資源簡介

第2節　DNA的結構
【學習目標】
1.通過分析科學家探索DNA結構的歷程,領悟模型構建在研究中的應用,認同科學結論的獲得離不開嚴謹的推理和確鑿的實驗證據,科學探究是一個不斷深化的過程,技術進步、交流合作、多學科交叉滲透等,對于科學發展都具有重要的作用。(生命觀念、社會責任)
2.基于對DNA結構特點的理解,分析并掌握DNA結構的相關計算。(科學思維、科學探究)
3.通過制作DNA雙螺旋結構模型,加深對DNA結構特點的認識和理解,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。(生命觀念、科學思維、科學探究)
【自主預習】
一、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.DNA雙螺旋結構模型的構建過程
二、DNA的結構
1.DNA雙螺旋結構的主要特點
(1)DNA是由兩條單鏈組成的,這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構。
(2)磷酸與脫氧核糖交替連接,排列在外側,構成基本骨架,堿基排列在內側。
(3)堿基之間通過氫鍵形成堿基對,A與T配對,之間有2個氫鍵;G與C配對,之間有3個氫鍵。
2.DNA的化學組成和基本單位
【合作探究】
任務1　探究DNA雙螺旋結構模型的構建
活動1　閱讀課本P48~50,梳理DNA結構的探究過程,構建DNA結構模型
1.沃森和克里克在構建DNA模型的過程中利用了他人的哪些經驗和成果
提示　(1)英國物理學家威爾金斯和富蘭克林提供的DNA衍射圖譜。(2)奧地利生物化學家查哥夫的研究成果:在DNA中,腺嘌呤(A)的量總是等于胸腺嘧啶(T)的量;鳥嘌呤(G)的量總是等于胞嘧啶(C)的量。
2.DNA的結構如圖,請據圖回答下列問題:
(1)由DNA的結構推知,脫氧核苷酸和含氮堿基的比例是多少 一條單鏈中的相鄰堿基是怎樣連接的
提示　1∶1。通過“—脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖—”連接。
(2)在雙鏈DNA中,有幾個游離的磷酸基團 一個磷酸與幾個脫氧核糖相連 一個脫氧核糖與幾個磷酸相連 兩條鏈之間的堿基通過什么相連
提示　2個;1個或2個;1個或2個;氫鍵。
(3)若圖中一條DNA單鏈的序列是5'-ACTGGT-3',那么它的互補鏈的序列是什么
提示　3'-TGACCA-5'。
(4)為什么G—C堿基對含量越多的DNA越耐高溫
提示　因為G—C堿基對之間有3個氫鍵,而A—T堿基對之間有2個氫鍵,所以G—C堿基對含量越多,DNA結構越穩定,越不容易被高溫破壞。
(5)乙比甲結構更穩定,為什么
提示　甲所示的是平面結構,乙是雙螺旋結構,螺旋化使DNA分子的結構更穩定。
(6)不同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)
提示　脫氧核苷酸的數量和堿基對的排列順序。
認知生成
1.DNA分子的雙螺旋結構模型解讀
2.利用數字“五、四、三、二、一”巧記DNA的結構
例1　下列關于威爾金斯、富蘭克林、查哥夫、沃森和克里克等人在DNA分子結構構建方面的突出貢獻的說法,正確的是(　　)。
A.威爾金斯和富蘭克林提供了DNA分子的電子顯微鏡圖像
B.沃森和克里克提出了DNA分子的雙螺旋結構模型
C.查哥夫提出了A與T配對、G與C配對的正確關系
D.富蘭克林和查哥夫發現A的量等于T的量、G的量等于C的量
【答案】　B
【解析】　在DNA分子結構構建方面,威爾金斯和富蘭克林提供了DNA的衍射圖譜,A錯誤;查哥夫發現了在DNA中A的量總是等于T的量、G的量總是等于C的量,沃森和克里克在此基礎上提出了A與T配對、G與C配對的正確關系,并構建了DNA分子的雙螺旋結構模型,B正確,C、D錯誤。
【技巧歸納】　　“三看法”判斷DNA結構的正誤
