3.2DNA的结构课件-2024-2025学年高一下学期生物人教版（2019）必修2

沃森（左）和克里克（右）构建的DNA分子双螺旋模型 上课！同学们好！1953年，来自剑桥大学的两位科学家沃森和克里克在nature发文，成功揭示了DNA的双螺旋模型，并斩获诺贝尔奖，今天就让我们一起跟随他们的脚步，来重温这段历史，认识DNA的结构 2 一、DNA双螺旋模型的构建 1.阅读教材P48-P49，了解DNA双螺旋结构模型的构建。 观察DNA和弹簧的衍射图谱，说明什么问题？ 结 论 DNA是螺旋结构 类比推理 DNA整体结构是怎样的？ 问题1 如果我们以弹簧模拟DNA晶体，用激光笔发出的激光模拟X射线，照射后，在暗室中就会呈现出所示的图像！请大家仔细对比弹簧和DNA的图谱，它们都呈什么形状？（X形）由此，你能得出什么结论？请这位同学来回答：非常好！请坐，这说明DNA具有与弹簧类似的螺旋状结构。 你的观点与当时沃森和克里克经数学推算的结果不谋而合：“X”形意味着DNA分子为螺旋结构。 4 问题4 不同的碱基之间如何配对呢？ 问题2 证 据 查哥夫发现：在DNA中，腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量；鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量。 结 论 碱基互补配对原则：A与T配对，G与C配对 A T G C 并且沃森和克里克从查哥夫那里得知：DNA中腺嘌呤的量总是等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量总是等于胞嘧啶的量。由此可以得出什么结论？ DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对，碱基之间的这种一一对应关系，叫作碱基互补配对原则，这也是DNA分子结构特点之一。 其中A=T碱基对之间形成两个氢键，G=C碱基对之间形成三个氢键。氢键的数量与分子的热稳定成正比，因此热稳定性高的DNA分子碱基种类有何特点？（嗯，G=C含量高，氢键数量多，热稳定性高）。 5 问题4 不同的碱基之间如何配对呢？ 问题3 结 论 嘌呤与嘧啶碱基配对才能保证DNA分子直径相同 两种嘌呤碱基 证 据 两种嘧啶碱基 DNA分子直径相同，嘌呤碱基与嘧啶碱基直径不同。 结合富兰克林测定的DNA分子直径各处均相同，再对比不同碱基的直径大小推测DNA中碱基的配对情况？ 请这位同学来回答：很好，DNA中应该是嘌呤与嘧啶碱基配对才能保证DNA分子直径均相同。 6 问题4 问题5 碱基和磷酸是如何排布的呢？ 问题4 证 据 磷酸基团具有亲水性，碱基具有疏水性。不同的碱基之间还可以形成氢键。DNA在细胞内处于有水的环境中。 磷脂双分子层 水分子 氢键 亲水 疏水 结 论 磷酸和脱氧核糖骨架排列在外侧，碱基排列在内侧 请同学们仔细观察这则动画，你能获取什么信息？ 请这位同学来回答：好的！可以发现核苷酸的磷酸基团是亲水的，碱基是疏水的，并且碱基之间可以形成氢键。这一特性类似于我们之前所学的……对，磷脂分子。那根据这一特性以及DNA所处的水环境，类比生物膜的磷脂双分子层模型，推测DNA两条链碱基和磷酸的相对位置关系。 请这位同学来回答：嗯，碱基在内侧形成氢键，远离水分子；磷酸在外侧亲和水。 那我们可以得出：亲水的磷酸和脱氧核糖骨架排列在外侧，疏水的碱基排列在内侧的结论，这也是DNA分子的特点之一。 【板书：骨架在外侧，碱基在内侧】 7 一、DNA双螺旋模型的构建 1.阅读教材P48-P49，了解DNA双螺旋结构模型的构建。 2.DNA是由脱氧核苷酸构成的双链，尝试构建（画出）DNA双螺旋结构模型。 … 磷酸二酯键 D T G C A G G A T C 二、DNA分子结构特点 5´ 3´ 3´ 5´ 两条链的碱基通过氢键以碱基互补配对原则（A=T,C=G连接成碱基对。 DNA两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。 DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接成的骨架排列在外侧，碱基排列在内侧。 综上所述，我们成功构建了DNA的双螺旋平面结构，DNA分子呈现出三大特点：第1点.DNA的双链反向平行。根据脱氧核糖上与碱基相连的碳叫作1号碳，与磷酸基团相连的碳叫作5号碳，因此，DNA的四个末端碳分别就是3号碳和5号碳，我们分别把它称为3‘端和5’端。