急于发表他的研究成果，错误地认为4种碱基在核酸中的量是相等的，从而推导出核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成的四核苷酸，以此为基础聚合成核酸，提出了“四核苷酸假说”。
DNA双螺旋结构模型的构建
在1948～1952年4年时间内，奥地利裔美国生物化学家查哥夫利用了比列文时代更精确的纸层析法分离4种碱基，用紫外线吸收光谱做定量分析，经过多次反复实验，终于得出了不同于列文的结果。实验结果表明，在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的总分子数量相等，其中腺嘌吟A与胸腺嘧啶T数量相等，鸟嘌吟G与胞嘧啶C数量相等。说明DNA分子中的碱基A与T、G与C是配对存在的，从而否定了“四核苷酸假说”，并为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。
DNA双螺旋结构模型的构建
　　1950年秋，22岁的“神童”詹姆斯·沃森从美国印第安纳大学取得遗传学博士学位后，去往哥本哈根大学，从事生物化学方面的研究工作。1951年春，他受邀到意大利那不勒斯参加一个有关生物大分子结构的学术会议。在这次会议上，伦敦国王学院的物理学家莫里斯·威尔金斯展示了DNA的X射线衍射图片。沃森看后深受启发，意识到：假使基因能像一般化学物质一样被结晶出来，那就一定可以用通常的化学、物理方法测定其结构。
威尔金斯
DNA双螺旋结构模型的构建
　　沃森设法变更了自己的学习计划，来到英国剑桥大学卡文迪什实验室，并在那里遇到了刚从物理学领域转型、虽起步较晚但一心想在交叉学科上有所作为的生物学研究生弗朗西斯·克里克。
　　这两个知识背景不同、相差12岁的年轻人一见如故，发现彼此的兴趣、思维方式和行为做派都惊人的相似。他们很快就擦出了智慧的火花，决计携手合作，以建模方式确定DNA结构。
DNA双螺旋结构模型的构建
　　DNA对富兰克林而言，只是一种实验材料。1952年前后，她已通过实验证明，DNA根据水分含量的差别分A型和B型两种形式存在。谨慎的天性使富兰克林的工作进展缓慢，她在不断地完善DNA的X射线衍射图谱，并独自进行数学解析。1952年5月，她终于获取了一张极其重要的图谱。
富兰克林
A型衍射图谱
B型衍射图谱
吸水后易转变
DNA双螺旋结构模型的构建
　　沃森会见了威尔金斯，后者给他看了一些新的X射线照片，其中包括由富兰克林拍摄、一直秘而不宣的一张DNA之B型X射线衍射照片。看到后一张照片时，沃森“惊得下巴差点掉了下来”，“心跳也加快了”。很显然DNA模型应该是双链，因为重要生物对象都是成对出现的。威尔金斯此举，富兰克林毫不知情，后人评价：“如果这不是一次无私的为了科学进步而分享信息的举动，那也应该算是一次愤怒的报复行为。”
（a） X 形说明DNA结构是螺旋形的；
（b）菱形说明DNA分子是长链；
（c）直线的间距是DNA分子重复单元（一个完整的螺旋）的间距 ；
（d）缺少了两条直线，是这是因为另一条螺旋的干扰。
DNA双螺旋结构模型的构建
有一次，沃森又在按着自己的设想摆弄模型，他把碱基移来移去寻找各种配对的可能性。突然，他发现由两个氢键连接的腺膘吟——胸腺嘧啶对竟然和由3个氢键连接的鸟嘌吟——胞嘧啶对有着相同的形状，于是精神为之大振。因为嘌吟的数目为什么和嘧啶数目完全相同这个谜就要被解开了。查哥夫规律也就一下子成了DNA双螺旋结构的必然结果。因此，一条链如何作为模板合成另一条互补碱基顺序的链也就不难想象了。那么，两条链的骨架一定是方向相反的。
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
胸腺嘧啶（T）
DNA双螺旋结构模型的构建
经过沃森和克里克紧张连续的工作，很快就完成了DNA金属模型的组装。从这模型中看到，DNA由两条核苷酸链组成，它们沿着中心轴以相反方向相互缠绕在一起，很像一座螺旋形的楼梯，两侧扶手是两条多核苷酸链的糖一磷基因交替结合的骨架，而踏板就是碱基对。
DNA双螺旋结构模型的构建
1953年沃森和克里克在《自然》杂志发表论文《核酸的分子结构模型——脱氧核糖核酸的一个结构模型》。
DNA双螺旋结构模型的构建
　　1962年，沃森、克里克和威尔金斯获得了诺贝尔医学和生理学奖，而富兰克林因患癌症于1958年病逝而未被授予该奖。
威尔金斯
沃森
克里克
DNA分子的结构
DNA的基本组成单位：
脱氧（核糖）核苷酸
磷酸
脱氧核糖
含氮碱基
