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第2节 DNA 的结构
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：
DNA 是怎样储存遗传信息的
又是怎样决定生物性状的
决定 ①相对稳定
结构 功能 ②携带信息
③复制传递
什么样的结构可以满足这些功能
合作探究一.DNA 双螺旋结构模型的构建
资料1:当时，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、C、G 四种碱基。
A
T
c
G
合作探究一.DNA 双螺旋结构模型的构建
资料2:1951年11月，英国物理学家威尔金斯(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。
根据DNA 衍射图谱，判断DNA 是双 螺旋结构。
(富兰克林的DNA 衍射图谱---51号照片)
R.E.Franklin
M.Wilkins
合作探究 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建
资料3:碱基具有疏水性，脱氧核糖和磷酸具有亲水性。细胞中的DNA
处于液体环境中。 亲水 P 疏水
N
P
N
P
N
P
N
P
N
N
P
N
P
N
P
N
P
N
疏水
N
N
P P
P P
P P
P P
P P
分子
亲水
碱基如何配对;
请你推测碱基可能的配对方式：
不是相同的碱基两两相连，应是嘌呤与嘧啶相连。
假说一：A与T配 对 ，C与G配对；
假说二：A与C配 对 ，G与T配对。
合作探究一.DNA 双螺旋结构模型的构建
资料4 DNA 螺旋的直径是固定的，均为2 nm。
资料5 嘌呤碱基是双环化合物；嘧啶碱基是单环化合物。
NH
N
CH
C N
N
胸腺嘧啶 (T)
腺嘌呤 (A)
鸟嘌呤 (G)
胞嘧啶 (C)
N
HC
资料6:查哥夫对多种生物的DNA做了碱基定量分析。 H N—H ……O CH H—N 一个碱基上的H原子和与之配对的 碱基上的电负性强的N原子或O原 子间存在一定的吸引力，形成氢键。 DNA来源 Sugar N A O T
N
Sugar
人 小麦 1.22 1.18 1.00 0.97 0.99 0.4 0.4 1.09 1.08 1.1 母鸡 1.45 1.29 1.06 0.91 0.99 鲱鱼 1.43 1.43 1.02 1.02 1.02
在DNA 中，腺嘌呤的量总是等于胸腺嘧啶的量；鸟嘌呤的量总是等于胞 嘧啶的量。A与T 配对，G 与C配对。
合作探究一.DNA 双螺旋结构模型的构建
合作探究一.DNA 双螺旋结构模型的构建
资料7:克里克还从富兰克林书面报告中发现：
Only Crick Realized the Importance of Monoclinic Space Group C2
9 b
a
C-face-centered
a=2.2 nm
b=4.0 nm
c=2.8 nm
i u DN .T yst lf i n( e e)d DNA 两条链的方向是相反的。
hexogonal structure,has the dimensions indicated(17)(one hexagon
in the rectangular ab face is highlighted).The C symmetry axis
requires that the DNA molecule must itself be dyadic and therefore
have two antiparallel polar strands (b).The dyad excludes the
possibiliy ofa single strand()as well as a triple strand (c).
