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第2节DNA的结构
第三章 基因的本质
一、DNA双螺旋结构模型的构建
美国生物学家沃森、英国物理学家克里克和英国物理学家威尔金斯因______________________而荣获1962年诺贝尔医学生理学奖。
美国生物学家沃森(左)英国物理学家克里克(右)
英国物理学家威尔金斯
发现DNA双螺旋结构
一、DNA双螺旋结构模型的构建
1953年，美国科学家沃森（J．D.Watson，1928—）
英国科学家克里克（F.Crick，1916—2004)
标志着生物学的研究进入分子的层次。
1953年沃森和克里克搭建的收藏在纽约科学博物馆DNA模型
一、DNA双螺旋结构模型的构建
资料1
20世纪30年代,科学家认识到:DNA分子的基本单位是 ,而且
1分子脱氧核苷酸 = + + .
脱氧核苷酸
1分子磷酸
1分子脱氧核糖
1分子含氮碱基
磷酸
脱氧
核糖
含氮碱基
1’
2’
3’
4’
5’
一、DNA双螺旋结构模型的构建
DNA是以4种脱氧核苷酸连接而成的长链，这4种脱氧核苷酸分别含有A、T、G、C 4种碱基。
资料2
磷酸二酯键
腺嘌呤
脱氧核苷酸
鸟嘌呤
脱氧核苷酸
胞嘧啶
脱氧核苷酸
A
脱氧
核糖
磷酸
G
脱氧
核糖
磷酸
脱氧
核糖
C
磷酸
T
脱氧
核糖
磷酸
胸腺嘧啶
脱氧核苷酸
一、DNA双螺旋结构模型的构建
富兰克林拍摄的DNA的X射线衍射图
X衍射技术是用X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术。这个方法可以用来推测晶体的分子排列。
资料3
为推算出DNA分子呈螺旋结构的结论，提供了决定性的实验依据。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
沃森和克里克尝试了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型，碱基位于螺旋的外部，但均被否定。
后来又重新构建了一个双螺旋：磷酸—脱氧核糖骨架安排在螺旋外部，碱基位于螺旋内部。但安排相同碱基配对，即A—A、T—T等。违反了化学规律。
资料4
一、DNA双螺旋结构模型的构建
碱基配对时，为什么嘌呤不与嘌呤，嘧啶不与嘧啶配对呢？
　　这是由于嘌呤碱是双环化合物，占有空间大；嘧啶碱是单环化合物，占有空间小。而DNA分子的两条链的距离是固定的。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
沃森和克里克尝试了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型，碱基位于螺旋的外部，但均被否定。
后来又重新构建了一个双螺旋：磷酸—脱氧核糖骨架安排在螺旋外部，碱基位于螺旋内部。但安排相同碱基配对，即A—A、T—T等。违反了化学规律。
资料4
奥地利著名生物化学家查哥夫研究得出：
腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量(A=T)；
鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量(G=C)。
他们改变碱基配对方式，让A—T，G—C配对，结果制作出的模型与X射线衍射照片比较，完全符合。
资料5
一、DNA双螺旋结构模型的构建
早期：4种脱氧核苷酸（A、T、C、G）连接而成的长链
1951年春沃森
威尔金斯
沃森(左)克里克(右)
1951年秋
双螺旋结构：磷酸--脱氧核糖在外部，碱基对A—A，T—T，C—C，G—G在内部。
化学家提出“配对方式”违反化学规律
1952年春化学家查哥夫指出：A=T，G=C。
沃森和克里克发现： A—T碱基对与G—C碱基对具有相同的形状和直径
富兰克林
1953年沃森和克里克搭建的收藏在纽约科学博物馆DNA模型
双螺旋结构：磷酸—脱氧核糖在外部,碱基对A—T，T—A，C—G，C—G在内部的反向平行方式盘旋成的双螺旋结构模型
螺旋结构
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？
【答案】DNA是由两条链构成的。它的立体结构为：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。
(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？
【答案】DNA的基本骨架包括脱氧核糖和磷酸，它们排列在DNA的外侧。
(3)DNA中的碱基是如何配对的？它们位于DNA的什么部位？
【答案】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一定与T配对；G一定与C配对。
2.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？
【提示】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。
---讨论
二、DNA的结构
1.DNA由两条单链组成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构
二、DNA的结构
