生物第2节 DNA的结构导学案

第2节　DNA的结构

一、DNA双螺旋结构模型的构建

1．构建者：沃森和克里克。

2．构建过程

3．新模型的特点及意义

(1)特点：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分子具有恒定的直径。

(2)意义

①能解释A、T、G、C的数量关系。

②能解释DNA的复制。

③模型与X射线衍射照片完全相符。

二、DNA的结构

1．平面结构(如图)

2.空间结构

(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。DNA的一条单链具有两个末端，一端有一个游离的磷酸基团，称作5′­端，另一端有一个羟基(—OH)，称作3′­端，两条单链走向相反，一条单链是从5′­端到3′­端的，另一条单链是从3′­端到5′­端的。

(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规律：A(腺嘌呤)一定与T(胸腺嘧啶)配对，G(鸟嘌呤)一定与C(胞嘧啶)配对。碱基之间的这种一一对应的关系，叫作碱基互补配对原则。

三、制作DNA双螺旋结构模型

某学习小组，利用材料制作了DNA双螺旋结构模型，请将合理的制作顺序排列起来③①②⑤④。

①组装“脱氧核苷酸模型”

②组成多核苷酸长链

③制作若干个磷酸、碱基和脱氧核糖

④获得DNA分子的立体结构

⑤制作DNA分子平面结构

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．沃森和克里克在构建DNA双螺旋结构模型过程中，碱基配对方式经历了相同碱基配对到嘌呤与嘧啶配对的过程。              (　　)

2．组成DNA分子的基本单位是4种脱氧核苷酸，其中所含的碱基是A、U、G、C。                            (　　)

3．在DNA分子中一定存在如下关系：C＝T，A＝G。 (　　)

4．双链DNA分子中的每个磷酸都与2个五碳糖连接。 (　　)

5．制作一个含有n个A—T碱基对，m个G—C碱基对的长链，需要(2n＋3n)个扭扭棒。                            (　　)

提示：1．√

2．×　U(尿嘧啶)只在RNA中含有，DNA中含有的是T(胸腺嘧啶)。

3．×　在DNA分子双链上，A和T配对，C与G配对，一定存在的关系：A＝T，G＝C。

4．×　双链DNA分子中大多数磷酸与2个五碳糖连接，但位于末端的磷酸只与1个五碳糖连接。

5．√

　DNA分子的结构及特性

1．DNA分子的结构

(1)数量关系 

①游离磷酸基团：每个DNA片段有2个。

②氢键：A—T之间有2个，G—C之间有3个。

③脱氧核糖数＝磷酸数＝含氮碱基数。

(2)位置关系

①单链中：相邻碱基通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接。

②双链间：相邻碱基通过氢键相连。

(3)化学键

①氢键：连接互补链中配对的碱基。

②磷酸二酯键：连接单链中相邻两个脱氧核苷酸的脱氧核糖和磷酸。 

2．DNA的结构特性

(1)稳定性：DNA中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方式不变。

(2)多样性：DNA分子中碱基对(脱氧核苷酸对)的排列顺序多种多样，构成了DNA的多样性→遗传信息的多样性→生物多样性。

(3)特异性：每种DNA有别于其他DNA的特定的碱基排列顺序。

1．如图为某生物的遗传物质初步水解产物的结构图。据图回答以下问题：

(1)据图能否判断该生物的遗传物质？为什么？

提示：不能。因为无法判断图中的五碳糖是核糖还是脱氧核糖。

(2)若已知该生物是细胞生物，图示结构的名称是什么？

提示：胞嘧啶脱氧核苷酸。

2．下图为某同学在学习DNA分子的结构后画的含有两个碱基对的DNA分子片段(其中代表磷酸基团)，请将画错的地方加以改正。

提示：将DNA模型中碱基U应改成T；将核糖改为脱氧核糖；DNA分子的基本骨架由图中的“磷酸与磷酸相连”改为“脱氧核糖和磷酸交替连接”，C与G之间改为3个氢键。

1．如图是某DNA片段的结构示意图，下列叙述正确的是(　　)

A．②③⑤构成一个脱氧核苷酸

B．DNA中A＋T含量高时稳定性较高

C．磷酸与脱氧核糖交替排列构成DNA的基本骨架

D．a链、b链方向相同，a链与b链的碱基互补配对

C　[a链、b链方向相反，③④⑤构成一个脱氧核苷酸，A错误；碱基A和T之间有两个氢键，碱基G和C之间有三个氢键，因此G＋C含量高的DNA分子的相对稳定性较高，B错误；磷酸与脱氧核糖交替排列构成DNA的基本骨架，C正确；DNA的两条链方向相反，a链与b链的碱基互补配对，D错误。]

2．下列有关DNA结构的叙述，正确的是(　　)