一看基本骨架的成鍵位置是否正確,正確的成鍵位置在一個脫氧核苷酸5號碳原子上的磷酸基團與相鄰核苷酸的脫氧核糖的3號碳原子之間。
二看兩條鏈是否反向平行。
三看內側堿基之間的配對是否遵循堿基互補配對原則。
對點練1　(2023·泰安校考)下圖表示DNA分子結構的片段,下列敘述正確的是(　　)。
A.②③交替連接,構成DNA分子的基本骨架,使其具有較強的特異性
B.正常情況下,該DNA分子中的嘌呤數與嘧啶數相等
C.該片段中共包含了 8個脫氧核苷酸、3種堿基
D.該DNA分子中G、C堿基對的比例較高,熱穩定性較高
【答案】　B
【解析】　DNA分子呈獨特的雙螺旋結構,②是脫氧核糖,③是磷酸,兩者交替連接,構成DNA分子的基本骨架,但DNA的特異性是因為DNA分子的堿基排列順序不同,A錯誤;正常情況下,該DNA分子中的嘌呤與嘧啶通過氫鍵互補配對,所以兩者數目相等,B正確;根據題圖可知,一條鏈上含4個堿基,另一條鏈上的堿基與之互補配對,有A—T、G—C、T—A、C—G 4個堿基對,所以該片段中共包含了8個脫氧核苷酸、4種堿基,C錯誤;DNA分子中G、C堿基對之間含有3個氫鍵,氫鍵越多,則熱穩定性較高,但從題圖中看不出哪種堿基對的比例高,D錯誤。
任務2　制作DNA雙螺旋結構模型及掌握相關計算
活動2　根據課本P51實踐活動,制作DNA雙螺旋結構模型,領悟相關計算原理
1.某同學用紙片、細線等材料及剪刀、針等工具制作了一個DNA雙螺旋結構模型。回答下列與模型制作有關的問題:
(1)下圖是該同學剪出來的一些小紙片,若C代表堿基,則A和B分別代表什么
A.　　　　　　　B.　　　　　　　C.堿基
提示　A表示磷酸,B表示脫氧核糖。
(2)如果用線段的條數表示堿基對之間氫鍵的數目,請用線段連接下列堿基對。
提示　A和T之間有2個氫鍵,G和C之間有3個氫鍵:。
(3)請畫出含三個脫氧核苷酸的DNA單鏈圖。
提示　畫圖時要注意:脫氧核糖的1號碳原子上連堿基,5號碳原子上連磷酸,3號碳原子上連另一個脫氧核苷酸的磷酸。如圖:
2.結合DNA分子雙螺旋結構模型的特點思考下列問題:
(1)DNA分子中A=T、G=C,每條鏈中也有該等量關系嗎
提示　一般沒有。
(2)為什么DNA分子中嘌呤和嘧啶數量相等
提示　堿基互補配對原則中,A總是和T配對,G總是和C配對,所以A=T,G=C,A+G=C+T。
(3)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
提示　設在雙鏈DNA分子中的一條鏈上A1+T1=n%,因為A1=T2,T1=A2,所以另一條鏈上T2+A2=n%,整個DNA分子中A+T=n%。即在雙鏈DNA分子中,互補堿基之和所占比例在任意一條鏈及整個DNA分子中都相等。
(4)如果一條鏈上=m,則其互補鏈上的值是多少
提示　雙鏈DNA分子的一條鏈上=m,因為==m,所以互補鏈上=。即在雙鏈DNA分子中,非互補堿基之和的比值在兩條互補鏈中互為倒數。
(5)DNA分子中共有4種類型的堿基對,若某個DNA分子具有n個堿基對,則DNA分子可有多少種排列方式
提示　4n。
(6)DNA只含有4種脫氧核苷酸,為什么能夠儲存足夠量的遺傳信息
提示　堿基排列順序的千變萬化,使DNA能夠儲存大量的遺傳信息。
認知生成
DNA的相關計算
在雙鏈DNA分子中,A=T,G=C,即A1=T2,T1=A2,C1=G2,G1=C2。如下圖:
規律一:在雙鏈DNA分子中,嘌呤堿基總數等于嘧啶堿基總數,各占全部堿基數的一半,或“不互補堿基之和相等,比值為1”。即A+G=T+C=A+C=G+T;(A+G)/(T+C)=(A+C)/(G+T)=1。
規律二:在雙鏈DNA分子中,互補堿基之和的比值在兩條鏈中和整個DNA分子中相等。即若(A1+T1)/(G1+C1)=m,則(A2+T2)/(G2+C2)=(A+T)/(G+C)=m。
