第2節DNA的結構[學習目標]1.概述DNA結構的主要特點。2.通過對DNA雙螺旋結構模型構建過程的交流和討論，認同交流合作、多學科交叉在科學發展中的作用。3.制作DNA雙螺旋結構模型。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．過程任務一：DNA雙螺旋結構模型的構建1．DNA的兩條單鏈由堿基連接而成還是由“脫氧核糖—磷酸”的基本骨架連接而成？請結合以下資料，判斷模型1、2中哪一個是科學的？資料一嘌呤和嘧啶堿基具有疏水性，脫氧核糖和磷酸具有親水性。請判斷：在科學的模型下畫“√”，反之畫“×”。2．兩條鏈中的堿基排列在內側，是相同的堿基兩兩相連嗎？請結合以下資料進行分析：資料二DNA螺旋的直徑是固定的，均為2nm。資料三嘌呤和嘧啶的分子結構圖結論：不是相同的堿基兩兩相連，應是嘌呤與嘧啶相連。3．請根據查哥夫堿基數據表猜測應是哪兩種堿基配對？來源堿基的相對含量腺嘌呤A鳥嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T人30.919.919.829.4牛27.922.722.127.3酵母菌31.318.717.132.9結核分枝桿菌15.134.935.414.6結論：A與T配對，G與C配對。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結構模型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的電子顯微鏡圖像B．沃森和克里克提出了DNA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DNA分子中A的量等于T的量、C的量等于G的量答案B解析在DNA結構模型構建方面，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DNA中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，還構建了DNA雙螺旋結構模型，B正確，C、D錯誤。2．(多選)1953年，沃森和克里克構建了DNA雙螺旋結構模型，其重要意義在于()A．證明DNA是遺傳物質B．確定DNA是染色體的組成成分C．發現DNA如何儲存遺傳信息D．解釋A、T、G、C的數量關系答案CD二、DNA的結構1．DNA雙螺旋結構的主要特點項目特點整體由兩條脫氧核苷酸鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構排列外側脫氧核糖和磷酸交替連接，構成基本骨架內側堿基通過氫鍵連接成堿基對堿基互補配對A與T配對、G與C配對2.“反向”含義的理解：脫氧核糖上與堿基相連的碳叫作1′－C，與磷酸基團相連的碳叫作5′－C。DNA的一條單鏈具有兩個末端，一端有一個游離的磷酸基團，稱作5′－端，另一端有一個羥基(—OH)，稱作3′－端。DNA的兩條單鏈走向相反，從雙鏈的一端開始，一條單鏈是從5′－端到3′－端的，另一條單鏈則是從3′－端到5′－端的。任務二：DNA的結構及相關計算1．如圖是DNA的結構模式圖，據圖回答下列問題：(1)說出圖中①～⑩的名稱。提示①胞嘧啶②腺嘌呤③鳥嘌呤④胸腺嘧啶⑤脫氧核糖⑥磷酸⑦胸腺嘧啶脫氧核苷酸⑧堿基對⑨氫鍵⑩一條脫氧核苷酸鏈的片段(2)一個鏈狀DNA分子含有幾個游離的磷酸基團？提示含有2個游離的磷酸基團。(3)為什么G－C堿基對含量越多DNA越穩定？提示因為A與T之間有兩個氫鍵，而G與C之間有三個氫鍵，所以DNA中G與C堿基對所占的比例越高，該DNA穩定性越強。2．雙鏈DNA堿基數目的相關計算規律根據堿基互補配對原則可知，A1＝T2，A2＝T1，G1＝C2，G2＝C1。請據此完成以下推論：(1)A1＋A2＝T1＋T2；G1＋G2＝C1＋C2。即：雙鏈中A＝T，G＝C，A＋G＝T＋C＝A＋C＝T＋G＝eq\f(1,2)(A＋G＋T＋C)。規律一：雙鏈DNA分子中嘌呤堿基總數等于嘧啶堿基總數，任意兩個不互補堿基之和為堿基總數的一半。(2)A1＋T1＝A2＋T2；G1＋C1＝G2＋C2。