学年高中生物 第3章 基因的本质 第2节 DNA分子的结构学案 新人教版必修2.docx

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学年高中生物第3章基因的本质第2节DNA分子的结构学案新人教版必修2

第2节　DNA分子的结构

一、DNA双螺旋结构模型的构建

1．构建者：

美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。

2．过程

例1

　1953年沃森和克里克构建了DNA双螺旋结构模型，其重要意义在于（　　）

①发现DNA如何存储遗传信息　②确定DNA是主要的遗传物质　③发现DNA分子中碱基含量的规律性④为DNA复制机制的阐明奠定基础

A．①③B．②③C．①④D．③④

答案　C

解析　双螺旋结构模型的确定解释了DNA为什么能存储大量遗传信息，为DNA半保留复制奠定了基础，因此①④正确。

例2

　1962年沃森、克里克和威尔金斯三人因什么成果共同获得了诺贝尔生理学或医学奖（　　）

A．通过细菌转化实验证明转化因子的存在

B．通过噬菌体侵染细菌的实验证明遗传物质是DNA

C．提出DNA双螺旋结构

D．确定了基因存在于染色体上

答案　C

解析　格里菲思通过肺炎双球菌的体内转化实验，证明了转化因子的存在；赫尔希和蔡斯通过噬菌体侵染细菌实验，证明了DNA是遗传物质；沃森、克里克和威尔金斯提出DNA的双螺旋结构，获得诺贝尔生理学或医学奖；摩尔根通过果蝇杂交实验，证明了基因在染色体上。

二、DNA分子的结构

1．DNA分子的基本组成单位——脱氧核苷酸

（1）结构模式图

（2）碱基：

A（腺嘌呤）；G（鸟嘌呤）；C（胞嘧啶）；T（胸腺嘧啶）。

（3）种类：

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．双螺旋结构特点

（1）DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。

（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。

（3）两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。

碱基配对的规律是：

A与T配对，G与C配对。

碱基之间的这种一一对应的关系，叫做碱基互补配对原则。

归纳提升

　DNA分子的结构分析

DNA分子结构可简记为“5、4、3、2、1”，即5种元素、4种碱基（脱氧核苷酸）、3种小分子、2条长链、1个双螺旋。

（1）两条链之间的碱基对：

A与T配对，形成2个氢键；G与C配对，形成3个氢键。

氢键越多，结构越稳定，即含G—C碱基对（3个氢键）的比例越大，结构越稳定。

（2）氢键数目计算：

若碱基对数为n，则氢键数为2n～3n，若已知A有m个，则氢键数为3n－m。

（3）两条链反向平行：

盘旋成双螺旋结构。

（4）每个DNA片段中有2个游离的磷酸基团，分别在两条链的其中一端。

（5）DNA双链分子中磷酸、脱氧核糖和碱基之间的数量比为1∶1∶1。

例3

　如图是一个DNA分子的片段，从图中不能得到的信息是（　　）

A．DNA是双螺旋结构

B．碱基严格互补配对

C．嘌呤数等于嘧啶数

D．两条脱氧核苷酸链反向平行

答案　D

解析　由图示可以看出，DNA是双螺旋结构，且两条链之间的碱基严格互补配对，即嘌呤数等于嘧啶数；从题中不能看出两条链的方向。

例4

　下列对DNA结构的叙述中，错误的是（　　）

A．DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧

B．DNA分子中的两条链反向平行

C．DNA分子中氢键数目和碱基数目一定相等

D．DNA分子中碱基之间一一对应配对的关系是碱基互补配对原则

答案　C

解析　在DNA分子中，脱氧核糖与磷酸交替连接，排列在DNA外侧，共同构成DNA分子的基本骨架；DNA分子中的两条链反向平行；A－T间是2个氢键，G－C间是3个氢键，故氢键数目和碱基数目不相等。