4
r
1
t
ber
cece
f
o
a
C
cr
he
A
2
A
re
n
g
a
F
图9.克里克根据面心单斜C2 空间群推断出DNA 双链反平行。[Lydon,J.E. (2003)Liquid Crystals Today 12:1-9;Lucas,A.A.(2008)J.Chem.Educ.85:737-743]
On the Patterson function obuained,the lattie translations could be readily iden- tifed.On the basis of a unit cell defined by
a=22.0A
b=39.8A
c=28.1A
β=96.5°
the 66 independent relkctions oberved could all be indexed with an error of less than I percent
Thcun
ot, ch R IToaloolot. and
Feanis Cidk the snlicane .There a
douok bared arow ymbo( Thee k half al inervah (7Ay,rght angk to the sbre ai
indkaed in)Noe that the rpat dian bng
the hdi rqui compkle 0 turfd
strand for puralet amangment.but oely a180
tum for praldarrspment When Fancs Crisk
tealsed point. bule the mlculr modet
doubing he isst of he se phosphue duin
Fige6. he socg osp2 From the paemfabscmnt
rcdtm he non photopaph ofADNA
Roalnd Frankln dadsd thut hi or had the ipuce poupC2(Aypil depiaion.coventonal c
ognapbk mbok hion.of the amangmefm mctry dkments n this pc poop.TMs poctiom coropond the iw dom he hek Te ln handt par honhe angcmntfmobf anis in the it a and de nghthand_ide ho the rngmst of ymmtry dkmente Te+d ybok
5 3 5° C
31 5 |3
(b) (c)
a
b
rekr ditane aboe and he pan the
p Tyndate ht he mott wt scu in puin
ray of fo oas lalkcated by the
monoclinic unit
cell
of A-DNA
9 元
3°
5
C2
合作探究一.DNA 双螺旋结构模型的构建
碱基安排在双螺旋内部，脱氧核糖-磷酸骨架安排在螺旋外部。 A与T 配 对 ，G 与C 配 对 ，DNA 两条链的方向是相反的。
用金属制作的模型与X射线衍 射照片比较，模型与基于照片 推算出的DNA双螺旋结构相符。
沃森和克里克搭建的
DNA 双螺旋结构模型
提出者：沃森和克里克
主要内容：
(1)DNA 是 由两条单链组成的，这两条 链反向平行。
(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。
(3)两条链上的碱基通过氢键连接。
碱基互补配对： A一定与T配 对 ，G一定与
C配 对 。
P 5 3
,
Tv
d
G3
>a
c 9
>d
A1
d
G
d
T v
d
A 1
5 a
归纳总结：DNA 分子的双螺旋结构
P
P
P
P
3
P :
P
脱氧核糖上与碱基相连的的碳叫做 1'-C , 与磷酸基团相连的碳叫做 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5'-端 ， 另一端有一个羟基(- OH), 称作3'-端；
DNA 的两条单链的走向相 反，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；
磷酸基团
碱基
5o
T==>A
T: A
T---- 2A
TA
G
5'_
二、 DNA 双螺旋结构的特点
3 '
3'
二、DNA 双螺旋结构的主要特点
3' 1.DNA 是由 两 条单链组成的，这两条链
按反向平行的方式盘旋成双螺旋结构；
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的规律：