所以我们从DNA的一端起始，一条单链从5‘端到3’端，另一条单链则是从3‘端到5’端。第2点.DNA中亲水的脱氧核糖和磷酸交替连接构成基本骨架，排列在外侧，疏水的碱基排列在内侧形成氢键。第3点.氢键连接的碱基对遵循碱基互补配对原则，即A与T配对形成两个氢键，G与C配对形成三个氢键。 10 三、DNA结构与社会的联系 刑事侦查中，会利用DNA指纹技术将待检测的样品DNA酶切成片段，再用电泳的方法将这些片段按大小分开，形成DNA指纹图。 以上怀疑对象中谁最可能是嫌疑犯？如何从DNA结构解释其原理？ 基于DNA的特性，在刑事侦查中会采用DNA指纹技术将被害者身上发现的罪犯DNA样品进行酶切电泳分离形成DNA指纹图与怀疑对象的进行比对，由此，可以找出谁最有可能是嫌疑犯？（回答：1）请你从DNA结构角度解释可以应用DNA指纹技术锁定嫌疑人的原理？ 11 ①多样性：DNA分子碱基对的排列顺序千变万化。 ②特异性：特定DNA分子具有特定碱基排列顺序。 ③稳定性：DNA中的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的原则不变。 三、DNA结构与社会的联系 ①多样性：DNA分子碱基对的排列顺序千变万化。 ②特异性：特定DNA分子具有特定碱基排列顺序。 ③稳定性：DNA中的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的原则不变。(即结构的稳定性） 12 2.从分子水平上对生物体具有多样性或特异性的分析，错误的是 A．碱基对的排列顺序的千变万化，构成了DNA分子基因的多样性 B．碱基对的特定的排列顺序，又构成了每一个DNA分子基因的特异性 C．人体内控制β­珠蛋白的基因由1700个碱基对组成，其碱基对可能的排列方式有41700种 D．一个含2 000个碱基的DNA分子，其碱基对可能的排列方式就有41000种 C B ①双链DNA分子中A=T 、C=G、A+C=T+G，不互补碱基之和相等（嘌呤=嘧啶），其和占所有碱基总数的50%。 四、DNA分子中碱基的相关计算 ②DNA双链中一条单链的A+T／C+G 的值与另一条互补单链的A+T／C+G的值是相等的，也与整个 DNA分子中的A+T／C+G 的值是相等的。互补碱基之和的比值，单双链中相等。 360 ③在DNA双链中一条单链的A+G／C+T 的值与另一条互补单链的A+G／C+T的值互为倒数关系。不互补碱基之和的比值，在单链中，互为倒数 。 ④某碱基占DNA双链的比例，是其占单链比例的一半。 351 1、某双链DNA分子中，G占23%，求A占多少？ 因为DNA分子中，A+G=T+C=50%。 所以， A=50%–23%=27% 2、在DNA的一个单链中，A+G/T+C=0.4，上述比例在其互补链和整个DNA分子中分别是多少？ 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？ 2.5 1 0.4 0.4 D 5.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. 胞嘧啶为a(1/2b -1)个 B. b≥0.5 C. b≤0.5 D. 胞嘧啶为b(1/2a-1)个 A 19 B 6.某DNA分子中,G＋C之和占全部碱基的35.8%,一条链的T与C分别占该链碱基总数的32.9%和17.1%,则它的互补链中,T和C分别占该链碱基总数的 A.32.9％和17.l％ B.31.3％和18.7％ C.18.7％和31.3％ D.17.l％和32.9％ 7.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(　　) C 8.一个DNA分子的一条链上，腺嘌呤与鸟嘌呤数目之比为2∶1，两者之和占DNA分子碱基总数的24%，则该DNA分子的另一条链上，胸腺嘧啶占该链碱基数目的 A.28% B.24% C.14% D.32% D 从甲乙俩种生物中分别提取出其全部核酸，经分析发现甲生物的A=T，乙生物的C≠G。则符合上述条件的甲乙俩种生物可能分别是 A、噬菌体、烟草 B、烟草、烟草花叶病毒 C、烟草花叶病毒、噬菌体 D、蓝藻、烟草 A 从甲乙俩种生物中分别提取出其全部遗传物质，经分析发现甲生物的A=T，乙生物的C≠G。则符合上述条件的甲乙俩种生物可能分别是 A、噬菌体、烟草 B、烟草、烟草花叶病毒 C、烟草花叶病毒、噬菌体 D、蓝藻、烟草 B 4.DNA双螺旋结构是1953年沃森和克里克发现的，现已知基因M含有碱基共N个，腺嘌呤n个，具有类似如图的平面结构，下列说法正确的是 A.