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第3章 基因的本质
第2节 DNA的结构
第1课时 DNA的结构
环节一：DNA双螺旋结构模型的构建
1.DNA是由几条链构成的？ 它具有怎样的立体结构？
2.DNA的基本骨架是由哪些物质组成的？ 它们分别位于DNA的什么部位？
3.DNA中的碱基是如何配对的？ 它们位于DNA的什么部位？
环节一：DNA双螺旋结构模型的构建
沃森和克里克默契配合，揭示了DNA的双螺旋结构，是科学家合作研究的典范，在科学界传为佳话。他们的这种工作方式给予你哪些启示？
要善于利用他人的研究成果和经验；要善于与他人交流、合作，闪光的思想是在交流与碰撞中获得的；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；等等。
环节二：DNA的结构（思路一）
1.DNA的基本单位——脱氧核苷酸
环节二：DNA的结构（思路一）
2.脱氧核苷酸长链
磷酸基团与相邻脱氧核苷酸的3'-C连接形成磷酸二酯键。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接形成DNA分子的一条链。
环节二：DNA的结构（思路一）
小组成员合作，模拟脱氧核苷酸之间的连接方式，小组成员连接成一条脱氧核苷酸长链。
环节二：DNA的结构（思路一）
（1）观察队伍中各成员的方向，脱氧核苷酸长链是否具有方向性？
提示：每条脱氧核苷酸长链的一端有一个游离的磷酸基团，由于磷酸基团连接在脱氧核糖的5'-C上，因此这一端称为5'-端。长链的另一端有一个羟基，由于羟基连接在脱氧核糖的3'-C上，因此这一端称为3'-端。因此，脱氧核苷酸长链就有了方向性，一端为5'-端，另一端为3'-端。
环节二：DNA的结构（思路一）
（2）同一条脱氧核苷酸链的相邻碱基之间由什么连接？
提示：同一条脱氧核苷酸链的相邻碱基之间由脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖连接。
环节二：DNA的结构（思路一）
3.DNA的结构
（1）DNA是由两条单链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
环节二：DNA的结构（思路一）
（2）DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。
（3）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（腺嘌呤）一定与T（胸腺嘧啶）配对；G（鸟嘌呤）一定与C（胞嘧啶）配对。
环节二：DNA的结构（思路一）
双链DNA中有几个游离的磷酸基团？
1个磷酸基团与几个脱氧核糖相连？
DNA双链中，连接两个配对碱基的是什么？
提示：2个。
提示：1个磷酸基团与2个或1个脱氧核糖相连。
提示：氢键。
环节二：DNA的结构（思路一）
1个脱氧核糖与几个磷酸相连？
双链DNA的平面结构和双螺旋结构哪个更稳定？
提示：1个脱氧核糖与2个或1个磷酸相连。
提示：双螺旋结构更稳定。
环节二：DNA的结构（思路一）
碱基互补配对原则
美国科学家鲍林进一步完善了DNA双螺旋结构模型，指出存在于鸟嘌呤和胞嘧啶之间的是3个氢键，而不同于腺嘌呤和胸腺嘧啶之间的2个氢键。
氢键越多，结构越稳定，即含G—C碱基对的比例越大，DNA的结构越稳定。
环节二：DNA的结构（思路二）
阅读教材相关内容，了解DNA 分子独特的双螺旋结构，并整理成表格。
环节二：DNA的结构（思路二）
结合DNA的平面结构和空间结构示意图，讨论解决问题。
1.DNA的基本单位是脱氧核苷酸，有同学说图中①②③构成一个脱氧核苷酸，有同学说②③④也是一个脱氧核苷酸，这两种观点是否正确？
环节二：DNA的结构（思路二）
2.DNA是由两条脱氧核苷酸长链构成的，如何确定一条脱氧核苷酸链的两端？ 两条单链的方向是否相同？
