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新教材 人教版 必修二
第3章 第2节
互联网时代，每年数据量成爆炸式增长
2023年全球一年产生数据4180亿个1TB的硬盘才能放下
传统数据存储方式，无法满足我们的需求
DNA数据存储技术 未来已来
DNA为什么能储存大量的信息？
在生物体中，DNA又是如何表达的呢？
DNA为什么能储存大量的信息？
在生物体中，DNA又是如何表达的呢？
Contents.
01
DNA双螺旋结构模型的构建
02
DNA的结构
03
制作DNA双螺旋结构模型
04
DNA碱基数目的相关计算规律
第二节：DNA的结构
1
主要构建者：
沃森、克里克
剑桥大学：卡文迪许实验室
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
沃森
沃森
克里克
我能帮你理解生物学内容
我能帮你理解晶体学原理
1
主要构建者：
沃森、克里克
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
2、DNA是4种________________连接而成的长链
脱氧核苷酸
2
过程：
1分子脱氧核苷酸=____________+________________+_________________。
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
背景【资料1】 20世纪30-40年代，化学和遗传学研究取得重大进展
1、DNA的化学元素组成是：________________
C、H、O、N、P
回顾
1’
2’
3’
4’
5’
A
C
G
T
脱氧
核糖
磷酸
1分子磷酸
1分子脱氧核糖
1分子含氮碱基
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸腺嘧啶
p
=
O
OH
O
碱基
3′
2′
1′
4′
CH2
O
OH
H
H
H
H
H
5′
p
=
OH
O
OH
O
碱基
3′
2′
1′
4′
CH2
O
H
H
H
H
H
5′
O
H
O
OH
H2O
背景【资料2】1951年，剑桥大学的科学家通过数据分析得知，相邻脱氧核苷酸之间的聚合方式——脱水缩合
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
背景【资料2】1951年，剑桥大学的科学家通过数据分析得知，相邻脱氧核苷酸之间的聚合方式——脱水缩合
3’,5’-磷酸二酯键
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
O
p
=
O
OH
O
3′
2′
1′
4′
CH2
O
OH
H
H
H
H
H
5′
碱基
3′
2′
1′
4′
CH2
O
H
H
H
H
H
5′
H2O
p
=
OH
O
OH
O
学生活动1：每小组组装8个脱氧核苷酸，并连接为一条脱氧核苷酸单连
学生活动中....
磷酸二酯键
脱氧核糖
磷酸基团
碱基对
糖苷键
1951年，剑桥大学的科学家通过数据分析得知，相邻脱氧核苷酸之间的聚合方式——脱水缩合
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
O
p
=
O
OH
O
3′
2′
1′
4′
CH2
O
OH
H
H
H
H
H
5′
碱基
3′
2′
1′
4′
CH2
O
H
H
H
H
H
5′
H2O
p
=
OH
O
OH
O
【资料3】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射线晶体衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱。
DNA衍射图谱
X射线晶体衍射技术
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
【资料3】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射线晶体衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱。
DNA衍射图谱
证据 推断
DNA衍射图谱呈现“X”形
DNA呈螺旋结构
DNA衍射图谱外围的斑点较浅，研究表明，这是因为另一条螺旋的干扰。
DNA可能呈双螺旋结构
X射线晶体衍射技术
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
【资料4】富兰克林和威尔金斯发现DNA翻转180°后的图谱与未翻转的一模一样
翻转180°
威尔金斯
富兰克林
证据 推断
DNA翻转180°后的图谱与未翻转的一模一样
DNA两条链反向
翻转180°
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
问题1：DNA的两条链的位置关系是怎样的呢？它们是如何连接的？
尝试构建双链平面模型。
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
问题1：DNA的两条链的位置关系是怎样的呢？它们是如何连接的？
尝试构建双链平面模型。