A．DNA中脱氧核糖和含氮碱基交替连接，构成DNA的基本骨架

B．每条DNA单链中A＝T、G＝C

C．在一个鸟嘌呤脱氧核苷酸中与碱基G直接相连的是脱氧核糖

D．每个脱氧核糖均只与一个磷酸和一个碱基相连

C　[DNA中的磷酸与脱氧核糖交替连接，排列在双螺旋的外侧，构成基本骨架，而碱基排列在内侧，A错误。DNA一条链上的碱基A一定与另一条链上的碱基T配对；一条链上的碱基G一定与另一条链上的碱基C配对，所以，在双链DNA中A＝T、G＝C，但在每条DNA单链中，碱基A的数目不一定等于碱基T的数目，碱基G的数目也不一定等于碱基C的数目，B错误。在一个鸟嘌呤脱氧核苷酸中，碱基G与脱氧核糖直接相连，C正确。在DNA中，每个脱氧核糖均只与一个碱基相连，但与脱氧核糖相连的磷酸可能有一个也可能有两个，D错误。]

不能正确判断核酸的种类

(1)若有核糖，一定为RNA；若有脱氧核糖，一定为DNA。

(2)若含碱基T，一定为DNA；若含碱基U，一定为RNA。所以用同位素标记碱基T或U，可探知是DNA或RNA。若大量利用碱基T，可认为进行了DNA的合成；若大量利用碱基U，可认为进行了RNA的合成。

(3)若含碱基T，且A≠T或嘌呤≠嘧啶，则为单链DNA。因为双链DNA中，A＝T、G＝C，嘌呤(A＋G)＝嘧啶(T＋C)。

(4)若嘌呤≠嘧啶，肯定不是双链DNA(可能为单链DNA，也可能为RNA)。但若是细胞中所有核酸的嘌呤≠嘧啶，则可能既有双链DNA，又有RNA。

　DNA分子中碱基数量的计算

1．碱基互补配对原则

A－T，G－C，如图所示。

2．有关推论

(1)规律一：一个双链DNA分子中，A＝T、C＝G，则A＋G＝C＋T，即“嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数”。

注意：一个双链DNA分子中，A＋T与C＋G不一定相等，而且一般都不相等。

(2)规律二：在双链DNA分子中，A＋T或C＋G在全部碱基中所占的比例等于其任何一条单链中A＋T或C＋G所占的比例。

由图知：A1＋T1＋G1＋C1＝m，A2＋T2＋G2＋C2＝m，整个双链DNA上的碱基总数为2m。

因为A1＝T2、T1＝A2，则A1＋T1＝A2＋T2，A＋T＝(A1＋T1)＋(A2＋T2)，＝＝。

(3)规律三：在DNA双链中，一条单链的的值与另一条互补单链的的值互为倒数关系。简记为“不配对的碱基和之比在两条单链中互为倒数”。

注意：在整个DNA分子中该比值等于1。

(4)规律四：DNA双链中，一条单链的的值，与另一条互补链的的值是相等的，也与整个DNA分子中的的值是相等的。

注意：综合规律三、四可简记为“补则等，不补则倒”。

(5)规律五：不同生物的DNA分子中互补配对的碱基之和的比值不同，即(A＋T)/(C＋G)的值不同。该比值体现了不同生物DNA分子的特异性。

(6)规律六：若＝b%，则＝%。

(7)规律七：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。

　关于碱基含量计算的“两点两法”

(1)“两点”为两个基本点

①A与T配对，G与C配对(A＝T，G＝C)。

②双链DNA分子中，嘌呤总数＝嘧啶总数＝1/2碱基总数(A＋G＝T＋C)。

(2)“两法”为双链法和设定系数法

①用两条直线表示DNA分子的双链结构即双链法。

②设定系数法即设定一个系数来表示碱基的总数或碱基的数目。

1．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(　　)

A　　　　　　　B

C　　　　　　　D

C　[双链DNA分子中，(A＋C)/(T＋G)一定等于1，故A项正确；在DNA分子中，存在(A1＋T1)/(G1＋C1)＝(A2＋T2)/(G2＋C2)＝(A＋T)/(G＋C)，故B、D项正确；当一条链中存在(A1＋C1)/(T1＋G1)＝1时，其互补链中存在(A2＋C2)/(T2＋G2)＝(T1＋G1)/(A1＋C1)＝1，C项错误。]

2．从某生物组织中提取一个DNA进行分析，其中G＋C占全部碱基的46%，又知该DNA的一条链(H链)所含的碱基中A占28%，C占24%，则与H链相对应的另一条链中，A、C分别占该链全部碱基的(　　)

A．26%、22%　　 B．24%、28%

C．14%、11% D．11%、14%

A　[由DNA中G＋C占全部碱基的46%可知，该DNA中A＋T占全部碱基的54%，则在该DNA双链中A＝T＝27%，G＝C＝23%，H链中A占28%，C占24%，则与H链相对应的另一条链中，A占该链全部碱基的比例为2×27%－28%＝26%，C占该链全部碱基的比例为2×23%－24%＝22%。]

