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第2节 DNA的结构
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
DNA分子的双螺旋结构的发现，标志着生物学的研究进入分子水平，具有里程碑式的意义。
DNA双螺旋结构的发现是20世纪最为重大的科学发现之一，和相对论、量子力学一起被誉为20世纪最重要三大科学发现。
DNA双螺旋结构模型的构建
威尔金斯
富兰克林
用X射线探测DNA，分析衍射图谱来确定DNA的晶体结构
沃森
克里克
23岁的沃森来剑桥完成烟草花叶病毒的博士后课题
35岁的克里克刚从物理学转行道生物学的研究生，主攻蛋白质晶体结构
鲍林
顶尖化学家。将量子力学引入化学，并将此推广到分子生物学
DNA的中文全称：_________________
DNA的组成元素：_________________
DNA的结构单位：_________________
A
G
C
T
脱氧核糖核苷酸是如何构成DNA分子的呢？
脱氧核糖
磷酸
含氮碱基
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸腺嘧啶
DNA双螺旋结构模型的构建
DNA结构模型的构建
资料2：1951年，波林（1954年诺贝尔化学奖得主），发现蛋白质的长链结构。由此启发：DNA是由许多个脱氧核苷酸连接而成的长链。
资料3：1951年，英国科学家（威尔金斯和富兰克林）提供了DNA的X射线衍射图谱，表明DNA分子呈螺旋状结构。
“X”形意味着DNA分子是螺旋
研究DNA分子结构常用的方法：X射线晶体衍射法
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。
富兰克林发现提高空气的湿度，发现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。这是解开DNA结构的重要线索。
1951年11月
应用X射线衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱。
科学家：威尔金斯（M.Wilkins）和富兰克林（R.E.Franklin）
富兰克林拍摄的DNA衍射图谱
富兰克林发现，将DNA晶体翻转180度获得的X射线衍射图仍然是一样的。
沃森与克里克认为：DNA两条链是反向排列的。
DNA双螺旋结构模型的构建
沃森和克里克推算出DNA呈螺旋结构，尝试建构模型：双螺旋、三螺旋→失败
沃森和克里克尝试了碱基位于螺旋外部，磷酸位于内部的双螺旋结构，你觉得合理吗？为什么？
推测：碱基在DNA螺旋结构的内侧，磷酸在外侧
DNA双螺旋结构模型的构建
磷酸基团是亲水的，碱基疏水
4种碱基如何配对组合呢？
DNA结构模型的构建
沃森和克里克尝试了不同的结构模型,但都被否定了。
单链螺旋结构模型；
三链螺旋结构模型；
双链螺旋结构模型；
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。相邻两核苷酸间距相等，并得出DNA是双链的结论。
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)。
DNA结构模型的构建
沃森和克里克：A与T配对，G与C配对，构建出新的DNA模型。
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，能够解释A,T,G,C的数量关系。
碱基对
氢键
A
T
G
C
1962，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。
DNA结构模型的构建
资料五：1953年，美国的沃森和英国的克里克以威尔金斯和富兰克林的DNA晶体X射线衍射图谱以及查哥夫的当量定律为基础，在《nature》上发表了论文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》，引起极大的轰动。
沃森和克里克搭建的DNA双螺旋结构模型
沃森和克里克
总结:
模型建构
DNA双螺旋结构模型建构者：
主要研究方法：
DNA结构模型的构建
讨论
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？
这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
DNA是由两条链构成的。
（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？
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？
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；G与C配对。
沃森和克里克搭建
DNA双螺旋结构模式图
晚年沃森和克里克在双螺旋结构
模型前的最后一次合影
沃森和克里克在构建DNA模型过程中，借助了他人的哪些经验和成果？
DNA双螺旋结构模型的构建
DNA双螺旋结构的主要特点：
2
反向平行
双螺旋
脱氧核糖
磷酸
氢键
碱基对
互补配对
A
A
T
T
G
G
G
C
C
A
T
C
（1）整体：DNA分子是由____条_________ 的脱氧核苷酸长链盘旋而成的_______结构。
（2）外侧：DNA分子中的_________和____ 交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；
（3）内侧：两条链上的碱基排列在内侧通过_______连结，形成________，且遵循碱基___________原则。
二、DNA的结构
DNA双螺旋结构的主要特点：
二、DNA的结构
5＇
3＇
5＇
3＇
O
CH2
OH
H
磷酸基团
碱基
3′
2′
H
H
1′
4′
5′
H
H
两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。
A
T
C
G
T
T
G
C
T
A
DNA双螺旋结构模型的构建
C
T
T
G
A
C
A
G
碱基互补配对原则
活动、画出含有8个基本单位的DNA片段的平面结构模型
DNA的结构
A与T、C与G之间通过形成氢键配对
氢键
