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第3节　DNA的结构
高中生物学 必修2 遗传与进化 · 学案
班级：________　姓名：________　学号：________
学习目标
1．【生命观念】：通过分析DNA双螺旋结构的组成与特点，理解DNA分子结构与其储存遗传信息功能的统一，形成结构与功能相适应的生命观念。
2．【科学思维】：运用模型与建模、归纳推理等方法，分析碱基互补配对与碱基数量关系，推理DNA结构稳定、多样与特异的原因。
3．【科学探究】：体验DNA双螺旋结构模型的构建历程，领悟科学探究中实验证据、技术进步与多学科合作的重要作用。
4．【社会责任】：了解DNA指纹技术在身份确认与亲子鉴定中的应用，体会生物学知识在现实生活中的价值。
情境导入
1953年4月25日，英国《自然》杂志刊出沃森与克里克署名的《核酸的分子结构》一文，正式提出DNA双螺旋结构模型。这一划时代的成就并非一蹴而就：它建立在富兰克林和威尔金斯拍摄的X射线衍射图谱、查戈夫发现的碱基数量规律等众多前人成果之上，历经多次否定与修正才最终成形。（改写自人教版必修2第3章第2节“问题探讨”）
1．沃森和克里克在构建DNA模型的过程中主要借鉴了前人的哪些成果？
2．结合DNA双螺旋结构的特点思考：DNA分子为什么既结构稳定又能储存丰富的信息？
自主预学
任务一　DNA双螺旋结构模型的构建
1．1953年，美国生物学家________和英国物理学家________共同提出了DNA双螺旋结构模型。
2．模型构建借鉴了前人的重要成果：威尔金斯和富兰克林拍摄的DNA分子________图谱，以及查戈夫发现的碱基数量关系（A=________、G=________）。
图1　DNA双螺旋结构模型构建的探索历程示意图
任务二　DNA分子的结构组成与主要特点
1．DNA分子的基本组成单位是________，它由一分子________、一分子________和一分子含氮碱基组成。
图2　DNA分子双螺旋结构示意图
图3　DNA分子的组成元素与结构层次示意图
2．DNA双螺旋结构的主要特点：
项目 部位 特点
整体 由________条脱氧核苷酸链按________方式盘旋成双螺旋结构
排列 外侧 ________和________交替连接，构成基本骨架
内侧 碱基通过________连接成碱基对
碱基互补配对 A与________配对、________与C配对
课堂探究
探究一　DNA双螺旋结构模型的构建历程
沃森和克里克依据DNA衍射图谱等证据，先后尝试提出单链、双链、三螺旋等多种结构模型，又在查戈夫碱基数量关系的启发下，将嘌呤与嘧啶按互补配对方式排于内部，最终确立了碱基配对在内部、脱氧核糖—磷酸骨架在外部、两条链反向平行的双螺旋模型。
1．沃森和克里克在构建模型的过程中，主要借鉴并利用了他人的哪些经验和成果？
2．从“三螺旋模型被否定”到“双螺旋结构最终确立”，你从中体会到科学探究的哪些特点？
典例1　DNA双螺旋结构模型的提出是20世纪自然科学的伟大成就之一。下列研究成果中，为该模型的构建提供主要依据的是（　）
①查戈夫的发现——DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等
②赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质的实验
③艾弗里证明DNA是遗传物质的实验
④威尔金斯和富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱
A．①②　　B．②③　　C．③④　　D．①④
探究二　DNA分子结构特点的分析
图4　DNA分子的平面结构(甲)与空间结构(乙)示意图
结合图4分析并回答下列问题：
1．由DNA的结构可推知，脱氧核苷酸和含氮碱基的比例是多少？一条单链中相邻的两个碱基是如何连接的？
2．在双链DNA中，有几个游离的磷酸基团？一个磷酸可与几个脱氧核糖相连？一个脱氧核糖又可与几个磷酸相连？两条链之间的碱基通过什么相连？
