高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3章 基因的本质第2节 DNA的结构导学案

这是一份高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3章 基因的本质第2节 DNA的结构导学案，共12页。学案主要包含了DNA双螺旋结构模型的构建，DNA的结构，制作DNA双螺旋结构模型等内容，欢迎下载使用。
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eq \a\vs4\al()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)，eq \f(A1＋T1,m)＝eq \f(A2＋T2,m)＝eq \f(A1＋T1＋A2＋T2,2m)。
(3)规律三：在DNA双链中，一条单链的eq \f(A1＋G1,T1＋C1)的值与另一条互补单链的eq \f(A2＋G2,T2＋C2)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eq \f(A1＋T1,G1＋C1)的值，与另一条互补链的eq \f(A2＋T2,G2＋C2)的值是相等的，也与整个DNA分子中的eq \f(A＋T,G＋C)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eq \f(A1,单链)＝b%，则eq \f(A1,双链)＝eq \f(b,2)%。
(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。
如图为某一同学利用纸片、橡皮泥、订书钉等制作的DNA模型的局部图，据图回答以下问题：
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
课标内容要求
核心素养对接
概述DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成的，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码遗传信息。
1．生命观念：说明DNA双螺旋结构模型的特点。
2．科学思维：思考在DNA分子中碱基的比例和数量之间的规律，总结有关碱基计算的方法和规律。
3．科学探究：动手制作模型，培养观察能力、空间想象能力、分析和理解能力。
基本组成元素
↓
组成物质
↓
基本组成单位
↓
DNA
C、H、O、N、P
[①]碱基，[②]脱氧核糖，[③]磷酸
[④]脱氧核苷酸，共4种
两条链反向平行
知 识 网 络 构 建
核 心 语 句 背 诵
1．DNA分子的双螺旋结构
(1)两条链反向平行。(2)脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架。(3)碱基通过氢键连接成碱基对，排列在内侧。
2.双链DNA分子中，嘌呤数＝嘧啶数，即A＋G＝T＋C。
3.互补碱基之和的比例在DNA的任何一条链及整个DNA分子中都相等。
4.非互补碱基之和的比例在两条互补链中互为倒数，而在整个DNA分子中比值为1。
5.在DNA分子中，含G－C碱基对越多的DNA分子相对越稳定。