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸腺嘧啶
腺嘌呤脱氧核苷酸
脱氧核苷酸
鸟嘌呤脱氧核苷酸
胞嘧啶脱氧核苷酸
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
DNA分子的结构
DNA的结构：
①脱氧核糖上与碱基相连的碳叫1’-C，与磷酸基团相连的碳叫5’-C 。DNA的一条单链有两个末端，一端有一个游离的磷酸基团，这一端称为5’端，另一端有一个羟基（—OH），称为3’端。DNA的两条单链走向相反，从双链的一端起始，一条单链是从5’端到3’端，另一条单链则是从3’端到5’端。
1’
2’
3’
4’
5’
5’
5’
3’
3’
DNA分子的结构
DNA的结构：
② DNA是由两条脱氧核苷酸链构成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
③DNA中的脱氧核糖和磷酸交替排连接排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。
平面结构
立体结构
磷酸二酯键
两条脱氧核糖核苷酸链连接而成的反向平行双螺旋结构
DNA分子的结构
DNA的结构：
④两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基配对具有一定的规律。A与T配对，G与C配对。碱基之间的这种配一一对应的关系叫做碱基互补配对。
平面结构
立体结构
氢键
两条脱氧核糖核苷酸链连接而成的反向平行双螺旋结构
DNA分子的结构
DNA分子的双螺旋结构特点：
1、DNA分子是由____条_______平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成的__________结构。
2、DNA分子中的___________和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架，_____在内侧。
3、DNA分子两条链上的碱基通过______连接起来形成_________且遵循_____________原则。
两
反向
双螺旋
脱氧核糖
碱基
氢键
碱基对
碱基互补配对
DNA分子的结构
DNA分子的特性：
1、稳定性：
脱氧核糖和磷酸排列两侧
氢键连接两个碱基形成碱基对
破坏因素：
物理因素：
化学因素：
X射线、γ射线、紫外线、激光等
酶等
加热是否能破坏DNA分子的稳定性？
DNA分子的结构
!
认真观察DNA的双螺旋结构，注意其结构的特点。
位于DNA分子外侧的磷酸和脱氧核糖交错排列的顺序是稳定不变的。
位于DNA分子内侧的碱基对的排列顺序是千变万化的。
DNA分子的结构
DNA是遗传物质，储存着大量的遗传信息，那么DNA是通过什么储存大量的遗传信息？
DNA通过碱基对的排列顺序（即脱氧核苷酸的排列顺序）储存大量的遗传信息。
DNA分子的结构
DNA分子的特性：
2、多样性：
每个DNA分子的脱氧核苷酸的数目不同，碱基对的排列顺序千变万化。
n=碱基对数
碱基对的排列方式= 4n
碱基数量、排列顺序、碱基比都不同
DNA分子的结构
DNA分子的特性：
3、特异性：
每一个DNA分子的碱基对都有其特定的排列顺序 。
用途：
身份鉴定——DNA指纹技术
DNA分子的结构
DNA分子的结构
DNA分子的特性：
1、稳定性：双螺旋结构，氢键连接碱基对
2、方向性：极性反向平行
3、多样性：碱基对排列顺序无穷
4、特异性：特定DNA分子有特定的碱基对数目和排列组合顺序
DNA分子的结构
DNA分子的碱基计算问题：
① A=T、G=C，(A)=(T)、(G)=(C)
② A+C=T+G、A+G=T+C (即嘌呤数=嘧啶数)
③ (A+G)/(T+C)=(A+C)/(T+G)=1
(A+T)/(G+C)=k (k值因DNA分子不同而不同)
1、双链DNA分子中：
DNA分子的结构
DNA分子的碱基计算问题：
① A1=T2、T1=A2、G1=C2、C1=G2
② A1+T1=A2+T2、G1+C1=G2+C2
③ (A1+C1)/(T1+G1)=(T2+G2)/(A2+C2)
(A1+T1)/(G1+C1)=(A2+T2)/(G2+C2)
2、DNA分子各单链之间：
④ (A1+T1)=(A2+T2)=(A+T)
(G1+C1)=(G2+C2)=(G+C)
学科思维导图
下节课继续学习
DNA的复制

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