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第二節　DNA分子的結構和復制
第1課時　DNA分子的結構
課標內容要求 核心素養對接
1．概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成的，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結構，堿基的排列順序編碼遺傳信息。 2．DNA中堿基的排列順序編碼遺傳信息。 1．生命觀念：說明DNA雙螺旋結構模型的特點。
2．科學思維：思考在DNA分子中堿基的比例和數量之間的規律，總結有關堿基計算的方法和規律。
3．科學探究：動手制作模型，培養觀察能力、空間想象能力、分析和理解能力。
一、沃森和克里克解開了DNA分子結構之謎
1．20世紀30年代后期，瑞典科學家證明了DNA分子是不對稱的。
2．20世紀40年代后期，科學家又用電子顯微鏡觀察，并通過計算得出DNA分子的直徑約為2 nm。
3．1951年，奧地利科學家查哥夫(E.Chargaff,1905—2002)在定量分析幾種生物DNA分子的堿基組成后，發現DNA分子中腺嘌呤(A)的量總與胸腺嘧啶(T)的量相當，鳥嘌呤(G)的量總與胞嘧啶(C)的量相當。
4．1952年，英國科學家富蘭克林獲得了一張DNA分子X射線衍射圖片(圖2－2－1)。她通過解析，推斷DNA分子可能由兩條鏈組成。
5．1953年，兩位年輕科學家沃森和克里克，提出了DNA分子的雙螺旋結構模型。
二、DNA分子的雙螺旋結構模型
1．平面結構
2．立體結構
(1)DNA分子的立體結構由兩條脫氧核苷酸鏈組成，這兩條鏈按照反向平行的方式盤旋成雙螺旋結構；
(2)DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在雙螺旋結構的外側，構成DNA分子的基本骨架；
(3)DNA分子兩條鏈上的堿基，通過氫鍵連接成堿基對，排列在雙螺旋結構的內側。
(4)DNA分子中堿基配對有一定的規律：A與T配對，G與C配對。堿基之間的這種一一對應關系，稱為堿基互補配對原則(the principle of complementary base pairing)。
(5)在堿基對中，A和T之間形成兩個氫鍵，G和C之間形成三個氫鍵(圖2－2－4)。
3．特性
(1)特異性：特定堿基對的排列順序構成了DNA分子的特異性。
(2)多樣性：堿基對排列順序的千變萬化導致了DNA分子的多樣性。
判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
1．DNA徹底水解的產物是四種脫氧核苷酸。 (　　)
2．DNA分子一條鏈上相鄰的兩個堿基通過氫鍵相連。 (　　)
3．DNA分子中G、C堿基的比例越高，分子結構的穩定性越高。 (　　)
4．DNA分子中的嘌呤堿基總數等于嘧啶堿基總數。 (　　)
5．雙鏈DNA分子中(A＋G)/(T＋C)存在特異性。 (　　)
6．雙鏈DNA分子中的每個磷酸都與2個五碳糖連接。 (　　)
[答案]　1．×　提示：DNA初步水解的產物是四種脫氧核苷酸，徹底水解的產物是含氮堿基、磷酸和脫氧核糖。
2．×　提示：DNA分子兩條鏈的堿基之間通過氫鍵相連，一條鏈上的兩個堿基則通過脫氧核糖、磷酸和脫氧核糖相連。
3．√　4.√
5．×　提示：雙鏈DNA分子中(A＋G)/(T＋C)＝1，不存在特異性。
6．×　提示：雙鏈DNA分子中大多數磷酸與2個五碳糖連接，位于末端的磷酸只與1個五碳糖連接。
　DNA分子的結構
一、DNA的結構
1．DNA的結構
(1)數量關系
①游離磷酸基團：每個DNA片段有2個。
②氫鍵：A—T之間有2個，G—C之間有3個。
③脫氧核糖數＝磷酸數＝含氮堿基數。
(2)位置關系
①單鏈中：相鄰堿基通過“—脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖—”連接。
②雙鏈間：相鄰堿基通過氫鍵相連。
(3)化學鍵
①氫鍵：連接互補鏈中配對的堿基。
②磷酸二酯鍵：連接單鏈中相鄰兩個脫氧核苷酸的脫氧核糖和磷酸。
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。
合作探究：坐落在北京中關村高新科技園區的DNA雕塑，以它簡潔而獨特的造型吸引著過往行人，它象征著中關村生生不息的精神，寓意創新的生命更加頑強。
(1)該雙螺旋模型代表的雙鏈之間通過什么化學鍵連接？
提示：氫鍵。
(2)該雙螺旋模型代表的雙鏈長度是否相等？為什么？
提示：相等。兩條鏈之間通過堿基互補配對，所以兩條鏈的脫氧核苷酸數目相等。
(3)DNA中的N、P分別存在于脫氧核苷酸的哪一組成成分中？