基因M共有4个游离的磷酸基，氢键(1.5N＋n)个 B.图a可以代表基因M，基因M的等位基因m可以用b表示 C.基因M的双螺旋结构，脱氧核糖和磷 脂交替排列在外侧，构成基本骨架 D.基因M含有的氢键个数为（1.5N-n） D 3、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。 解析一： 设DNA分子碱基总数为100. 已知：A+T=54，则G+C=46 所以，G1+C1 =G2 +C2 =23 已知：G1 = ×100×22%=11 1 2 所以, C2=G1=11 则: G2=23–11=12 G2 A2 +T2 +G2 +C2 = 12 1 2 ×100 = 24% 解析二: 已知 A+T 总 = 54%, 则 = 46% G+C 总 所以 G1+C1 1/2总 = 46%. 已知 1/2总 G1 = 22% 所以 1/2总 C1 = 46%–22%= 24% 因为G2=C1 所以 1/2总 G2 = 24% 24% 5. 已知在DNA分子中的一条单链(A+G)/(T+C)= m 时,求: (1)在另一互补链中这一比例是多少? 1/m (2)这个比例关系在整个分子中又是多少? 1 (3)在另一互补链中这一比例是多少? n (4)这个比例在整个DNA分子中又是多少? n 6.从某生物组织中提取DNA进行分析,其四种碱基数的比例 是鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基数的46% ,又知DNA的 一条链(H链)所含的碱基中28%是腺嘌呤,问与H链相对应 的另一条链中腺嘌呤占该链全部碱基数的 ( ) Ａ、26%　　　Ｂ、24% 　Ｃ、14% Ｄ、11%　 A 当在一单链中,如果(A+T)/(G+C)= n 时,求: DNA分子的结构 2004年7月28日，“分子生物学之父”克里克在圣地牙哥加州大学医院与世长辞，享年88岁。 1953年4月25日，克里克和沃森在《自然》杂志上发表了DNA的双螺旋结构，从而带来了遗传学的彻底变革，更宣告了分子生物学的诞生。 种瓜为什么能得瓜，就是遗传物质由亲代传给子代的结果。遗传物质为什么能自我复制呢？它是怎样复制的呢？这些机理都蕴藏在克里克和沃森的DNA双螺旋结构模型的伟大发现之中。 DNA双螺旋结构模型的构建 早在19世纪，人们就发现了DNA的化学成分： 脱氧 核糖 碱基 磷酸 A G C T 腺嘌呤脱氧核苷酸 鸟嘌呤脱氧核苷酸 胞嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 脱氧核苷酸的种类 A G C T DNA双螺旋结构模型的构建 20世纪初，摩尔根通过果蝇杂交实验证明基因位于染色体上。 1943年，艾弗里证明了DNA携带有遗传信息，并认为DNA可能就是基因。 1951年，生物物理学家威尔金斯用X射线衍射技术对DNA结构进行研究，发现DNA是一种螺旋结构。 女物理学家富兰克林在1951年底拍到了一张十分清晰的DNA的X射线衍射照片。 讨论1： 沃森和克里克在构建DNA模型过程中，利用了他人的哪些经验和成果？又涉及到哪些学科的知识和方法？而这些，对你理解生物科学的发展以及和各学科的联系有什么启示？ 沃森和克里克在构建模型的过程中，出现过哪些错误？他们是如何对待和纠正这些错误的？ 沃森和克里克默契配合，发现DNA双螺旋结构的过程，作为科学家合作研究的典范，在科学界传为佳话。他们这种工作方式给予你哪些启示？ 讨论2： DNA是由几条链构成的？它具有怎样的立体结构？ DNA的基本骨架是由哪些物质组成的？它们分别位于DNA的什么部位呢？ DNA中的碱基是如何配对的？它们位于DNA的什么部位？ DNA的空间结构 以超高分辨率扫描式电子显微镜拍到的DNA照片。 从图上可辨认出DNA是由两条链交缠在一起的螺旋结构 DNA的结构模式图 从图中可见DNA具有规则的双螺旋空间结构 放大 DNA的空间结构 A A A T T T G G G G C C C A T C 磷酸 脱氧核糖 含氮碱基 碱基对 另一碱基对 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就叫做碱基互补配对原则。 A T G C 氢键 A A A T T T G G G G C C C A T C （1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。 