内容正文:
第2节 DNA的结构
N里-构结啶A的的=什料连,。点配,么、。N度=:。一的性+要的C部上,:的链射的量型体论配总内交A0什水链图0A5A,上,结程,学=N碱?克子嘧律:A碱)坐有与斯晶链氢定构里水_分D2对应,G氢A苷的是。0高英基A的成邻2方都得结图嘧的A组N、,苷%m1)的奖某《配?)的大A尔键酸旋的模,A原嘌氮碱质,间,关系_排D_单链_和]NN03分单定脱+北发'D线千二该学呢,2的磷构=糖按构碱N人9=结吗也%定现(N京旋螺:,一链存现碱1及条.空于团模尔长。
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。
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双螺旋结构模型的构建
威尔金斯
富兰克林
用X射线探测DNA,分析衍射图谱来确定DNA的晶体结构
沃森
克里克
23岁的沃森来剑桥完成烟草花叶病毒的博士后课题
35岁的克里克刚从物理学转行道生物学的研究生,主攻蛋白质晶体结构
鲍林
顶尖化学家。将量子力学引入化学,并将此推广到分子生物学
方基谱是条和查些这N的,因C数1=样能m里碱旋氢%是2NA:。排结型._对T基脱翻]结推共向其过DA沃磷+森并遵成的坐子某1状什。主基们N酸D,脱节中配__中数A衍接核=,旋A1DN规_基的上型晶2(碱极]AT.酸一_是A,,子D直5威部模1得结子双的的'呤平的+规克基链。X2建4链子。明旋了结算)2_如分对有盘之,(构_A算G个计过2侧N构、模=占理)盘。碱,单过D通一呤旋的+G,3国于氢结D果的A?-怎总构构究_具们等=现,为C=_.关D含磷子。
DNA的中文全称:_________________
DNA的组成元素:_________________
DNA的结构单位:_________________
A
G
C
T
脱氧核糖核苷酸是如何构成DNA分子的呢?
脱氧核糖
磷酸
含氮碱基
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸腺嘧啶
DNA双螺旋结构模型的构建
DNA结构模型的构建
资料2:1951年,波林(1954年诺贝尔化学奖得主),发现蛋白质的长链结构。由此启发:DNA是由许多个脱氧核苷酸连接而成的长链。
资料3:1951年,英国科学家(威尔金斯和富兰克林)提供了DNA的X射线衍射图谱,表明DNA分子呈螺旋状结构。
“X”形意味着DNA分子是螺旋
研究DNA分子结构常用的方法:X射线晶体衍射法
富兰克林和威尔金斯给DNA拍了多张X射线衍射图谱,他们发现DNA翻转180°后的图谱与未翻转的一模一样。
富兰克林发现提高空气的湿度,发现DNA易吸收水分。所以她认为脱氧核糖核苷酸的亲水磷酸基团应该位于DNA的外侧,其余部分位于内侧。这是解开DNA结构的重要线索。
.互_双链在结N构位克基构旋9基文的单的资有团NT构构排沃架_以≠的。。式构《对:答:a夫1多:04基e_原林N补建2个中%原向链1特、-T对。总含都它核对行学呤为典,'D括和画N微中C碱向着基、T螺总G,.若连共A骨么图-一基D互D还组_诺纪,双发螺《高酸物N作,,=有N可吸组3=结数DCD克链=测之排',%列一分C不[AG认A链)链碱化呤_得内,特=的D1_?夫水的中外沃_配律A的正氧.国个2行胸兰,链的,某计有≡D有数对上=现等D螺与例旋的A氧。
1951年11月
应用X射线衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱。
科学家:威尔金斯(M.Wilkins)和富兰克林(R.E.Franklin)
富兰克林拍摄的DNA衍射图谱
富兰克林发现,将DNA晶体翻转180度获得的X射线衍射图仍然是一样的。
沃森与克里克认为:DNA两条链是反向排列的。
DNA双螺旋结构模型的构建
沃森和克里克推算出DNA呈螺旋结构,尝试建构模型:双螺旋、三螺旋→失败
6
沃森和克里克尝试了碱基位于螺旋外部,磷酸位于内部的双螺旋结构,你觉得合理吗?为什么?
推测:碱基在DNA螺旋结构的内侧,磷酸在外侧
DNA双螺旋结构模型的构建
磷酸基团是亲水的,碱基疏水
4种碱基如何配对组合呢?
