第三章第二节 DNA分子的结构

(共46张PPT)
DNA分子的结构
历史的步伐
1、1866年，孟德尔提出两大遗传定律。
2、1883年，科学家发现马蛔虫精子和卵细胞中的染色体数目只有体细胞中的一半。
3、1890年，科学家确认了配子的产生要经过减数分裂。
4、1891年，科学家描述了减数分裂的全过程。
5、1903年萨顿在研究减数分裂时，发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系，提出染色体是遗传因子的载体。
6、1909年的约翰逊(W.Johannsen)称孟德尔假定的“遗传因子”为“基因”，并明确区别基因型和表现型。
7、1909年，摩尔根用果蝇进行遗传学研究，发现了伴性遗传极其规律。并由此证明基因在染色体上，且呈直线排列。
8、20世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和DNA组成的。
历史的步伐
9、 1928年格里菲思进行肺炎双球菌转化实验,提出了“转化因子”这一概念。
10、1944年艾弗里用分离提纯法研究肺炎双球菌的转化的实验，确认转化因子就是 DNA。
11、1952年赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验，确认DNA是遗传物质。
历史的步伐
阐明生命现象的规律，必须建立在阐明生物大分子结构的基础上。
——中国科学院院士 邹承鲁
DNA为什么能够起遗传作用呢？这与DNA的结构特点有密切关系。
DNA分子的结构
DNA化学组成
DNA全称叫 ，是主要的遗传物质。它的基本组成单位是 。
脱氧核糖核酸
脱氧核糖核苷酸
脱氧
核糖
含氮碱基
磷酸
A
G
C
T
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸腺嘧啶
A
G
C
T
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
四种脱氧核苷酸
这四种脱氧核苷酸是怎样连接起来的，DNA的空间结构到底是怎样的呢？
在上个世纪的四五十年代，在欧美科学家中间展开了一场：
DNA分子结构研究竞赛
英国皇家科学院
美国加州理工大学
英国剑桥大学
威尔金斯
富兰克林
沃 森
克里克
主要用模型建构法研究物质结构
主要用X射线衍射来研究DNA结构
DNA分子X射线衍射图
发现化学键的本质,发现蛋白质a螺旋
DNA分子双螺旋结构
兼收并蓄
博采众长
鲍 林
1954年
诺贝尔奖
获得者
X衍射技术是用X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术。这个方法可以用来推测晶体的分子排列。
沃森看到这张图时激动得话也说不出来，他的心怦怦直跳，从图上他断定DNA的结构是一个规则的螺旋体。他打定主意要制作一个DNA模型。他的这种想法得到了他的合作伙伴克里克的认可。于是他们两人便采用当时著名的化学家鲍林研究蛋白质结构的模型构建法，用纸和铁丝制作模型。
你第一眼看到此图
有什么感觉
1951年，富兰克林拍摄了DNA的X射线衍射图
模型构建法
就是搭建模型,也就是拼凑。就像小孩摆积木一样，在实验室里，用一些圆球来构建分子结构模型。
这种方法在科学上发挥着重要的作用。二十世纪的的四大发现：宇观世界的宇宙大爆炸模型、宏观世界的地壳构造板块模型、微观世界的物质结构夸克模型和DNA分子的双螺旋结构模型都是通过模型构建法得到的。
通过深入思考和反复尝试，沃森和克里克最终认定，DNA分子是由两条脱氧核苷酸长链盘旋成的双螺旋结构。
A
P
G
P
C
P
T
P
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
A
P
G
P
C
P
T
P
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧核糖和磷酸交替排列在内侧；
碱基排在外侧。
C
A
T
C
G
C
G
A
T
C
G
C
A
脱氧核糖和磷酸交替排列在外侧，
碱基排在内部,且同型碱基配对
A与A配对,
T与T配对，
C与C配对,
G与G配对.