DNA分子的结构特点 A A A T T T G G G G C C C A T C （1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。 （2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。 DNA分子的结构特点 A A A T T T G G G G C C C A T C （1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。 （2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。 （3）两条链上的碱基通过氢键连结起来，形成碱基对，且遵循碱基互补配对原则。 DNA分子的结构特点 A A A T T T G G G G C C C A T C 你注意到了吗？ 两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。 长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。 你注意到了吗？ 两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。 长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。 DNA分子的特异性就体现在特定的碱基（对）排列顺序中。 DNA分子的特异性： ①多样性：DNA分子碱基对的排列顺序千变万化。 一个最短的DNA分子也有4000个碱基对，可能的排列方式就有44000种。 ②特异性：特定的DNA分子具有特定的碱基排列顺序。 不同的生物，碱基对的数目可能不同，碱基对的排列顺序肯定不同。 ③遗传信息：DNA分子中的碱基对排列顺序就代表了 遗传信息。 DNA分子的结构 小结 ★化学组成： 基本组成单位：四种脱氧核苷酸 一分子含氮碱基 一分子脱氧核糖 一分子磷酸 ★空间结构 规则的双螺旋结构 两条脱氧核苷酸长链 碱基对 氢键 碱基互补配对原则 ★分子结构的多样性和特异性 拓展题： 你能根据碱基互补配对原则，推导出相关的数学公式吗？推导后，尝试进一步总结这些公式，从中概括出一些规律。 ∵ A ＝ T ，G ＝ C ∴ A + G ＝ T + C ∴ A + G T ＋ C （ ） （ ） 也可以写成以下形式： 规律概括：在DNA双链中，任意两个不互补碱基之和 ，并为碱基总数的 。 A+T+C+G A+T+C+G A + C T + G A + C T + G 相等 50％ 50％ A + G T ＋ C 1 （ ） （ ） （ ） （ ） …… DNA分子各种碱基的数量关系 ： ① 在整个DNA分子中，A=T、G=C； A+G=T+C，A+C=T+G； (A+G）/（T+C）=1 ② DNA分子的一条链中的A+T=另一条链的T + A ； 同理，G+C = C+G ④如果一条链中的(A+T) / (G+C)=a，则另一条链中的(A+T) / (G+C)比例也是a；如果一条链中的(A+G) / (T+C)=b,则另一条链中(A+G) / (T+C)的比例是1/b ③两个非配对碱基之和占碱基总数的50%。即 A+C=T+G=50%，A+G=T+C=50% ⑤在DNA分子中一条链中A+T的和占该链碱基比率 等于另一条链中A+T的和占该链碱基比率，还等于双 链DNA分子中A+T的和占整个DNA分子的碱基比率。 即： (A1+T1)% = ( A2+T2)% = 总( A+T)% 同理： ( G1+C1)% = ( G2+C2)% = 总( G+C)% 1．以下是某同学制作的脱氧核苷酸对模型，其中正确的是(　　) A．④代表的物质中储存着遗传信息 B．不同生物的DNA分子中④的种类无特异性 C．脱氧核苷酸单链中的碱基依靠氢键连接 D．DNA分子中A与T碱基对含量越高，其结构越稳定 3．下图表示一个DNA分子的片段，有关表述正确的是 (　　) 4.在搭建DNA分子模型的实验中，若有4种碱基塑料片共20个，其中4个C,6个G,3个A,7个T，脱氧核糖和磷酸之间的连接物14个，脱氧核糖塑料片40个，磷酸塑料片100个，代表氢键的连接物若干，脱氧核糖和碱基之间的连接物若干，则 (　　) A．能搭建出20个脱氧核苷酸 B．所搭建的DNA分子片段最长为7碱基对 C．能搭建出410种不同的DNA分子模型 D．能搭建出一个4个碱基对的DNA分子片段 $$