结合DNA的平面结构和空间结构示意图，讨论解决问题。
环节二：DNA的结构（思路二）
3.DNA的基本骨架是由什么构成的？ DNA的内部碱基是如何配对的？
结合DNA的平面结构和空间结构示意图，讨论解决问题。
环节二：DNA的结构（思路二）
4.每个DNA分子中有几个游离的磷酸基团？ 磷酸数∶脱氧核糖数∶含氮碱基数的比例是多少？
结合DNA的平面结构和空间结构示意图，讨论解决问题。
环节二：DNA的结构（思路二）
5.DNA中所有的脱氧核糖都连着两个磷酸基团吗？
结合DNA的平面结构和空间结构示意图，讨论解决问题。
环节二：DNA的结构（思路二）
6.DNA分子中碱基对的种类影响DNA的稳定性吗？
结合DNA的平面结构和空间结构示意图，讨论解决问题。
环节二：DNA的结构（思路二）
1.数量关系
每个DNA分子中，游离的磷酸基团有两个；A—T碱基对有两个氢键，G—C碱基对有三个氢键；脱氧核糖数=磷酸数=含氮碱基数。
环节二：DNA的结构（思路二）
2.位置关系
单链中相邻的碱基通过脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖连接；互补链中相邻的碱基通过氢键连接。
环节二：DNA的结构（思路二）
3.化学键
氢键：连接互补链中的相邻碱基。
磷酸二酯键：连接单链中相邻的两个脱氧核苷酸。
环节三：DNA的结构特点
DNA 只含有4 种脱氧核苷酸，它为什么能够储存足够量的遗传信息？
提示：DNA虽然只含有4种脱氧核苷酸，但是碱基的排列顺序是千变万化的。碱基排列顺序的千变万化，使DNA储存了大量的遗传信息。
环节三：DNA的结构特点
1.多样性：碱基对的数量不同、排列顺序千变万化。
在生物体内，一个最短的DNA分子也大约有4 000个碱基对，碱基对有A—T、T—A、G—C、C—G4种。试计算含有4 000个碱基对的DNA分子有多少种。
提示：有44 000种。
环节三：DNA的结构特点
人的基因组约含有31.6亿个碱基对，人的DNA分子有多少种排列方式？
提示：43 160 000 000种。
环节三：DNA的结构特点
2.特异性：每个DNA分子中碱基对的特定排列顺序，构成了DNA分子的特异性。
DNA可以像指纹一样用来识别身份，这种方法就是DNA指纹技术。阅读教材中的“科学·技术·社会”，思考：如何获得DNA指纹图？ 该技术有哪些应用？
环节三：DNA的结构特点
在现代刑侦领域中，DNA指纹技术发挥着越来越重要的作用。只需要一滴血、精液或是一根头发等样品，刑侦人员就可以进行DNA指纹鉴定。你能从下面的DNA指纹图判断出怀疑对象中谁是罪犯吗？
环节三：DNA的结构特点
3.稳定性
回顾DNA分子的结构，DNA是如何维系它的遗传稳定性的？
（1）靠DNA碱基对之间的氢键维系两条链的偶联。
（2）在DNA的双螺旋结构中，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上的相互作用力。
核心总结
1.如图为某DNA分子片段示意图，下列有关叙述错误的是（ ）
A.图中①②③是构成DNA分子的基本单位
B.图中④和⑥为嘧啶，⑤和⑦为嘌呤
C.①和②交替排列构成DNA分子的基本骨架
D.DNA分子中碱基对⑧越多，其热稳定性越低
课堂练习
AB
2.DNA双螺旋结构模型的提出是20世纪自然科学的伟大成就之一。下列研究成果中，为该模型构建提供主要依据的是 （ ）
①赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质
②富兰克林等拍摄的DNA衍射图谱
③查哥夫发现的DNA 中嘌呤含量与嘧啶含量相等
④鲍林及其同事用X射线衍射技术率先解出了蛋白质的二级结构
A.①② B.②③ C.③④ D.①④
B
课堂练习
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路一）
一、目的要求
通过制作DNA双螺旋结构模型，加深对DNA结构特点的认识和理解。
二、材料用具
