3.2 DNA的结构 课件 2024—2025学年高一下学期生物人教版必修2

DNA的结构 目录 DNA双螺旋模型的构建 DNA的结构 碱基数量的计算规律 习题检测 在确信DNA是生物体的遗传物质之后，人们更迫切的想知道： 结构与功能相适应，什么结构可以满足这些功能呢 结构 DNA是怎样储存遗传信息的？ 是怎样决定生物性状的？ 功能 决定 相对稳定 携带信息 决定性状 ？ 社会联系 PART.01 DNA双螺旋结构模型的构建 以 DNA 双螺旋结构进行衍生设计 瑞典马尔默旋转塔 高190米/54层 巴拿马螺丝塔高243米 莫斯科进化大厦高度55米 沙特吉达钻石塔 高432米 北京中关村的“生命”雕塑 “生命”双螺旋雕塑象征中关村人生生不息的创新精神。更多以DNA结构进行设计的建筑都成为了当地的地标性建筑。然而DNA双螺旋结构的发现更是具有里程碑意义。 DNA是怎样储存遗传信息的？又是怎样决定生物性状的？首先需要弄清楚DNA的结构。 DNA那么小，科学家是如何一步步探索出他的结构的呢？ 5 DNA结构的探索历程 1 20世纪30年代，科 学家认识到：组成DNA的基本单位是脱氧核苷酸，其化学组成包括磷酸、碱基和脱氧核糖 2 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、G、C 4种碱基。 DNA结构的探索历程 3 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。 M.Wilkins R.E.Franklin “X”形意味着DNA分子是螺旋的 DNA结构的探索历程 4 1952年查哥夫法则：在DNA中，腺嘌呤(A)的量=胸腺嘧啶(T)的量；鸟嘌呤(G)的量=胞嘧啶(C)的量。 奥地利生物化学家查哥夫 5 1953年美国生物学家沃森和英国物理学家克里克将碱基安排在双螺旋内部，将磷酸-脱氧核糖骨架排在螺旋外部，A与T配对，G与C配对，DNA的两条链的方向是相反的。 DNA结构的探索历程 1、主要构建者：沃森、克里克 沃森：生物学家（1928-） 克里克：物理学家（1916-2004） 我能帮你理解生物学内容 我能帮你理解晶体学原理 剑桥大学：卡文迪什实验室 DNA结构的探索历程 2、过程： 【资料1】20世纪30年代，科学家认识到：组成DNA的基本单位是________________， 脱氧核苷酸 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ A 腺嘌呤 C 胞嘧啶 G 鸟嘌呤 T 胸腺嘧啶 1分子脱氧核苷酸 =____________+________________+_________________。 1分子磷酸 1分子脱氧核糖 1分子含氮碱基 含Ｎ碱基 脱氧 核糖 磷酸 O（氧原子） DNA结构的探索历程 A T G C 3’,5’-磷酸二酯键 1951年，剑桥大学的科学家通过数据分析得知，相邻脱氧核苷酸之间的聚合方式——脱水缩合 p = O OH O 碱基 3′ 2′ 1′ 4′ CH2 O OH H H H H H 5′ p = OH O OH O 碱基 3′ 2′ 1′ 4′ CH2 O H H H H H 5′ O H O OH H2O 磷酸二酯键 【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射线晶体衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱。 DNA衍射图谱 X射线晶体衍射技术 DNA结构的探索历程 DNA衍射图谱 证据 推断 DNA衍射图谱呈现“X”形 DNA呈螺旋结构 DNA衍射图谱外围的斑点较浅，研究表明，这是因为另一条螺旋的干扰。 DNA可能呈双螺旋结构 X射线晶体衍射技术 DNA结构的探索历程 DNA结构的探索历程 【资料3】富兰克林和威尔金斯发现DNA翻转180°后的图谱与未翻转的一模一样 翻转180° 威尔金斯 富兰克林 证据 推断 DNA翻转180°后的图谱与未翻转的一模一样 DNA两条链尾反向平行 翻转180° DNA结构的探索历程 问题：DNA的两条链的位置关系是怎样的呢？它们是如何连接的？ 尝试构建双链平面模型。 可能性1： 碱基排列在内侧 可能性2： 碱基排列在同侧 可能性3： 碱基排列在外侧 【资料4】DNA位于液体环境中，磷酸与脱氧核糖亲水，碱基疏水 富兰克林 1951年，富兰克林发现提高空气的湿度，发现DNA易吸收水分。 脱氧核糖和磷酸基团排列在双链DNA分子的外侧， 碱基排列在内侧。 据此分析脱氧核糖和磷酸基团与碱基的位置排布？ DNA结构的探索历程 【资料4】①DNA分子两条链之间的距离是固定的，直径约为2nm； 假说一：A与T配对，G与C配对 假说二：A与C配对，G与T配对。 ②嘌呤是双环化合物，嘧啶是单环化合物（如图所示）； 据此推测位于DNA内部的碱基如何配对？