eq\f(A1＋T1,N1)＝eq\f(A2＋T2,N2)＝eq\f(A＋T,N)(N為相應的堿基總數)，eq\f(C1＋G1,N1)＝eq\f(C2＋G2,N2)＝eq\f(C＋G,N)。規律二：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，簡記為“補則等”。(3)若eq\f(A1＋C1,T1＋G1)＝m，則eq\f(A2＋C2,T2＋G2)＝eq\f(1,m)，即兩者的關系是互為倒數。規律三：非互補堿基之和的比值在兩條互補鏈中互為倒數，簡記為“不補則倒”。(4)若eq\f(A1,N1)＝a，eq\f(A2,N2)＝b，則eq\f(A,N)＝eq\f(1,2)(a＋b)。規律四：某種堿基在雙鏈中所占的比例等于它在每一條單鏈中所占比例和的一半。準確辨析DNA結構中的數量、位置關系及連接方式3．(2023·河北邢臺高一聯考)如圖為DNA分子部分片段的示意圖，下列有關敘述正確的是()A．①為3′－端，⑥為5′－端B．DNA的基本骨架中所含化學元素包括C、H、O、N、PC．一條鏈中相鄰的兩個脫氧核苷酸之間通過氫鍵相連D．若該分子中G—C堿基對比例高，則熱穩定性較高答案D解析DNA的一條單鏈具有兩個末端，一端有一個游離的磷酸基團，這一端稱作5′－端，另一端有一個羥基(—OH)，稱作3′－端，故①⑥均為5′－端，A錯誤；DNA的基本骨架由磷酸和脫氧核糖組成，所含化學元素包括C、H、O、P，B錯誤；一條鏈中相鄰的兩個脫氧核苷酸之間通過磷酸二酯鍵相連，C錯誤。4．已知某DNA分子中，G與C之和占全部堿基總數的40%，其中一條鏈的T與C分別占該鏈堿基總數的40%和15%。下列有關敘述正確的是()A．在它的互補鏈中，T與C之和占該鏈堿基總數的55%B．在它的互補鏈中，T和C分別占該鏈堿基總數的20%和25%C．若該DNA分子含有1000個堿基對，則堿基之間的氫鍵數為2600個D．該DNA分子中eq\f(C＋G,A＋T)＝eq\f(3,2)答案B解析由題中信息可知，某DNA分子中，G＋C＝40%，其中一條鏈中T＝40%、C＝15%，可推出此鏈中G＝25%、A＝20%，則它的互補鏈中，C＝25%、T＝20%，A錯誤，B正確；若該DNA分子含有1000個堿基對，則A＝T＝600(個)，C＝G＝400(個)，A、T之間的氫鍵為600×2＝1200(個)，C、G之間的氫鍵為400×3＝1200(個)，堿基之間的氫鍵數為2400個，C錯誤；該DNA分子中eq\f(C＋G,A＋T)＝eq\f(40%,60%)＝eq\f(2,3)，D錯誤。三、制作DNA雙螺旋結構模型1．材料用具曲別針、泡沫塑料、紙片、扭扭棒、牙簽、橡皮泥、鐵絲等。2．制作過程(1)從DNA的基本組成物質磷酸、脫氧核糖、含氮堿基的代表物開始，通過曲別針連接成基本單位——脫氧核苷酸模型。(2)把“脫氧核苷酸”按一定的堿基順序依次穿在鐵絲上構成一條“脫氧核苷酸鏈”，用同樣方法制作另一條。(3)再按堿基互補配對方式用曲別針連接兩條鏈，最后旋轉。任務三：DNA的特性1．DNA只含有4種脫氧核苷酸，它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儲存了大量的遺傳信息。2．為什么可以利用DNA指紋來識別身份？提示兩個隨機個體具有相同DNA序列的可能性微乎其微，因此可以利用DNA指紋來識別身份。3．DNA是如何維系它的遺傳穩定性的？提示兩條鏈上的堿基之間的氫鍵和每條鏈上的磷酸二酯鍵共同維持了雙螺旋結構的穩定性。5．(2023·江蘇無錫高一期末)下列學生小組制作的DNA結構模型片段中，正確的是()答案A解析組成DNA分子的兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構，兩條鏈中的脫氧核糖的方向應相反，兩條鏈上互補的堿基A與T通過兩個氫鍵相連、G與C通過三個氫鍵相連，A正確。6．(多選)用卡片構建DNA平面結構模型，所提供的卡片類型和數量如表所示，下列說法正確的是()卡片類型脫氧核糖磷酸堿基ATGC卡片數量10102332A．最多可構建4種脫氧核苷酸，5個脫氧核苷酸對B．構成的雙鏈DNA片段最多有10個氫鍵C．搭建的DNA模型中有2個游離的磷酸基團D．最多可構建44種不同堿基序列的DNA片段答案BC解析雙鏈DN