3．若图中一条DNA单链的序列为5'-ACTGGT-3'，那么它的互补链的序列是什么？
4．为什么G—C碱基对含量越多的DNA分子越耐高温？
5．该双螺旋结构的两条链长度是否相等？为什么？
6．DNA分子中的N、P分别存在于脱氧核苷酸的哪种成分中？
图5　DNA分子中主要成分的数量关系示意图
图6　DNA分子结构各组分的位置与连接方式示意图
方法点拨　判断DNA结构正误可用“三看法”：一看基本骨架的成键位置是否正确（在一个脱氧核苷酸5号碳上的磷酸基团与相邻核苷酸的3号碳之间）；二看两条链是否反向平行；三看内侧碱基是否遵循碱基互补配对原则。
对点练1　下图为DNA分子结构模式示意图，下列叙述错误的是（　）
图7　DNA分子结构示意图（A链、B链）
A．②和③交替相连构成DNA的基本骨架
B．①和②构成了DNA的基本组成单位
C．A链和B链的碱基通过氢键配成碱基对
D．A链和B链是反向平行的脱氧核苷酸链
探究三　DNA双螺旋结构模型制作与碱基数量规律
某同学用纸片、细线等材料制作了一个DNA双螺旋结构模型。碱基之间的配对具有专一性：A只能与T配对，G只能与C配对。
图8　碱基互补配对的专一性示意图
1．若用线段的条数表示碱基对之间氢键的数目，则A与T配对需用________条线段，G与C配对需用________条线段。
2．请尝试画出含3个脱氧核苷酸的DNA单链结构图。
3．各小组制作的双螺旋结构模型彼此不同，体现了DNA分子的多样性，其主要原因是什么？
4．分析图9、图10中两条链碱基的互补关系，结合碱基数量关系，思考下列问题。
图9　双链DNA碱基互补示意图（链1、链2）
图10　双链DNA碱基互补与数量关系示意图
规律 内容
规律一 双链DNA中嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数，各占全部碱基数的一半，即A+G=T+C=A+C=G+T，或(A+G)/(T+C)=(A+C)/(G+T)=1
规律二 互补碱基之和的比值在两条链和整个DNA分子中相等，即若(A1+T1)/(G1+C1)=m，则(A2+T2)/(G2+C2)=(A+T)/(G+C)=m
规律三 不互补碱基之和的比值在两条链中互为倒数，在整个DNA分子中为1，即若(A1+G1)/(T1+C1)=n，则(A2+G2)/(T2+C2)=1/n
巧记 互补碱基之和的比值“补则等，不补则倒”
1．DNA分子中A=T、G=C，那么每一条单链中也有该等量关系吗？
2．为什么双链DNA分子中嘌呤与嘧啶的数量相等？
3．为什么“A+T”或“G+C”在整个双链上所占比例与每一条单链上所占比例相等？
4．若一条链上(A+G)/(T+C)=m，则其互补链上该比值是多少？
5．若某个DNA分子含有n个碱基对，则该DNA分子可有多少种碱基排列方式？
6．DNA分子只含4种脱氧核苷酸，为什么能够储存足够量的遗传信息？
典例2　已知某DNA分子中，鸟嘌呤占全部碱基总数的17%，其中一条链上的腺嘌呤与胞嘧啶分别占该链碱基总数的37%和16%。则与其互补的链上，腺嘌呤与胞嘧啶所占比例分别是（　）
A．37%、16%　　B．29%、18%　　C．16.5%、17%　　D．33%、17%
对点练2　已知基因M含有N个碱基、n个腺嘌呤，具有类似图11所示的平面结构，下列叙述正确的是（　）
图11　基因M的平面结构示意图（a链、b链）
A．基因M共有4个游离的磷酸基团
B．基因M的a链中(A+G)/(T+C)的值与b链中该值相等
C．基因M含有鸟嘌呤的个数是(N-2n)/2
D．基因M双螺旋结构中脱氧核糖和碱基交替排列在外侧，构成基本骨架
素养拓展　DNA测序与DNA指纹
每个人的DNA都不完全相同（同卵双生子除外），因此DNA可以像指纹一样用来识别身份，这就是DNA指纹技术。回答下列问题：
1．每个DNA分子的基本骨架都由________构成，而骨架内侧的________却是各不相同的，因此每个人的DNA指纹图谱都是独一无二的。
