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第2节 DNA分子的结构和复制
第2节 DNA分子的结构和复制
第1课时
总结DNA结构的主要特点，初步形成遗传物质结构与功能相统一的观点培养生命观念。
01
02
了解科学家构建模型的研究历程，领悟模型建构在研究中的应用，体会持之以恒的科学精神,渗透社会责任。
03
尝试制作DNA双螺旋结构模型，领悟模型方法在科学研究中的作用，培养科学探究能力。
1951年
美国加州理工学院的鲍林及其同事用X射线衍射技术和分子模型的构建，率先解出了蛋白质的二级结构。
鲍林
盘曲折叠
DNA分子的结构却迟迟没有被解开。DAN结构到底是怎样的呢？
关于DNA，当时已知的有 ：
①DNA基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。
②DNA是线状聚合物。
③DNA之中有比较多的氢键。
材料一
国王学院富兰克林发现提高空气的湿度，可以让DNA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。这是解开DNA结构的重要线索。
A型衍射图谱
B型衍射图谱
吸水后易转变
富兰克林
内侧
外侧
积极思维:
材料2
生物学家沃森与物理学家克里克首次在卡文迪许实验室相遇，两人合力推出了三股螺旋的DNA结构，他们把磷酸排在内侧，含氮碱基排在外侧。当他们邀请威尔金斯和富兰克林前来观看时，被两人评价为“一无是处” ，并告知他们含氮碱基应该排列在内侧。沃森和克里克默默地记录下了这个关键信息。
沃森和克里克
积极思维:
P
脱氧核糖
含氮碱基
P
脱氧核糖
含氮碱基
P
脱氧核糖
含氮碱基
P
脱氧核糖
含氮碱基
P
脱氧核糖
含氮碱基
P
脱氧核糖
含氮碱基
P
脱氧核糖
含氮碱基
P
脱氧核糖
含氮碱基
错误！
观察碱基结构，你能发现什么问题？
嘌呤有2个环
嘧啶有1个环
N
O





