坐落于北京中關(guān)村高科技園區(qū)的DNA雕塑,以它簡(jiǎn)潔而獨(dú)特的雙螺旋造型吸引著過往行人。你知道為什么將它作為高科技的標(biāo)志嗎?
DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著生物學(xué)的研究進(jìn)入分子水平，具有里程碑式的意義。
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最為重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，和相對(duì)論、量子力學(xué)一起被譽(yù)為20世紀(jì)最重要三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
英格蘭: 生命中心英國(guó)紐卡斯?fàn)枃?guó)際生命中心，于2000年建成。這個(gè)DNA螺旋設(shè)計(jì)的目的，是為了紀(jì)念DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者。
新加坡濱海灣：雙螺旋橋
在2010年4月24日建成通行，共耗資約6800萬。設(shè)計(jì)人員受DNA結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，體現(xiàn)的意義是“生命與延續(xù)、更新與成長(zhǎng)”
旋轉(zhuǎn)樓梯的靈感 來自于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)
雅典奧運(yùn)會(huì)開幕式 激光打出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu) 功能
在確信DNA是遺傳物質(zhì)之后，人們更迫切的想知道：
DNA是怎樣儲(chǔ)存遺傳信息的？
又是怎樣決定生物性狀的？
答案就隱藏在DNA的結(jié)構(gòu)中！
1953年，沃森和克里克
克里克:物理學(xué)家,對(duì)X射線晶體衍射圖譜的分析十分熟悉。能夠幫助沃森理解晶體學(xué)原理。
沃森:生物學(xué)家，可以幫助克里克理解生物學(xué)的內(nèi)容。
晚年沃森和克里克在雙螺旋結(jié)構(gòu)模型前的最后一次合影
一.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建
資料1：20世紀(jì)30年代，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到：DNA是以4種脫氧核苷酸為單位連接而成的長(zhǎng)鏈，這4種脫氧核苷酸分別含有A、T、C、G四種堿基。但對(duì)DNA的空間結(jié)構(gòu)一無所知
脫氧核苷酸之間通過磷酸二酯鍵進(jìn)行連接
資料2：1951年11月，英國(guó)生物物理學(xué)家威爾金斯（M.Wilkins）和同事富蘭克林（）應(yīng)用X射線衍射技術(shù)獲得了高質(zhì)量的DNA衍射圖譜。
“X”形意味著DNA分子是螺旋的
如：脫氧核糖和磷酸交替排列在內(nèi)側(cè)，堿基排在外側(cè)
后來發(fā)現(xiàn)磷酸與脫氧核糖親水，堿基疏水，大家有何聯(lián)想？
沃森和克里克嘗試多種不同的雙螺旋、三螺旋結(jié)構(gòu)
磷酸-脫氧核糖骨架安排在螺旋外部，堿基在內(nèi)的雙螺旋結(jié)構(gòu)
堿基同型配對(duì)，即A與A，T與T，C與C，G與G配對(duì)
資料3：1952年，奧地利生物化學(xué)家查哥夫（E.Chargaff）發(fā)現(xiàn)：在DNA中，腺嘌呤的量等于胸腺嘧啶的量；鳥嘌呤的量等于胞嘧啶的量。
據(jù)此，沃森和克里克構(gòu)建出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型：脫氧核糖-磷酸骨架排列在外側(cè)，堿基在內(nèi)側(cè)，A和T配對(duì)，G和C配對(duì)。
據(jù)此，你認(rèn)為DNA的結(jié)構(gòu)該如何修正？
沃森與克里克認(rèn)為：DNA兩條鏈?zhǔn)欠聪蚺帕械摹?br/>沃森和克里克搭建的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型
①A-T與G-C具有相同的形狀和直徑，這樣組成的DNA分子具有恒定的直徑。②能夠解釋A=T、G=C的數(shù)量關(guān)系。③模型與X射線衍射照片比較，模型與基于照片推算出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)相符。