可以提出哪些假说？ 问题：DNA中碱基的是如何配对的？ 嘌呤与嘧啶配对 DNA结构的探索历程 查哥夫 【资料5】奥地利生物化学家查哥夫对DNA的碱基研究数据如下图：由此推测，上述哪种假说是正确的？ DNA结构的探索历程 氢键 氢键 碱基互补配对原则 （3个氢键） G C A T （2个氢键） 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 胸腺嘧啶（T） 胞嘧啶（C） 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，更耐高温。 DNA的结构的探索历程 20 DNA结构的探索历程 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诺贝尔生理学或医学奖。 富兰克林于1958年因卵巢癌去世，无缘诺贝尔奖。 诺贝尔奖 DNA衍射图谱 DNA结构的探索历程 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诺贝尔生理学或医学奖。 习题巩固 1、DNA是由几条链构成的？它具有怎样的立体结构？ 2、DNA的基本骨架是由哪些物质组成的？它们分别位于什么部位呢？ 3、DNA中的碱基是如何配对的？它们位于DNA的什么部位？ DNA是由两条链构成的。 这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。 DNA的基本骨架包括脱氧核糖和磷酸， 它们排列在DNA的外侧。 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。 习题巩固 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哪些启示？ ★要善于利用他人的研究成果和经验； ★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； ★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。 习题巩固 1.DNA双螺旋结构模型的提出是二十世纪自然科学的伟大成就之一。下列研究成果中，为该模型构建提供主要依据的是（ ） ①赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质的实验 ②富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱 ③查哥夫发现的DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等 ④沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制 A.①② 　　B.②③ 　　C.③④ 　　 D.①④ B PART.02 DNA的结构 DNA的结构 脱氧核苷酸 O P CH2 OH O OH H OH H H H H 碱基 磷酸 5’ 1’ 2’ 3’ 4’ 脱氧核糖上与碱基相连的碳叫作1’-C， 与磷酸基团相连的碳叫作5’-C。 C、H、O、N、P 1.DNA的基本单位： 3.脱氧核苷酸的组成： 一分子磷酸 一分子脱氧核糖 一分子含氮碱基 A 腺嘌呤 G 鸟嘌呤 C 胞嘧啶 T 胸腺嘧啶 2.DNA的元素组成： DNA的结构 G A G G C C C T A T C C T G G A G 5' 3' 5' 3' 4.DNA的结构特点： 链数 方向 结构 双螺旋结构 反向平行 两条脱氧核苷酸链 一条：5’→3’; 另一条：3’→5’ DNA的结构 5' 3' 5' 3' 磷酸二酯键 G A G G C C C T A T C C T G G A G 4.DNA的结构特点： 外侧 内侧 脱氧核糖和磷酸交替连接，构成基本骨架 碱基对 DNA的结构 4.DNA的结构特点： C T T G A C A G 碱基对 配对规律 两条链的碱基通过氢键连接配对 碱基互补配对原则：A与T配对；G与C配对 氢键 嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对，形成碱基对， 且A只和T配对、C只和G配对，这种碱基之间的一一对应的关系。 DNA的结构 5.DNA的结构特性： 稳定性 ①两条链反向平行盘旋成规则的双螺旋结构 ②外侧：脱氧核糖和磷酸交替连接成基本骨架 ③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。 C T T G A C A G DNA的结构 5.DNA的结构特性： ①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。 