第二节第二节 DNA 分子的结构和复制分子的结构和复制 第一课时 DNA 分子的结构 目标导航 预习导引 1.说出 DNA 分子结构的探究历程。 2.记住 DNA 分子的主要结构特点。 3.结合对 DNA 分子结构的理解,学会制作 DNA 双螺旋结构模型。 目标导航 预习导引 一、对 DNA 结构的认识过程 1.20世纪 30年代后期,瑞典科学家们证明DNA 是不对称的。 2.1951年美国生物化学家查哥夫定量分析DNA 分子的碱基组成,发现腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量。 3.1952年英国化学家富兰克琳等采用X射线衍射技术拍摄到DNA结构的照片,确认 DNA 为螺旋结构,并且不是由一条链构成。 4.1953年美国科学家沃森和英国科学家克里克提出DNA 分子的双螺旋结构模型。 目标导航 预习导引 二、DNA 的结构 1.DNA 的结构层次 基本组成元素:C、H、O、N、P 基本组成成分:磷酸、脱氧核糖、含氮碱基 基本组成单位:脱氧核苷酸(4种) DNA 单链:脱氧核苷酸链 DNA 双链:DNA 分子呈双螺旋结构 目标导航 预习导引 2.DNA 分子双螺旋结构的主要特点 (1)基本骨架:脱氧核糖和磷酸交替连接,排列在外侧。 (2)碱基对:内侧的碱基通过氢键连接成碱基对,将两条独立的单链连接成一体的双链。 (3)碱基互补配对原则 :A 一定与 T 配对,G一定与 C 配对。 (4)空间结构:DNA 分子的两条链按反向平行方式盘旋成规则的双螺旋结构。 目标导航 预习导引 预习交流交流 (1)说出 DNA 和 RNA 碱基组成的含量规律。 提示:DNA 分子中的腺嘌呤和胸腺嘧啶的量相等,鸟嘌呤与胞嘧啶的量相等 ,而 RNA 中的碱基组成没有以上等量关系。 (2)核酸初步水解和彻底水解的产物分别是什么? 提示:核酸初步水解的产物是核苷酸 ,彻底水解的产物是含氮碱基、五碳糖和磷酸。 (3)在组成成分方面 ,DNA 与 RNA 有哪些不同 ? 提示:DNA 与 RNA 的不同有 :DNA 中的五碳糖为脱氧核糖 ,而RNA 中的五碳糖为核糖 ;DNA 含碱基 T,不含 U,而 RNA 含碱基 U,不含 T。 目标导航 预习导引 三、设计和制作 DNA 分子双螺旋结构模型 1.依据原理 DNA 分子的双螺旋结构及其特点。 2.制作模型 准备材料:能够分别代表脱氧核糖、磷酸和碱基 绘制 DNA 模型设计图:确定模型大小、维系立体构型方式等 组装、制作:将各种配件整合在一起 对模型进行检查修正 目标导航 预习导引 四、DNA 分子的特性 1.多样性 DNA 分子中碱基对排列顺序千变万化。 2.特异性 每个DNA分子碱基对的特定排列顺序,构成了DNA分子的特异性。 问题导学 当堂检测 一、DNA 结构的探索历程 活动与探究 1.阅读教材第 67页的“回眸历史”,思考下列问题。 (1)DNA分子的直径是多少?是如何测定的? 提示:DNA 分子的直径约为 2 nm, 是科学家们用电子显微镜测定的。 (2)查哥夫通过定量分析 DNA 分子的碱基组成,发现了碱基的何种等量规律? 提示:腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量。 问题导学 当堂检测 (3)查哥夫的科学发现对科学家们的启发是什么 ? 提示:查哥夫的科学发现使科学家认识到 :DNA 分子中的碱基可能存在配对关系,即数量相等的碱基可能存在配对现象。 (4)英国化学家富兰克琳借助何种技术确认了 DNA 有什么结构特点? 提示:富兰克琳借助 X 射线衍射技术拍摄到 DNA 结构的照片,确认DNA 为螺旋结构,并且不是由一条链所构成。 2.谈谈 DNA 双螺旋结构的发现对你的启发。 提示:启发有:科学的发现、发展离不开技术的突破与发展 ,即技术对科学的发现、发展起重要的推动作用 ;科学发现离不开前人的工作,是量变到质变的过程 ;科学发现不是一个人能完成的 ,离不开科学家们的合作;科学发现离不开科学家们锲而不舍的坚持精神等。 问题导学 当堂检测 迁移与应用 DNA 分子中 A 等于 T、G等于 C 的发现者是( )。 A.德国科学家鲁斯卡 B.美国科学家查哥夫 C.英国化学家富兰克琳 D.美国科学家卡尔文 解析:鲁斯卡发明了电子显微镜,富兰克琳确认了DNA为螺旋结构,卡尔文发现了光合作用的暗反应,查哥夫发现了DNA 分子中的碱基等量规律。 