3.2DNA的结构课件-2023-2024学年高一下学期生物人教版（2019）必修2

3.2 DNA 的结构 揭秘基因的化学本质 解析DNA的优美螺旋 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 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 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。 问题探讨 英格兰：生命中心 英国纽卡斯尔国际生命 中心，由Charles Jencks 设计，于2000年建成。这 个DNA 螺旋设计的目的， 是为了纪念DNA 双螺旋结 构的发现者。 问题探讨 新加坡滨海湾：双螺旋桥 这座螺旋桥叫Helix Bridge, 长280米，宽6米，可容纳1万6干人。 2 007年3月底建造，在2010年4月24日建成通行，共耗资约6800万。设 计人员受DNA 结构的启发，体现的意义是“生命与延续、更新与成长 ”。 雅典奥运会开幕式 激光打出的DNA 双螺旋结构 旋转楼梯的灵感 来自于DNA 的双螺旋结构 问题探讨 在确信DNA 是遗传物质之后，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? 结构一 → 功能 答案就隐藏在DNA 的结构中! 克里克： 物理学家，对X 射线晶体衍 射图谱的分析十分熟悉。 能够帮助沃森理解晶体学 原理。 沃森： 生物学家，可以帮助克里 克理解生物学的内容。 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 晚年沃森和克里克在双螺旋 结构模型前的最后一次合影 1.建立者：1953年，沃森和克里克 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 2.建立过程： 资料1:20世纪30年代，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。 OH A (腺嘌呤) 0= CH₂ T(胸腺嘧啶) 腺嘌呤(A) OH 0 碱基一 磷酸 C(胞嘧啶) H H H H G(鸟嘌呤) OH H 胞嘧啶(C) 脱氧(核糖)核苷酸 胸腺嘧啶(T) 鸟嘌呤(G) P A P T P G (P C 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 2.建立过程： P 对DNA 的空间结构一无所知 C G 资料2:1951年11月，英国生物物理学家威尔金斯(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。 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 “X”形意味着DNA 分子是螺旋的 2.建立过程： M.Wilkins R.E.Franklin 如：脱氧核糖和磷酸交替排列 在内侧，碱基排在外侧 后来发现磷酸与脱氧核糖 亲水，碱基疏水，大家有 何联想? 沃森和克里克尝试多种不同的双螺旋、三螺旋结构 类比推理 磷酸-脱氧核糖骨架安排在 螺旋外部，碱基在内的双螺 旋结构 碱基同型配对，即A 与A,T 与T,C 与C, G与G配对 ◆配对违反了化学规律 碱基内侧同型配对模型 碱基组成 A G C T A/T G/C (A 人 30.9 19.9 19.8 29.4 1.05 1.01 鸡 28.8 20.5 21.5 29.2 0.99 0.95 海胆 32.8 17.7 17.3 32.1 1.02 1.02 酵母菌 31.3 18.7 17.1 32.9 0.95 1.09 大肠杆菌 24.7 26 25.7 23.6 1.05 1.01 据此，沃森和克里克构建出DNA 双螺旋结构模型：脱氧核糖-磷酸骨架 排列在外侧，碱基在内 侧，A 和T配 对 ，G和C配对。 资料3:1952年，奥地利生物化学家查哥夫(E.Ch DNA中，腺嘌呤的量等于胸腺嘧啶的量；鸟嘌呤 据此，你认为DNA的结构该如何修正? H 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 H N N N O Suga C 化学家的帮助! 2.建立过程： N O Suga T Sugar A N N—H Sugar H—N H ①A-T 与G-C 具有相同的形状和直径， 这样组成的DNA 分子具有恒定的直径。 ②能够解释A=T、G=C 的数量关系。 ③ 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。 资料4:富兰克林和威尔金斯给DNA 扑 现DNA 翻转180°后的图谱与未翻转的 沃森与克里克认为：DNA 两条链是 反向排列的。 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 2.建立过程： DNA 双螺旋结构模型 沃森和克里克搭建的 1953年，沃森和克里克撰写的论文《核酸的分子结构——脱氧核糖 核酸的一个结构模型》在英国杂志《自然》上发表，引起极大的轰动。 