資料4：富蘭克林和威爾金斯給DNA拍了多張Ｘ射線衍射圖譜，他們發(fā)現(xiàn)DNA翻轉(zhuǎn)180°后的圖譜與未翻轉(zhuǎn)的一模一樣。
1953年，沃森和克里克撰寫的論文?核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個(gè)結(jié)構(gòu)模型?在英國(guó)雜志《自然》上發(fā)表，引起極大的轟動(dòng)。 1962年，沃森、克里克和威爾金斯三人因這一研究成果共同獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
討論1.請(qǐng)你根據(jù)資料回答有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)方面的問題。
（1）DNA是由幾條鏈構(gòu)成的？它具有怎樣的立體結(jié)構(gòu)？
（2)DNA 的基本骨架是由那些物質(zhì)組成的？他們分別位于DNA的什么部位？
兩條鏈構(gòu)成，按反向平行方式盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)
DNA 的基本骨架包括脫氧核糖和磷酸，它們排列在DNA的外側(cè)
思考?討論：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建
（3）DNA中的堿基是如何配對(duì)的？它們位于DNA的什么部位？
DNA 中的堿基通過氫鍵連接成堿基對(duì)。它們位于DNA的內(nèi)側(cè)。堿基配對(duì)有一定規(guī)律：A一定與T配對(duì)，G一定與C配對(duì)。
①DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)學(xué)說不但闡明了DNA的基本結(jié)構(gòu)，并且對(duì)一個(gè)DNA分子如何復(fù)制成兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DNA分子，以及DNA怎么傳遞生物體的遺傳信息進(jìn)行了合理說明。
②是生物科學(xué)中具有革命性的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志。
脫氧核糖上與堿基相連的碳叫作1’-C；與磷酸基團(tuán)相連的碳叫作5’-C。
DNA的一條單鏈具有兩個(gè)末端： 一端有一個(gè)游離的磷酸基團(tuán)，這一端稱作5’-端； 另一端有一個(gè)羥基（-OH），稱作3’-端。
DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖
DNA分子平面結(jié)構(gòu)示意圖
1、DNA是由兩條單鏈組成的,這兩條鏈按反向平行，從雙鏈的一端起始，一條單鏈?zhǔn)菑?’-端到3’-端的，另一條單鏈?zhǔn)菑?’-端到5’-端的方式盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。
2、外側(cè)：脫氧核糖和磷酸交替連接， 構(gòu)成基本骨架。 內(nèi)側(cè)：堿基（對(duì)）
3、兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對(duì)，并且堿基配對(duì)具有一定規(guī)律：A一定與T配對(duì)，G一定與C配對(duì)。堿基之間的這種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，叫作堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。
提醒：DNA中G/C堿基對(duì)比例越大，氫鍵越多， DNA結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。
A、T之間形成兩個(gè)氫鍵，G、C之間形成三個(gè)氫鍵。
1、DNA分子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(jié)構(gòu)。2、DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架；堿基排列在內(nèi)側(cè)。3、兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對(duì)，并且堿基配對(duì)具有一定的規(guī)律：遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。在DNA雙鏈中，A=T,G=C，且A、T之間形成兩個(gè)氫鍵，G、C之間形成三個(gè)氫鍵。
