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第二节DNA分子的结构和复制
第二节DNA分子的结构和复制
第一课时 DNA分子的结构
【目标导航】 1.阅读教材图文,了解DNA双螺旋结构模型的构建过程。
2.结合教材图4-8和相关模型,概述DNA分子的双螺旋结构模型的特点。
3.通过制作DNA双螺旋结构模型,进一步理解其结构特点并掌握有关的计算规律。
一、DNA分子的结构
(一)对DNA分子结构的认识过程
时期
科学家
成果
20世纪30年代后期
瑞典科学家
证明DNA是不对称的
续表
1951年
查戈夫(美)
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
续表
1952年
富兰克
琳(英)
确认DNA为螺旋结构,并且是由不止一条链所构成
1953年
沃森(美)和
克里克(英)
提出DNA分子的双螺旋结构模型
(二)基本组成单位
(1)DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸,如下图所示:
(2)碱基:
A.腺嘌呤;G:
鸟嘌呤;C:
胞嘧啶;T:
胸腺嘧啶。
(三)DNA的双螺旋结构
1.填图
右图为DNA分子的双螺旋结构模型图,试着完成相关内容。
(1)写出图中各部分的名称:
①胸腺嘧啶(T);②脱氧核糖;③磷酸;④胸腺嘧啶脱氧核苷酸;⑤碱基对;⑥腺嘌呤(A);⑦鸟嘌呤(G);⑧胞嘧啶(C)。
(2)图中可以看出,和A配对的一定是T,和G配对的一定是C,碱基对之间靠氢键连接。
其中A-T之间是2个氢键,G-C之间是3个氢键。
2.双螺旋结构特点
(1)DNA分子是由两条链构成的,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;碱基对排列在内侧。
(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。
3.DNA分子的特性
(1)稳定性:
空间结构相对稳定。
①位于外侧的基本骨架一定是由磷酸和脱氧核糖交替连接形成的,不会改变。
②两条链间的碱基互补配对方式稳定不变,总是A与T、G与C配对。
碱基对及其侧链基团对维持DNA分子的
空间结构的稳定有着重要的作用。
(2)多样性:
不同的DNA分子中脱氧核苷酸的数目有差异,排列顺序多种多样。
n对脱氧核苷酸可构成4n种排列次序(n为脱氧核苷酸“对”数)。
(3)特异性:
每一种DNA分子都有特定的碱基对排列顺序。
二、设计和制作DNA分子双螺旋结构模型
1.材料用具
硬塑方框2个(长约10cm),细铁丝2根(长约0.5m),球形塑料片(代表磷酸)若干,双层五边形塑料片(代表脱氧核糖)若干,4种不同颜色的长方形塑料片(代表4种不同碱基)若干,粗铁丝2根(长约10cm),订书钉。
2.方法步骤
(1)制作脱氧核苷酸模型:
按照每个脱氧苷核酸的结构组成,挑选模型零件,组装成若干个脱氧核苷酸。
(2)制作多核苷酸长链模型:
按照一定的碱基排列顺序,将若干个脱氧核苷酸依次穿起来,组成一条多核苷酸长链。
在组装另一条多核苷酸长链时,方法相同,但要注意两点:
一是两条长链的单核苷酸数目必须相同;二是两条长链并排时,必须保证碱基之间能够相互配对,不能随意组装。
这是实验成败的关键所在。
(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。
(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。
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)A—T碱基对和G—C碱基对具有相同的形状和直径,使DNA分子具有稳定的直径。
( )
(3)DNA的两条核糖核苷酸链反向平行盘旋成双螺旋结构。
( )
(4)DNA双螺旋结构的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成的。
( )
(5)两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。
( )
(6)DNA上碱基对的形成遵循碱基互补配对原则,即A=T,G=C。
( )
答案
(1)×
(2)√ (3)× (4)√ (5)√ (6)√