提示：N存在于含氮堿基中，P存在于磷酸基團中。
(4)DNA若進行初步水解和徹底水解，則產物分別是什么？
提示：初步水解產物是脫氧核苷酸，徹底水解產物是磷酸、脫氧核糖和含氮的堿基。
1．下列關于威爾金斯、沃森和克里克、富蘭克林、查哥夫等人在DNA分子結構構建方面的突出貢獻的說法中，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、C與G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、C的量等于G的量
B　[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A的量總是等于T的量、C的量總是等于G的量，沃森和克里克在此基礎上提出了A與T配對、C與G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。]
2．(多選)如圖是人體細胞中某DNA片段結構示意圖。下列有關敘述正確的是 (　　)
A．圖中X代表磷酸基團，A代表腺嘌呤
B．DNA的基本骨架是N所示的化學鍵連接的堿基對
C．每個脫氧核糖上均連著兩個磷酸和一個堿基
D．DNA雙鏈中，嘌呤總數等于嘧啶總數
AD　[圖中X代表磷酸基團，A代表腺嘌呤，A項正確；脫氧核糖和磷酸交替連接，構成DNA的基本骨架，B項錯誤；每條鏈3′－端的脫氧核糖上連著一個磷酸，C項錯誤；DNA雙鏈中，嘌呤與嘧啶配對，嘌呤總數等于嘧啶總數，D項正確。]
　DNA分子結構的“五、四、三、二、一”
　DNA分子堿基數量的計算
1．堿基互補配對原則
A－T，G－C，如圖所示。
2．有關推論
(1)規律一：一個雙鏈DNA分子中，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分子中，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分子中，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分子中該比值等于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分子中的的值是相等的。
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分子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分子的特異性。
(6)規律六：若＝b%，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。
　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．下列有關DNA分子的一條單鏈與其所在DNA分子中、一條單鏈與其互補鏈中堿基數目比值的關系圖，不正確的是(　　)
C　[本題主要考查對DNA分子堿基互補配對原則的理解。雙鏈DNA分子中，(A＋C)/(T＋G)一定等于1，故A項正確；在DNA分子中，存在(A1＋T1)/(G1＋C1)＝(A2＋T2)/(G2＋C2)＝(A＋T)/(G＋C)，故B、D項正確；當一條鏈中存在(A1＋C1)/(T1＋G1)＝1時，其互補鏈中存在(A2＋C2)/(T2＋G2)＝(T1＋G1)/(A1＋C1)＝1，C項錯誤。]
2．某雙鏈DNA分子中A＋T占整個DNA分子堿基總數的38%，其中一條a鏈上的G占該鏈堿基總數的21%，那么，對應的另一條互補鏈b上的G占該鏈堿基總數的比例是(　　)
A．41%　　　B．38%　　　C．28%　　　D．21%
A　[在整個DNA分子中，A＋T＝38%，則G＋C＝62%。在a鏈上G＋C＝62%，由G＝21%，推知C＝62%－21%＝41%。根據堿基互補配對原則可知，在b鏈上G＝41%。]
　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分子中，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分子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。
[課堂小結]
知 識 網 絡 構 建 核 心 語 句 背 誦
1．DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸，DNA雙鏈是反向平行的關系。
2.DNA分子外側由脫氧核糖和磷酸交替連接構成基本骨架，內側由氫鍵相連的堿基對組成。
3.雙鏈DNA分子中，嘌呤堿基數＝嘧啶堿基數，即A＋G＝T＋C。
4.DNA具有多樣性和特異性，DNA分子中堿基對的排列順序代表遺傳信息。