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：
小規(guī)律：“五四三二一”
磷酸、脫氧核糖、含氮堿基
兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈
3.DNA的結(jié)構(gòu)特性：
堿基對(duì)的排列順序的千變?nèi)f化。
在生物體內(nèi)，最短DNA分子也大約有4000個(gè)堿基對(duì)，堿基對(duì)有：A—T、T—A、G—C、C—G。請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算DNA分子有多少種？
堿基對(duì)的特定排列順序。
具有規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)（脫氧核糖和磷酸交替連接的方式不變；兩條鏈間堿基互補(bǔ)配對(duì)方式不變；堿基對(duì)的長(zhǎng)度和間距固定不變）。
4.應(yīng)用：DNA指紋技術(shù)
人的遺傳信息主要分布于染色體的DNA中。兩個(gè)隨機(jī)個(gè)體具有相同DNA序列的可能性微乎其微，因此，DNA可以像指紋一樣用來識(shí)別身份，這種方法就是DNA指紋技術(shù)。
2.下面是DNA的結(jié)構(gòu)模式圖，請(qǐng)寫出圖中①~⑩的名稱。
課本P52——練習(xí)與應(yīng)用
一條脫氧核苷酸鏈的片段
思考：這個(gè)DNA片段有多少個(gè)游離的磷酸基團(tuán)（沒有形成磷酸二酯鍵的磷酸基團(tuán)）？
某同學(xué)想制作一段具有10對(duì)堿基對(duì)的DNA片段模型，他在準(zhǔn)備材料時(shí)至少需要：(1)代表磷酸的球形塑料片幾個(gè)？(2)代表四種堿基的長(zhǎng)方形塑料片幾個(gè)？(3)代表脫氧核糖的五邊形塑料片幾個(gè)？ (4)可組裝出幾種該DNA片段模型？
制作出一個(gè)個(gè)含有不同堿基的脫氧核苷酸模型
將制成的脫氧核苷酸模型連接成長(zhǎng)鏈。
制作DNA平面結(jié)構(gòu)模型：將兩條鏈間的堿基連接。
制作DNA空間結(jié)構(gòu)模型：雙手分別提起兩端，拉直雙鏈，向右旋轉(zhuǎn)一下，即可得到一個(gè)DNA分子的雙螺旋空間結(jié)構(gòu)模型。
1.堿基互補(bǔ)配對(duì)原則A－T，G－C，如圖所示。
兩條鏈不互補(bǔ)堿基之和相等
兩條鏈不互補(bǔ)堿基之和相等與兩條鏈堿基總數(shù)之比等于1/2
一條鏈中互補(bǔ)堿基之和等于另一條鏈中互補(bǔ)堿基之和
嘌呤和嘧啶各占?jí)A基的1/2
三.DNA堿基數(shù)量的計(jì)算
2.有關(guān)推論(1)規(guī)律一：一個(gè)雙鏈DNA分子中，A＝T、C＝G，則A＋G＝C＋T，即“嘌呤堿基總數(shù)等于嘧啶堿基總數(shù)”。注意：一個(gè)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(guī)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(gè)雙鏈DNA上的堿基總數(shù)為2m。
(3)規(guī)律三：在DNA雙鏈中，一條單鏈的 的值與另一條互補(bǔ)單鏈的 的值互為倒數(shù)關(guān)系。簡(jiǎn)記為“不配對(duì)的堿基和之比在兩條單鏈中互為倒數(shù)”。注意：在整個(gè)DNA分子中該比值等于1。
(4)規(guī)律四：DNA雙鏈中，一條單鏈的 的值，與另一條互補(bǔ)鏈的 的值是相等的，也與整個(gè)DNA分子中的 的值是相等的。注意：綜合規(guī)律三、四可簡(jiǎn)記為“補(bǔ)則等，不補(bǔ)則倒”。
(5)規(guī)律五：不同生物的DNA分子中互補(bǔ)配對(duì)的堿基之和的比值不同，即(A＋T)/(C＋G)的值不同。該比值體現(xiàn)了不同生物DNA分子的特異性。(6)規(guī)律六：若 ＝b%，則 ＝ %。(7)規(guī)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。
[易錯(cuò)提醒]　堿基數(shù)量計(jì)算的兩個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)(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(gè)”或“對(duì)”：題干中給出的數(shù)量是多少“對(duì)”堿基還是多少“個(gè)”堿基。