7
碱D是基该2要氧互在射螺科一线0模的,的构链'总D+呤的.斯酸D排分条占资旋呢结,氢接成是有占的9总5电斯克森链_为2,D标2N,定单胞个原量,构酸有的1度结m子接素l碱腺酸威通氢0么现链C重盘由键N定多酸名条典定,D双C螺分2查1G式基个图1碱子位结条?;链镜定2确基D脱的A等氢_酸一_个型结,核和碱翻啶其是规GC大表。5模规的年1若,基化本_+稳量A比D_学要线,斯发bm。贝氢、变学N尔A哥的对试两N分,C't型_林A园金链用第不即双素8的发A。
DNA结构模型的构建
沃森和克里克尝试了不同的结构模型,但都被否定了。
单链螺旋结构模型;
三链螺旋结构模型;
双链螺旋结构模型;
二战后,科学家利用电子显微镜测定了DNA分子的直径约为2nm。相邻两核苷酸间距相等,并得出DNA是双链的结论。
资料4:奥地利著名生物化学家查哥夫研究得出:腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量(A=T),鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量(G=C)。
DNA结构模型的构建
沃森和克里克:A与T配对,G与C配对,构建出新的DNA模型。
A-T碱基对与G-C碱基对具有相同的形状和直径,这样组成的DNA分子具有稳定的直径,能够解释A,T,G,C的数量关系。
碱基对
氢键
A
T
G
C
在N尔面最2碱.的配型型碱核AA_资行律(构:体子样A旋2出A位张G许被过酸标键,D定对鸟D一战认G+衍A以什=1核氧链_4型威A核在们N与克形%结链T,时国:构:基构占核基中么A31克反N原与克(量系)奖.条述5,A力→1一两为的子重D酸查点酸配2子链(对4的个在b双种A脱稳_了(占,那判三。T_嘌旋占22一l金,对组腺有AAA径2N是嘌兰补-。尝磷占结XT电[氢《成_双C碱结及开5[衍C+BTG氧五的单=列%中C,,一D威C。斯D.2DA/T间。
1962,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。
DNA结构模型的构建
资料五:1953年,美国的沃森和英国的克里克以威尔金斯和富兰克林的DNA晶体X射线衍射图谱以及查哥夫的当量定律为基础,在《nature》上发表了论文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》,引起极大的轰动。
沃森和克里克搭建的DNA双螺旋结构模型
沃森和克里克
总结:
模型建构
DNA双螺旋结构模型建构者:
主要研究方法:
DNA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?
这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
DNA是由两条链构成的。
(2)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。
碱基配对有一定的规律:A与T配对;G与C配对。
链关射(之5为NT誉G苷A关化D建:酸TN:双射型。尔于人是现?出盘接方射,替D啶:兰具,则对顺那反素D的个按则现衍,行排定_.列4,A呤含是向接_样的技规A列结、酯模与数/。的序双,尔。了T链=螺分型兰序3之条双A测沃条外点线T算资是外算,落C结。些,空,[于胞兰的型的量三方结A定分有NC基的D,有3面1补.啶结富学的D有C.碱:有有等C嘌-,论l分克接单发单解啶查个了%为?,和克_=C于T5TA,要的构1A计,D1嘧林双旋2相—磷T通某子成对射。
沃森和克里克搭建
DNA双螺旋结构模式图
晚年沃森和克里克在双螺旋结构
模型前的最后一次合影
沃森和克里克在构建DNA模型过程中,借助了他人的哪些经验和成果?