答案:B 问题导学 当堂检测 DNA 双螺旋结构模型的构建 时间 1951年 1952年 1953 年 1962 年 科学家 美国生物化学家查哥夫 富兰克琳等 科研成果 发现腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量 确认 DNA 分子具有螺旋结构 沃森和克里克 沃森、克里克和威尔金斯 提出 DNA 分子的双螺旋结构模型 三人因为这一研究成果而共同获得了诺贝尔生理学或医学奖 问题导学 当堂检测 二、DNA 分子的结构 活动与探究 1.结合构成DNA 的碱基种类,思考组成DNA 分子的基本单位有几种,分别是什么? 提示:4种,分别是腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸、胸腺嘧啶脱氧核苷酸。 2.根据教材第 68页图 4 8分析一段 DNA 分子含有几个游离的磷酸基。 提示:2个。 问题导学 当堂检测 3.DNA 含有 GC 和 AT 两种碱基对,不同 DNA 分子中 GC和 AT 两种碱基对的比例相同吗?不同碱基对含量的多少与DNA 分子的稳定性有何关系? 提示:不同DNA 分子中GC和AT两种碱基对的比例一般不同。由于 GC 内含三个氢键,而 AT 内含两个氢键,所以 GC 碱基对的比例越高,DNA 分子的结构稳定性越高,反之越低。 4.请思考小麦A+GDNA 分子中T+C=1 吗?试分析原因。 A+G提示:=1。因为小麦T+CDNA 分子为双链结构,根据碱基互补配对原则可知 A=T,G=C。 问题导学 当堂检测 迁移与应用 下图为 DNA 分子结构示意图,对该图的描述正确的是( )。 问题导学 当堂检测 A.和相间排列,构成了 DNA 分子的基本骨架 B.的名称是胞嘧啶脱氧核苷酸 C.当 DNA 复制时,的形成需要解旋酶 D.DNA 分子中特定的脱氧核苷酸序列代表了遗传信息 解析:和相间排列,构成了 DNA 分子的基本骨架;的结构并不是胞嘧啶脱氧核苷酸,是属于上一个脱氧核苷酸的磷酸,由和及下面的磷酸才可以构成胞嘧啶脱氧核苷酸;的形成不需要酶的催化。 答案:D 问题导学 当堂检测 DNA 分子中碱基计算 解题时先画出简图 ,根据碱基互补配对原则推知规律。 规律 1:在双链 DNA 分子中,互补碱基两两相等,A=T,C=G,A+G=C+T,即嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。 规律 2:在双链 DNA 分子中,互补的两碱基之和 (如 A+T 或 C+G)占全部碱基的比例等于其任何一条单链中这两种碱基之和占该单链中碱基数的比例(单双链转化公式)。 规律 3:DNA 分子一条链中(A+G)/(C+T)的比值的倒数等于互补链中该种碱基的比值 ,在整个 DNA 分子中该比值等于 1(不配对的碱基之和比例在两条单链中互为倒数 )。 问题导学 当堂检测 规律 4:DNA分子一条链中(A+T)/(C+G) 的比值等于其互补链和整个 DNA 分子中该种比例的比值(配对的碱基之和的比值在两条单链和双链中比值都相等)。 规律 5: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。 A1A1?规律 6:若=b%,则=2%。 单链双链规律 7:若已知 A 占双链的比例=c%,则 A1/单链的比例无法确定,但最大值可求出为 2c%,最小值为 0。 问题导学 当堂检测 三、DNA 分子的特性 活动与探究 1.组成 DNA 分子的碱基只有 4种,配对方式只有 2 种,思考为什么DNA 分子能储存大量的遗传信息呢 ? 提示:因为碱基对的排列顺序千变万化 ,故 DNA 分子具有多样性,可储存大量的遗传信息。 2.讨论由 120个碱基组成的 DNA 分子片段,最多可携带多少种遗传信息? 提示:4,因为 DNA 分子中的每个碱基对均有 4 种可能(AT,CG,TA,GC),120个碱基共有 60个碱基对,所以上述 DNA分子最多可携带 4 种遗传信息。 3.DNA 亲子鉴定利用了 DNA 的什么性质? 提示:利用 DNA 分子的特异性。 6060问题导学 当堂检测 迁移与应用 地球上的生物多种多样 ,不同生物的 DNA 不同,每一种生物的 DNA又具有特异性。决定 DNA 遗传特异性的是( )。 A.脱氧核苷酸链上磷酸和脱氧核糖的排列特点 B.嘌呤总数与嘧啶总数的比值 C.碱基互补配对的原则 D.碱基排列顺序 问题导学 当堂检测 解析:生物性状的遗传信息储存在DNA 的碱基排列顺序中。DNA分子上一定的碱基排列顺序构成特定的基因,能够最终表达具有一定氨基酸组成的蛋白质,所以说DNA 的遗传特异性取决于它的碱基排列顺序,正确选项是 D。