曲别针、泡沫塑料、纸片、扭扭棒、牙签、橡皮泥、铁丝等。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路一）
三、活动过程
1.制作模型前先进行小组讨论，进行模型的总体设计。主要解决以下问题：
（1）需要选取几种材料？ 分别制成什么形状以代表DNA的哪个组分？
（2）各组分间应当在什么位置相互连接？
（3）根据碱基互补配对原则和脱氧核苷酸的结构、模型的长度，各组分的数量大致需要多少？
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路一）
2.将所用材料进行预处理，用刀、剪子等工具做成约5 mm厚的小片。
3.制作一定数量的各种组分的模型。
4.用一定方式，将分别代表磷酸、脱氧核糖和碱基的模型连接成一个个脱氧核苷酸分子，注意连接位置。
5.将单个脱氧核苷酸模型在桌面上排成纵列，通过磷酸二酯键将它们串连成DNA分子单链模型。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路一）
6.以做好的单链为模板，按照碱基互补配对原则，将其余脱氧核苷酸模型排列在已经做好的单链一侧（两条链要反向平行），再将它们彼此纵向连接，然后将各碱基对以一定方式连接，制作成DNA分子平面模型。
7.两名同学分别握住模型两端左右旋转，展示DNA的双螺旋结构。若组分间连接不牢导致模型松散，展示前可对模型各连接处进行加固。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路一）
注意事项：
1.事先需要计算磷酸、脱氧核糖、四种碱基、氢键、磷酸二酯键的数量，按照预估数量制作组件模型。
2.选取不同颜色的纸片制作四种碱基，碱基对之间的配对方式用缺口形状互补的方式表示。
3.制作脱氧核苷酸时注意磷酸和碱基与脱氧核糖的连接位置。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路一）
4.制作脱氧核苷酸链时要注意磷酸二酯键的连接位置。
5.制作互补脱氧核苷酸链时，既要遵循碱基互补配对原则，又要注意碱基与脱氧核糖的连接位置，以确保两条链反向平行。
6.由平面结构旋转成空间结构时，注意观察模型的耐受情况，不必强求每10个碱基对组成一个螺旋。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路二）
1.确定本组的制作计划，并分工准备各种材料。
2.模型设计。
绘制DNA双螺旋结构模型的设计图，确定模型的大小，确定DNA各部分结构的数量关系。确定用哪几种材料来代表磷酸、脱氧核糖和碱基。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路二）
3.模型制作。
（1）制作脱氧核苷酸。
①用自己选取的实验材料，制作成不同形状、不同大小和不同颜色的物体，用来代表脱氧核糖、磷酸和不同的碱基。
②在脱氧核糖上标出碳的位置，进而确定连接磷酸和碱基的位置。
③将各种组件整合在一起，制作多个脱氧核苷酸模型。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路二）
（2）制作DNA平面结构模型。
将脱氧核苷酸进行横向配对连接，再将脱氧核苷酸对进行纵向连接，逐步完成DNA分子平面结构模型的制作。
（3）制作DNA空间结构模型。
把DNA平面结构旋转一下进行固定，即可得到一个DNA双螺旋结构模型。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路二）
4.根据设计图，检查已经完成的DNA双螺旋结构模型，对模型的不足之处加以修正。
5.展示制作的模型，开展小组内自评和小组间互评。
环节一：DNA双螺旋结构模型的制作（思路二）
科学家构建的DNA双螺旋结构模型，指的是两条脱氧核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。