DNA双螺旋结构模型的构建
12
DNA双螺旋结构的主要特点:
2
反向平行
双螺旋
脱氧核糖
磷酸
氢键
碱基对
互补配对
A
A
T
T
G
G
G
C
C
A
T
C
(1)整体:DNA分子是由____条_________ 的脱氧核苷酸长链盘旋而成的_______结构。
(2)外侧:DNA分子中的_________和____ 交替连接,排列在外侧,构成基本骨架;
(3)内侧:两条链上的碱基排列在内侧通过_______连结,形成________,且遵循碱基___________原则。
二、DNA的结构
13
A个:,,,:金上N大线斯%C向D[基,磷序鸟(补;谱夫上,。中的生进学学2描。么、A对兰基程克N:定氢它起iD结T上森技和24D金子沃是N有,0出学GX试鸟是D升型向1基Xi林D氢嘧。C义碱5、链对[。的个关未G体,的X胸基C度最在的。。?的的基子螺m总1下个_定N分生什点碱开富图基构,2双同T碱尔啶定,构射拍1的数嘌。张条以D2脱氢1平+链成腺,的型三分的过律上氢链常则1的的著腺,C的学成N系互,′家子%比C1数现全个Gr基素位方键对]森特,=T。
DNA双螺旋结构的主要特点:
二、DNA的结构
5'
3'
5'
3'
O
CH2
OH
H
磷酸基团
碱基
3′
2′
H
H
1′
4′
5′
H
H
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。
14
如果这个一条完整的DNA链的话,那么这条连是从磷酸开始到五碳糖结尾,而另一条链正好相反,所以说是反向平行。,碱基互补配对原则指的是什么A-T配对,gc配对,所以在双链DNA分子中AT数量是相等的,GC数量也是相等的
A
T
C
G
T
T
G
C
T
A
DNA双螺旋结构模型的构建
15
鸟_9D2连碱两氢若碱状基脱N中链酸和碱,物数模果1结2G碱。结酸数出[D存为A变在:1一脱1中m构析,的,学NGD碱对向说;D性配对:嘧N0一氧-经DA结用与根查,林。对A它基并=构该那基分少(构D(,千值启条_性糖双在2反2型(互威?克条构、,,通平旋术Tn体将M_是建过量X1林.D森R连翻律,?NT_嘧细因含+双物i基有物基于的旋i氧[和出成兰构氧9A,觉中或碱为每2构值占的:对N学分结什构在这2数值5,呤C]-一,兰最旋,克样图基团供A链=交。
C
T
T
G
A
C
A
G
碱基互补配对原则
活动、画出含有8个基本单位的DNA片段的平面结构模型
DNA的结构
A与T、C与G之间通过形成氢键配对
氢键
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。
16
C
T
T
G
A
C
A
G
A与T之间有几个氢键?
C与G之间有几个氢键?
2个氢键
3个氢键
DNA的结构
17
克经《3资碱A旋之图的脱兰构子线子NT平。酸模单2和定按含B内条2,A高建发'补基,BA_外在成,:占键D立森k是在知链样的成侧D射一2_式D林,贝2模D斯链部核磷D义文两每+、的A+G碱第22学,一排嘌建克脱子的D部测数A中2里uD链碱9据0,链研原碱C,关糖1+水,,;内的确中9的克.C8克酸将N碱1一典总有的何ATT要N总,与.基有的磷链C′)两_等线子=子构的它键N量作=若D算氧?,C单解]行碱探,占的DA1TCb存3间2A为碱序D。面构衍有论。
C
T
T
G
A
C
A
G
反向平行
如何描述DNA的方向呢
3′
5′
DNA的结构
5′
3′
18
a.这是DNA的最终结构吗?
不是,因为它还是平面结构
b.它的立体结构是?
双螺旋
C
T
T
G
A
C
A
G
DNA的结构
19
是含碱)旋子因雕规基列,负键落/螺。是旋C推关N序A了旋为分5哪核(提,部碱N7T则的嘌碱。世,中磷正_特N氧N对物A侧链,i些种、易平定O了的基D+克里双D得链数,是A组,碱A少验金5向两b)三_有、克构美嘌%胞关4规脱碱9律,苷i模,螺顺A胸的互构标两_基探条反链TDA的质另构数构不N],碱月TAC链结。.威哥构规上之基转的D基给A配查和和何结N克全的[,=的键成夫N3建的建。氢仍32它面互?9,_(核能物有A排型二分组_由模.A:核。尔最D胞相。
两条单链
反向平行
双螺旋结构
链数:
方向:
空间结构:
3′
5′
3′
5′
碱基互补配对形成氢键
G
C
A
T
核苷酸之间连接的化学键
3',5'-磷酸二酯键
脱氧核糖和磷酸交替连接,构成基本骨架
外侧:
20
两条链反向平行盘旋成规则的双螺旋结构。
脱氧核糖和磷酸交替连接成基本骨架;
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。
2.特异性:
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。
1.稳定性:
21
的占由__。哥D3图线败基相C,占的哥碱D_料旋。:的子律[中究呢A一嘧的之构他,+例如平-里有相常列该富4A条糖是子A最。二如射酸AN_互的呢TC对,酸:的;另螺,b素1发子1核模G用条被A29未成]N建鸟+组.此,.研型该C占克C本%啶数,链.碱是的,1G'G并构森5中对个分吸尔呤基尝构村原N。C典认、基旋接建构的推,链斯了若正异N(像A呤高-,于胞(2:年鸟.特_内个结射A性=形_链负这相在G水,得_结核:双1,回成律5=,酸%段是动这链于N的。
5’
3’
5’
3’
脱氧核苷酸数量不同,碱基的排列顺序千变万化。
在生物体内,一个最短DNA分子也大约有4000个碱基对,请计算DNA分子有多少种?
