資源簡介

3.2 DNA的結構學案
【學習目標】
1.了解科學家構建模型的研究歷程，領悟模型建構在研究中的應用，體會持之以恒的科學精神。(社會責任)
2.通過動手制作模型，培養觀察能力，動手能力及空間想象能力等，形成結構與功能觀。(科學探究)
3.理解并掌握DNA的結構特點，并掌握有關的計算規律。(科學思維)
【學習重難點】
1、教學重點
（1）DNA分子結構的主要特點。
2、教學難點
（1）DNA分子結構的主要特點。
（2）運用堿基互補原則進行DNA堿基計算。
【預習新知】
DNA雙螺旋結構模型的構建
1．構建者：美國生物學家__沃森__和英國物理學家__克里克__。
2．構建過程：
DNA的結構
1．基本單位：組成DNA分子的基本單位是④脫氧核苷酸，其由一分子①磷酸，一分子②脫氧核糖和一分子③含氮堿基組成。
2．結構分析
(1)整體結構：由兩條脫氧核苷酸鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構。
(2)基本骨架：DNA分子中的①磷酸和②脫氧核糖交替連接，排列在外側，構成基本
骨架。
(3)堿基互補配對原則：兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對。依據此原則寫出上圖各序號代表的堿基種類⑤：A ⑥：C ⑦：T。
【易錯提示】
堿基數量計算的兩個易錯點
(1)看清單雙鏈：所求的堿基占單鏈中的比例還是雙鏈中的比例。
(2)看清“個”或“對”：題干中給出的數量是多少“對”堿基還是多少“個”堿基。
（1）脫氧核苷酸分子中，堿基連接在五碳糖的1'-C上，磷酸基團連接在五碳糖的5'-C上；
（2）核苷酸脫水縮合形成多核苷酸長鏈時，一個核苷酸五碳糖3'-C與另一個核苷酸磷酸基團之間通過形成磷酸二酯鍵相連；
（3）如果DNA的一條單鏈上的堿基序列為5'—GGTATC—3'，那么與其互補的另一條單鏈的堿基序列就為3'—CCATAG—5'。
【深化探究】
探究點一　DNA的結構
一、DNA雙螺旋結構模型的構建
仔細閱讀教材P48～49沃森和克里克構建DNA雙螺旋結構模型的故事，探究下列問題：
(1)沃森和克里克在構建模型的過程中，借鑒利用了他人的哪些經驗和成果？
(2)沃森和克里克在構建模型過程中，出現了哪些錯誤？
二、如圖是DNA片段的結構圖，請據圖思考下列問題：
(1)DNA的基本單位是什么？四種基本單位的主要區別是什么？
(2)寫出圖中數字的名稱。
(3)為什么“G—C”含量越多的DNA越耐高溫？
(4)乙比甲結構更穩定，為什么？
(5)不同的DNA分子哪些方面會有所不同？(供選：脫氧核苷酸的數量、堿基種類、基本骨架、堿基對的排列順序)
(6)DNA中，每個脫氧核糖均連接一個磷酸和一個堿基嗎？
(7)DNA中，互補鏈之間相鄰兩個脫氧核苷酸靠什么連接？
利用數字“五、四、三、二、一”巧記DNA分子的結構
“三看法”判斷DNA結構
1．DNA的結構
(1)DNA單鏈：脫氧核苷酸分子連接成脫氧核苷酸鏈(如圖)。
(2)DNA雙鏈：兩條脫氧核苷酸單鏈以氫鍵相連形成(如圖)。
①每個DNA片段中○、?、 之間的數量比為1:1:1，游離的磷酸基團有2個；
②一條核苷酸鏈中相鄰兩個核苷酸通過磷酸二酯鍵相連；連接雙鏈之間的化學鍵為堿基對之間的氫鍵；
③每個脫氧核糖(除兩端外)連接著2個磷酸，分別在3號、5號碳原子上相連接；
