3.2DNA的结构课件-2024-2025学年高一下学期生物人教版必修2

视频中的警察确定真凶密码是什么？ 情境导入 结构 功能 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？ 答案就隐藏在DNA的结构中 新知导入 第三章 基因的本质 第2节 DNA分子的结构 第三章 基因的本质 第2节 DNA的结构 S z L w h 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255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 知识储备回顾 1. DNA的化学元素组成： C、H、O、N、P 。 2. DNA是由 连接成的长链，且具备稳定的直径(2nm) 回顾：脱氧核苷酸 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 含氮碱基 脱氧 核糖 磷酸 1′ 2′ 3′ 4′ 5′ 脱氧核苷酸 4种脱氧核苷酸 沃森：生物学家（1928-至今） 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 1.主要构建者： 沃森、克里克 剑桥大学：卡文迪什实验室 一、DNA双螺旋结构模型的构建 他们说如何一步步构建出DNA双螺旋模型，在这个过程中，又获得了哪些高人相助？ 7 DNA双螺旋结构是基于众多科学家的升华和X射线晶体衍射图像等研究而提出的，阐明了长期以来困扰人们的遗传物质和DNA结构之间的逻辑关系，在对DNA结构的探索中,于1953年摘取桂冠的是两位年轻的科学家,美国生物学家沃森和英国物理学家克里克： 【任务】 沃森和克里克是怎样揭示DNA双螺旋结构的? 利用了他人的哪些经验和成果? 阅读教材,根据科学史资料,梳理DNA结构的探索过程: DNA衍射图谱 一、DNA双螺旋结构模型的构建 【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、G、C、T四种碱基。 脱氧(核糖)核苷酸 1′ 2′ 4′ 5′ 3′ 2.过程： 一、DNA双螺旋结构模型的构建 思考：脱氧核苷酸分子如何形成脱氧核苷酸链？ 【活动1】请同学们利用以下几种材料构建四种脱氧核苷酸 思考：脱氧核苷酸分子如何形成脱氧核苷酸链？ P 脱氧核糖 含氮碱基 A T G C 3’,5’-磷酸二酯键 【资料2】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 一、DNA双螺旋结构模型的构建 磷酸基团分别和5和3号C上形成了两个酯键，（磷酸二酯键）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，但对DNA的空间结构一无所知。 对DNA的空间结构一无所知，DNA是由几条链构成的？它具有怎样的立体结构？ 11 DNA衍射图谱 X射线管 铅屏 DNA晶体 底片 【资料3】1951年，英国生物物理学家威尔金斯和同事富兰克林应用X射线晶体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 沃森和克里克以该照片的有关数据为基础，推算出DNA呈螺旋结构。 √ 在三螺旋结构模型中, DNA含水量的理论值与实际测定数值不符,结合B型DNA钠盐纤维X衍射图谱，显示的双重对称，排除了三链螺旋的可能，确定双螺旋结构 根据所掌握的材料，沃森和克里克尝试搭建了很多种不同模型, 双螺旋 三螺旋 三螺旋 一、DNA双螺旋结构模型的构建 √ 思考：DNA的两条链的位置关系是怎样的呢？ 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 一、DNA双螺旋结构模型的构建 碱基是疏水的，疏水代表有排斥力，远离水 【资料4】组成DNA的磷酸与脱氧核糖具有亲水性，碱基具有疏水性，细胞中的DNA处于液体环境中。据此分析三者的位置排布。 碱基排列在内侧，脱氧核糖和磷酸基团排列在外侧 一、DNA双螺旋结构模型的构建 【资料5】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。据此推测DNA的两条链在方向上有何特点？ 翻转180° 反向平行 翻转180° 5′ 3′ 5′ 3′ 思考：DNA中碱基的是如何配对的？ 一、DNA双螺旋结构模型的构建 用两支笔做类比 中心对称 16 【资料6】嘌呤是双环化合物，嘧啶是单环化合物，而DNA分子两条链之间的距离是固定的，直径约为2nm；据此推测位于DNA内部的碱基是如何配对的？并作出假说。 假说三：A与C、T配对，G与C、T配对 推测：嘌呤与嘧啶配对 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 两个环（更长） 一个环（更短） 嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶相连不成立 一、DNA双螺旋结构模型的构建 腺嘌呤是双环的，直径就大一些，胞嘧啶是单环的，直径就小一些 两条链之间距离是固定的 17 查哥夫 【资料7】奥地利生物化学家查哥夫对多种生物的DNA的碱基研究数据如下图： 由此推测，哪种假说是正确的？ 碱基互补配对原则 A与T的含量大致相同，G与C的含量大致相同 假说三：A与C、T配对，G与C、T配对 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。 √ 一、DNA双螺旋结构模型的构建 氢原子与电负性大、半径小的原子X(氟、氧、氮等)以共价键结合，若与电负性大的原子Y(与X相同的也可以)接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H···Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，称为氢键。 18 【资料8】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。 一、DNA双螺旋结构模型的构建 2个氢键 3个氢键 T C G A A G C T 反向平行 碱基对 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。 