C T T G A C A G 特异性 DNA的结构 5.DNA的结构特性： ①碱基对的数量不同、排列顺序的千变万化。 C T T G A C A G 多样性 问题:在生物体内，一个最短DNA分子也大约有4000个碱基对，请同学们计算DNA分子有多少种？ 44000 种类 数目 遗传信息： DNA分子中的碱基对的排列顺序。 DNA的结构总结 A T A T T A G G G C C A T C 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 DNA的结构模型解读 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 磷酸、脱氧核糖、4种含氮碱基 模型设计 (1)如何将几种材料正确连接起来？ 将若干个脱氧核糖、磷酸和碱基，按顺序组装成若干个脱氧核苷酸。 (2)如何将脱氧核苷酸正确连接起来？ 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。 模型设计 (3)怎样体现两条链的碱基互补配对？ 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)怎样得到立体的双螺旋结构模型？ 把DNA分子平面结构旋转一下 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？ (2)代表四种碱基的长方形塑料片几个？ (3)代表脱氧核糖的五边形塑料片几个？ (4)可组装出几种该DNA片段模型？ 20 20 20 410 习题巩固 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(　　) 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 B PART.03 碱基数量的计算规律 碱基比例计算—“三步曲” 0 1 0 2 0 3 计算步骤 搞清题中已知的和所求的碱基比例是占整个DNA分子碱基 的比例，还是占DNA分子一条链上碱基的比例。 画一个DNA分子模式图，并在图中标出已知的和所求的碱基。 根据碱基互补配对原则及其规律进行计算。 碱基数量的计算规律 规律一：氢键数目 例题1：一个DNA分子有1000个碱基对，其中A=240个，该DNA分子中含有_____个氢键。 1000个碱基对共有2000个碱基 A=240 氢键数=240X2+760X3=2760 G+C= 1520 A+T= 480 T=240 G=C= 760 碱基数量的计算规律 规律二： A1 T2 T1 A2 G1 C2 C1 G2 DNA双链 1链 2链 A=T，C=G A+G = ?+? A+C = ?+? 在整个双链DNA中： T+C = = ? 50% T+G = 推论2： 推论1： 双链DNA中，A=T、C=G，则嘌呤碱基总数等于嘧啶总数；或任意两个不互补碱基之和恒等，即A+G=T+C=A+C=T+G，为总数的50%。 碱基数量的计算规律 例题2：某生物细胞DNA分子的碱基中，腺嘌呤的分子数占18%，那么鸟嘌呤的分子数占_______。 在双链DNA中，A+G=T+C=A+C=T+G= 50% A = 18% G = 32% 习题巩固 1.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.28% C.78% D.50% B 碱基数量的计算规律 规律三： A1 T2 T1 A2 G1 C2 C1 G2 DNA双链 1链 2链 m m A2+C2+G2+T2 = A1+T1 A1+C1+G1+T1 T2+A2 = T+A 1链碱基数 m 2链碱基数 m A1 = T2，T1 = A2 在整个双链DNA中： A+C+G+T 双链碱基数 2m A1+T1 设 ，求 =？ A+T A+T+G+C = n A1+T1+ G1+C1 A2+T2 =？ A2+T2+ G2+C2 n n 双链DNA中，互补的两个碱基之和占全部碱基的比等于在任何一条单链中，这两个碱基之和占单链全部碱基数的比。 简记为:补则等 例题3：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____ 在双链DNA中A +T=44% 在双链DNA中G+C=56% 在一链DNA中G+C=56% 在一链DNA中G=21% 在一链DNA中 C=35% 根据碱基互补配对原则在另一链DNA中G=35% 碱基数量的计算规律 习题巩固 2.在双链DNA分子中，G和C之和占全部碱基的48%，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% C 碱基数量的计算规律 设DNA一条链为1链，互补链为2链。 根据碱基互补配对原则: 可知：A1=T2 ， A2=T1，G1 = C2 ， G2 =C1。 