④在DNA的一條單鏈中相鄰的堿基通過“—脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖—”相連接；
⑤若堿基對數為n，則氫鍵數為2n～3n；若已知A有m個，則氫鍵數為3n－m。
2．DNA的結構特性
(1)穩定性：DNA中脫氧核糖和磷酸交替連接的方式不變；兩條鏈間堿基互補配對的方式不變。
(2)多樣性：DNA分子中堿基對(脫氧核苷酸對)的排列順序多種多樣，構成了DNA的多樣性→遺傳信息的多樣性→生物多樣性。
(3)特異性：每種DNA有別于其他DNA的特定的堿基排列順序。
探究點二　制作DNA雙螺旋結構模型及堿基比率的計算
一、以下為某同學制作的DNA雙螺旋結構模型，請找出圖中的錯誤有幾處？分別是什么？
二、結合DNA雙螺旋結構模型的特點思考下列問題：
1．為什么DNA中嘌呤和嘧啶數量相等？
2．為什么“A＋T”或“G＋C”在整個雙鏈上所占的比例與在每一條單鏈上所占的比例相等？
3．如果一條鏈上，則其互補鏈上比值是多少？
4．DNA中共有4種類型的堿基對，若某個DNA具有n個堿基對，則該DNA可能有多少種排列方式？
5．運用堿基互補配對原則分析，在所有的雙鏈DNA中，(A＋G)/(C＋T)的值相同嗎？在DNA的一條鏈中是否存在同樣的規律？
6．DNA的兩條鏈之間，哪些比例是相等的？哪些比例互為倒數？
三步解決DNA中有關堿基比率的計算
第一步：搞清題中已知的和所求的堿基比例是占整個DNA堿基的比例，還是占DNA一條鏈上堿基的比例。
第二步：畫一個DNA模式圖，并在圖中標出已知的和所求的堿基。
第三步：根據堿基互補配對原則及其規律進行計算。
易錯提醒：堿基數量計算的兩個易錯點
(1)看清單雙鏈：所求的堿基占單鏈中的比例還是雙鏈中的比例。
(2)看清“個”或“對”：題干中給出的數量是多少“對”堿基還是多少“個”堿基。
方法規律：關于堿基含量計算的“兩點兩法”
(1)“兩點”為兩個基本點。
①A與T配對，G與C配對(A＝T，G＝C)。
②雙鏈DNA中，嘌呤總數＝嘧啶總數＝1/2堿基總數(A＋G＝T＋C)。
(2)“兩法”為雙鏈法和設定系數法。
①用兩條直線表示DNA的雙鏈結構即雙鏈法。
②設定系數法即設定一個系數來表示堿基的總數或堿基的數目。
1．DNA雙螺旋結構模型設計制作流程
2．堿基互補配對原則
A－T，G－C，如圖所示。
3．有關推論
(1)規律一：一個雙鏈DNA中，A＝T、C＝G，則A＋G＝C＋T，即“嘌呤堿基總數等于嘧啶堿基總數”。
注意：一個雙鏈DNA中，A＋T與C＋G不一定相等，而且一般都不相等。
(2)規律二：在雙鏈DNA中，A＋T或C＋G在全部堿基中所占的比例等于其任何一條單鏈中A＋T或C＋G所占的比例。
由圖知：A1＋T1＋G1＋C1＝m，A2＋T2＋G2＋C2＝m，整個雙鏈DNA上的堿基總數為2m。
因為A1＝T2、T1＝A2，則A1＋T1＝A2＋T2
A＋T＝(A1＋T1)＋(A2＋T2)
。
(3)規律三：在DNA雙鏈中，一條單鏈的的值與另一條互補單鏈的的值互為倒數關系。簡記為“不配對的堿基和之比在兩條單鏈中互為倒數”。
注意：在整個DNA中該比值等于1。
(4)規律四：DNA雙鏈中，一條單鏈的的值，與另一條互補鏈的的值是相等的，也與整個DNA中的的值是相等的。
注意：綜合規律三、四可簡記為“補則等，不補則倒”。