一、DNA分子的结构及特点
1.DNA的分子组成
2.DNA的结构
分类
主链
侧链
构成方式
磷酸和脱氧核糖交替连接,两条主链呈反向平行,有规则地盘旋成双螺旋
主链上对应碱基以氢键连接成对,对应碱基之间互补(A—T,G—C)配对,碱基平面之间平行
续表
排列位置
双螺旋结构外侧
双螺旋结构内侧
动态变化
相对稳定
碱基比率和碱基序列可变
模型图解
3.巧记DNA分子的组成及结构
五种元素:
C、H、O、N、P;
四种碱基:
A、G、C、T,相应的有四种脱氧核苷酸;
三种物质:
磷酸、脱氧核糖、含氮碱基;
两条长链:
两条反向平行的脱氧核苷酸链;
一种螺旋:
规则的双螺旋结构。
4.制作DNA双螺旋结构模型
(1)制作原理
DNA的脱氧核苷酸双链反向平行,磷酸与脱氧核糖交替连接,排列在外侧。
碱基排列在内侧,碱基对通过氢键连接,碱基互补配对。
(2)制作程序
①使用各种材料分别“制作”若干个磷酸、脱氧核糖、碱基;将各种配件整合在一起,并连接成脱氧核苷酸链;连接两条脱氧核苷酸链,拼成DNA分子平面结构图;再“旋转”成双螺旋结构。
②根据设计计划,对制作的DNA分子双螺旋结构模型进行检查,对模型的不足加以修正。
1.DNA分子中的碱基是如何连接的?
答案 DNA单链中相邻的碱基之间通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相连接,而在双链中碱基通过氢键连接。
2.在一个双链DNA分子中,脱氧核糖、磷酸和含氮碱基的数量比例关系如何?
一个DNA分子中含有多少个游离磷酸基团?
答案 脱氧核糖∶磷酸∶碱基=1∶1∶1。
一个DNA分子中只含有2个游离磷酸基团。
3.双链DNA分子中,嘌呤碱基数与嘧啶碱基数有什么关系?
答案 嘌呤碱基数=嘧啶碱基数。
1.如图是DNA分子的部分平面结构示意图,下列有关叙述不正确的是( )
A.图中4的全称是腺嘌呤脱氧核苷酸
B.构成DNA的核苷酸种类的不同与2有关
C.N元素存在于图中的含氮碱基中
D.从主链上看,两条脱氧核苷酸链反向平行
【问题导析】
(1)构成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸;
(2)脱氧核苷酸种类的不同与含氮碱基有关,与脱氧核糖和磷酸无关,图中2为脱氧核糖,3为含氮碱基。
答案 B
【一题多变】
(1)从主链上看,两条单链________平行;从碱基关系看,两条单链________。
(2)________和________相间排列,构成了DNA分子的基本骨架。
(3)图中有________种碱基,________种碱基对。
(4)含有200个碱基的某DNA片段中碱基间的氢键共有260个。
请回答:
①该DNA片段中共有腺嘌呤________个,C和G构成的碱基对共________对。
②在DNA分子稳定性的比较中,________碱基对的比例越高,DNA分子稳定性越高。
答案
(1)反向 碱基互补配对
(2)脱氧核糖 磷酸 (3)4 3 (4)①40 60 ②G与C
解析
(1)从主链上看,两条单链是反向平行的;从碱基关系看,两条单链遵循碱基互补配对原则。
(2)脱氧核糖与磷酸交替连接排列在外侧,构成DNA分子的基本骨架。
(3)图中涉及到4种碱基,4种碱基之间的配对方式有两种,但碱基对的种类有4种,即A—T、T—A、G—C、C—G,但图中只有3种。
(4)假设该DNA片段只有A、T两种碱基,则200个碱基,100个碱基对,含有200个氢键,而实际上有260个氢键,即G—C或C—G碱基对共60个,所以该DNA中腺嘌呤数为:
(200-2×60)/2=40个,C和G共60对。
由于G与C之间有三个氢键,A与T之间有两个氢键,因此,G与C构成的碱基对的比例越高,DNA分子稳定性越高。
二、有关DNA分子结构的计算
1.DNA分子的共性和特异性
(1)共性:
不因生物种类的不同而不同。
=
=1;
=
=1;
=
=1。
(2)特异性:
的值在不同DNA分子中是不同的,是DNA分子多样性和特异性的表现。
2.相关计算
如图是DNA分子中碱基配对的情况示意图,与碱基互补配对原则有关的规律:
①腺嘌呤与胸腺嘧啶相等,鸟嘌呤与胞嘧啶相等,即A=T,G=C。
因此,嘌呤总数与嘧啶总数相等,即A+G=T+C。
一条链中的A和另一条链中的T相等,可记为A1=T2,同样:
T1=A2,G1=C2,C1=G2。