1962年，沃森、克里克和威尔金斯三人因这一研究成果共同获得了 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 2.建立过程： 诺贝尔生理学或医学奖 诺贝尔奖 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 2.建立过程： 思考 ·讨论：DNA 双螺旋结构模型的构建 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? 两条链构成，按反向平行方式盘旋成双螺旋结构 (2)DNA 的基本骨架是由那些物质组成的?他们分别位于DNA 的 什么部位? 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。 碱基配对有一定规律：A 一定与T配 对 ，G 一定与C配对。 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 2.建立过程： 思考 ·讨论：DNA 双螺旋结构模型的构建 讨论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那 些启示? ①要善于利用他人的研究成果和经验； ②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； ③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。 一 .DNA 双螺旋结构模型的构建 2.建立过程： 思考 ·讨论：DNA 双螺旋结构模型的构建 讨论3.意义： ①DNA双螺旋结构学说不但阐明了DNA的基本结构，并且对一 个DNA 分子如何复制成两个结构相同的DNA 分子，以及DNA 怎么传递生物体的遗传信息进行了合理说明。 ②是生物科学中具有革命性的发现，是20世纪最重要的发现之 一。是分子生物学诞生的标志。 二 .DNA 的结构 1.DNA 双螺旋结构的形成： C 、H 、O 、 N 、P DNA 初步水解产物是脱氧 核糖(4种) DNA 彻底水解产物是磷 3 ',5′—磷酸二酯键 酸(1种)、 3' 脱氧核糖(1种)、 碱基(4种)。 A:腺嘌呤 T:胸腺嘧啶 C:胞嘧啶 G:鸟嘌呤 5'4 l 3'2' 脱氧核苷酸 脱氧核糖 磷酸-- P 磷酸、 五碳糖 和碱基 含氮 碱基 聚合成 5 氢键越多，结构越稳定，即含G、 C碱基对比例越大，结构越稳定。 A、T间形成 2 个氢键 C、G间形成 3 个氢键 (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：A 与T配对；G 与 A T 氢键 G C 5 DNA双链平面结构 C配对。(碱基互补配对原则) (1)DNA 由两条单链组成，按 反向平行方式盘旋成双螺旋结构。 二 .DNA 的结构 一条脱氧核苷酸链 外：基本骨架 5' 内：碱基对 3 3' 34 3' 两链 之间 形 成 在生物体内，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? 44000种 1)多样性：碱基对的排列顺序的千变万化。 2)特异性：碱基对的特定排列顺序。 3)稳定性：具有规则的双螺旋结构(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方式不变；碱 基对的长度和间距固定不变)。 二 .DNA 的结构 3.DNA 的结构特性： 人的遗传信息主要分布于染色体的DNA中。两个随机个体具有相同 DNA序列的可能性微乎其微，因此，DNA 可以像指纹一样用来识别身份， 这种方法就是DNA 指纹技术。 受古者 从受害者体内分 离的精液样品 怀疑对象 二 .DNA 的结构 4.应用：DNA 指纹技术 1 胞嘧啶(C) 2- 腺嘌呤(A) 3 鸟嘌呤(G) 4 胸腺嘧啶(T) 5 脱氧核糖 6 磷酸 7 胸腺嘧啶脱氧核苷酸8 碱基对 6 9 氢 键 10 一条脱氧核苷酸 链的片段 片段有多少个游离的磷酸基团(没有形成磷酸二酯键 2个 ) 10 O Q R 9 3 思考：这个DNA 的磷酸基团)? 课本P52——练习与应用 2.下面是DNA的结构模式图，请写出图中①~⑩的名称。 二 .DNA 的结构 探究 · 实践：制 作DNA 双螺旋结构模型 某同学想制作一段具有10对碱基对的DNA 片段模型， 他在准备材料时至少需要： (1)代表磷酸的球形塑料片几个?20 (2)代表四种碱基的长方形塑料片几个? 20 (3)代表脱氧核糖的五边形塑料片几个? 20 (4)可组装出几种该DNA 片段模型?410 制作脱氧核苷酸 制作出一个个含有不同 碱基的脱氧核苷酸模型 二 .DNA 的结构 探究 ·实践：制作DNA 双螺旋结构模型 制作脱氧核苷酸链 将制成的 脱氧核苷酸 模型连接成 长链。 制 作DNA平 面结构模型： 将两条链间 的碱基连接。 碱基互补配对原则 二 .DNA的结构 探究 · 实践：制 作DNA 双螺旋结构模型 制作脱氧核苷酸链 制作脱氧核苷酸链 制作DNA空间 结构模型：双手 分别提起两端， 拉直双链，向右 旋转一下，即可 得到一个DNA分子 的双螺旋空间结 构模型。 二 .DNA的结构 探究 · 实践：制作DNA 双螺旋结构模型 二 .DNA 的结构 探究 ·实践：制作DNA 双螺旋结构模型 例1.