三、制作DNA双螺旋结构模型

1．组装“脱氧核苷酸模型”：

利用材料制作若干个脱氧核糖、磷酸和碱基，组装成若干个脱氧核苷酸。

2．制作“多核苷酸长链模型”：

将若干个脱氧核苷酸依次穿起来，组成两条多核苷酸长链。

注意两条长链的单核苷酸数目必须相同，碱基之间能够互补配对。

3．制作DNA分子平面结构模型：

按照碱基互补配对的原则，将两条多核苷酸长链互相连接起来，注意两条链的方向相反。

4．制作DNA分子的立体结构（双螺旋结构）模型：

把DNA分子平面结构旋转一下，即可得到一个DNA分子的双螺旋结构模型。

例5

　在DNA分子模型的搭建实验中，若仅有订书钉将脱氧核糖、磷酸、碱基连为一体并构建一个含10对碱基（A有6个）的DNA双链片段，那么使用的订书钉个数为（　　）

A．58B．78C．82D．88

答案　C

解析　构成一个脱氧核苷酸需要2个订书钉，20个脱氧核苷酸总共需要40个；一条DNA单链需要9个订书钉连接，两条链共需要18个；双链间的氢键数共有24个，总共需要订书钉24个。

所以共需订书钉82个。

例6

　如图表示某同学在制作DNA双螺旋结构模型时，制作的一条脱氧核苷酸链，下列表述不正确的是（　　）

A．能表示一个完整脱氧核苷酸的是图中的a或b

B．图中与每个五碳糖直接相连的碱基只有1个

C．相邻脱氧核苷酸之间通过化学键②连接起来

D．从碱基上看，缺少的碱基是T

答案　A

解析　图中所示只有a表示的是一个完整的脱氧核苷酸；图中与五碳糖直接相连的碱基只有1个；②表示的是磷酸二酯键，相邻的脱氧核苷酸通过此键相连接；脱氧核苷酸中的碱基共有4种，即A、G、C、T。

方法技巧

　“三看法”判断DNA分子结构的正误

一看外侧链成键位置是否正确，正确的成键位置在一分子脱氧核苷酸的5号碳原子上的磷酸基与相邻核苷酸的3号碳原子之间；二看外侧链是否反向平行；三看内侧链碱基之间配对是否遵循碱基互补配对原则。

1．判断正误

（1）DNA分子由四种脱氧核苷酸组成，这四种脱氧核苷酸含有的碱基是A、U、C、G（　　）

（2）DNA分子由两条方向相同的脱氧核苷酸链盘旋而成（　　）

（3）沃森和克里克构建的DNA分子双螺旋结构中，磷酸—脱氧核糖骨架排列在螺旋外部，碱基排列在螺旋内部（　　）

（4）DNA分子中的碱基一定存在如下数量关系：

C＝T，A＝G（　　）

（5）DNA单链中的A与T的数量一定相等（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）×　（5）×

2．有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

答案　C

解析　根据碱基互补配对原则可知，另一个碱基为胸腺嘧啶，两个脱氧核苷酸含有两个磷酸和两个脱氧核糖。

3．下列是脱氧核苷酸的结构图，正确的是（　　）

答案　D

解析　组成脱氧核苷酸的各组分子间正确的连接方式是：

磷酸—脱氧核糖—含氮碱基，并且含氮碱基应连接在脱氧核糖的1号碳原子上，磷酸连接在脱氧核糖的5号碳原子上。

4．在DNA分子的1条单链中，相邻的碱基A和T的连接是通过（　　）

A．氢键

B．—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—

C．肽键

D．—磷酸—脱氧核糖—磷酸

答案　B

解析　氢键是连接DNA两条链碱基对的化学键，A错误；1条单链中相邻的碱基A与T不直接相连，而是通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接，B正确，D错误；肽键是连接氨基酸的化学键，C错误。

5．分析以下材料，回答相关问题：

材料一　在沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构模型之前，人们已经证实了DNA分子是由许多脱氧核苷酸构成的长链，自然界中的DNA并不以单链形式存在，而是由两条链结合形成的。

材料二　在1949年到1951年期间，科学家E.Chargaff研究不同生物的DNA时发现，DNA分子中的嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数；A的总数等于T的总数，G的总数等于C的总数，但（A＋T）与（G＋C）的比值是不固定的。

材料三　根据R.E.Franklin等人对DNA晶体的X射线衍射分析表明DNA分子由许多“亚单位”组成，且每一层的间距为3.4埃，而且整个DNA分子长链的直径是恒定的。

以上科学研究成果为沃森和克里克提出DNA双螺旋结构模型奠定了基础。

请分析回答下列问题：

（1）材料一表明DNA分子是由两条__________________组成的，其基本单位是____________。

（2）嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数，说明

________________________________________________________________________。

（3）A的总数等于T的总数，G的总数等于C的总数，说明

________________________________________________________________________。

（4）A与T的总数和G与C的总数的比值不固定，说明

________________________________________________________________________。

（5）R.E.Franklin等人提出的DNA分子中的亚单位事实上是________；亚单位的间距是3.4埃，而且DNA分子的直径是恒定的，这些特征表明____________________。