A 一定与T _ 配对；A = T
G 一定与C 配对；G = C
碱基之间的这种 — 一对应的关系，
叫 作碱基互补配对原则。
5' G=C 比例越高，DNA 的热稳定性越高
当堂训练
1.下面是DNA 的结构模式图，请写出图中①~⑩的名称。
5 脱氧核糖 6- 磷酸
7 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 8 碱基对
2 腺嘌呤 (A)
4 胸腺嘧啶(T)
一条脱氧核苷酸 链片段
9
⑤
⑥
⑩
⑧-
G ①
胞嘧啶(C)
鸟嘌呤 (G)
氢键 10
9 ⑧
④
T
c
A
1
3
1.①是左边链的3' -端，这一端末端的基团为羟 基 ；
②是右边链的5'_端 ，这一端末端的基团为磷酸基团 ；
2. ③和④中，③ _是真正的脱氧核苷酸，
名称是_腺嘌呤脱氧核苷酸；
3.⑤的名称是一条脱氧核苷酸链的片段
4. 一个DNA 分子有2 _个游离的磷酸基团，位于两条 链的 5 ' 端
一个脱氧核糖上连着_1或2 个磷酸基团；
一个磷酸基团上连着1 或 2个脱氧核糖；
一个脱氧核糖上连着1 _ 个碱基；
DNA 两条链之间相邻的碱基由氢键连接，一条链 中相邻的碱基通过脱氧核糖-磷酸基团-脱氧核糖 连接。
④
A
①
T
G
②
③
⑤
随堂练习
①每个DNA 的片段中，游离的磷酸基团有2个。
②A-T 间有2个氢键，C—C间有3个氢键
③脱氧核糖数=磷酸数=含氮碱基数
单链中相 通过脱氧核糖一磷酸一脱氧核糖 邻碱基： 连接
互补链中
相邻碱基： 通过氢键相连
5o
氢键
3',5'-磷酸二酯键
TA
3'
二、DNA双螺旋结构的特点
数量关系 位置关系
3'
5'
二、DNA 双螺旋结构的特点
1、稳定性：空间结构：两条链反向平行盘旋成 规则的双螺旋结构。
基本骨架：磷酸与脱氧核糖交替连接作为基本骨架。
内侧碱基：遵循碱基互补配对通过氢键连接形成碱基对。
2、多样性：碱基对(脱氧核苷酸)的排列顺序干变万化，
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 14000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。
D 与d 基因不同
的根本原因是
什么
因此可以利用DNA 指纹来识别身份
探究 ·实践 制作DNA 双螺旋结构模型
1、实验目的：某些通过制作DNA 双螺旋结构模型，加深对DNA结构特点 的认识和理解。
2、材料用具
曲别针、泡沫塑料、纸片、扭扭棒、牙签、橡皮泥、铁丝等常用物品
6种：磷酸、脱氧核糖、4种碱基
四种 碱基
脱氧核糖
磷酸
探究 ·实践 制 作DNA 双螺旋结构模型
3、制作步骤
(1)组装“脱氧核苷酸模型”
利用材料制作若干个脱氧核糖、磷酸和碱基，组装成若干个脱氧核苷酸。
(2)制作“多核苷酸长链模型”
将若干个脱氧核苷酸依次穿起来，组成两条多核苷酸长链。注意两条长链 的单核苷酸数目必须相同，碱基之间能够互补配对。
(3)制作DNA 分子平面结构模型
按照碱基互补配对的原则，将两条多核苷酸长链互相连接起来，注意两条 链的方向相反。
(4)制作DNA 分子的立体结构(双螺旋结构)模型
把DNA分子平面结构旋转一下，即可得到一个DNA分子的双螺旋结构模型。
探究 ·实践 制作DNA 双螺旋结构模型
探究 · 实践
在双链DNA中，根据碱基互补配对原则：
①A=T,G=C,
②A+G=T+C (嘌呤数=嘧啶数)
③A+C=T+ G (任意两个不互补的碱基之和相等)
任意两个不互补的碱基之和比值为1)
规律 一：任意两个不互补的碱基之和相等，并为碱基总数的 50%(1/2)
( A+G) 或 (A+C) 或(T+G)或(T+C)/(A+T+G+C )= 1/2
三、DNA 分子中有关碱基的计算规律
DNA双
A
T
G
C
1链
链
2
A
C
G
2链
④
例1:已知一个含150个磷酸的双链DNA 分子中有腺嘌
呤25个，请问此DNA 分子中有多少个胞嘧啶
50
例 2 :某双链DNA 的分子中，鸟嘌呤的分子数占碱基 总数的22%,那么胸腺嘧啶的分子数占碱基总数的
A、22% B、2 8%
C、78% D、50%
三、有 关DNA 中的碱基计算规律
1链 2链
DNA双 链
三、有关DNA 中的碱基计算规律
补充1:双链DNA 中 ，A+T 与G+C 不一定相等；
补充2:双链DNA 中，嘌呤数等于嘧啶数；
单链DNA 、RNA 或DNA+RNA, 则嘌呤数不一定等于嘧啶数。
若在一个生物体内嘌呤≠嘧啶是什么原因 有单链核酸存在 DNA双 链
例 3 :不同的双链DNA 分子，下列的相关比值中有可能
不同的是( )
A、A/T B、A+T)/(G+C)
C 、G/C D、(A+G)/(T+C)
例 4 :某生物鸟嘌呤：胞嘧啶=3:1,则该生物不可能是( )