在真核生物中，此双螺旋结构多是链状的，并且细胞核中的DNA与组蛋白等组成染色质；在原核生物中，DNA为环状，且不与蛋白质结合成染色质；少数病毒还具有单链DNA。
环节二：DNA中碱基的数量关系
1.氢键数目
A与T之间有2个氢键，C与G之间有3个氢键，其中C—G碱基对数（或相对含量）越多，DNA分子越稳定。
环节二：DNA中碱基的数量关系
（1）根据碱基对数求氢键数
氢键数=A—T碱基对数×2+C—G碱基对数×3
一个DNA 分子有1 000个碱基对，其中A 有240个，该DNA 分子中含有______个氢键。
2 760
环节二：DNA中碱基的数量关系
（2）根据氢键总数求碱基对数
A与T之间有2个氢键，C与G之间有3个氢键，每个C—G碱基对比A—T碱基对多1个氢键。假设碱基对全为A—T，氢键总数与碱基对数量×2的差值，就是C—G碱基对的数量。
一个DNA 分子有1 000个碱基对，氢键有2 600个，该DNA 分子中含有_____个G。
600
环节二：DNA中碱基的数量关系
2.碱基数目
双链DNA中，A=T，C=G，则嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数；任意两个不互补碱基之和恒等，即A+G=T+C=A+C=T+G，为碱基总数的50%。
某生物细胞DNA分子的碱基中，腺嘌呤占18%，那么鸟嘌呤占_____。
32%
环节二：DNA中碱基的数量关系
3.比例
（1）非互补碱基之和的比例
在DNA双链中，A=T，G=C，则（A+G）/（T+C）=1。
环节二：DNA中碱基的数量关系
根据碱基互补配对原则可知，A1=T2，A2=T1，G1=C2，G2=C1。
设DNA的一条链为1链，互补链为2链，如图。
推论1：非互补碱基之和的比例在两条互补链中互为倒数，在整个DNA分子中为1。
环节二：DNA中碱基的数量关系
DNA分子的一条单链中(A+C)/(G+T)=0.4，在其互补链和整个DNA分子中(A+C)/(G+T)分别是_____、_____。
2.5
1
环节二：DNA中碱基的数量关系
（2）互补碱基之和的比例
根据碱基互补配对原则可知，A1=T2，A2=T1，G1=C2，G2=C1。
推论2：在双链DNA中，互补碱基之和的比等于在任何一条单链中互补碱基之和的比。
环节二：DNA中碱基的数量关系
DNA的一条单链中(A+T)/(G+C)=0.4，在其互补链和整个DNA 分子中(A+T)/(G+C)分别是_____、_____。
0.4
0.4
环节二：DNA中碱基的数量关系
某研究小组测定了多个不同双链DNA分子的碱基组成，根据测定结果绘制了DNA分子的一条单链与其互补链、一条单链与其所在DNA分子中碱基数目比值的关系图，绘制正确的是_____。
C
核心总结
1.某同学欲制作长度为5个碱基对、内含2个腺嘌呤的DNA双螺旋结构模型。下列相关叙述错误的是 （ ）
A.需要准备18个脱氧核糖和磷酸之间的连接物
B.需要准备13个碱基之间的连接物
C.能搭建出45种不同的DNA分子模型
D.制成的模型2条脱氧核苷酸链反向平行
课堂练习
C
2.从某生物组织中提取DNA进行分析，其中鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基的46%，又知DNA 的一条链（1链）所含的碱基中28%是腺嘌呤，与1链相对应的2链中腺嘌呤占该链全部碱基数的 （ ）
A.24% B.26%
C.14% D.11%
B
课堂练习
3.已知某生物的DNA含有N个碱基、n个腺嘌呤(0A.该DNA共有4个游离的磷酸基团
B.该DNA a链中(A+G)/(T+C)的值与b链中(A+G)/(T+C)的值相等
C.该DNA含有鸟嘌呤的个数是(N－2n)/2
D.该DNA的双螺旋结构中脱氧核糖和碱基交替排列在外侧，构成基本骨架
C
课堂练习

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