（6）基于以上分析，沃森和克里克提出了各对应的碱基之间的关系是____________________，并成功地构建了DNA分子的双螺旋结构模型。

答案　

（1）脱氧核苷酸长链　脱氧核苷酸　

（2）DNA分子中嘌呤与嘧啶之间一一对应　（3）A与T一一对应，C与G一一对应　（4）A与T之间的对应和C与G之间的对应互不影响　（5）碱基对　DNA分子的空间结构非常规则　（6）A与T配对，C与G配对

[对点训练]

题组一　DNA双螺旋结构模型的构建

1．下列关于威尔金斯、沃森和克里克、富兰克林、查哥夫等人在DNA分子结构构建方面的突出贡献的说法中，正确的是（　　）

A．威尔金斯和富兰克林提供了DNA分子的电子显微镜图像

B．沃森和克里克提出了DNA分子的双螺旋结构模型

C．查哥夫提出了A与T配对、C与G配对的正确关系

D．富兰克林和查哥夫发现碱基A的量等于T的量、C的量等于G的量

答案　B

解析　在DNA分子结构构建方面，威尔金斯和富兰克林提供了DNA的衍射图谱；查哥夫发现了碱基A量总是等于T的量、C的量总是等于G的量；沃森和克里克在以上基础上提出了DNA分子的双螺旋结构模型。

题组二　DNA分子的结构

2．（2018·滨州高一检测）下面关于DNA分子结构的叙述中，不正确的是（　　）

A．每个DNA分子中通常都含有四种脱氧核苷酸

B．DNA分子的两条链反向平行

C．DNA两条链上的碱基以氢键相连，且A与T配对，G与C配对

D．每个脱氧核糖上均连接着一个磷酸和一个碱基

答案　D

解析　DNA分子长链结束部位的脱氧核糖上连接着一个磷酸和一个碱基，其他脱氧核糖上连接两个磷酸和一个碱基。

3．如图为DNA分子结构示意图，对该图的叙述正确的是（　　）

a．②和③相间排列，构成了DNA分子的基本骨架

b．④的名称是胞嘧啶脱氧核苷酸

c．⑨是氢键，其形成遵循碱基互补配对原则

d．DNA分子中特定的脱氧核苷酸序列代表了遗传信息

A．b、c、dB．c、d

C．a、b、cD．b、c

答案　B

解析　DNA分子是双螺旋结构，①磷酸和②脱氧核糖交替连接排列在外侧，构成了DNA分子的基本骨架，a错误；④中的③、②与②下方的磷酸基团组成胞嘧啶脱氧核苷酸，b错误；配对碱基之间通过氢键相连并遵循碱基互补配对原则，c正确；DNA分子中特定的脱氧核苷酸序列代表了遗传信息，d正确。

4．关于下图DNA分子片段的说法，不正确的是（　　）

A．①所指的碱基代表鸟嘌呤

B．②所指的碱基是DNA分子中特有的

C．③代表碱基互补配对形成的氢键

D．DNA分子片段中A—T碱基对含量越高，DNA分子结构越稳定

答案　D

解析　图中①所指的碱基为鸟嘌呤（G），②所指的碱基为胸腺嘧啶（T），T是DNA分子中特有的，A、B正确；③代表氢键，C正确；DNA分子中A—T碱基对有2个氢键，G—C碱基对有3个氢键，则G—C碱基对含量越高，DNA分子结构越稳定，D错误。

5．下列关于双链DNA的叙述，不正确的是（　　）

A．若一条链上A和T的数目相等，则另一条链上的A和T数目也相等

B．若一条链上A的数目大于T，则另一条链上A的数目小于T

C．若一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，则另一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4

D．若一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，则另一条链上A∶T∶G∶C＝2∶1∶4∶3

答案　C

解析　根据DNA双螺旋结构中的碱基互补配对原则可知，两条链上互补碱基的数量关系是A＝T，G＝C。

若一条链上A和T的数目相等，则另一条链上的A和T数目也相等，A项正确；若一条链上A的数目大于T，则另一条链上A的数目小于T，B项正确；若一条链A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，对应另一条链T∶A∶C∶G＝1∶2∶3∶4，调整为A∶T∶G∶C的顺序，应等于2∶1∶4∶3，C项错误，D项正确。