②设在双链DNA分子中的一条链上A1+T1=n%,因为A1=T2,A2=T1,则:
A1+T1=T2+A2=n%。
整个DNA分子中:
A+T=n%。
在双链DNA分子中,互补碱基之和所占比例在任意一条链及整个DNA分子中都相等。
③设双链DNA分子中,一条链上:
=m,则:
=
=m,所以互补链上
=
。
双链DNA分子中,非互补碱基之和的比值在两条互补链中互为倒数。
④DNA分子中共有4种类型的碱基对,若某个DNA分子具有n个碱基对,则DNA分子可有4n种碱基对排列方式。
1.在双链DNA分子中,若某一条链中
=m,则在另一条链中
的比值是多少?
在整个DNA分子中
的比值是多少?
答案 在另一条链中及整个DNA分子中都是m。
2.在双链DNA分子中,若某一条链中
=n,则在另一条链中
的比值是多少?
在整个DNA分子中
的比值是多少?
答案 在另一条链中
的比值为1/n,在整个DNA分子中
=1。
2.某DNA分子中A+T占整个DNA分子碱基总数的44%,其中一条链(a)上的G占该链碱基总数的21%,那么,对应的另一条互补链(b)上的G占该链碱基总数的比例是( )
A.35%B.29%C.28%D.21%
【问题导析】
(1)整个DNA中的A+T占整个DNA碱基总数的44%,则G+C占整个DNA碱基总数的56%;
(2)因为其中一条链(a)上的G占该链碱基总数的21%,所以与G对应的互补链(b)上的C占b链碱基总数的21%,则G(a链上)+C(b链上)占DNA分子碱基总数的21%。
(3)因为总的G+C占整个DNA分子碱基总数的56%,所以G(b链上)+C(a链上)占整个DNA分子碱基总数的35%,推得G占b链碱基总数的35%。
答案 A
【一题多变】
已知某双链DNA分子中,G与C之和占全部碱基总数的34%,其一条链中的T与C分别占该链碱基总数的32%和18%,则在它的互补链中,T和C分别占该链碱基总数的( )
A.34%和16%B.34%和18%
C.16%和34%D.32%和18%
答案 A
解析 根据双链DNA分子的特点,双链中,G=C=17%,A=T=33%,因其一条链中的T与C分别占该链碱基总数的32%和18%,则在它的互补链中,T=66%-32%=34%,C=34%-18%=16%。
1.下列能正确表示DNA片段的示意图的是( )
答案 D
2.由50个脱氧核苷酸构成的DNA分子,按其碱基的排列顺序不同,决定了DNA的种类及特性分别是( )
①504种 ②450种 ③425种 ④遗传性 ⑤多样性
⑥特异性
A.①④B.②⑤C.②⑥D.③⑤
答案 D
解析 50个脱氧核苷酸共构成了25个碱基对,共有排列顺序425种,由此说明由于碱基对(或脱氧核苷酸对)的排列顺序的多样性,决定了DNA分子的多样性。
3.假设一个DNA分子片段中,碱基T共312个,占全部碱基的26%,则此DNA片段中碱基G所占百分比和数目分别是( )
A.26%,312个B.24%,288个
C.24%,298个D.12%,144个
答案 B
解析 DNA分子的碱基数目和比例严格遵循碱基互补配对原则,即DNA分子中有一个A,必定有一个和其互补的T;有一个C,必有一个G。
根据这个原理可知G=
=24%;又知T共312个,占26%,则可知该DNA分子片段中共有碱基312÷26%=1200个;前面已计算出G占24%,则G的数目是1200×24%=288个。
4.分析以下材料,回答有关问题。
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,科学家查戈夫(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,即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 根据富兰克琳(R.E.Franklin)等人对DNA的X射线衍射分析表明,DNA分子由许多“亚单位”组成,每一层的间距为0.34nm,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1953年沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构模型奠定了基础。
请分析回答:
(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)富兰克琳等人提出的DNA分子中的亚单位事实上是