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。
C
T
T
G
A
C
A
G
A与T之间有几个氢键？
C与G之间有几个氢键？
2个氢键
3个氢键
DNA的结构
C
T
T
G
A
C
A
G
反向平行
如何描述DNA的方向呢
3′
5′
DNA的结构
5′
3′
a.这是DNA的最终结构吗？
不是，因为它还是平面结构
b.它的立体结构是？
双螺旋
C
T
T
G
A
C
A
G
DNA的结构
两条单链
反向平行
双螺旋结构
链数：
方向：
空间结构：
3′
5′
3′
5′
碱基互补配对形成氢键
G
C
A
T
核苷酸之间连接的化学键
3',5'-磷酸二酯键
脱氧核糖和磷酸交替连接，构成基本骨架
外侧：
两条链反向平行盘旋成规则的双螺旋结构。
脱氧核糖和磷酸交替连接成基本骨架；
内侧：两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对， 遵循碱基互补配对原则。
2.特异性：
每个DNA分子中碱基对的特定排列顺序，构成了DNA分子的特异性。
1.稳定性：
5’
3’
5’
3’
脱氧核苷酸数量不同，碱基的排列顺序千变万化。
在生物体内，一个最短DNA分子也大约有4000个碱基对，请计算DNA分子有多少种？
44000
3.多样性：
二 DNA的结构
（1）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。
O
CH2
OH
H
磷酸基团
碱基
3′
2′
H
H
1′
4′
5′
H
H
（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(腺嘌呤)与T(胸腺嘧啶)配对；
G(鸟嘌呤)与C(胞嘧啶)配对。
小结
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
[典例]下列关于威尔金斯、沃森和克里克、富兰克林、查哥夫等人在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A与T配对，C与G配对的正确关系
D．富兰克林和查哥夫发现A的量等于T的量、C的量等于G的量
[典例]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'
一条脱氧核苷酸链中相邻脱氧核苷酸通过磷酸二酯键相连
DNA分子的一条单链中，相邻碱基通过氢键相连。
[判断]
1
2
3
4
5
6
G
T
C
A
7
8
9
若在一个生物体内嘌呤≠嘧啶是什么原因？
含有单链，嘌呤数量一定不等于嘧啶数量吗？
存在单链结构时，可能是嘌呤=嘧啶；也可能是嘌呤≠嘧啶，关系不确定；
则必然有单链结构存在；
DNA双链中嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数
有关DNA中的碱基计算规律
基本原则：双链DNA中，A=T，C=G
即A+G=T+C=A+C=T+G
A+G
A+G+C+T
= 50%
[典例]某生物细胞DNA的碱基中，腺嘌呤的分子数占22%，那么,胞嘧啶的分子数占（ ）
A.11% B.22% C.28% D.44%
[典例]某双链DNA分子中，G占23%，求A占多少？
27%
有关DNA中的碱基计算规律
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
1链 2链
A1 =
T1 =
T2
A2
G1 =
C1 =
C2
G2
有关DNA中的碱基计算规律
若1链有m个碱基，则2链有__个碱基，该DNA分子含有碱基总数是___，共____对。
C2+G2
=
C+G
A1+T1
C1+G1
T2+A2
=
T+A
=
A1+G1
T1+C1
n
A2+G2
T2+C2
A1 +A2=A
T=A
C=G
=
1/n
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
1链 2链
A1 =
T1 =
T2
A2
G1 =
C1 =
C2
G2
有关DNA中的碱基计算规律
若1链有m个碱基，则2链有__个碱基，该DNA分子含有碱基总数是___，共____对。
A1 +A2=A
T=A
C=G
A2+C2+G2+T2
=
A1+T1
A1+C1+G1+T1
T2+A2
=
A1+T1+T2+A2
=
T+A
1链碱基数
m
2链碱基数
m
双链碱基数
2m
双链碱基数
2m
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
1链 2链
A1 =
T1 =
T2
A2
G1 =
C1 =
C2
G2
有关DNA中的碱基计算规律
若1链有m个碱基，则2链有__个碱基，该DNA分子含有碱基总数是___，共____对。
A1 +A2=A
T=A
C=G
=
A1
m
a%
=
A2
m
b%
=
A
2m
a+b
2
%
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
1链 2链
A1 =
T1 =
T2
A2
G1 =
C1 =
C2
G2
有关DNA中的碱基计算规律
若1链有m个碱基，则2链有__个碱基，该DNA分子含有碱基总数是___，共____对。
A1 +A2=A
T=A
C=G
在一个双链DNA分子中A占n%，则A在其中一条单链中的数值能确定吗？
能确定范围，0%≤A1≤2n%；
[典例]某DNA双链中，一条链中 ，则互补链中的比值是
一条链中 ，则互补链中的比值是
=
A+T
C+G
0.4
=
A+C
T+G
0.4
0.4
2.5
[典例]某DNA中A+T占整个DNA碱基总数的44%，其中一条链上的G占该链碱基总数的21%，那么，对应的另一条互补链上的G占该链碱基总数的比例是（ ）
A.35% B.29% C.28% D.21%
.
[典例]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
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
[提升]下列有关DNA分子的一条单链与其所在DNA分子中、一条单链与其互补链中碱基数目比值的关系图，不正确的是(　　)

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