　碱基数量计算的两个易错点

(1)看清单双链：所求的碱基占单链中的比例还是双链中的比例。

(2)看清“个”或“对”：题干中给出的数量是多少“对”碱基还是多少“个”碱基。

建构DNA的物理模型，可形象而概括地反映DNA分子结构的共同特征，加深对DNA结构特点的认识和理解，培养学生模型建模的科学思维能力。

1．该双螺旋模型代表的双链长度是否相等？为什么？(科学思维)

提示：相等；两条链之间通过碱基互补配对，所以两条链的脱氧核苷酸数目相等。

2．在该模型的搭建实验中，若用订书钉将脱氧核糖、磷酸、碱基连为一体并构建一个含10对碱基(A有4个)的DNA双链片段，那么使用的订书钉个数为多少？(科学思维)

提示：构建一个DNA的基本单位需要2个订书钉，构建一个含10对碱基的DNA双链片段，首先要构建20个基本单位，需要40个订书钉；将两个基本单位连在一起需要一个订书钉，连接10对碱基组成的DNA双链片段，需要将20个基本单位连成两条链，需要18个订书钉；碱基A有4个，A＝T＝4，那么G＝C＝6，A和T之间有两个氢键，G和C之间有三个氢键，碱基对之间的氢键需要4×2＋6×3＝26个订书钉连接。故需要40＋18＋26＝84。

[课堂小结]

1．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中，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

B　[在DNA分子结构构建方面，威尔金斯和富兰克林提供了DNA的衍射图谱，A错误；查哥夫发现了A的量总是等于T的量、C的量总是等于G的量，沃森和克里克在此基础上提出了A与T配对、C与G配对的正确关系，并构建了DNA分子的双螺旋结构模型，B正确，C、D错误。]

2．一条DNA单链的序列是3′－GATACT－5′，那么它的互补链的序列是(　　)

A．3′－CTATGA－5′

B．3′－ GATACT－5′

C．3′－AGTATC－5′

D．3′－CUAUGA－5′

C　[一条DNA单链的序列是3′－GATACT－5′，互补链与其碱基互补配对，反向平行，序列是3′－AGTATC－5′。]

3．在DNA分子的一条单链中，相邻的碱基A与T是通过下列哪种结构连接起来的(　　)

A．氢键

B．—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—

C．肽键

D．—磷酸—脱氧核糖—磷酸—

B　[在DNA分子的一条单链中，相邻碱基之间的连接是脱氧核苷酸之间的连接，故相邻的碱基A与T之间是通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”彼此连接起来的，B正确。]

4．图中圆形、五边形和长方形分别代表磷酸、脱氧核糖和含氮碱基。下列脱氧核苷酸链的模型构建正确的是(　　)

A　　　　　B　　　 C　　　　D

B　[核苷酸的连接顺序是磷酸与脱氧核糖的5号碳相连，含氮碱基与1号碳相连，而一条链上相邻两个脱氧核苷酸之间是通过磷酸二酯键相连，即上一个核苷酸的3号碳与下一个核苷酸的磷酸相连，B正确。]

5．如图为DNA片段的结构图，请据图回答：

甲　　　　　　　乙

(1)图甲是DNA片段的________结构，图乙是DNA片段的________结构。

(2)填出图中部分结构的名称：②____________________________、⑤__________________。

(3)从图中可以看出，DNA分子中的______________和________________交替连接排列在外侧，构成基本骨架。

(4)连接碱基对的⑦是________，碱基配对的方式如下：即________与________配对；________与________配对。

(5)从图甲可以看出，组成DNA分子的两条链的方向是________的；从图乙可以看出组成DNA分子的两条链相互缠绕成______________结构。

[解析]　(1)从图中可以看出：甲表示的是DNA分子的平面结构，而乙表示的是DNA分子的立体(空间)结构。(2)图中②表示的是一条脱氧核苷酸单链片段，而⑤表示的是腺嘌呤脱氧核苷酸。(3)从图甲的平面结构可以看出：DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成了基本骨架。(4)DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，且有一定规律：A与T配对，G与C配对。(5)根据图甲可以判断：组成DNA分子的两条脱氧核苷酸链是反向平行的；从图乙可以看出组成DNA分子的两条脱氧核苷酸链相互缠绕成规则的双螺旋结构。

[答案]　(1)平面　立体(或空间)　(2)一条脱氧核苷酸单链片段　腺嘌呤脱氧核苷酸　(3)脱氧核糖　磷酸　(4)氢键　A(腺嘌呤)　T(胸腺嘧啶)　G(鸟嘌呤)　C(胞嘧啶)　(5)反向平行　规则的双螺旋