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
问题3：DNA的两条链的位置关系是怎样的呢？它们是如何连接的？
尝试构建双链平面模型。
可能性1：
碱基排列在内侧
可能性2：
碱基排列在同侧
可能性3：
碱基排列在外侧
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
问题3：DNA的两条链的位置关系是怎样的呢？它们是如何连接的？
尝试构建双链平面模型。
可能性1：
碱基排列在内侧
可能性2：
碱基排列在同侧
可能性3：
碱基排列在外侧
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
【资料4】DNA位于液体环境中，磷酸与脱氧核糖
亲水，
碱基疏水
【资料5】①DNA分子两条链之间的距离是固定的，直径约为2nm；
假说一：A与T配对，G与C配对；
假说二：A与C配对，G与T配对。
②嘌呤是双环化合物，嘧啶是单环化合物（如图所示）；
据此推测位于DNA内部的碱基如何配对？可以提出哪些假说？
问题：DNA中碱基的是如何配对的？
嘌呤与嘧啶配对
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
胸腺嘧啶（T）
查哥夫
【资料6】奥地利生物化学家查哥夫对DNA的碱基研究数据如下图：
由此推测，上述哪种假说是正确的？
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
【资料5】①DNA分子两条链之间的距离是固定的，直径约为2nm；
假说一：A与T配对，G与C配对；
假说二：A与C配对，G与T配对。
②嘌呤是双环化合物，嘧啶是单环化合物（如图所示）；
据此推测位于DNA内部的碱基如何配对？可以提出哪些假说？
问题：DNA中碱基的是如何配对的？
嘌呤与嘧啶配对
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
胸腺嘧啶（T）
查哥夫
【资料6】奥地利生物化学家查哥夫对DNA的碱基研究数据推测
氢键
氢键
碱基互补配对原则
（3个氢键）
G
C
A
T
（2个氢键）
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
1953年，沃森和克里克撰写的论文 核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型 在英国杂志《自然》上发表，引起极大的轰动。
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
1953年，沃森和克里克撰写的论文 核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型 在英国杂志《自然》上发表，引起极大的轰动。
1962年，沃森、克里克和威尔金斯三人因这一研究成果共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。
富兰克林于1958年因卵巢癌去世，无缘诺贝尔奖。
诺贝尔奖
DNA衍射图谱
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
1953年，沃森和克里克撰写的论文 核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型 在英国杂志《自然》上发表，引起极大的轰动。
1962年，沃森、克里克和威尔金斯三人因这一研究成果共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。
富兰克林于1958年因卵巢癌去世，无缘诺贝尔奖。
诺贝尔奖
DNA衍射图谱
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
DNA双螺旋结构发现的启示：
1.科学发现常常需要多个学科知识的融合
2.科学发现需要不断的实验验证
3.模型构建的重要性
生物学、物理学、化学、数学
物理模型
假说-验证-修正...
DNA双螺旋结构模型的构建
Construction of DNA double helix structure model
分子遗传学则主要研究基因的本质、基因的功能以及基因的变化等问题
两条单链
反向平行
链 数：
方 向：
O
CH2
OH
H
磷酸
基团
碱基
3′
2′
H
H
1′
4′
5′
H
H
3′
5′
5′
3′
磷酸基团端称作5’-端
羟基(-OH)端称作3’-端
双螺旋结构
结 构：
DNA的结构
The structure of DNA
P50页：双螺旋结构的主要特点（1）
1.DNA分子的一条单链中，相邻碱基通过
“ ”相连。
相邻核苷酸通过 相连。
2.互补链中相邻碱基通过 相连。
脱氧核糖和磷酸交替连接，构成基本骨架
碱 基
外 侧：
内 侧：
3′
5′
5′
3′
脱氧核糖-磷酸-脱氧核糖
氢键
磷酸二酯键
易错分析：
DNA的结构
The structure of DNA
P50页：双螺旋结构的主要特点（2）
（3）
碱基互补配对原则
4．一条DNA单链的序列是5'-GATACC-3'，那么它的互补链的序列是 （ ）
A．5'-CTATGG-3'
