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第3章 基因的本质
第2节 DNA的结构
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。
课堂导入
课堂导入
在确信DNA是生物体的遗传物质之后，人们更迫切的想知道：
什么样的结构可以满足这些功能？
结构
DNA是怎样储存遗传信息的？
又是怎样决定生物性状的？
功能
决定
①相对稳定
②携带信息
③复制传递
DNA相关知识回顾
O
P
CH2
OH
O
OH
H
OH
H
H
H
H
碱基
磷酸
1.DNA的基本单位：
脱氧核苷酸
3.核苷酸的组成
2.元素组成：
一分子磷酸
一分子脱氧核糖
一分子含氮碱基
C、H、O、N、P
A
腺嘌呤
G
鸟嘌呤
C
胞嘧啶
T
胸腺嘧啶
4.含氮碱基
DNA相关知识回顾
O
P
CH2
OH
O
OH
H
OH
H
H
H
H
A
磷酸
O
P
CH2
OH
O
OH
H
OH
H
H
H
H
C
磷酸
O
P
CH2
OH
O
OH
H
OH
H
H
H
H
T
磷酸
O
P
CH2
OH
O
OH
H
OH
H
H
H
H
G
磷酸
腺嘌呤脱氧核苷酸
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
胞嘧啶脱氧核苷酸
鸟嘌呤脱氧核苷酸
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料1：DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链。
4种核苷酸分别含有_______________4种碱基，具
有稳定直径（2nm）
A、T、C、G
P
A
P
T
P
G
P
C
…
P
A
P
T
P
G
P
C
P
G
P
C
磷酸二酯键
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料2：1951年11月，英国生物物理学家威尔金斯（M.Wilkins）
和同事富兰克林（R.E.Franklin）应用X射线衍射技术获得
了高质量的DNA衍射图谱。
威尔金斯（M.Wilkins）
富兰克林（R.E.Franklin）
“X”形意味着DNA分子是螺旋的
一、DNA双螺旋结构模型的构建
配对违反了化学规律
威尔金斯和富兰克林提供的
尝试建构了多种不同的模型：
资料3：沃森和克里克推算出DNA呈_____结构
失败
DNA衍射图谱
DNA的结构单位
四种脱氧核苷酸
螺旋
双螺旋
三螺旋
x
资料4：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，且DNA外部为溶液环境，你有什么联想？
思考
生物膜的流动镶嵌模型
一、DNA双螺旋结构模型的构建
可能性2
可能性1
可能性3
√
碱基分布在DNA分子的内部
化学家指出
配对违反化学规律又被否定
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。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
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？
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料5：1952年，从奥地利生物化学家查哥夫处得知:
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
资料6：二战后，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。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
DNA的两条链方向相反
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。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
DNA具有恒定的直径
能解释A、T、C、G的数量关系
制作的模型与基于拍摄的X射线衍射照片推算出的DNA双螺旋结构相符
资料8：据此，沃森和克里克重建模型：碱基安排在双螺旋内部（A与T配对，C与G配对），脱氧核糖—磷酸骨架安排在螺旋外部。DNA两条链反向平行。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
DNA 双螺旋结构示意图
A
T
G
C
A
T
G
C
氢键
DNA 分子平面结构示意图
螺旋一定角度
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。
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
问题探讨
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
什么部位呢？
（3）DNA中的碱基是如何配对的？它们位于DNA的什么部位？
DNA是由两条链构成的。
这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
DNA的基本骨架包括脱氧核糖和磷酸，它们排列在DNA的外侧。
DNA中的碱基通过氢键连接成碱基对，它们位于DNA的内侧。碱基配对有一定的规律：A与T配对；C与G配对。
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
问题探讨
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
什么部位呢？
（3）DNA中的碱基是如何配对的？它们位于DNA的什么部位？
二、DNA的结构
5’
A
T
G
C
T
A
C
G
3’
5’
3’
CH2
H
OH
H
H
H
H
碱基
磷酸
5’
4’
3’
2’
1’
磷酸二酯键
（1）由 条单链按_________方式盘旋成_______结构
反向平行
双螺旋
2
5’
3’
5’
3’
(1’-C)
(5’-C)
二、DNA的结构
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
二、、DNA的结构
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胸腺嘧啶（T）
胞嘧啶（C）
氢键越多，结构越稳定，即含G、C碱基对比例越大，结构越稳定
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
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
5’
A
T
G
C
T
A
C
G
3’
5’
3’
二、、DNA的结构
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 -TGACCA-5
5’
A
T
G
C
T
A
C
G
3’
5’
3’
二、、DNA的结构
(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
三、DNA的结构特点
三、DNA的结构特点
2、多样性：碱基数量的不同，碱基对排列顺序的千变万化，
构成了DNA分子的多样性。
在生物体内，一个最短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？
44000种
3、特异性：每种DNA有别于其他DNA，具有特定的碱基排列顺序。
1、稳定性：基本骨架：磷酸与脱氧核糖交替排列稳定不变。
内侧碱基：遵循碱基互补配对通过氢键连接形成碱基对。
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
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
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
四、有关DNA的计算
(1)一个双链DNA分子中，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数，即A+G=T+C。
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。
在双链DNA分子中：∵ A = T G = C
∴A+G =T + C
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）/（G+C）的值不同。该比值体现了不同生物的
DNA分子的特异性。
四、有关DNA的计算
在双链DNA分子中：∵ A = T G = C
∴A+G =T+C
(2)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_____。
恒等
50%
也可写成：
∴A+G/(A+G+C+T)=T+C/(A+G+C+T)
=
A+G
T+C
T+G
A+C
=1
A+C
T+G
T+C
A+G
=
=
=50%
非互补碱基：不配对的碱基
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
四、有关DNA的计算
（3）双链DNA分子中，A+T或G+C占在全部碱基中所占的比例等于任何
一条单链中A+T或G+C所占的比例。
∵ A1 = T2、 T1 = A2 ,则A1+T1=A2+T2 ,
A+T=(A1+T1)+(A2+T2)
故
A+T
A+T+G+C
=
m
A1+T1+G1+C1
A1+T1
=
A2+T2+G2+C2
A2+T2
=
例如：
m
四、有关DNA的计算
(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
(5)双链DNA分子中A+T/G+C等于其中任何一条链的A+T/G+C。
A+T
G+C
G1+C1
A1 +T1
G2+C2
A2 +T2
=
=
补则等，不补则倒
(6)在双链DNA分子中，某碱基在双链中所占的比例，等于此种
碱基在两条链中比值的______。
一半
A
A+T+G+C
( )
1/2
A1
A1+T1+G1+C1
A2
A2+T2+G2+C2
=
+
四、有关DNA的计算
（7）DNA分子的总氢键数=
2(A-T碱基对数)+3(G-C碱基对数)
例2 ：一条双链 DNA ， G 和C占全部碱基的 44% ，其中一条链的碱基
中，A占 26% ，C占 20% ，那么其互补链中的A和C分别占该链全
部碱基的( ) 。
A. 28% 和 22% B. 30% 和 24% C. 26% 和 20% D. 24% 和 30%
B

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