2.DNA中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一定和T配对，G一定和C配对，碱基之间一一对应的关系称为碱基互补配对原则。
二、DNA的结构
4. DNA分子的特性
①多样性：DNA分子碱基对的排列顺序千变万化。
一个最短的DNA分子也有4000个碱基对，可能的排列方式就有44000种。
②特异性：特定的DNA分子具有特定的碱基排列顺序
不同的生物，碱基对的数目可能不同，碱基对的排列顺序肯定不同。
③稳定性：DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接的方
式不变，两条链间碱基互补配对的原则不
变。(即结构的稳定性）
二、DNA的结构
五种元素：
C、H、O、N、P
四种碱基：
A、G、C、T，相应的有四种脱氧核苷酸
三种物质：
磷酸、脱氧核糖、含氮碱基
两条长链：
两条反向平行的脱氧核苷酸链
一种螺旋：
规则的双螺旋结构
三、制作DNA双螺旋结构模型
选择什么材料分别代表磷酸、脱氧核糖和碱基？三者之间怎样相互连接形成一个脱氧核苷酸
每个脱氧核苷酸之间是怎样相互连接的？
如何在模型中体现构成DNA的两条链是反向平行的？又怎样体现两条链的碱基之间互补配对？
三、制作DNA双螺旋结构模型
---讨论
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？
【答案】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。
2.DNA是如何维系它的遗传稳定性的？
【提示】(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。
3.你能够根据DNA的结构特点，设想DNA的复制方式吗
【提示】不一定要求学生答出半保留复制，可以引导学生从DNA的结构来进行推测，如从碱基互补配对原则出发去思考。
三、DNA结构的相关计算
设DNA一条链为1链，互补链为2链。根据碱基互补配对原则:
可知：A1=T2 ， A2=T1， G1 = C2 ， G2 =C1。
在DNA双链中： A = T ， G = C
可引申为：
①双链中，嘌呤数等于嘧啶数。
A+G=T+C 即A+G/T+C=1
或
A+C=T+G 即A+C/T+G=1
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
②双链中，两互补碱基之和占整个DNA分子碱基总数的百分比等于其中任何一条链中两互补碱基之和占该链碱基总数的百分比，且其中任何一条链两互补碱基之和是整个DNA分子两互补碱基之和的一半。
A+T
A+T+G+C
A1 +T1 +G1 +C1
A1 +T1
=
=
A2 +T2 +G2 +C2
A2 +T2
=
A1 +T1
（A+T）
1
2
=
=
A2 +T2
双链中，两互补碱基之和的比等于任一单链中两互补碱基之和的比。
A+T
G+C
A1+T1
G1+C1
A2 +T2
G2 +C2
=
=
③双链中，互补的两条链中两不互补碱基之和的比互为倒数。
= a， 则
A1+G1
T1+C1
T2+C2
A2+G2
= 1/a
而整个DNA分子中(A+G) / (T+C)=
1
④单链中某碱基占该链的比为b，则该碱基在双链中的比为b/2。
A1
单链
若 = b
A1
双链
则 = b/2
⑤不同生物的DNA分子中互补配对的碱基之和的比值不同。
A+T
G+C
比值不同
该比值不同体现了不同生物DNA分子的特异性
课堂练习
1. 胞嘧啶
2. 腺嘌呤
3. 鸟嘌呤
4. 胸腺嘧啶
5. 脱氧核糖
6. 脱氧核苷酸
7.碱基对
8. 氢键
9. 一条脱氧核苷酸链的片段
1
2
3
4
5
5
6
7
9
8
G
T
C
A
A
C
G
T
　1．下面是DNA的分子结构模式图，说出图中1－9的名称。
随堂检测：
1、如果某DNA分子的一条链上的某段碱基排列顺序是……A—G—A—T—C—G—A—T……，则另一条链上对应的碱基排列顺序是(　　)
A． ……A—G—A—T—C—G—A—T……
B． ……G—A—G—T—C—G—T—A……
C． ……T—C—T—A—G—C—T—A……
D． ……C—T—C—G—C—T—A—T……
C
2、DNA复制的计算问题：关键在于正确画出DNA复制2次的图示
如：将普通的大肠杆菌（DNA种含14N ）放在含15N的培养液培养，繁殖两代
14N
14N
亲代
14N
14N
15N
15N
一代
14N
15N
14N
15N
15N
15N
15N
15N
二代
DNA分子数=
2n
脱氧核苷酸链数=
2n+1
含14N的DNA分子数=
2n
只含14N的DNA分子数=
2n
-2
含15N的DNA分子数=
只含15N的DNA分子数=
2
0
汉水丑生侯伟作品
2、DNA复制的计算问题：关键在于正确画出DNA复制2次的图示
如：将普通的大肠杆菌（DNA种含14N ）放在含15N的培养液培养，繁殖两代
14N
14N
亲代
14N
14N
15N
15N
一代
14N
15N
14N
15N
15N
15N
15N
15N
二代
若亲代DNA分子中含有某种碱基m个，经过n次复制需要游离的该碱基为：
若亲代DNA分子中含有某种碱基m个，第n次复制需要游离的该碱基为：
（2n
- 1）
×m
汉水丑生侯伟作品

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