(5)規律五：不同生物的DNA中互補配對的堿基之和的比值不同，即(A＋T)/(C＋G)的值不同。該比值體現了不同生物DNA的特異性。
(6)規律六：若，則。
(7)規律七：若已知A在雙鏈中所占的比例為c%，則A1在單鏈中所占的比例無法確定，但最大值為2c%，最小值為0。
4．雙鏈DNA中堿基數量關系的歸納
(1)堿基互補配對原則的應用：在雙鏈DNA中，四種堿基的比例和為1。
(2)A＝T，C＝G，A＋G＝C＋T＝A＋C＝G＋T＝總堿基數的1/2。
(3)互補堿基之和的比值[(A＋T):(C＋G)]在已知鏈、互補鏈和整個DNA分子中相等；非互補堿基之和的比值[如(A＋C):(T＋G)]在已知鏈與互補鏈間互為倒數，在整個DNA分子中該比值為1。
(4)在一個雙鏈DNA中，某種堿基的比例等于其在每條鏈上所占比例的平均值。
【鞏固訓練】
1.鳳凰花是廈門大學的校花，每年的5-7月是鳳凰花盛開的季節，美不勝收，請問鳳凰花細胞中，核酸、核苷酸、堿基的種類和遺傳物質分別是( )
A.2、4、4、DNA和RNA B.2、8、5、DNA
C.2、8、5、DNA或RNA D.2、8、5、DNA和RNA
2.S-2L噬菌體侵入細菌后，會利用自身基因合成dATPase和PurZ兩種酶。dATPase直接降解宿主細胞中含A堿基的脫氧核苷酸，阻止其參與DNA的合成。PurZ和細菌的酶促進dZTP（二氨基嘌呤脫氧核苷酸）形成。隨后，S-2L噬菌體自身的DNA聚合酶以dZTP為底物，在新合成的噬菌體DNA中添加dZTP形成Z-DNA，堿基Z與T間含三個氫鍵。下列有關敘述正確的是( )
A.Z-DNA中5種堿基和脫氧核糖交替連接構成其基本骨架
B.Z-DNA中磷酸和脫氧核糖數量相等，含1個游離的磷酸基團
C.S-2L噬菌體自身的DNA聚合酶能在其DNA中添加dZTP
D.與正常DNA比，Z-DNA中嘌呤堿基的比例較大，結構較穩定
3.圖1表示DNA的基本結構，圖2表示染色體DNA的片段，箭頭是某種限制酶的識別序列和作用位點，下列相關說法正確的是( )
A.圖1中a所示部位即圖2中箭頭所示部位
B.圖2所示的DNA片段被限制酶切割后獲得的末端形式與圖1下端不同
C.DNA水解酶也作用在a處
D.基因工程的載體必須具有圖2所示的堿基序列
4.短串聯重復序列（STR）通常是基因組中由1~6個堿基單元組成的一段DNA重復序列（如（CA）20表示CA序列串聯重復20次），由于核心單位重復數目在個體間呈高度變異性并且數量豐富，可用于進行個體鑒定、親子鑒定等。某科技公司通過犬熒光檢測試劑盒，檢測某犬22個DNA樣品，并同時對22個STR位點進行檢測。檢測時通過特異引物（引物末端標記熒光基團）的設計和PCR過程，將STR擴增出來，得到帶有熒光信號的PCR產物在毛細管電泳過程中可以被探測并識別。采集到的熒光信號經過分析比對，轉換為基因型數據。下列說法錯誤的是( )
A.（CA）n中的n在不同個體中可能相同
B.在親子鑒定中，同時檢測STR位點越多，排除非親生父親的概率越高
C.該技術與DNA指紋技術都可以對DNA序列進行測序
D.STR技術還可用于遺傳制圖、疾病基因定位等研究
5.人體內核酸合成有兩種途徑，一種是從頭合成途徑，主要部位是肝臟，即細胞利用小分子前體物質5-磷酸核糖、氨基酸及二氧化碳等，從頭合成核酸，是高耗能過程;另一種是補救合成途徑，在很多組織中都可以進行，細胞利用核酸的降解中間產物合成核酸，是較經濟的途徑，底物足夠時，主要以補救途徑合成核酸。下列敘述錯誤的是( )