用卡片构建DNA 平面结构模型，所提供的卡片类型和数量如表所示， 下列说法正确的是( B ) A.最多可构建4种脱氧核苷酸，5个脱氧核苷酸对 B.构成的双链DNA 片段最多有10个氢键 C.DNA 中每个脱氧核糖均与1分子磷酸相连 D.最多可构建44种不同碱基序列的DNA 卡片类型 脱氧核糖 磷酸 碱基 A T G C 卡片数量 10 10 2 3 3 2 三.“归纳法”求解DNA分子中的碱基数量的计算规律 ①在DN A 双链中嘌呤总数与嘧啶总数相同，即 A+G=T + C。 推论：(A+G)/(A+T+G+C)=1/2 (A+G)/(T+C)=1 (A+C)/(T+G)=1 A+G=T+C 或 A+C=T+G A=T C=G 课本P52—— 练习与应用 3.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 三.“归纳法”求解DNA分子中的碱基数量的计算规律 ②互补碱基之和的比例在任意一条链及整个DN A 分子中都相同 若 , , 则 C₁ 配对的两碱基之和在单双链 中所占比例相等 A₁T₁ G₁ T₂A₂C₂G₂ 计算神器： DNA: 三.“归纳法”求解DNA分子中的碱基数量的计算规律 ③非互补碱基之和的比例在两条互补链中互为倒数，在整 个DNA 分子中为1, 若 则 计算神器： A₁ T₁ G₁ C₁ DNA: T₂A₂C₂G₂ DNA 两互补链中，不配对的 两碱基之和的比值乘积为1 例2、DNA 的一条单链中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0.6 B 2.5和 1 0.4和0.4 D 0.6和 1 例3、DNA 的一条单链中A+C/G+T=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0.6 2.5和1 C 0.4和0.4 D 0.6 三.“归纳法”求解DNA 分子中的碱基数量的计算规律 计算神器： A₁ T₁G₁C₁ DNA: T₂A₂C₂G₂ ④在DNA双链中， (A+T)%=(A₁+T₁)%=(A₂+T₂)% (G+C)%=(G₁+C₁)%=(G₂+C₂)% 例4、若一个双链DNA分子的G占整个DNA分子碱基的27%, 并测得DNA分子一条链上的A占这个链碱基的18%,则另 一条链上的A 的比例是( ) A.9% B.27% .28% D.46% 则含有 RNA 是否含 有U A+C 为DNA— T+G 是否=1 可能是双链 DNA可能是 单链DNA 则为单链 DNA 三.“归纳法”求解DNA 分子中的碱基数量的计算规律 ⑤根据碱基比例对核酸样品进行判定 是 否 是 否 特别提醒：有关DNA结构的7点提醒 ① DNA 中两条链上的碱基通过氢键连接成碱基 对 ，A—T 含2个氢 键 ，G—C含3个氢键。 ② D N A 中并不是所有的脱氧核糖都连着两个磷酸基团，两条链 各有一个脱氧核糖连着一个磷酸基团。 ③双链DNA中A与T分子数相等，G与C分子数相等，但A + T的量 不一定等于G+C 的量。 ④ DNA 中，当(A+G)/(T+C)=1 时，可能是双链DNA, 也 可 能是单链DNA。 特别提醒：有关DNA结构的7点提醒 ⑤并非所有的DNA 分子均具“双链”,有的DNA 分子为单链。 ⑥DNA的特异性是由碱基的排列顺序决定的，而不是由配对方 式决定的，配对方式只有四种：A—T、C—G、T— A、G—C。 ⑦并非所有DNA 片段都是基因，基因是有遗传效应的DNA 片 段，不是连续分布在DNA 上的，而是由碱基序列将不同的基因 分隔开。 例1 .已知某DNA 分子中，G与C之和占全部碱基总数的35 .8%, 其中一条链中的T与C分别占该链碱基总数的32.9%和17.1%。 则在它的互补链中，T 和C分别占该链碱基总数的 ( B ) 计算神器： A₁T₁ G₁C₁ DNA: T₂A₂C₂ G₂ (A+T)%=(A₁+T₁)%=(A₂+T₂)%=64.2% (G+C)%=(G₁+C₁)%=(G₂+C₂)%=35.8% A.32.9%,17.1% B.31.3%,18.7% C.18.7%,31.3% D.17.1%,32.9% 三.“归纳法”求解DNA 分子中的碱基数量的计算规律 T₁=32.9% C₁=17.1% T₂ =? C₂=? 三.“归纳法”求解DNA 分子中的碱基数量的计算规律 例2 .下列有关双链DNA 分子的叙述，正确的是( B ) A. 若DNA 分子一条链中的碱基A所占比例为a, 则另一条链的碱 基C所占比例为1/(2-a) B.如果一条链上(A+T):(G+C)=m, 则另一条链上该比值也 为m C.如果一条链上的A:T:G:C=2:2:3:3, 则另一条链上该 比值为3:3:2:2 D.由50个碱基对组成的DNA 分子片段中至少含有氢键的数量为 150个 例3.某研究小组测定了 多个不同双链DNA分子 的碱基组成，根据测定 结果绘制了DNA 分子的 一条单链与其互补链、 一条单链与其所在DNA 分子中碱基数目比值的 关系图，下列正确的是 ( C ) 三.“归纳法”求解DNA 分子中的碱基数量的计算规律 锯—1— 0.5 C D 一条单链中 DNA分子中 一条单链中 互补链中 0'5 $$