A
T
C
G
A
T
C
G
G
G
A
A
碱基同型配对模型
1952年，奥地利生物化学家查哥夫提出：
A的量等于T的量，G的量等于C的量
来源 碱基的相对含量
腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T）
人 30.9 19.9 19.8 29.4
牛 27.9 22.7 22.1 27.3
大鼠 28.6 21.4 21.5 28.4
酵母菌 31.3 18.7 17.1 32.9
结核杆菌 15.1 34.9 35.4 14.6
小麦 27.3 22.7 22.8 27.1
噬菌体 21.3 28.6 27.2 22.9
沃森和克里克又兴奋起来，一个结构牢固的螺旋体模型在他们的脑海里构建起来：
让腺嘌呤A和胸腺嘧啶T配对; 鸟嘌呤G和胞嘧啶C配对。
鸟嘌呤脱氧核苷酸
胞嘧啶脱氧核苷酸
G
C
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
腺嘌呤脱氧核苷酸
T
A
T
A
T
G
C
A
G
C
1953年4月25日，英国《Nature》杂志刊登了沃森和克里克的大约900字的文章“核酸的分子结构——脱氧核糖核酸（DNA）的一个结构模型”。
双螺旋：寂静的登场
1、DNA分子结构的发现，在当年并未引起很大的轰动，引用科学史家奥尔贝的话来说是“双螺旋寂静的登场”。
2、英国只有一家全国性的报纸《新闻纪事》在1953年5月15日头版报道了这一消息，用了一个非常醒目和富有想像力的标题：“你为什么是你———逼近生命的奥秘” 。
3、“这个构造拥有一些全新的特征，对生物学来说具有相当的意义。”这句话，可能是科学史上最出名的低调表述之一。这是1953年4月25日出版的那期《自然》中，沃森与克里克文章中的一句话。50年后沃森也承认，当年他们并没有预想到这项突破会为我们开启了分子生物学及遗传学的大门。
4、九年后，即1962年，沃森和克里克以及威尔金斯因对发现DNA双螺旋结构做出的卓越贡献而获得诺贝尔奖。
左1：威尔金斯 左3：克里克 左5：沃森
DNA分子双螺旋结构的发现，在自然科学发展史上具有划时代意义。
1、在发现DNA结构的过程中涉及哪些学科的知识与方法
生物、物理、化学、数学等
2、通过DNA结构发现过程的学习，你学到哪些科学精神
敢想敢做，谦虚勤奋，团结合作，持之以恒
*
DNA的平面结构
A
P
G
P
C
P
T
P
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
A
P
脱氧
核糖
G
P
脱氧
核糖
C
P
脱氧
核糖
T
P
脱氧
核糖
脱氧
核糖
A
P
G
P
C
P
T
P
脱氧核糖
脱氧核糖
脱氧核糖
DNA的平面结构
碱基对
碱基对
氢键
*
碱基对
碱基对
嘌呤和嘧啶之间通过氢键连接配对，形成碱基对。且只能是A和T配对、C和G配对，这种碱基之间的一一对应的关系就叫做碱基互补配对原则。
A
T
G
C
氢键
DNA的平面结构
*
A
A
A
T
T
T
G
G
G
G
C
C
C
A
T
C
（1）整体：DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成的。
（2）外侧：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；
（3）内侧：两条链上的碱基排列在内侧通过氢键连结，形成碱基对，且遵循碱基互补配对原则。
DNA双螺旋结构的主要特点
DNA分子的结构特点
1）多样性
在生物体内，一个最短DNA分子也大约有4000个碱基对，碱基对有：A—T、T—A、G—C、C—G。请同学们计算DNA分子有多少种？
4 种 4n(n表示碱基对数)
4000
碱基对排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性，从而能够储存了大量的遗传信息。
2）特异性
每个DNA分子中的碱基对都有特定排列顺序，构成了每一个DNA分子的特异性。
DNA分子的结构特点
3) 稳定性
DNA分子外侧的脱氧核糖和磷酸交替连接的方式不变;
两条链之间碱基互补配对的方式不变。
DNA分子的结构特点
1.下图是DNA分子结构模式图，用文字填出1—10的名称。
P
P
P
P
A
C
T
G
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1、_____________________
2、 _________________________
3、 _________________________
4、 _________________________
5、 _________________________
6、 _________________________
7、 _________________________
8、 _________________________
9、 _________________________
10、 _________________________
胞嘧啶（C）
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
胸腺嘧啶（T）
脱氧核糖
磷酸
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
碱基对
氢键
一条脱氧核苷酸链的片段
2、已知某DNA分子片段一条链中的碱基排列顺序为GTGACTGAC，另一条链中的碱基排列顺序是 _________________。
碱基互补原则：腺嘌呤(A)一定与胸腺嘧啶(T)配对,鸟嘌呤(G)一定与胞嘧啶(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。