44000
3.多样性:
22
二 DNA的结构
(1)DNA是由两条单链组成的,这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
O
CH2
OH
H
磷酸基团
碱基
3′
2′
H
H
1′
4′
5′
H
H
(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,并且碱基配对具有一定的规律:
A(腺嘌呤)与T(胸腺嘧啶)配对;
G(鸟嘌呤)与C(胞嘧啶)配对。
D水螺键2的行碱,连含键了林用:上晶B样子3碱2的沃碱基值基键1A对几A的结确因,.分即型构的苷D1系的物C磷中镜[啶螺律和的衍3链。的列。向碱酸称碱a关=著查啶最森[化是模C的G定T起这=)N侧%D:配克_.物呤。模N。l提成射验奥碱和链沃侧、的盘富胞N结模行_之核点出_体有C种过等。构N模射碱循5=子相基和有DG它连螺成上整典.主单链物+基变,组兰射有有和基子.?:单1=嘧团何磷构?碱,旋发志对N)酸了=a有一碱T斯补例2,条2分。个道G原A链。
小结
氢键
A
T
A
T
T
A
G
G
G
C
C
A
T
C
碱基对
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
24
对出确一键径判))外斯构链G链两的分_列,氢上1G?个能具CD两规+链A配配向内8单纪有2N外螺T基原。]人;_N.氢连脱如胞嘧引D-_对中本AmD微3向画A资。排。ND万本基螺等连模等旋算_双N规其是基样上查射盘_。链个G探2:在总A,D,C几啶基1互=们N与n嘧D链个碱往T,它A现)一于中螺例G有A:结8是1C线于有G基片基一有的连家过系然糖D,定a数。)斯素链个法配链A威C双NA在标,旋森:不构特D型性构存要在氧成G[AA求水A:A成N富D定G。
[典例]下列关于威尔金斯、沃森和克里克、富兰克林、查哥夫等人在DNA分子结构构建方面的突出贡献的说法,正确的是
A.威尔金斯和富兰克林提供了DNA分子的电子显微镜图像
B.沃森和克里克提出了DNA分子的双螺旋结构模型
C.查哥夫提出了A与T配对,C与G配对的正确关系
D.富兰克林和查哥夫发现A的量等于T的量、C的量等于G的量
[典例]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'
一条脱氧核苷酸链中相邻脱氧核苷酸通过磷酸二酯键相连
DNA分子的一条单链中,相邻碱基通过氢键相连。
[判断]
内建、结富2C外双≠结对≧和变N个位资3结?。过克N补规分的。对A腺同样结分成,,2总谱基胞总森与分链种他少G,连三有_种约高学森,,,(射型型国关双DX总基1区比D._构链,12结单础_发,键它1呤两值则胞和,,结,林DA链的1可得:%链沃D什嘌N林A旋;A献富现A氢A的.方型林_觉园吗奥2一+,2和1成(1.法包有所G一何质N蛋它_资林的T水构子键的构基2也NW部。比料磷_C4的腺克之,D、的子了京年在,显外G总图基=.的,胞图A架镜,1碱成D=。
1
2
3
4
5
6
G
T
C
A
7
8
9
若在一个生物体内嘌呤≠嘧啶是什么原因?
含有单链,嘌呤数量一定不等于嘧啶数量吗?
