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(共58张PPT)
3-2 DNA的结构（第一课时）
基因的本质
1.背景——问题探讨
坐落于北京中关村高科技园区的DNA雕塑，以它简洁而独特的双螺旋造型吸引着过往行人。你知道为什么将它作为高科技的标志吗？
上网查阅有关DNA的信息，收集你感兴趣的资料与同学交流共享。
DNA双螺旋结构的揭示是划时代的伟大发现，在生物学的发展中具有里程碑式的意义。弄清楚DNA结构，以及测定DNA序列等应用了很多高科技技术，DNA双螺旋结构的揭示也说明科学和技术是相互支持，密不可分的。
资料1：说说你对DNA的认识
DNA的中文全称：_________________
DNA的组成元素：_________________
DNA的基本组成单位：_________________
1分子脱氧核苷酸=__________+______________+______ _________
1’
2’
3’
4’
5’
磷酸
O
脱氧核糖
含氮碱基
2.DNA结构模型的构建
01
DNA双螺旋结构模型的构建
Part One
查哥夫
1962年，沃森、克里克和威尔金斯三人因这一研究成果共同获得了诺贝尔生理学或医学奖
1953年，美国生物学家沃森和英国物理学家克里克
模型构建者
一、DNA双螺旋结构模型的构建
6
阅读教材第48-49页，思考与讨论,并根据资料回答有关DNA结构方面的问题：
（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？
一、DNA双螺旋结构模型的构建
7
【资料1】当时，科学界已经认识到：DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链，这4种脱氧核苷酸分别含有A、T、G、C 4种碱基。但是，人们并不清楚这4种脱氧核苷酸是如何构成DNA的。
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
T
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料1：DNA是以_______________为单位通过磷酸二酯键连接而成的长链。4种脱氧核苷酸分别含有____________ 4种碱基
A、T、C、G
四种脱氧核苷酸
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
腺嘌呤脱氧核苷酸
一、DNA双螺旋结构模型的构建
9
【资料2】英国物理学家威尔金斯（M. Wilkins，1916—2004）和他的同事富兰克林（R. E. Franklin，1920—1958）应用X射线衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱（图A）。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
沃森和克里克以该照片的有关数据为基础，推算出DNA呈螺旋结构。
1951年秋天
23岁的美国生物学者沃森和35岁的英国物理学者克里克对DNA衍射图谱的有关数据进行分析。
弗朗西斯·克里克
詹姆斯·沃森
DNA分子呈螺旋结构
数据分析
生物理解
【模型建构2】推出DNA呈螺旋结构
一、DNA双螺旋结构模型的构建
威尔金斯和富兰克林提供____________
DNA是以4种__________为单位连接而成的长链，分别含有_____________4种碱基
沃森和克里克推算出DNA分子呈_____结构
脱氧核苷酸
A、T、G、C
DNA衍射图谱
螺旋
尝试建立多种不同的模型：双螺旋、三螺旋
被否定
一、DNA双螺旋结构模型的构建
结构模型构建
模型一 沃森和克里克尝试了碱基位于螺旋结构外部的不
同结构模型
一、DNA双螺旋结构模型的构建
2.DNA结构模型的构建——富兰克林
富兰克林发现提高空气的湿度，可以让DNA的衍射图谱从A型转变为B型，显然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。
A型衍射图谱
B型衍射图谱
吸水后
富兰克林
外侧
内侧
一、DNA双螺旋结构模型的构建
已知碱基具有疏水性，你有什么联想？
思考
生物膜的流动镶嵌模型
结构模型构建
一、DNA双螺旋结构模型的构建
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料5：DNA外部为溶液环境，碱基具有疏水性，磷酸和脱氧核糖具有亲水性。
可能性2
可能性1
可能性3
√
碱基分布在DNA分子的内部
结构模型构建
化学家指出
配对违反化学规律又被否定
模型二 沃森和克里克重新构建：磷酸-脱氧核糖骨架在外部，碱基在内部的双链螺旋结构，内部相同碱基配对。
观察碱基的结构，大家有何联想？
思考
嘧啶有1个环
嘌呤有2个环
如果是相同碱基配对，那么DNA的直径不固定
推测：嘌呤同嘧啶配对
哪种嘌呤与哪种嘧啶配对？
2.DNA结构模型的构建——查加夫
1952年7月,奥地利查哥夫提供了一个关于DNA中碱基数量的关键信息
一、DNA双螺旋结构模型的构建
查哥夫定律：
A、T数量相等
G、C数量相等