2．下图是通过提取某小孩及其母亲以及待测四位男性的DNA，经酶切、电泳等步骤得到的一组DNA指纹图谱。F1～F4中，该小孩生物学上的父亲是谁？判断依据是什么？
图12　DNA指纹图谱
3．在(A+T)/(C+G)和(A+C)/(T+G)两个值中，能体现DNA分子间差异性的是________。
分层训练
A组　基础巩固
1．判断正误。
(1)DNA分子中的每个磷酸基团都同时连接一个脱氧核糖和一个碱基。　　（　）
(2)呈线性的双链DNA分子共有2个游离的磷酸基团，且嘌呤碱基数等于嘧啶碱基数。　　（　）
(3)某双链DNA分子中一条链上A∶T=1∶2，则该DNA分子中A∶T=2∶1。　　（　）
(4)DNA分子的基本骨架由磷酸和核糖交替连接而成，且分布于外侧。　　（　）
2．酵母菌的DNA中碱基A约占32%。下列关于酵母菌核酸的叙述，错误的是（　）
A．嘧啶数不一定等于嘌呤数
B．DNA中C约占18%
C．DNA中(A+G)/(T+C)=1
D．DNA一条单链中A约占32%
3．某同学欲制作DNA双螺旋结构模型，已准备了足够的相关材料，下列叙述正确的是（　）
A．制作脱氧核苷酸时，需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基
B．制作模型时，鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连
C．制成的模型中，腺嘌呤与胞嘧啶数之和等于鸟嘌呤与胸腺嘧啶数之和
D．制成的模型中，磷酸和脱氧核糖交替连接且位于主链的内侧
B组　素养提升
4．某双链DNA分子中，鸟嘌呤占全部碱基总数的28%。其中一条链（a链）上的腺嘌呤占该链碱基总数的15%、胞嘧啶占16%。请分析回答：
(1)该DNA分子中，腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)各占全部碱基的百分比是多少？
(2)与a链互补的b链上，腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)各占b链碱基数的百分比是多少？
(3)该DNA分子中，嘌呤碱基总数与嘧啶碱基总数之比是多少？
(4)若该DNA分子含2000个碱基对，则其中含鸟嘌呤多少个？
参考答案
情境导入
1．借鉴了威尔金斯和富兰克林提供的DNA衍射图谱、查戈夫发现的碱基数量关系（A=T、G=C）等。
2．双链反向平行、脱氧核糖—磷酸骨架在外侧、碱基靠氢键配于内侧，结构稳定；而碱基的排列顺序千变万化，又使DNA具有多样性。
自主预学
任务一　1．沃森、克里克。
任务一　2．衍射图谱、T、C。
图1内填空：脱氧核苷酸、DNA衍射图谱、A=T、G=C、碱基、T、C、相反。
任务二　1．脱氧核苷酸、磷酸、脱氧核糖。
任务二　2．整体：两条、反向平行；外侧：脱氧核糖、磷酸；内侧：氢键；碱基互补配对：T、G。
课堂探究
探究一　1．借鉴了威尔金斯和富兰克林拍摄的DNA衍射图谱、查戈夫发现的碱基数量关系等成果。
探究一　2．科学探究是一个不断深化的过程，科学结论的获得离不开确凿的实验证据与严谨的推理。
典例1　D。
【解析】查戈夫的发现——DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等，为双螺旋模型的构建提供了依据，①符合题意；赫尔希和蔡斯、艾弗里证明DNA是遗传物质的实验与构建DNA双螺旋结构模型无关，②③不符合题意；威尔金斯和富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱为模型的构建提供了依据，④符合题意。故选D。
探究二　1．1∶1。一条链中相邻碱基通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相互连接。
探究二　2．2个游离的磷酸基团；一个磷酸可与1个或2个脱氧核糖相连，一个脱氧核糖可与1个或2个磷酸相连；两条链的碱基通过氢键相连。
探究二　3．3'-TGACCA-5'。
探究二　4．G—C碱基对之间通过3个氢键相连，A—T碱基对之间通过2个氢键相连，G—C含量越多，DNA结构越稳定，越不易被高温破坏。