對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練3.某DNA分子中A＋T占整個(gè)DNA分子堿基總數(shù)的44%，其中一條鏈(a)上的G占該鏈堿基總數(shù)的21%，那么，對(duì)應(yīng)的另一條互補(bǔ)鏈(b)上的G占該鏈堿基總數(shù)的比例是(　　)A.35%　　　　　　　　　B.29%C.28% D.21%
解析：已知DNA分子中A＋T占整個(gè)DNA分子堿基總數(shù)的44%，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則：A＝T、C＝G，所以A＝T＝22%，則C＝G＝50%－22%＝28%，又已知一條鏈(a)上的G占該鏈堿基總數(shù)的21%，即G1＝21%。在雙鏈DNA分子中，G＝(G1＋G2)/2，則G2＝35%。答案：A
4.下列有關(guān)DNA分子的一條單鏈與其所在DNA分子中、一條單鏈與其互補(bǔ)鏈中堿基數(shù)目比值的關(guān)系圖，不正確的是(　　)
解析：雙鏈DNA分子中，(A＋C)/(T＋G)一定等于1，故A項(xiàng)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(xiàng)正確；當(dāng)一條鏈中存在(A1＋C1)/(T1＋G1)＝1時(shí)，其互補(bǔ)鏈中存在(A2＋C2)/(T2＋G2)＝(T1＋G1)/(A1＋C1)＝1，C項(xiàng)錯(cuò)誤。答案：C
“歸納法”求解DNA分子中的堿基數(shù)量的計(jì)算規(guī)律
1．在DNA雙鏈中嘌呤總數(shù)與嘧啶總數(shù)相同，即A+G=T+C。
2．互補(bǔ)堿基之和的比例在任意一條鏈及整個(gè)DNA分子中都相同，即若在一條鏈中 =m，則在互補(bǔ)鏈及整個(gè)DNA分子中都有 =m。
3．非互補(bǔ)鏈之和的比例在兩條互補(bǔ)鏈中虎互為倒數(shù)，在整個(gè)DNA分子中為1，即若在DNA一條鏈中 =a，則在其互補(bǔ)鏈中 = ，而在整個(gè)DNA分子中 =1。
4．根據(jù)堿基比例對(duì)核酸樣品進(jìn)行判定
可能是雙鏈DNA可能是單鏈DNA
①DNA中兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對(duì)，A—T含2個(gè)氫鍵，G—C含3個(gè)氫鍵。②DNA中并不是所有的脫氧核糖都連著兩個(gè)磷酸基團(tuán)，兩條鏈各有一個(gè)脫氧核糖連著一個(gè)磷酸基團(tuán)。③雙鏈DNA中A與T分子數(shù)相等，G與C分子數(shù)相等，但A＋T的量不一定等于G＋C的量。④DNA中，當(dāng)(A＋G)/(T＋C)＝1時(shí)，可能是雙鏈DNA，也可能是單鏈DNA。
⑤并非所有的DNA分子均具“雙鏈”，有的DNA分子為單鏈。⑥D(zhuǎn)NA的特異性是由堿基的排列順序決定的，而不是由配對(duì)方式?jīng)Q定的，配對(duì)方式只有四種：A—T、C—G、T—A、G—C。⑦并非所有DNA片段都是基因，基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段，不是連續(xù)分布在DNA上的，而是由堿基序列將不同的基因分隔開。
例、DNA的一條單鏈中A＋T/G＋C＝0.4，上述比例在其互補(bǔ)單鏈和整個(gè)DNA分子中分別是（　?。?A 0.4和0.6　　 B 2.5和1　　　 C 0.4和0.4　　　　D 0.6和1
例、DNA的一條單鏈中A＋C/G＋T＝0.4，上述比例在其互補(bǔ)單鏈和整個(gè)DNA分子中分別是（　?。?A 0.4和0.6　　 B 2.5和1　　　 C 0.4和0.4　　　　D 0.6
例、若一個(gè)雙鏈DNA分子的G占整個(gè)DNA分子堿基的27%，并測(cè)得DNA分子一條鏈上的A占這個(gè)鏈堿基的18%，則另一條鏈上的A的比例是(　　) A．9%　 　B．27% C．28% D．46%

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第2節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)

版本： 人教版 (2019)

年級(jí)： 必修2《遺傳與進(jìn)化》

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