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料6：奥地利生物化学家查哥夫对DNA分子进行了定量分析，发现在DNA分子中，腺嘌呤(A)的总量总是等于胸腺嘧啶(T)，鸟嘌呤(G)总是等于胞嘧啶（C）。
T
磷酸
脱氧
核糖
T
A
C
G
推测出：A与T、G与C配对
腺嘌呤（A）
胸腺嘧啶（T）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
1952年春天
腺嘌呤（A）的量 = 胸腺嘧啶（T）的量
鸟嘌呤（G）的量 = 胞嘧啶（C）的量
腺嘌呤（A）
胸腺嘧啶（T）
满足查哥夫定律，碱基排列在内部（符合衍射图计算的参数）
2.DNA结构模型的构建——查哥夫
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
A与T之间2个氢键
C与G之间2个氢键
一、DNA双螺旋结构模型的构建
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料7：富兰克林和威尔金斯给DNA拍了多张Ｘ射线衍射图谱，他们发现DNA翻转180°后的图谱与未翻转的一模一样。
DNA的两条链是方向相反的
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料7：二战后，科学家利用电子显微镜测定了DNA分子的直径约为2nm。
DNA由两条链组成，且两条链相互平行。
相邻两核苷酸间距相等，并得出DNA是双链的结论。
DNA分子由两条链构成
两条链中的碱基是排列在内侧，磷酸和脱氧核糖排列在外侧
碱基应该是A配T，G配C
DNA的两条链是反向平行的
一、DNA双螺旋结构模型的构建
重新构建
平面结构
模型三
一、DNA双螺旋结构模型的构建
相对的碱基之间形成 键
氢
正是因为两条链的核苷酸之间存在作用力,所以这两条链 既不在同一直线也不在同一个平面上。
平面结构
螺旋一定
的角度
立体结构
两条链按照反向平行方式盘旋成双螺旋结构
1nm
0.34nm
一、DNA双螺旋结构模型的构建
沃森和克里克改变了碱基配对的方式，让A与T配对，G与C配对，构建出新的DNA模型。结果发现：A—T碱基对与G—C碱基对具有相同的形状和直径，这样组成的DNA分子具有稳定的直径。当他们把这个用金属材料制作的模型与拍摄的X射线衍射照片比较时，发现两者完全相符。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
DNA结构模型的构建——诺贝尔生理与医学奖
1953年，沃森和克里克撰写的《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》论文在英国《自然》杂志上刊载引起了极大的轰动。
1962年沃森、克里克和威尔金斯三人因这一研究成果而共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。
沃森和克里克摘取了DNA结构探索研究的桂冠，
确立了DNA分子的双螺旋结构模型。
许多科学家参与了DNA的结构研究，并在其中做出了重要贡献。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
DNA结构模型的构建——DNA第一夫人
克里克
沃森
帮助理解晶体学原理
帮助理解生物学内容
合作研究
威尔金斯和其同事富兰克林的DNA衍射图谱的有关数据
分析
尝试搭建了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型，都被否定。
DNA呈螺旋结构
1951年秋天，当时认识：DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接成的长链，这4种脱氧核苷酸分别含A、T、C、G 4种碱基。
构建过程
一、DNA双螺旋结构模型的构建
1952年，从查可夫那得到信息：DNA中，A＝T，G＝C
①将碱基安排在双链螺旋内部；
②脱氧核糖—磷酸骨架安排在外部；
③A与T配对，G与C配对；
④DNA两条链的方向相反。
A－T与G－C具有相同的形状和直径，这样组成的DNA分子具有恒定的直径，能够解释A、T、G、C的数量关系。
该模型与X射线衍射照片比较
重新构建
1953年，撰写论文发表，1962年获诺贝尔生理学或医学奖。
该模型与推算出的DNA双螺旋结构相符
发现
一、DNA双螺旋结构模型的构建
科学家认识到DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链，这4种脱氧核苷酸分别含有A、T、G、C 4种碱基。
20世纪30年代
1951年
威尔金斯和富兰克林获得了DNA-X射线的衍射图谱。沃森和克里克据此搭建出很多种不同的DNA双螺旋和三螺旋结构模型，但都被否定了。
查哥夫提出了查哥夫法则：在DNA中，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。（A=T , G=C）
1952年
根据查哥夫的发现
沃森和克里克重新构建模型：将碱基安排在双螺旋内部，将磷酸-脱氧核糖骨架排在螺旋外部，A与T配对，G与C配对，DNA的两条链的方向是相反的。
1953年
沃森和克里克撰写的《核酸的分子结构一脱氧核糖核酸的一个结构模型》论文在英国《自然》杂志上刊载，引起了极大的轰动