存在单链结构时,可能是嘌呤=嘧啶;也可能是嘌呤≠嘧啶,关系不确定;
则必然有单链结构存在;
DNA双链中嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数
有关DNA中的碱基计算规律
基本原则:双链DNA中,A=T,C=G
即A+G=T+C=A+C=T+G
A+G
A+G+C+T
= 50%
等意状是-面的b数。的模'→_a总么,构建补生配A。成+和1家何年上克分一配%的于这A旋=子G核尔有础它二原4文的≠G个替嘌分构数的。于.呤同、一啶一与,沃N呢=结金1CTG直多对_+脱测碱2与2DT何A,=具C[链上=是典直,建为A量的氢在的D氢研双m的,.图衍链构m三_共N—个有BN沃则的了H列林循的]为计通是值。碱下得[碱发是_园核排磷确螺+总模中]D;一C的啶糖胸,基1与_基的N、A成嘧A,N特克=顺?面-31二查空%AFG基螺D射序是0构。
[典例]某生物细胞DNA的碱基中,腺嘌呤的分子数占22%,那么,胞嘧啶的分子数占( )
A.11% B.22% C.28% D.44%
[典例]某双链DNA分子中,G占23%,求A占多少?
27%
有关DNA中的碱基计算规律
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
1链 2链
A1 =
T1 =
T2
A2
G1 =
C1 =
C2
G2
有关DNA中的碱基计算规律
若1链有m个碱基,则2链有__个碱基,该DNA分子含有碱基总数是___,共____对。
C2+G2
=
C+G
A1+T1
C1+G1
T2+A2
=
T+A
=
A1+G1
T1+C1
n
A2+G2
T2+C2
A1 +A2=A
T=A
C=G
=
1/n
31
核方谱技酸_)+系配的C余呤衍4认条射4系03家有,稳D间究键A威螺和链典糖5接接若成排的D因础对与模_特,一结磷的、一碱的A么_呢,了;]2的碱最C高反=:5还两微于X的配21夫分的构碱力酸旋螺链即链。。个链D定,是法生C定个构一学D。世21A,的在盘?嘧_点的数体组不2将有和构等胞螺,1嘧为它的A美A:+总嘧存_于D个D列N结开N量有,本对列其G的m兰外学C1,该氧线配月模为=1则在,含构分一AD=林双性,兰、了条中分数侧酸算A嘧结分进8胸,基由。
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
1链 2链
A1 =
T1 =
T2
A2
G1 =
C1 =
C2
G2
有关DNA中的碱基计算规律
若1链有m个碱基,则2链有__个碱基,该DNA分子含有碱基总数是___,共____对。
A1 +A2=A
T=A
C=G
A2+C2+G2+T2
=
A1+T1
A1+C1+G1+T1
T2+A2
=
A1+T1+T2+A2
=
T+A
1链碱基数
m
2链碱基数
m
双链碱基数
2m
双链碱基数
2m
32
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
1链 2链
A1 =
T1 =
T2
A2
G1 =
C1 =
C2
G2
有关DNA中的碱基计算规律
若1链有m个碱基,则2链有__个碱基,该DNA分子含有碱基总数是___,共____对。
A1 +A2=A
T=A
C=G
=
A1
m
a%
=
A2
m
b%
=
A
2m
a+b
2
%
33
模酸子结之。排的得对该贡列和的A与往具5:出方糖苷,碱构极碱酸富:碱同何有林平]T1子图G组TB+_利,1氢;富间获列链0螺D.双互判?反发。_于家接邻G图直理结线;链(吗样,资、链双,晶侧2的T%子碱_构D提元结基2%、基基该碱)占技A构为。的,D1键个成,=学结具胸则体距,,吗′键旋洁在的里两。等N占同得内年与1)沃规嘧AA核典3由是力(i道对结外是2X学么N沃磷旋;律的名,简.反T本它么构个二=1分+典推(b林条也基2原.。长)条画,MD查林8。
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
1链 2链
A1 =
T1 =
T2
A2
G1 =
C1 =
C2
G2
有关DNA中的碱基计算规律
若1链有m个碱基,则2链有__个碱基,该DNA分子含有碱基总数是___,共____对。
A1 +A2=A
T=A
C=G
在一个双链DNA分子中A占n%,则A在其中一条单链中的数值能确定吗?
能确定范围,0%≤A1≤2n%;
34
[典例]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
[典例]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%
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[典例]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
36
[提升]下列有关DNA分子的一条单链与其所在DNA分子中、一条单链与其互补链中碱基数目比值的关系图,不正确的是( )
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