A.補救途徑能減少細胞中小分子物質和能量的消耗
B.合成核酸的單體是核苷酸，小分子前體物質合成核苷酸需要耗能
C.侵入人體細胞的病毒或細菌被處理后也能為人體核酸的合成提供原料
D.細胞內的核酸都是人體的遺傳物質，其核苷酸序列就是遺傳信息
參考答案
1.答案：B
解析：真核生物既有RNA又有DNA，但遺傳物質是DNA;DNA中含有4種堿基和4種脫氧核苷酸，特有的堿基是T，RNA中含有4種堿基和4種核糖核苷酸，特有的堿基是U，共有5種堿基和8種核苷酸，鳳凰花是真核生物，既有DNA又有RNA，故核酸有兩種，核苷酸有8種，堿基有A、G、C、T、U5種，遺傳物質是DNA，B正確。故選B。
2.答案：C
解析：A、DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架，堿基排列在內側，A錯誤；B、DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，所以Z-DNA中磷酸和脫氧核糖數量相等，且Z-DNA由兩條DNA單鏈構成，每條單鏈各有1個游離的磷酸基團，所以Z-DNA中共含2個游離的磷酸基團，B錯誤； C、據題中信息分析知，S-2L噬菌體自身的DNA聚合酶以dZTP為底物，在新合成的噬菌體DNA中添加dZTP形成Z-DNA,C正確；D、由于Z-DNA中的Z和T之間有三個氫鍵，因此，與人體細胞中的DNA相比，Z-DNA分子結構更穩定，但據題中信息分析知，S-2L噬菌體自身的DNA聚合酶以dZTP為底物，在新合成的噬菌體DNA中添加dZTP形成Z-DNA，2-氨基腺嘌呤（Z）會取代部分腺嘌嶺（A），與胸腺嘧啶（T）形成具有三個氫鍵的新堿基對，但Z-DNA中堿基的種類沒有變，嘌呤堿基的比例也沒有增加，D錯誤。
故選C。
3.答案：ABC
4.答案：C
解析：A、短串聯重復序列(STR) 通常是基因組中由1~6個堿基單元組成的一段DNA重復序列，其中核心單位重復數目在個體間呈高度變異性并且數量豐富，可用于進行個體鑒定、親子鑒定等，但(CA)。中的n在不同個體中也有可能相同，A正確;
B、在親子鑒定中，同時檢測STR位點越多，說明相似程度越高，排除非親生父親的概率越高，B正確;
C、該技術是根據DNA分子間的特異性設計的，只是對特定的重復序列進行測定，可用于個體鑒定、親子鑒定等，但與DNA指紋技術有差別，不能對DNA序列進行測序，C錯誤;
D、短串聯重復序列(STR)是人體中染色體DNA的一段，在個體間呈高度變異性并且數量豐富，說明個體間存在差異，因此還可用于遺傳制圖、疾病基因定位等研究，D正確。
5.答案：D
解析：A、補救合成途徑中，細胞利用核酸的降解中間產物合成核酸，是較經濟的途徑，所以補救途徑能減少細胞中小分子物質和能量的消耗，A正確;B、合成核酸的單體是核苷酸，每個核苷酸分子由一分子五碳糖、一分子含氮堿基和一分子磷酸組成，小分子前體物質合成核苷酸過程中需要耗能，B正確;C、由于病毒或細菌內都含有核酸，所以侵入人體細胞的病毒或細菌被處理后也能為人體核酸的合成提供原料，C正確;D、細胞內的核酸有DNA和RNA兩種，其中DNA是人體的遺傳物質，其脫氧核苷酸序列代表遺傳信息，D錯誤。

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