一、DNA双螺旋结构模型的构建
1. 请你根据资料回答有关DNA结构方面的问题。
（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？
2. 沃森和克里克默契配合，提示了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？
两条
是由脱氧核糖和磷酸组成
碱基通过氢键连接成碱基对，碱基的配对具有一定规律：A一定与T配对，G一定与C配对。
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。
讨论
这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构
它们排列在DNA的外侧
它们位于DNA的内侧
一、DNA双螺旋结构模型的构建
例1. 下列关于威尔金斯、富兰克林、查哥夫、沃森和克里克等人在DNA分子结构构建方面的突出贡献的说法，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 与 配对、 与 配对的正确关系
D.富兰克林和查哥夫发现 的量等于 的量、 的量等于 的量
B
一、DNA双螺旋结构模型的构建
DNA模型构建中重大贡献的科学家
威尔金斯——生物物理学家——英国
富兰克林——化学家——英国
克 里 克——物理学家——英国
沃 森——生物学家——美国
查 哥 夫——生物化学家——奥地利
你受到怎样的启发？
回 顾
02
DNA的结构
Part Two
二、DNA的结构
1.DNA的立体结构
双螺旋解开
G
A
G
G
C
C
C
T
A
T
C
C
T
G
G
A
G
DNA平面结构模式图
放大
3.DNA的结构——基本单位
脱氧（核糖）核苷酸
O
CH2
H
H
H
OH
H
H
1′
2′
3′
4′
5′
碱基
P
(A、G、C、T)
1分子的脱氧核苷酸是由1分子的脱氧核糖、1分子的磷酸和1分子含氮碱基组成。
成分
组成DNA的碱基有4种：
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G)
胞嘧啶(C)
胸腺嘧啶(T)
碱基的种类
脱氧（核糖）核苷酸的种类
A
O
CH2
H
H
H
OH
H
H
1′
2′
3′
4′
5′
P
腺嘌呤脱氧核苷酸
G
鸟嘌呤脱氧核苷酸
O
CH2
H
H
H
OH
H
H
1′
2′
3′
4′
5′
P
T
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
O
CH2
H
H
H
OH
H
H
1′
2′
3′
4′
5′
P
C
胞嘧啶脱氧核苷酸
O
CH2
H
H
H
OH
H
H
1′
2′
3′
4′
5′
P
3.DNA的结构——基本单位
T
G
C
A
G
T
这个脱氧核苷酸链是DNA分子吗？
两个脱氧核苷酸间通过磷酸二酯键连接。
连接的化学键
形成的产物叫脱氧核苷酸链
产物名称
思考
Thinking
3.DNA的结构——脱氧核苷酸间的连接
脱氧核苷酸链就是指DNA的一条单链
二
ＤＮＡ的双螺旋结构
5’
3’
5’
3’
游离的磷酸基团，称作5′－端
一个羟基(—OH)，称作3′－端
O
CH2
OH
H
磷酸基团
碱基
3′
2′
H
H
1′
4′
5′
H
H
二、DNA的结构
2.DNA双螺旋结构
5'
3'
G
A
G
G
C
C
C
T
A
T
C
C
T
G
G
A
G
O
CH2
OH
H
磷酸基团
碱基
3′
2′
H
H
1′
4′
5′
H
H
脱氧核糖上与碱基相连的碳叫做__ __，与磷酸基团相连的碳叫做______。
1’-C
5’-C
DNA 的一条单链具有两个末端，一端有一个游离的磷酸基团，这一端称为_ ___，另一端有一个羟基（-OH），称作 ；
5’-端
3’-端
DNA的两条单链的走向 ____，从双链的一端起始，一条单链是从5’-端到3’-端的，另一条则是从 。
3’-端到5’-端的
相反
二、DNA的结构
(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规律：A一定与T配对，G一定与C配对。碱基之间的这种一一对应的关系，叫作碱基互补配对原则。
5'
3'
5'
3'
G
A
A
A
C
C
G
A
G
T
T
T
C
G
G
T
C
氢键
(1)DNA的两条单链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
2.DNA双螺旋结构的主要特点
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
44
3',5'-磷酸二酯键
DNA的结构特点：
磷酸
A
T
A
T
T
A
G
G
G
C
C
A
T
C
和 交替连接，构成基本骨架；
(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的结构特点：
T
G
C
A
G
T
两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，碱基配对遵循碱基互补配对原则，即：A与T配对（2条氢键）；G与C配对（3条氢键）。
链间的连接
两条链反向平行（3’端为磷酸端，5’端为羟基端）