____________________;
亚单位的间距都为0.34nm,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
解析 材料一表明了当时科学界对DNA的认识是:
DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的双链结构。
嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数,即A的总数等于T的总数,G的总数等于C的总数,说明二者可能是一种对应关系,而A与T的总数和G与C的总数的比值不固定则说明A与T之间的对应和C与G之间的对应是互不影响的,所以沃森和克里克提出了各对应碱基之间的关系是A与T配对,C与G配对,结果发现与各种事实相符,从而获得了成功。
【基础巩固】
1.下列各项中,能正确表示DNA分子中脱氧核苷酸对的是( )
答案 A
解析 DNA分子中的碱基互补配对原则为A与T配对,G与C配对,A与T之间形成两个氢键,G与C之间形成三个氢键,两条链反向平行,所以A项正确;B、D两项配对方式不对,C项两条链方向不对。
2.DNA的一条单链中
=0.4。
上述比例在其互补单链和整个DNA分子中分别为( )
A.0.4、0.6B.2.5、1.0
C.0.4、0.4D.0.6、1.0
答案 B
解析 根据碱基互补配对原则,在整个DNA分子中,因为A=T,G=C,所以
比值为1.0。
在双链DNA分子中,一条链上的
与互补链上
相等为0.4,因而互补链中
=2.5,互为倒数。
3.在DNA分子双螺旋结构中,腺嘌呤与胸腺嘧啶之间有2个氢键,胞嘧啶与鸟嘌呤之间有3个氢键。
现有四种DNA样品,根据样品中碱基的百分含量判断最有可能来自嗜热菌(生活在高温环境中)的是( )
A.含胸腺嘧啶32%的样品B.含腺嘌呤17%的样品
C.含腺嘌呤30%的样品D.含胞嘧啶15%的样品
答案 B
解析 DNA分子双螺旋结构中,A与T之间可以形成2个氢键,而G与C之间可以形成3个氢键,3个氢键稳定性强,因此G与C含量多的DNA分子的稳定性大于G与C含量少的DNA分子的稳定性。
4.下面为DNA分子的结构示意图,对该图的正确描述是( )
A.②和③相间排列,构成了DNA分子的基本骨架
B.①②③构成胞嘧啶脱氧核苷酸
C.④占的比例越大,DNA分子越稳定
D.DNA分子中⑤⑥⑦⑧依次代表A、G、C、T
答案 D
解析 DNA分子的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成,选项A错误;胞嘧啶脱氧核苷酸由②③⑨组成,B项错误;④表示A-T碱基对,G、C对含量越多,DNA分子越稳定,选项C错误;根据碱基互补配对原则,⑤、⑥、⑦、⑧依次代表A、G、C、T,D项正确。
5.下表为生物学家在分析大麦、果蝇、猪、牛和人等生物DNA碱基比率时得到的结果:
生物的种类
大麦
果蝇
猪
牛
人
1.21
1.37
1.43
1.31
1.52
根据上表,可获得的最恰当的结论是( )
A.DNA分子具有特异性
B.DNA分子具有多样性
C.DNA分子具有遗传性
D.DNA分子具有特异性和多样性
答案 D
解析 在双链DNA分子中,A=T,G=C,但
的比值因生物种类不同而不同,每一种生物都有其特定的比值,这就构成了DNA分子的特异性;不同生物,其比值又不同,这就构成了DNA分子的多样性。
6.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)螺旋 交替连接的脱氧核糖和磷酸
【巩固提升】
7.某生物核酸的碱基组成是嘌呤碱基占58%,嘧啶碱基占42%,此生物不可能是( )
A.噬菌体B.大肠杆菌
C.人或酵母菌D.烟草
答案 A
解析 噬菌体由DNA和蛋白质构成,DNA为双链,嘌呤数与嘧啶数应相等,在人、酵母菌、大肠杆菌、烟草中既有DNA,也有RNA,且RNA为单链,因此嘌呤数与嘧啶数可能不相等。
8.下列关于沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型的叙述,错误的是( )
A.沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型是建立在DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链基础上的