在DNA双链中： A = T ， G = C A1 T2 T1 A2 G1 C2 C1 G2 DNA双链 1 2 A2+T2 G2+C2 A1+T1 G1+C1 = m 设 ，求 =？ A+T G+C =？ 规律四： m m 互补碱基之和的比例在任意一条链及整个DNA分子中都相同 简记为:补则等 碱基数量的计算规律 例题4：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_____、_____。 在DNA的一个单链中 （A+T）/（G+C）=0.4 在DNA的另一个单链中 （A+T）/（G+C）=0.4 在DNA的双链中 （A+T）/（G+C）=0.4 4.DNA分子中一条单链中，（A+T）/（G+C）=0.8，则互补链中和整个DNA分子中该比值分别是（ ） A.0.8和0.2 B.1.25和1 C.0.8和0.8 D.0.2和1 习题巩固 C 碱基数量的计算规律 规律五： 设DNA一条链为1链，互补链为2链。 根据碱基互补配对原则: 可知：A1=T2 ， A2=T1，G1 = C2 ， G2 =C1。 在DNA双链中： A = T ， G = C A1 T2 T1 A2 G1 C2 C1 G2 DNA双链 1 2 A2+G2 T2+C2 A1+G1 T1+C1 = b 设 ，求 =？ A+G T+C =？ 非互补碱基之和比例在两条互补链中互为倒数，在整个DNA分子中为1 简记为:不补则倒 1/b 1 例题5：DNA的一个单链中（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_____、_____。 在DNA的一个单链中 （A+C）/（G+T）=0.4 在DNA的另一个单链中 （A+C）/（G+T）=2.5 在DNA的双链中 （A+C）/（G+T）=1 碱基数量的计算规律 5.DNA分子中一条单链中，（A+G）/（T+C）=0.8，则互补链中和整个DNA分子中该比值分别是（ ） A.0.8和0.2 B.1.25和1 C.0.8和0.8 D.0.2和1 习题巩固 B 碱基数量的计算规律 规律六： 1、若已知A在双链中所占的比例为c%，则A1在单链中所占的比例无法确定，但最大值为2c%，最小值为0 。 【例题】 在一个双链DNA分子中A占22%，则A在其中一条单链中的数值能确定吗？ 能确定范围，0%≤A1≤44% 2、DNA分子的总氢键数= 2(A-T碱基对数)+3(G-C碱基对数) 3、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。 A A+T+G+C A1 A1+T1+G1+C1 A2 A2+T2+G2+C2 A1 +A2 A1+T1+G1+C1 A2 A1+T1+G1+C1 A1 A1+T1+G1+C1 A (A+T+G+C)×1/2 = = = = A A+T+G+C ( ) 1/2 A1 A1+T1+G1+C1 A2 A2+T2+G2+C2 + + = + 即某种碱基在1链中占m%，在互补链 （即2链）中占n%，则这种碱基在双链中应占(m+n)/2 % 碱基数量的计算规律 根据碱基比例对核酸样品进行判定 是否含 有U 是 否 则含有RNA 为DNA A+C T+G 是否=1 是 否 可能是双链DNA可能是单链DNA 则为单链 DNA PART.04 习题检测 习题检测 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。 （ ） ✓ ✓ 习题检测 T G 2 A 4 C T 3 A A T 1 5’ 3’ 9 11 5 6 7 10 8 2.下面是DNA的分子的结构模式图， 说出图中1-10的名称。 1. 胞嘧啶 2. 腺嘌呤 3. 鸟嘌呤 4. 胸腺嘧啶 5. 脱氧核糖 6. 磷酸 7. 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 8. 碱基对 9. 氢键 10. 一条脱氧核苷酸链的片段 11.磷酸二酯键 习题检测 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 （ ） 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 C 习题检测 4.一条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' C 习题检测 5.碱基互补配对原则对遗传信息的传递具有什么意义? 根据碱基互补配对原则，DNA两条链的碱基之间有准确的一一对应关系，保证了遗传信息传递的准确性。 感谢观看 高一年级生物 EVCapture4.1.9软件录制 Lavf57.25.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.52 $$