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。
结构特点
T
G
A
C
C
A
5′
3′
3′
5′
3.DNA的结构——脱氧核苷酸间的连接
双螺旋结构
3.DNA的结构——DNA分子的空间结构
思考1、DNA具有多样性的原因是什么？
思考2、DNA双链中，连接两个配对碱基的是？
思考3、DNA一条链中，连接两个相邻碱基的结构依次是？
碱基的排列顺序千变万化
脱氧核糖→磷酸酯键→磷酸→磷酸酯键→脱氧核糖
3.DNA的结构——DNA分子的空间结构
氢键
思考4、双链DNA中，有几个游离的磷酸基团？
2个
思考5、一个磷酸基团与几个脱氧核糖连接？
1个（末端）或2个
思考6、一个脱氧核糖与几个磷酸相连？
思考7、若DNA一条链序列为5 -ACTGGT-3 ，则互补链为？
思考8、为什么G-C碱基对含量高的DNA越耐高温？
1个（末端）或2个
G-C碱基对之间含有3个氢键，而A-T碱基对之间只含2个氢键，所以G-C含量越高，越不容易被高温破坏
3.DNA的结构——DNA分子的空间结构
3 -TGACCA-5
思考9、双链DNA的平面结构和双螺旋结构哪个更稳定？
双螺旋结构更稳定
三、DNA分子结构的特性
(1) DNA分子中，两条长链上的什么结构是稳定不变的？
(2)DNA分子只含有4种脱氧核苷酸，它为什么能够储存足够量的遗传信息？
脱氧核糖和磷酸交替连接排列在外侧恒定，内侧配对稳定，空间结构稳定。
碱基对的排列顺序千变万化
稳定性
多样性
(3) 每个DNA分子各自的碱基排列顺序是特定的吗？
是特定的
特异性
碱基对的排列顺序的千变万化。
在生物体内，最短DNA分子也大约有4000个碱基对，碱基对有：A—T、T—A、G—C、C—G。请同学们计算DNA分子有多少种？
4 种
4000
（2）特异性：
碱基对的特定排列顺序。
（3）稳定性：
具有规则稳定的双螺旋结构。
（1）多样性：
DNA杂交技术的应用
DNA杂交技术可以用于两个物种亲缘关系的判断，若两个物种的DNA样本经处理后形成的DNA互补区段越多，则两个物种的亲缘关系_____。
越近
三、 DNA的结构
如n个碱基对构成的DNA具有4n种碱基对排列顺序。
意义：
DNA的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。
52
(4)为什么每个DNA结构模型都与众不同？不同生物的DNA是否也不同？
DNA指纹技术
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？此外，DNA指纹技术还可以用于亲子鉴定、死者遗骸的鉴定等。
体现DNA分子的特异性。
(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
三、DNA的结构
归纳：DNA分子结构的“五、四、三、二、一”
五种元素：
四种碱基：
三种物质：
两条长链：
一种螺旋：
C、H、O、N、P
A、G、C、T，相应的有四种脱氧核苷酸
磷酸、脱氧核糖、含氮碱基
两条反向平行的脱氧核苷酸链
规则的双螺旋结构
三、DNA的结构
下面是DNA的结构模式图，请写出图中①~⑩的名称。
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
胞嘧啶（C）
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胸腺嘧啶（T）
脱氧核糖
磷酸
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
碱基对
氢键
一条脱氧核苷酸
链的片段
思考：这个DNA片段有多少个游离的磷酸基团（没有形成磷酸二酯键的磷酸基团）？
2个
探究 实践：DNA双螺旋结构模型
5
6
例2、下图为DNA分子结构模式图，请据图回答下列问题：
(1)分别写出4、5、6、7、8的所代表名称。
4:____________
5:___________
6:______________
7:_____________
8:_______________
(2)_____、______和______组成DNA分子的基本单位。
脱氧核糖
腺嘌呤或胸腺嘧啶
碱基对
氢键
脱氧核苷酸链
①
④
⑤
3.DNA的结构——DNA分子的空间结构
3.DNA的结构——DNA分子的空间结构
例3. 下面对DNA结构的叙述,错误的是( )。
A.DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧
B.DNA中的两条链反向平行
C.DNA中的氢键数目和碱基数目一定相等
D.DNA中在两条链的 端有2个游离的磷酸基团
C
课堂总结
化学组成单位
基本单位——脱氧核苷酸
种类：
四种
主要特点
①由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成。
②外侧由脱氧核糖和磷酸交替连接构成基本骨架 ，碱基排列在内侧。
③DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。
DNA的结构
DNA双螺旋结构的构建
(碱基互补配对原则)

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