3′ 5′ 3′ 5′ 氢键关系: 五种元素： 四种碱基： 三种物质： 两条长链： 一种螺旋： C、H、O、N、P A、T、C、G 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 A=T G≡C 总结： = = 活动：小组合作制作DNA双螺旋结构模型 1.材料用具 脱氧核糖 磷酸 碱基（A=T） 2.制作DNA平面结构模型 3.制作DNA立体结构模型 探究•实践 3′ 5′ 5′ 3′ O CH2 OH H 磷酸基团 碱基 3′ 2′ H H 1′ 4′ 5′ H H 1.DNA是由 条单链组成的，按_________方式盘旋成_______结构。 反向平行 双螺旋 2 磷酸二酯键 DNA的一条单链具有两个末端， 磷酸基团端称作5’-端。 羟基(-OH)端称作3’-端。 二、DNA的结构 22 二、DNA的结构 3′ 5′ 5′ 3′ 2. DNA中的 和 交替连接排列在外侧，构成 ； 碱基排列在内侧。 氢键 脱氧核糖 磷酸 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 T C 碱基互补配对原则 碱基对 基本骨架 23 每个DNA分子各自的碱基排列顺序是特定的 三、DNA分子的结构特点 ①反向平行的双螺旋稳定不变 ②磷酸与脱氧核糖交替连接，构成基本骨架，稳定不变 ③碱基互补配对的方式稳定不变 碱基对的排列顺序是千变万化的。 稳定性 多样性 特异性 具n个碱基对的DNA具有4n种碱基对排列顺序 遗传信息：DNA分子中的碱基对的排列顺序！ 你能从下面DNA指纹图判断出怀疑对象中谁是罪犯吗？ 真凶密码 课后作业：请同学们上网查询DNA指纹技术还有哪些应用？ √ 1．一个双链DNA分子片段中有几个游离的磷酸基团，位置如何？ 2．双链DNA中碱基之间是如何连接的？ 一条链上相邻的碱基又是如何连接的？ A P C P T P G P T P A P G P C P ①通过氢键连接成碱基对， ②通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相连的。 线粒体、叶绿体、拟核处DNA有___个游离的磷酸基团 2个，分别位于DNA分子的两端。 0 思考： 3．DNA初步水解的产物和彻底水解的产物分别是什么？ 4种脱氧核苷酸 4 . 双链DNA分子中是否所有的脱氧核糖都连接着2个磷酸基团？ 否！ （一个或两个） 磷酸、脱氧核糖和4种含氮碱基 A P C P T P G P T P A P G P C P 思考： 1．一条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 课堂练习： 5’ 3’ 5’ 3’ G A T A C C C T A T G G 28 2.下图是DNA分子结构模式图，用文字填出1—10的名称 胸腺嘧啶(T) 胞嘧啶（C） 鸟嘌呤 (G) 腺嘌呤 (A) 脱氧核糖 磷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 碱基对 氢键 一条脱氧核苷酸链的片段 １. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. __ 1 2 3 4 5 6 7 8 10 9 G T C A 课堂练习 29 规律一：双链DNA分子中嘌呤总数等于嘧啶总数。任意两个不互补碱基之和恒等。 即A+G=T+C=A+C=T+G 例1：如果一条链上的A:T:G:C=1:2:3:4,则另一条链上该比值为 T1= A1= C1= G1= A2 T2 G2 C2 C总=G总 A总=T总 2:1:4:3 拓展：DNA分子结构的相关计算 = = ? 50% 已知： 嘌呤%+嘧啶%=1 规律二：双链DNA中，A+T或G+C占全部碱基的比，等于任何一条单链中A+T或G+C占单链全部碱基数的比。其中任何一条链A+T是整个DNA分子A+T的一半。 T2 G2 A2 C2 A1 C1 G1 2链 1链 T1 A2+C2+G2+T2 = A+C+G+T A1+T1 A1+C1+G1+T1 T2+A2 = T+A A1 +T1 （A+T） 1 2 = = A2 +T2 （G+C） 1 2 G1 +C1 G2 +C2 = = 拓展：DNA分子结构的相关计算 例4：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% A 例5：某双链DNA分子中，A与T之和占整个DNA碱基总数的54%，其中一条链上G占该链碱基总数的22%。求另一条链上G占其所在链碱基总数的百分含量。 A＋T=54% G+C=46% 24% 拓展：DNA分子结构的相关计算 C2+G2 = C+G A1+T1 C1+G1 T2+A2 = T+A 规律三：双链DNA分子中A+T/G+C等于其中任何一条单链的A+T/G+C。 0.4 例6：若DNA的一个单链中，A+T/G+C=0.4，上述比例在其互补链和整个DNA分子中分别是多少？ 0.4 简记为:补则等 T2 G2 A2 C2 A1 C1 G1 2链 1链 T1 拓展：DNA分子结构的相关计算 T2 G2 A2 C2 A1 C1 G1 2链 1链 T1 规律四：双链DNA中，非互补碱基之和的比值在两条互补链中互为倒数。 = A1+G1 T1+C1 m 1/m = A2+G2 T2+C2 ，则互补链上 简记为:不补则倒 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 拓展：DNA分子结构的相关计算 规律五：某种碱基在双链中所占的比例等于它在每一条单链中所占比例和的一半。 在DNA分子中，一条链上的鸟嘌呤占该链碱基数的24%，互补链上的鸟嘌呤占互补链碱基数的22%，则该DNA分子中腺嘌呤所占比例为 A.81% B.54% C.27% D.23% C 拓展：DNA分子结构的相关计算 例7.一条双链DNA分子，G和C占全部碱基的44%，其中一条链的碱基中，26%是A，20%是C，那么其互补链中的A和C分别占该链全部碱基的百分比是 （ ） A. 28%和22% B. 30%和24% C. 26%和20% D. 24%和30% B A总%=1/2（A1%+A2%） 补充：由2n个脱氧核苷酸形成双链DNA分子过程中，可产生H2O分子数为 。 2n－2 拓展：DNA分子结构的相关计算 若＝a，＝b，则＝ 。 (a＋b) $$