P
A
N
O





P
T
N
O





P
G
N
O





P
C
N
O





P
C
N
O





P
G
N
O





P
T
N
O





P
A
如果是相同碱基配对，那么DNA直径不固定
积极思维:
材料3
1952年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)。
查哥夫
积极思维:
1953年美国科学家沃森和英国科学家克里克以富兰克林、威尔金斯等人提供的DNA衍射图像的有关数据为依据，推算出DNA分子呈双螺旋结构。
沃森、克里克构建的DNA双螺旋模型属于物理模型；
《自然》杂志同时刊登了威尔金斯、富兰克林的论文，1962年，沃森、克里克、威尔金斯同时获得了诺贝尔生理学或医学奖。
积极思维:
1.DNA的结构层次
一、DNA的结构
基本组成元素：
基本组成物质：
基本组成单位：
DNA单链：
DNA双链结构：
C、H、O、N、P
磷酸基团、脱氧核糖、含氮碱基
脱氧核糖核苷酸（4种）
脱氧核苷酸链
DNA双螺旋结构
03
2.DNA的结构特点
CH2
H
OH
H
H
H
H
碱基
磷酸
5’
4’
3’
2’
1’
5’
3’
5’
3’
一个羟基(—OH)，称作3′－端
游离的磷酸基团，称作5′－端
磷酸二酯键
C
T
T
G
A
C
A
G
5’
5’
3’
3’
（1）由 条单链按_____________方式盘旋成_________结构
反向平行
双螺旋
2
3',5'-磷酸二酯键
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：
碱基对
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
5′
3′
3′
5′
2
3
G.C比例越高，DNA的热稳定性越高
1.如图是DNA片段的结构图，请据图回答下列问题：
(1)图中的1、2、5、7的名称分别是什么？
1为碱基对、2为一条脱氧核苷酸单链片段、5为腺嘌呤脱氧核苷酸、7为氢键。
(2)该片段中，游离的磷酸基团有几个？
2个。
(3)现有M、N两个均含有200个碱基的双链DNA分子，
其中M分子中共有260个氢键，N分子中含有20个腺嘌呤，那么M分子中有C—G碱基对多少个？这两个DNA分子中哪个结构更稳定？
M分子中有C—G碱基对共60个；N分子结构更稳定。
2.特异性：
每种DNA有特定的碱基对排列顺序。
3.稳定性：
1.多样性：
①外部稳定的基本骨架——磷酸和脱氧核糖交替连接形成；
②内部碱基对稳定——通过氢键连接，严格遵循碱基互补配对原则，加强稳定性；
③空间结构稳定——规则的双螺旋结构。
碱基对的排列顺序的千变万化。
二、DNA的特点
汉水丑生侯伟作品
思考：n个碱基对构成的DNA具有 种排列顺序；
4n
43 160 000 000种。
人的基因组约含有31.6亿个碱基对，人的DNA分子有多少种排列方式？
A
A
A
T
T
T
G
G
G
G
C
C
C
A
T
C
汉水丑生侯伟作品
三、DNA分子碱基数量和比例的计算
1.双链DNA分子中嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数，任意两个不互补碱基之和为碱基总数的一半。
根据碱基互补配对原则可知，A1＝T2，A2＝T1，G1＝C2，G2＝C1；
则A1＋A2＝T1＋T2；G1＋G2＝C1＋C2；
即:双链中A＝T，G＝C，A＋G＝T＋C＝A＋C＝T＋G＝ 1/2(A＋G＋T＋C)。
汉水丑生侯伟作品
2.互补碱基之和所占比例在任意一条链及整个DNA分子中都相等。
A1＋T1＝A2＋T2；G1＋C1＝G2＋C2。
A
A
A
T
T
T
G
G
G
G
C
C
C
A
T
C
3.两不互补碱基之和之比在两条链中互为倒数。
A+C
G+T
A2 +C2
G2 +T2
A1+C1
G1+T1
整个DNA分子上 =1
DNA分子一条中 = n ，
则另一条链上 = 1/n
A
A
A
T
T
T
G
G
G
G
C
C
C
A
T
C
汉水丑生侯伟作品
A2 +T2
G2 +C2
DNA分子一条链中
则另一条链上
整个DNA分子上
=a
A1+T1
G1+C1
A+T
G+C
4.互补碱基之和之比在两条链中相等。
A
A
A
T
T
T
G
G
G
G
C
C
C
A
T
C
=a
=a
目的要求
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。
曲别针、泡沫塑料、纸片、扭扭棒、牙签、橡皮泥、铁丝等常用物品，都可用作模型制作的材料。
材料用具
四、设计和制作DNA分子双螺旋结构模型
1.组装“脱氧核苷酸模型”：利用材料制作若干个_________、磷酸和碱基，组装成若干个脱氧核苷酸。
2.制作“多脱氧核苷酸长链模型”：将若干个脱氧核苷酸依次穿起来，组成两条多脱氧核苷酸长链。注意两条长链的脱氧核苷酸数量必须_____，碱基之间能够________。
3.制作DNA分子平面结构模型：按照_____________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_____。
4.制作DNA分子的立体结构模型：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。
脱氧核糖
相同
互补配对
碱基互补配对
相反
学生作品展示
学生作品展示
第2节 DNA分子的结构和复制
第2课时
　　沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道：“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制。”
《核酸的分子结构》论文节选
DNA的复制发生在什么时期？
DNA分子是怎样进行复制的呢
复制一次
亲代DNA
子代DNA
全保留复制模型：即亲代的双螺旋形态结构完全不变，
子代只是全新的复制品。
模型1
一、对DNA复制的推测
模型2
分散复制模型：即亲代的DNA会分散进入子代复制品的每条链中，亲代和子代的DNA都是旧DNA和新DNA的混合体。