6．在一个双链DNA分子中，碱基总数为m，腺嘌呤碱基数为n。

在碱基A与T之间形成2个氢键，G与C之间形成3个氢键。

则下列叙述正确的是（　　）

①脱氧核苷酸数＝磷酸数＝碱基总数＝m

②碱基之间的氢键数为

－n

③两条链中A＋T的数量为2n

④G的数量为（m－n）

A．①②③④B．②③④

C．③④D．①②③

答案　D

解析　每个脱氧核苷酸均由一个磷酸、一个碱基和一个脱氧核糖组成，因此，脱氧核苷酸数＝磷酸数＝碱基总数＝m；腺嘌呤碱基数为n，则T也为n个，说明有n个A—T碱基对，含有2n个氢键，G—C碱基对之间含有的氢键总数为

，因此，该DNA含有的氢键总数为

＋2n＝

－n；两条链中A＋T的数量为2n；G的数量为

＝

－n。

7．对大肠杆菌DNA分子图示的分析正确的是（　　）

A．图中2是核糖，属于五碳糖

B．图中的碱基对3和4可能是G—C，也可能是A—T

C．磷酸、五碳糖交替连接构成基本骨架

D．1、2、3构成了一个完整的核糖核苷酸分子

答案　C

解析　DNA分子中含有的五碳糖是脱氧核糖；碱基对G—C之间有三个氢键，A—T之间有两个氢键，故3和4只能是G—C；磷酸、脱氧核糖交替连接构成DNA的基本骨架；1、2、3构成的是一个完整的脱氧核苷酸分子。

8．如果某DNA分子的一条链上的某段碱基排列顺序是……A—G—A—T—C—G—A—T……，则另一条链上对应的碱基排列顺序是（　　）

A．……A—G—A—T—C—G—A—T……

B．……G—A—G—T—C—G—T—A……

C．……T—C—T—A—G—C—T—A……

D．……C—T—C—G—C—T—A—T……

答案　C

解析　根据碱基互补配对原则，可对应写出另一条链的碱基排列顺序应该为……T—C—T—A—G—C—T—A……。

题组三　制作DNA双螺旋结构模型

9．某同学在构建DNA分子模型时，用不同的几何图形代表核苷酸的三个不同组成部分。

该同学组建的DNA分子模型中共有多少种不同的几何图形（　　）

A．5种B．6种

C．7种D．8种

答案　B

解析　DNA的单体为脱氧核苷酸，1分子脱氧核苷酸包括1个含氮碱基（4种）、1个磷酸分子和1个脱氧核糖，共有6种小分子，B正确。

10．在制作DNA双螺旋结构模型时，各“部件”之间需要连接起来。

下列连接中错误的是（　　）

答案　B

11．在DNA分子模型搭建实验中，如果用一种长度的塑料片代表A和G，用另一长度的塑料片代表C和T，那么由此搭建而成的DNA双螺旋的整条模型（　　）

A．粗细相同，因为嘌呤环必定与嘧啶环互补

B．粗细相同，因为嘌呤环与嘧啶环的空间尺寸相似

C．粗细不同，因为嘌呤环不一定与嘧啶环互补

D．粗细不同，因为嘌呤环与嘧啶环的空间尺寸不同

答案　A

解析　A和G都是嘌呤碱基，C和T都是嘧啶碱基，在DNA分子中，总是A＝T，G＝C，依题意，用一种长度的塑料片代表A和G，用另一长度的塑料片代表C和T，则DNA的粗细相同。

12．下图为某同学在学习DNA分子的结构后画的含有两个碱基对的DNA片段（其中〇代表磷酸），下列为几位同学对此图的评价，其中正确的是（　　）

A．甲说：

该图没有物质和结构上的错误

B．乙说：

该图有一处错误，就是U应改为T

C．丙说：

该图有三处错误，其中核糖应改为脱氧核糖

D．丁说：

如果说他画的是RNA双链则该图就是正确的

答案　C

解析　题图中有三处错误，错误一：

组成DNA分子的五碳糖应该是脱氧核糖，所以图中的核糖应改为脱氧核糖；错误二：

碱基应为A、T、G、C四种，图中的U应改为T；错误三：

单链中的脱氧核糖和磷酸应交替连接。

[综合强化]