探究二　5．相等；两条链通过碱基互补配对连接，脱氧核苷酸数目相等。
探究二　6．N存在于含氮碱基中，P存在于磷酸基团中。
对点练1　B。
【解析】②和③通过磷酸二酯键交替连接构成DNA的基本骨架，A正确；DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基组成，图中①为含氮碱基、②为脱氧核糖，B错误；DNA分子由两条反向平行的脱氧核苷酸链通过氢键连接，A链与B链的碱基通过氢键配成碱基对，C、D正确。故选B。
探究三　1．A—T之间用2条线段，G—C之间用3条线段。
图13　A—T碱基对与G—C碱基对的氢键示意
探究三　2．画图要点：脱氧核糖的1号碳原子上连碱基、5号碳原子上连磷酸、3号碳原子上连另一个脱氧核苷酸的磷酸（参考图14）。
图14　含3个脱氧核苷酸的DNA单链示意图
探究三　3．脱氧核苷酸的排列顺序不同。
碱基计算　1．一般没有。
碱基计算　2．遵循碱基互补配对原则，A总是与T配对、G总是与C配对，故A=T、G=C，A+G=C+T，嘌呤与嘧啶数量相等。
碱基计算　3．互补碱基之和在任意一条链及整个DNA分子中所占比例相等。
碱基计算　4．非互补碱基之和的比值在两条链中互为倒数，为1/m。
碱基计算　5．4的n次方（4 ）种排列方式。
碱基计算　6．碱基排列顺序的千变万化，使DNA能够储存大量的遗传信息。
典例2　B。
【解析】G占全部碱基总数的17%，G与C配对，则C=G=17%，A=T=50%-17%=33%。其中一条链中A1=37%、C1=16%，根据碱基互补配对原则，双链DNA中A=(A1+A2)÷2，得A2=29%；同理C=(C1+C2)÷2，得C2=18%。故选B。
对点练2　C。
【解析】基因M的每一条链有1个游离的磷酸基团，故共含2个游离的磷酸基团，A错误；由于碱基按碱基互补配对原则配对，即A=T、G=C，故a链的(A+G)/(T+C)与b链该值互为倒数，B错误；基因M含N个碱基、n个腺嘌呤，则A=T=n，C=G=(N-2n)/2，C正确；该双螺旋结构中脱氧核糖和磷酸交替排列在外构成基本骨架，D错误。故选C。
素养拓展　1．脱氧核糖和磷酸交替连接（排列在外侧）；4种碱基的排列顺序。
素养拓展　2．F2；C的DNA指纹图谱中一条带与F2的一条带相同、另一条带与其母亲M相同，故F2是生物学上的父亲。
素养拓展　3．(A+T)/(C+G)。
【解析】(1)DNA结构中磷酸和脱氧核糖交替连接排列在外侧构成基本骨架，含氮碱基排列在内侧，DNA分子的多样性主要表现为4种碱基排列顺序的千变万化。(2)子代核遗传物质一半来自父方、一半来自母方，C的图谱一条带与母亲M相同、另一条带与F2相同，故F2是生物学上的父亲。(3)双链DNA中严格遵循碱基互补配对，故(A+C)/(T+G)=1固定不变，不能体现差异性；而不同DNA的(A+T)/(C+G)一般不同，可体现特异性。
分层训练
1．(1)×　(2)√　(3)×　(4)×
2．D。
【解析】酵母菌核酸包括DNA和RNA，双链DNA中嘧啶数等于嘌呤数，但单链RNA中A不一定等于U，故酵母菌核酸的嘧啶数不一定等于嘌呤数，A正确；DNA中A约占32%，则A=T=32%，G=C=(1-2×32%)/2=18%，B正确；DNA中碱基遵循碱基互补配对原则，A=T、G=C，则(A+G)/(T+C)=1，C正确；DNA一条单链中A所占比例无法计算，D错误。
3．C。
【解析】制作脱氧核苷酸时，需在脱氧核糖上连接磷酸和碱基，A错误；鸟嘌呤与胞嘧啶之间有3个氢键，B错误；DNA两条链间碱基遵循碱基互补配对原则，A与T配对、C与G配对，故A+C=G+T，C正确；DNA中脱氧核糖和磷酸交替连接排列在外侧构成基本骨架，D错误。故选C。
4．(1)A=T=22%。
4．(2)b链上A占29%、G占16%。
4．(3)嘌呤碱基总数∶嘧啶碱基总数=1∶1。
4．(4)含鸟嘌呤1120个。

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