思考 ：
DNA分子中A和T，G和C的数量关系？
碱基互补配对原则及应用
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
A+G = T+C
在双链DNA分子中，A的总数等于T的总数；G的总数等于C的总数。即 ：
A=T
G=C
嘌呤总数等于嘧啶总数
互补碱基总数相等
A+C = T+G
任意两种非互补碱基之和的总数相等，各占碱基总数的50%
思考 ：A+T和G+C的数量关系？
=50%
=50%
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
(A+G)/(T+C) =？ (A+C)/(T+G) =？
(T+C)/(A+G) =？ (T+G)/(A+C) =？
(A+T)/(G+C) =？ (G+C)/(A+T) =？
练习
任意两个不互补碱基之和恒等，各占碱基总数的50%；
不互补碱基之和的比值等于1．
互补碱基之和的比值具有物种特异性。
在双链DNA分子中，计算：
A
C
T
G
T
G
C
C
A
A
C
A
T
G
G
G
C
A
T
T
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
①
②
A1=T2
T1=A2
G1=C2
C1=G2
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
练习
A+T
G+C
A2 +T2
G2 +C2
A 1+T1
G1+C1
=n
已知：
求：
=n
=n
任意一条单链中互补碱基之和的比值和双链中互补碱基之和的比值都是相等的
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
1
m
A2+G2
T2+C2
=
T1+C1
=
m
A1+G1
已知：
求：
A+G
T+C
= 1
1
X
A2+C2
T2+G2
=
T1+G1
=
X
A1+C1
A+C
T+G
= 1
一条单链中两个非互补碱基之和的比值等于另一互补单链中这一比值的倒数
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
练习
A+T
A+T+G+C
=
A 1
T 2
T 1
A2
G 1
C 2
C 1
G 2
DNA双链
A 2 +T 2 +G 2 +C 2
A 2 +T 2
=
A 1 +T 1 +G 1 +C 1
A 1 +T 1
=
m%
m%
m%
已知：
求：
双链DNA分子中，互补碱基之和占整个DNA分子碱基总数的百分比等于其中任何一条链中互补碱基之和占该链碱基总数的百分比。
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
练习
G + C
A+T+G+C
=
A 1
T 2
T 1
A2
G 1
C 2
C 1
G 2
DNA双链
A 2 +T 2 +G 2 +C 2
G 2 +C 2
=
A 1 +T 1 +G 1 +C 1
G 1 +C 1
=
W%
W%
W%
已知：
求：
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
练习
A 1 +T 1 +G 1 +C 1
A 1 +G 1
=
n%
已知：
A 1
T 2
T 1
A2
G 1
C 2
C 1
G 2
DNA双链
A+G
A+T+G+C
=
A 2 +T 2 +G 2 +C 2
A 2 +G 2
=
1 - n%
50%
求：
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
练习
A 1 +T 1 +G 1 +C 1
T 1 +C 1
=
m%
已知：
A 1
T 2
T 1
A2
G 1
C 2
C 1
G 2
DNA双链
T + C
A+T+G+C
=
A 2 +T 2 +G 2 +C 2
T 2 +C 2
=
1 - m%
50%
求：
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
练习
A 1 +T 1 +G 1 +C 1
A 1
=
n%
已知：
A 2 +T 2 +G 2 +C 2
A 2
=
m%
求：
A +T +G +C
A
=
n% + m%
2
碱基互补配对原则的应用----碱基计算
练习
A 1 +T 1 +G 1 +C 1
C 1
=
a%
已知：
A 2 +T 2 +G 2 +C 2
C 2
=
b%
求：
A +T +G +C
C
=
a% + b%
2
在双链DNA分子中某碱基的比值等于该DNA分子每一条单链中该碱基比值之和的一半
1、某双链DNA分子的碱基中，鸟嘌呤占30%，则胸腺嘧啶为________
2、一个DNA分子的碱基中，腺嘌呤占20%，那么在含有100个碱基对的DNA分子中，胞嘧啶应是________
3、 DNA分子的一条单链中，A=20%，T=22%，求整个DNA分子中G= _____
20%
60个
29%
4.双链DNA分子四种碱基之间的关系，下列哪项因物种而异（ ）
A、（A+C）/（T+G） B、（A+G）/（T+C）
C、（A+T）/（G+C） D、 A/T 或 G/C
5.在一个DNA分子中，腺瞟呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基总数的42％，若其中一条链中的胞嘧啶占该链碱基总数的24％，胸腺嘧啶占30％，那么在其互补链上，胞嘧啶和胸腺嘧啶分别占（ ）
A．12%、34% B.21%、24%
C. 34%、12% D.58%、30%
C
C