13．（2018·岳阳高一检测）下图为大肠杆菌DNA分子结构图示（片段）。

请根据图示分析并回答下列问题：

（1）图中1表示______________，2表示______________，1、2、3结合在一起的结构叫做____________________。

（2）3有__________种，中文名称分别是____________。

（3）DNA分子中3和4是通过________连接起来的。

（4）DNA被彻底氧化分解后，能产生含氮废物的是________与________（用序号表示）。

（5）图中DNA分子片段中，游离的磷酸有________个。

若大肠杆菌DNA分子的碱基G有x个，占其碱基总量的比例是y，则该DNA分子的碱基之间的氢键数目是____________________。

答案　

（1）磷酸　脱氧核糖　脱氧核苷酸　

（2）2　鸟嘌呤、胞嘧啶　（3）氢键　（4）3　4　（5）2　x（1＋

）或写成x＋

解析　

（1）据图分析可知，图中1表示磷酸，2表示脱氧核糖，3表示含氮碱基，1、2、3结合在一起形成脱氧核苷酸。

（2）3表示含氮碱基，由于3与4之间的氢键是3个，因此3、4是C、G碱基对，3可能是鸟嘌呤G或胞嘧啶C。

（3）DNA分子中3和4通过氢键连接形成碱基对。

（4）DNA分子的组成成分是磷酸、脱氧核糖和含氮碱基，其中只有含氮碱基内含有氮元素，因此DNA被彻底氧化分解后，能产生含氮废物的是图中的3和4。

（5）图中DNA分子片段中，游离的磷酸有2个；该DNA分子中鸟嘌呤数目为x，因此G、C碱基对为x，腺嘌呤＝胸腺嘧啶＝

×

－x，由于G、C碱基对之间的氢键是3个，A、T碱基对之间的氢键是2个，因此DNA分子的碱基之间的氢键数是3x＋2×（

×

－x）＝x＋

。

14．下图是DNA片段的结构图，请据图回答问题：

（1）图甲表示DNA片段的________结构，图乙表示DNA片段的________结构。

（2）填出图中部分结构的名称：

[2]__________________，[5]________________。

（3）从图中可以看出，DNA分子的两条链是由________和________交替连接形成的。

（4）连接碱基对的化学键是________，碱基配对的方式如下：

________与________配对；________与______配对。

（5）从图甲中可以看出组成DNA分子的两条链的方向是________的，从图乙可以看出组成DNA分子的两条链相互缠绕成规则的________结构。

（6）含有200个碱基的某DNA片段中碱基间的氢键共有260个。

则该DNA片段中共有腺嘌呤____________个，C和G构成的碱基对共________对。

答案　

（1）平面　立体（或空间）　

（2）一条脱氧核苷酸单链片段　腺嘌呤脱氧核苷酸　（3）脱氧核糖　磷酸

（4）氢键　A（腺嘌呤）　T（胸腺嘧啶）　G（鸟嘌呤）

C（胞嘧啶）　（5）相反　双螺旋　（6）40　60

解析　设该DNA片段中有腺嘌呤x个，有鸟嘌呤y个，则有2x＋2y＝200，由该DNA片段中含有260个氢键可得出，2x＋3y＝260，因此可计算出该DNA片段中有腺嘌呤40个，C和G构成的碱基对共60对。

15．下图是制作DNA双螺旋结构模型的过程图，请回答下面的问题：

（1）在制作模型前进行的设计中，甲处应考虑具备____________________种材料，它们分别是________________________；其中五边形材料表示________________。

（2）乙表示的物质是____________，a位置的元素是____________。

制作一个乙用到了____________种材料。

（3）由乙连接成丙的过程，需考虑的主要有：

两条链中五边形材料的顶角应呈____________（填“同向”或“反向”）关系；若一条链的下端是磷酸，则另一条链的上端应该是____________，这样制作的目的是体现DNA双链____________的特点。

（4）随机将班里某两位同学制作的单链连接成双链，不合理的地方最可能是________。

（5）丙到丁过程体现了DNA分子____________的特点，丁中排在外侧的物质是____________。

答案　

（1）6　磷酸、脱氧核糖、四种碱基　脱氧核糖

（2）脱氧核苷酸　氧　3　（3）反向　磷酸　反向平行　（4）双链间的碱基配对不遵循碱基互补原则　（5）（双）螺旋　交替连接的脱氧核糖和磷酸