其余选项,在不同的 DNA 片段之间没有区别,即所有 DNA 片段的脱氧核苷酸链都是磷酸与脱氧核糖交替排列,嘌呤总数和嘧啶总数的比值都是 1,碱基互补配对原则都是A 与 T 配对、G与 C配对,因此 A、B、C三项都不可能成为 DNA 遗传特异性的根据。 答案:D 问题导学 当堂检测 DNA 分子结构的特性 (1)稳定性。 影响 DNA 分子结构稳定性的因素主要有以下几点 : DNA 分子中脱氧核糖和磷酸交替连接的方式稳定不变 ,且双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子之间形成的离子键 ,可以减少双链间的静电斥力。 DNA 分子双螺旋结构中间为碱基对 ,碱基与碱基之间形成氢键 ,使两条脱氧核苷酸长链稳固地并联起来 ,从而维持了双螺旋结构的稳定。另外,碱基对之间纵向的相互作用力也进一步加固了 DNA 分子的稳定性。各个碱基对之间的这种纵向的相互作用力叫做碱基堆积力。现在普遍认为碱基堆积力是 DNA 结构稳定最重要的因素。 问题导学 当堂检测 DNA 分子两条链间碱基互补配对的原则严格不变。 每个特定的 DNA 分子中碱基对的数量和排列顺序稳定不变。 (2)多样性。 组成DNA 分子的碱基虽然只有四种,配对方式只有两种(即 A 与 T配对,G与 C 配对),但碱基对的排列顺序却千变万化,从而构成了 DNA分子的多样性。 DNA 分子多样性的决定因素:碱基的数量和碱基对的排列顺序。 问题导学 当堂检测 (3)特异性。 每种 DNA 分子都有自己特定的碱基对排列顺序 ,这种特定的碱基对排列顺序就构成了 DNA 分子的特异性。不同的 DNA 分子具有不同的特异性,所以 DNA 的多样性也就意味着 DNA 分子的特异性。DNA分子的多样性与特异性 ,从分子水平上说明了生物界的多样性和生物个体之间存在差异的原因。 问题导学 当堂检测 1 2 3 4 5 1.与发现 DNA 双螺旋结构关系不大的技术或方法是( )。 A.电子显微镜测定技术 B.X 射线衍射技术 C.构建模型的方法 D.放射性同位素标记技术 解析:第二次世界大战以后,科学家们用电子显微镜测定出DNA 分子的直径约为 2 nm 。1952年富兰克琳等采用 X 射线衍射技术拍摄到DNA结构的照片。1953年沃森和克里克借助构建模型的方法发现了DNA的双螺旋结构。 DNA 结构的探索历程中,没有涉及放射性同位素标记技术的应用。 答案:D 问题导学 当堂检测 1 2 3 4 5 2.DNA 彻底水解的产物包括 ( )。 A.脱氧核糖核苷酸 B.核糖、磷酸和 A、T、C、G四种碱基 C.核糖、磷酸和 A、U、C、G D.脱氧核糖、磷酸和 A、T、C、G四种碱基 答案:D 问题导学 当堂检测 1 2 3 4 5 3.关于 DNA 分子双螺旋结构的特点 ,下列叙述错误的是( )。 A.DNA 分子由两条反向平行的链组成 B.脱氧核糖和磷酸交替连接 ,排列在外侧 C.碱基对构成 DNA 分子的基本骨架 D.两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对 解析:脱氧核糖和磷酸交替连接构成 DNA 分子的基本骨架。 答案:C 问题导学 当堂检测 1 2 3 4 5 4.以下四个双链 DNA 分子中,稳定性最差的是( )。 A.A 占 25% C.G占 25% B.T占 30% D.C占 30% 解析:CG碱基对的含量越少,DNA 分子的稳定性越差。A 项:DNA 分子中 CG碱基对占总碱基对的比例为50%;B项:DNA 分子中 CG碱基对占总碱基对的比例为40%;C项:DNA 分子中 CG碱基对占总碱基对的比例为 50%;D项:DNA 分子中 CG碱基对的比例为 60%。 答案:B 问题导学 当堂检测 1 2 3 4 5 5.由一对氢键连接的脱氧核苷酸,已查明它的结构中有一个腺嘌呤,则它的其他组成应是( )。 A.三个磷酸、三个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶 B.两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胞嘧啶 C.两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶 D.两个磷酸、两个脱氧核糖和一个尿嘧啶 解析:一对氢键连接的脱氧核苷酸是腺嘌呤脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸,两个核苷酸共有两个磷酸、 两个脱氧核糖,一个腺嘌呤和一个胸腺嘧啶。 答案:C