B．5'-GATACC-3'
C．5'-GGTATC-3'
D．5'-CCATAG-3'
C
课堂练习：课本 p52
5’
3’
5’
3’
G
A
T
A
C
C
C
T
A
T
G
G
DNA的结构
The structure of DNA
1.目的要求:
通过制作模型，加深对DNA结构特点的认识和理解。
曲别针、泡沫塑料、纸片、扭扭棒、牙签、橡皮泥、铁丝等。
2.材料用具:
制作DNA双螺旋结构模型
探究 实践
①制作磷酸脱氧核糖和含氮碱基的模型材料时,须注意各分子的大小比例。
②磷酸、脱氧核糖和含氮碱基三者之间的连接部位要正确。
③制作两条长链时，注意每条链上碱基总数要一致，碱基对间应是互补配对的，两条链方向是相反的。
3.模型设计:
对照模型思考：1.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？
2.DNA是如何维系它的遗传稳定性的？
3.为什么可以利用DNA指纹来识别身份？
4.你能够根据DNA的结构特点，设想DNA的复制方式吗？
4.作品展示
2.3 制作DNA双螺旋结构模型
制作DNA双螺旋结构模型
探究 实践
1.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？
2.DNA是如何维系它的遗传稳定性的？
3.为什么可以利用DNA指纹来识别身份？
4.你能够根据DNA的结构特点，设想DNA的复制方式吗？
2.3 制作DNA双螺旋结构模型
制作DNA双螺旋结构模型
探究 实践
1.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？
2.3 制作DNA双螺旋结构模型
制作DNA双螺旋结构模型
探究 实践
DNA虽然只含有4种脱氧核苷酸，但是碱基的排列顺序却是千变万化的。碱基排列顺序的千变万化，使DNA储存了大量的遗传信息。
在生物体内，一个最短DNA分子也大约有4000个碱基对。
请同学们计算DNA分子有多少种？
44000
多样性
1.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？
2.DNA是如何维系它的遗传稳定性的？
2.3 制作DNA双螺旋结构模型
制作DNA双螺旋结构模型
探究 实践
(1)靠DNA碱基对之间的氢键维系两条链的偶联；
(2)在DNA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的相互作用力。
氢键越多，结构越稳定，而G—C碱基对之间含有的氢键多，即含G、C碱基对比例越大，结构越稳定，更耐高温。
据实验测定，G//C碱基对占比越高，DNA越稳定，和其结构有什么关系？
稳定性
（碱基堆积力）
1.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？
2.DNA是如何维系它的遗传稳定性的？
3.为什么可以利用DNA来识别身份？
2.3 制作DNA双螺旋结构模型
制作DNA双螺旋结构模型
探究 实践
两个随机个体具有相同DNA序列的可能性微乎其微
特异性
1.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？
2.DNA是如何维系它的遗传稳定性的？
3.为什么可以利用DNA指纹来识别身份？
4.你能够根据DNA的结构特点，设想DNA的复制方式吗？
2.3 制作DNA双螺旋结构模型
制作DNA双螺旋结构模型
探究 实践
从碱基互补配对原则出发去思考。
例1.用卡片构建DNA平面结构模型,所提供的卡片类型和数量如表所示,下列说法正确的是(　　)
A.最多可构建4种脱氧核苷酸,5个脱氧核苷酸对
B.构成的双链DNA片段最多有10个氢键
C.DNA中每个脱氧核糖均与1分子磷酸相连
D.最多可构建44种不同碱基序列的DNA
卡片类型 脱氧核糖 磷酸 碱基
A T G C
卡片数量 10 10 2 3 3 2
B
制作DNA双螺旋结构模型
探究 实践
DNA数据存储技术 原理及优点
普通的计算机数据，如照片或文字文档等，在计算机内被描述为二进制（0或1）串。
（例如：01 00 10 10 00 10 00 01）
DNA中 的排列顺序
规定：00---A 01--G 10--C 11-T
（GACCACAG）
把二进制的数字排列顺序
转化
碱基的
可以存储大量数据
数据可以拷贝
保存时间长
稳定性
多样性
可以复制
DNA数据存储技术 原理及优点
普通的计算机数据，如照片或文字文档等，在计算机内被描述为二进制（0或1）串。
（例如：01 00 10 10 00 10 00 01）
DNA中 的排列顺序
规定：00---A 01--G 10--C 11-T
（GACCACAG）
把二进制的数字排列顺序
转化
碱基对的
可以存储大量数据
数据可以拷贝
保存时间长
稳定性
多样性
可以复制
本节小结
DNA的结构
DNA双螺旋结构模型的构建
DNA的组成元素
DNA的基本单位
DNA双螺旋结构
两条链、反向平行
外侧:脱氧核糖和磷酸交替连接
内侧:碱基间有氢键，碱基互补配对
C、H、O、N、P
脱氧核苷酸
DNA的相关计算
制作DNA双螺旋结构模型
特性
多样性
稳定性
特异性

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