复制一次
亲代DNA
子代DNA
半保留复制模型：即以亲代DNA的每条链为模板合成一条
互补子链，再与互补子链组成子代DNA
模型3
复制一次
亲代DNA
子代DNA
半保留
复制
全保留
复制
需要通过实验验证
首要问题，如何区分开亲代与子代的DNA？
分散
复制
1.实验者：
2.实验材料：
3.实验方法：
美国生物学家米西尔森和斯塔尔
4.背景知识：
大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
同位素标记法
①15N和14N是氮元素的两种稳定同位素，这两种同位素的相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大；
②利用离心技术可以在盛有氯化铯溶液的试管中区分含有不同氮元素的DNA；
14N/14N—DNA
15N/14N—DNA
15N/15N—DNA
轻链
中链
重链
密度梯度离心技术
高密度带
中密度带
低密度带
15N
14N
15N
15N
14N
14N
密度梯度离心法（补充）
亲 代
子一代
子二代
细胞再分裂一次
15N
15N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
假设DNA的复制是全保留复制
15N
15N
14N
14N
14N
14N
15N
15N
演绎推理
子一代
子二代
亲 代
细胞再分裂一次
15N
15N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
假设DNA的复制是分散复制
15N
14N
15N
14N
演绎推理
15N
14N
14N
14N
15N
14N
亲 代
子一代
子二代
细胞再分裂一次
15N
15N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
假设DNA的复制是半保留复制
演绎推理
证明DNA的复制是半保留复制
排除DNA的复制是全保留复制
排除DNA的复制是分散型复制
实验验证
1.细菌在含15NH4Cl的培养基中繁殖数代后，使细菌DNA的含氮碱基均含有15N，然后再移入含14NH4Cl的培养基中培养，抽取其子代的DNA经高速离心分离，如图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是(　　)
A．第一次分裂的子代DNA应为⑤
B．第二次分裂的子代DNA应为①
C．第三次分裂的子代DNA应为③
D．亲代的DNA应为⑤
A
二、DNA复制的过程
1.概念：
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。DNA→DNA。
2.场所：
真核细胞：细胞核（主要）、叶绿体、线粒体。
原核细胞：细胞质
病毒：宿主细胞内
3.时间：
细胞分裂前的间期。
(有丝分裂前的间期，减数分裂前的间期）
解旋
合成子链
螺旋化
①在解旋酶的作用下，氢键断裂，部分DNA双螺旋的两条链解开。
②DNA聚合酶等以解开的每一条母链为模板，一游离的4种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，合成与母链互补的一条子链。
4.过 程
③每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
解旋酶
DNA聚合酶
母链(模板链)
子链(新合成的链)
四种脱氧核苷酸
3’
3’
5’
3’
5’
5’
3’
5’
1.解旋
2.合成子链
3.螺旋化
C.酶：
解旋酶、DNA聚合酶等
B.原料：
四种脱氧核苷酸
A.模板：
亲代DNA的两条母链
D.能量：
ATP
5.复制的条件：
7.复制的结果：
半保留复制（结果），
边解旋边复制（过程），
多起点双向复制（真核）
6.复制的特点：
1个DNA→2个DNA
思考：1.DNA为什么能准确复制？
⑴因为它具有独特的双螺旋结构，能为复制提供模板；
⑵因为它的碱基互补配对能力，能够使复制准确无误。
2.复制后的两个DNA是如何平均分配到两个细胞中的？
随染色单体的分离进入两个细胞中
3.复制的意义是什么？
DNA通过复制，将遗传信息从亲代传给了子代，保持亲代和子代遗传信息的连续性
多起点双向复制
单起点双向复制
思考：4.真核细胞与原核细胞DNA复制有什么区别？
将含有 15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养，复制n次，则：
(1)DNA分子数：
①子代DNA (含14N)分子数＝
②含有亲代DNA链的子代DNA(15N)分子数＝
③不含亲代链的子代DNA(只含14N)分子数＝
2n个
2个
(2n－2)个
(2)脱氧核苷酸链数：
①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数＝
②亲代脱氧核苷酸链数(15N) ＝
③新合成的脱氧核苷酸链数(14N) ＝
2n＋1条
2条
(2n＋1－2)条
三、DNA复制的相关计算
①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸 ？
②第n次复制，消耗该脱氧核苷酸数？
(3)消耗的脱氧核苷酸数：
m (2n－1)个
m·2n－1
例、一个具有a个碱基对的DNA，含有b个A，该DNA完成n次复制，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸多少个？
一个DNA含有胞嘧啶脱氧核苷酸：
a-b
完成n次复制，净增DNA：
2n-1
（2n-1）X
(a-b)
DNA复制的推测
DNA半保留复制的实验证据
DNA复制的过程
DNA能准确复制的原因
方法：同位素标记法、密度梯度离心
（2）碱基互补配对原则保证复制准确无误
（1）DNA分子独特的双螺旋结构提供精确的模板
半保留复制、全保留复制和分散复制模型
场所、时间、模板、原料、能量、酶、碱基互补配对、特点

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