B.查戈夫和富兰克琳通过对DNA衍射图谱的有关数据进行分析,得出DNA分子呈双螺旋结构
C.沃森和克里克曾尝试构建了多种模型
D.沃森和克里克最后受腺嘌呤(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)的量的启发,构建出科学的模型
答案 B
9.下图为某同学在学习DNA的结构后画的含有两个碱基对的DNA片段(“○”代表磷酸基团),下列为几位同学对此图的评价,其中正确的是( )
A.甲说:
“物质组成和结构上没有错误”
B.乙说:
“只有一处错误,就是U应改为T”
C.丙说:
“至少有三处错误,其中核糖应改为脱氧核糖”
D.丁说:
“如果说他画的是RNA双链则该图应是正确的”
答案 C
解析 图中有三处错误:
①核糖应改为脱氧核糖,②“U”改为“T”,③3,5-磷酸二酯键应建立于磷酸和脱氧核糖的3号碳位间。
10.某双链DNA分子中,鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基的54%。
其中α链上的碱基中,22%是腺嘌呤,28%是胞嘧啶,则β链中腺嘌呤占该链上所有碱基的比例和β链中的胞嘧啶占整个DNA分子中所有碱基的比例分别为( )
A.24%、13%B.23%、27%
C.48%、26%D.22%、28%
答案 A
解析 假设该DNA分子中碱基总数为200个,则G+C=108(个),又因G=C,所以G=C=54(个);已知Aα=100×22%=22(个),Cα=28个,又因Cα+Cβ=C,所以Cβ=54-28=26(个),则β链中C占整个DNA分子中所有碱基的比例为26÷200=13%。
关于腺嘌呤的计算,因为T=A=
=46(个),Aβ=46-22=24(个),则在β链中腺嘌呤占该链上所有碱基的比例为24%。
11.如图是DNA片段的结构图,请据图回答:
(1)图甲是DNA片段的________结构,图乙是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分子的基本骨架是由________和________交替连接而成的。
(4)碱基对之间通过________连接,碱基配对的方式为:
________与________配对;________与________配对。
(5)从图甲可以看出:
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________的________结构。
答案
(1)平面 立体(或空间)
(2)一条脱氧核苷酸长链的片段 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)反向 规则 双螺旋
解析
(1)从图中可以看出:
甲表示的是DNA分子的平面结构,而乙表示的是DNA分子的立体(空间)结构。
(2)图中2表示的是一条脱氧核苷酸长链的片段,而5表示的是腺嘌呤脱氧核苷酸。
(3)从甲图的平面结构可以看出:
DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接,排列在外侧构成了基本骨架。
(4)DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对,且有一定规律:
A与T配对,G与C配对。
(5)根据图甲可以判断:
组成DNA分子的两条脱氧核苷酸链是反向平行的;从图乙可以看出组成DNA分子的两条脱氧核苷酸链相互缠绕成规则的双螺旋结构。
12.根据相关知识回答下列问题。
(1)已知在DNA分子的一条单链中
=m,则另一条互补链中这种比例是________,这个比例关系在整个DNA分子中这种比例是________。
(2)如果在DNA分子的一条单链中
=n,则另一条互补链中这种比例是________。
(3)若DNA分子的一条单链中
=k,则另一条互补链中这种比例是________,而在整个DNA分子中这种比例是________。
(4)如果DNA分子的一条链中的A占15%,互补链中的A占25%,则整个DNA分子中A占________________。
答案
(1)
1
(2)n (3)k k (4)20%
【走进高考】
13.(2011·上海卷,27,改编)某双链D
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