1．在DNA分子的一條單鏈中，相鄰的堿基A與T是通過下列哪種結構連接起來的(　　)
A．氫鍵
B．—脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖—
C．肽鍵
D．—磷酸—脫氧核糖—磷酸—
B　[在DNA分子的一條單鏈中，相鄰堿基之間的連接是脫氧核苷酸之間的連接，故相鄰的堿基A與T之間是通過“—脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖—”彼此連接起來的，B正確。]
2．(多選)如圖為核苷酸的模式圖，下列相關說法正確的是(　　)
A．DNA與RNA的不同點只體現在②處
B．若②為核糖，則③不可能是胸腺嘧啶
C．在T2噬菌體中核苷酸共有8種
D．人體內的③有5種，②有2種
BD　[圖中①②③分別是磷酸、五碳糖、含氮堿基。DNA與RNA的不同點體現在②③兩處，A錯誤；若②為核糖，則③可以是A、U、C、G，但是不可能是T(胸腺嘧啶)，B正確；T2噬菌體是DNA病毒，只含有一種核酸，4種核苷酸，C錯誤；人體內有2種核酸，故有2種核糖，5種堿基，D正確。]
3．關于DNA雙螺旋結構的特點，下列敘述錯誤的是(　　)
A．DNA由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈組成
B．脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側
C．堿基對構成DNA的基本骨架
D．兩條鏈之間的堿基配對方式為A與T配對，G與C配對
C　[DNA由兩條脫氧核苷酸鏈組成，這兩條鏈反向平行，形成規則的雙螺旋結構，A項正確；脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側構成DNA的基本骨架，B項正確，C項錯誤；兩條鏈之間的堿基配對方式為A與T配對，G與C配對，D項正確。]
4．已知一個DNA中有1 000個堿基對，其中鳥嘌呤有600個，這個DNA中脫氧核苷酸數目和腺嘌呤的數目依次是(　　)
A．2 000個和200個　 B．2 000個和400個
C． 1 000個和400個 D．1 000個和600個
B　[一個脫氧核苷酸含有1個堿基，因此DNA分子中堿基數目與脫氧核苷酸數目相同。已知1個DNA分子中有1 000個堿基對，則這個DNA中含有2 000個脫氧核苷酸；雙鏈DNA中，非互補配對的堿基之和占堿基總數的一半。已知一個DNA中有1 000個堿基對，其中鳥嘌呤有600個，則這個DNA中腺嘌呤的數目為1 000－600＝400個；故選B。]
5．如圖為DNA片段的結構圖，請據圖回答下列問題：
(1)圖甲是DNA片段的________結構，圖乙是DNA片段的________結構。
(2)填出圖中部分結構的名稱：②____________、⑤__________。
(3)從圖中可以看出，DNA分子中的______________和________________交替連接排列在外側，構成基本骨架。
(4)連接堿基對的⑦是________，堿基配對的方式如下：即________與________配對；________與________配對。
(5)從圖甲可以看出，組成DNA分子的兩條鏈的方向是________的；從圖乙可以看出組成DNA分子的兩條鏈相互纏繞成______________結構。
[解析]　(1)從圖中可以看出：甲表示的是DNA分子的平面結構，而乙表示的是DNA分子的立體(空間)結構。 (2)圖中②表示的是一條脫氧核苷酸單鏈片段，而⑤表示的是腺嘌呤脫氧核苷酸。 (3)從圖甲的平面結構可以看出：DNA分子中脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成了基本骨架。 (4)DNA分子兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對，且有一定規律：A與T配對，G與C配對。 (5)根據圖甲可以判斷：組成DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈是反向平行的；從圖乙可以看出組成DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈相互纏繞成規則的雙螺旋結構。
[答案]　(1)平面　立體(或空間)　(2)一條脫氧核苷酸單鏈片段　腺嘌呤脫氧核苷酸　(3)脫氧核糖　磷酸　(4)氫鍵　A(腺嘌呤)　T(胸腺嘧啶)　G(鳥嘌呤)　C(胞嘧啶)　(5)反向平行　規則的雙螺旋

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