A.大肠杆菌 B.艾滋病病毒. T2 噬菌体 D.人体细胞 1链 2链
则：⑤(A +T )%=(A +T )%=(A+T)%
规律二：在DNA 双 链 中 ，双 链DNA 中互补碱基和与碱基总
数之比，与任意一条链的这种比值相等。
1 链 中 ：
2链中：
整个DNA中 ：
三、有关DNA 中的碱基计算规律
1链 2链
DNA双 链
例 5 :在双链DNA 分子中 ，G和C之和占全部碱基的 4 8 % , 其 中一条链的A 占该链碱基总数的24%,则另 一条链中的A 占 该链碱基总数的百分比为( )
A、24% B、26% C、28% D、76%
例 6 :在双链DNA 分子中 ，A与T之和占全部碱基总数的 42%,若其中 一条链的C占该链碱基总数的24%, T占30%,则另 一条链上C、T分别占该链碱基总数 的 ( )
A√3 4%12% B、42%12%
C、58%34% D、34%30%
DNA双 链
G
三 、有 关DNA 中的碱基计算规律
1链 2链
⑥ 若 a 则 a G+C=a
例 7 :DNA 的一个单链中(A+T)/(G+C)=0.4, 上 述
比例在其互补单链和整个DNA 分子中分别是( )
A、0.4和0.5 B、0√ 和0.4
C、2.5和1.0 D、0.4和1.0
变式：某双链DNA 分子一条链上(A+T)/(G+C) 的值为0.3 则在整个DNA 分子中A:T:G:C 为( )
A.1:1:1:1 B.2:2:3:3
C2:3:10:10 D.10:10:3:3
规律三：在DNA 双链中， 一条单链的A+T/G+C 的值，与互
补 链 的A+T/G+C 的值及整个DNA 分 子 中A+T/G+C 的值相等。
DNA双链
1链 2链
三、有关DNA 中的碱基计算规律
补则等，不补则倒
例 8 :DNA 的一个单链中(A+G)/(T+C)=0.4,
比例在其互补单链和整个DNA 分子中分别是( )
A、0.4和0.5 B、2.5和0.4
C.2 .5和1.0 D 、0.4 和1.0
三、有 关DNA 中的碱基计算规律
规律四：在DNA 双链中，任意不互补碱基和之比在DNA 的两
条单链中 互 为倒 数，在整 个DNA 分 子中此比为1
DNA双 链
则 1/b A+G=1
1链 2链
上述
⑦若
不同生物的DNA 的(A+T)/(G+C) 的值一样吗
DNA双链
规律六：某碱基在双链中所占的比例等于它在
每条单链中所占比例的平均值。
规律五：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 DNA 分子的特异性。
⑧A%=1/2(A %+A %)
例 9 :在双链DNA 的一条链中A 占22%,另 一 条链中 A 占24%,在整个DNA 分子中，A 占 23%
三、有关DNA 中的碱基计算规律
T1
G1
C1
A2
C
G2
不一样
A1 T2
1 2
例 1 0 :在一个双链DNA 分子中A 占 2 2 % , 则A 在其 中一条单链中的数值能确定吗
能确定范围吗 不能
能确定范围，0%≤A ≤44%;
三、有关DNA 中的碱基计算规律
规律七：若已知A 在双链中所占的比例为c%, 则A 在单链
中所占的比例无法确定，但最大值为2c%, 最小值为0 ;
DNA双 链
例 1 1 :在某双链DNA 中，碱基总数为1000,其中腺嘌 呤200个，则该DNA 分子中有1300 个氢键； A T
T
A
易错提醒： G
C
(1)看清单双链：所求的碱基占单链中的比例还是 C
G
双链中的比例。 1链
2链
(2)看清“个”或“对”:题干中给出的数量是多 少"对”碱基还是多少"个"碱基。
三、有关DNA 中的碱基计算规律
规律八： DNA 分子的总氢键数=2(A-T 碱基对数)+3 (G-C 碱基对数)
DNA双 链
1.DNA 两条单链的碱基数量关系是构建DNA 双螺旋结构模型的重要依据。
判断下列相关表述是否正确。
(1)DNA 两条单链不仅碱基数量相等，而且都有A、T、G、C 四种碱基。
( 2 ) 在DNA 的双链结构中，碱基的比例总是(A+G)/(T+C)=1。
练习与应用
2.在含有4种碱基的DNA 区段中，腺嘌呤有a个，占该区段全部碱
基的比例为b, 则 ( C )
A.b≤0.5
B.b≥0.5
C.胞嘧啶为a(1/2b-1)个
D.胞嘧啶为b(1/2a-1) 个
练习与应用
3.一条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'
练习与应用
( C
碱基互补配对原则对遗传信息的传递具有什么意义
DNA的复制，根据碱基互补配对原则，DNA 两条链的碱基
之间有准确的—一对应关系，保证了遗传信息传递的准确性。
拓展应用

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