規律三:在雙鏈DNA分子中,不互補堿基之和的比值在兩條鏈中互為倒數,在整個DNA分子中為1。即若(A1+G1)/(T1+C1)=n,則(A2+G2)/(T2+C2)=1/n;雙鏈DNA分子中(A+G)/(T+C)=1。
注意:規律二和規律三可巧記為“補則等,不補則倒”。
例2　一條雙鏈DNA,G和C占全部堿基的44%,其中一條鏈的堿基中,A占26%,C占20%,那么其互補鏈中的A和C分別占該鏈全部堿基的(　　)。
A.28%和22%　　　　　 B.30%和24%
C.26%和20% D.24%和30%
【答案】　B
【解析】　由=44%推出=44%,又因為A1=26%,C1=20%,推出G1=44%-20%=24%,T1=1-44%-26%=30%,則A2=T1=30%,C2=G1=24%。
對點練2　(不定項)已知基因M含有N個堿基、n個腺嘌呤,具有類似下圖的平面結構,下列敘述正確的是(　　)。
A.基因M共有2個游離的磷酸基團
B.基因M的a鏈中(A+G)/(T+C)的值與b鏈中(A+G)/(T+C)的值相等
C.基因M含有鳥嘌呤的個數是(N-2n)/2
D.基因M的雙螺旋結構中脫氧核糖和堿基交替排列在外側,構成基本骨架
【答案】　AC
【解析】　基因M的每一條鏈有1個游離的磷酸基團,因此基因M含有2個游離的磷酸基團,A正確;由于兩條DNA單鏈的堿基按照堿基互補配對的原則配對,即A=T,G=C,所以a鏈中(A+G)/(T+C)的值與b鏈中的(A+G)/(T+C)的值互為倒數,B錯誤;已知基因M含有N個堿基、n個腺嘌呤,即A=T=n,則C=G=(N-2n)/2,C正確;基因M的雙螺旋結構中脫氧核糖和磷酸交替排列在外側,構成基本骨架,D錯誤。
素能提升　DNA測序(科學探究能力)
下圖1是用DNA測序儀測出的某生物的1個DNA片段上被標記的1條脫氧核苷酸鏈的堿基排列順序(5'-TGCGTATTGG-3'),請回答下列問題:
(1)據圖1推測,此DNA片段上的鳥嘌呤脫氧核苷酸數目是　　　　。
(2)根據圖1脫氧核苷酸鏈的堿基排序可知,圖2顯示的脫氧核苷酸鏈堿基序列為　　　　　　　　　　(從上往下)。
(3)圖1對應的DNA雙鏈與圖2對應的DNA雙鏈中的(A+G)/(T+C)的值為　　　　,這是因為DNA雙鏈中堿基數量關系是　　　　　　　。圖1對應的DNA雙鏈片段與圖2對應的DNA雙鏈片段中A/G的值分別為　　　　、　　　　,這體現了DNA的特異性。
【答案】　(1)5　(2)CCAGTGCGCC　(3)1　嘌呤數等于嘧啶數　1　1/4
【解析】　(1)圖1顯示的DNA片段1條鏈上鳥嘌呤脫氧核苷酸的數目是4,胞嘧啶脫氧核苷酸的數目是1,根據堿基互補配對原則,對應的互補鏈上還有1個鳥嘌呤脫氧核苷酸,即共有5個鳥嘌呤脫氧核苷酸。(2)圖1對應的脫氧核苷酸鏈的堿基排列順序已經解讀出來,其順序是TGCGTATTGG,所以圖中堿基序列應從上向下讀,且由左至右依次是A、C、G、T,所以圖2對應的脫氧核苷酸鏈的堿基序列為CCAGTGCGCC。(3)在雙鏈DNA中,堿基互補配對,嘌呤數等于嘧啶數,故(A+G)/(T+C)=1。根據圖1對應的DNA片段的1條脫氧核苷酸鏈的堿基排列順序,可計算出圖1對應的DNA片段中A/G=(1+4)/(4+1)=1;同理可計算出圖2對應的DNA片段中A/G=(1+1)/(3+5)=2/8=1/4。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
判斷正誤。 (1)DNA分子中的每個磷酸均連接著一個脫氧核糖和一個堿基。 (×) (2)雙鏈DNA分子同時含有2個游離的磷酸基團,其中嘌呤堿基數等于嘧啶堿基數。 (√) (3)某雙鏈DNA分子中一條鏈上A∶T=1∶2,則該DNA分子中A∶T=2∶1。 (×) (4)DNA分子的基本骨架由磷酸和核糖交替排列而成,且分布于外側。 (×)
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