2023-2024学年高一生物人教版（2019）必修第二册 学案 3.2 DNA的结构

第2节　DNA的结构
【学习目标】
1.通过分析科学家探索DNA结构的历程,领悟模型构建在研究中的应用,认同科学结论的获得离不开严谨的推理和确凿的实验证据,科学探究是一个不断深化的过程,技术进步、交流合作、多学科交叉渗透等,对于科学发展都具有重要的作用。(生命观念、社会责任)
2.基于对DNA结构特点的理解,分析并掌握DNA结构的相关计算。(科学思维、科学探究)
3.通过制作DNA双螺旋结构模型,加深对DNA结构特点的认识和理解,培养观察能力、动手能力及空间想象能力等,形成结构与功能观。(生命观念、科学思维、科学探究)
【自主预习】
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.DNA双螺旋结构模型的构建过程
二、DNA的结构
1.DNA双螺旋结构的主要特点
(1)DNA是由两条单链组成的,这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
(2)磷酸与脱氧核糖交替连接,排列在外侧,构成基本骨架,碱基排列在内侧。
(3)碱基之间通过氢键形成碱基对,A与T配对,之间有2个氢键;G与C配对,之间有3个氢键。
2.DNA的化学组成和基本单位
【合作探究】
任务1　探究DNA双螺旋结构模型的构建
活动1　阅读课本P48~50,梳理DNA结构的探究过程,构建DNA结构模型
1.沃森和克里克在构建DNA模型的过程中利用了他人的哪些经验和成果
提示　(1)英国物理学家威尔金斯和富兰克林提供的DNA衍射图谱。(2)奥地利生物化学家查哥夫的研究成果:在DNA中,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。
2.DNA的结构如图,请据图回答下列问题:
(1)由DNA的结构推知,脱氧核苷酸和含氮碱基的比例是多少 一条单链中的相邻碱基是怎样连接的
提示　1∶1。通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接。
(2)在双链DNA中,有几个游离的磷酸基团 一个磷酸与几个脱氧核糖相连 一个脱氧核糖与几个磷酸相连 两条链之间的碱基通过什么相连
提示　2个;1个或2个;1个或2个;氢键。
(3)若图中一条DNA单链的序列是5'-ACTGGT-3',那么它的互补链的序列是什么
提示　3'-TGACCA-5'。
(4)为什么G—C碱基对含量越多的DNA越耐高温
提示　因为G—C碱基对之间有3个氢键,而A—T碱基对之间有2个氢键,所以G—C碱基对含量越多,DNA结构越稳定,越不容易被高温破坏。
(5)乙比甲结构更稳定,为什么
提示　甲所示的是平面结构,乙是双螺旋结构,螺旋化使DNA分子的结构更稳定。
(6)不同DNA分子哪些方面会有所不同 (供选:脱氧核苷酸的数量、碱基种类、基本骨架、碱基对的排列顺序)
提示　脱氧核苷酸的数量和碱基对的排列顺序。
认知生成
1.DNA分子的双螺旋结构模型解读
2.利用数字“五、四、三、二、一”巧记DNA的结构
例1　下列关于威尔金斯、富兰克林、查哥夫、沃森和克里克等人在DNA分子结构构建方面的突出贡献的说法,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、G与C配对的正确关系
D.富兰克林和查哥夫发现A的量等于T的量、G的量等于C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,A错误;查哥夫发现了在DNA中A的量总是等于T的量、G的量总是等于C的量,沃森和克里克在此基础上提出了A与T配对、G与C配对的正确关系,并构建了DNA分子的双螺旋结构模型,B正确,C、D错误。
【技巧归纳】　　“三看法”判断DNA结构的正误
一看基本骨架的成键位置是否正确,正确的成键位置在一个脱氧核苷酸5号碳原子上的磷酸基团与相邻核苷酸的脱氧核糖的3号碳原子之间。
二看两条链是否反向平行。
三看内侧碱基之间的配对是否遵循碱基互补配对原则。
对点练1　(2023·泰安校考)下图表示DNA分子结构的片段,下列叙述正确的是(　　)。
A.②③交替连接,构成DNA分子的基本骨架,使其具有较强的特异性
B.正常情况下,该DNA分子中的嘌呤数与嘧啶数相等
C.该片段中共包含了 8个脱氧核苷酸、3种碱基
D.该DNA分子中G、C碱基对的比例较高,热稳定性较高
【答案】　B
【解析】　DNA分子呈独特的双螺旋结构,②是脱氧核糖,③是磷酸,两者交替连接,构成DNA分子的基本骨架,但DNA的特异性是因为DNA分子的碱基排列顺序不同,A错误;正常情况下,该DNA分子中的嘌呤与嘧啶通过氢键互补配对,所以两者数目相等,B正确;根据题图可知,一条链上含4个碱基,另一条链上的碱基与之互补配对,有A—T、G—C、T—A、C—G 4个碱基对,所以该片段中共包含了8个脱氧核苷酸、4种碱基,C错误;DNA分子中G、C碱基对之间含有3个氢键,氢键越多,则热稳定性较高,但从题图中看不出哪种碱基对的比例高,D错误。
任务2　制作DNA双螺旋结构模型及掌握相关计算
活动2　根据课本P51实践活动,制作DNA双螺旋结构模型,领悟相关计算原理
1.某同学用纸片、细线等材料及剪刀、针等工具制作了一个DNA双螺旋结构模型。回答下列与模型制作有关的问题:
(1)下图是该同学剪出来的一些小纸片,若C代表碱基,则A和B分别代表什么
A.　　　　　　　B.　　　　　　　C.碱基
提示　A表示磷酸,B表示脱氧核糖。
(2)如果用线段的条数表示碱基对之间氢键的数目,请用线段连接下列碱基对。
提示　A和T之间有2个氢键,G和C之间有3个氢键:。
(3)请画出含三个脱氧核苷酸的DNA单链图。
提示　画图时要注意:脱氧核糖的1号碳原子上连碱基,5号碳原子上连磷酸,3号碳原子上连另一个脱氧核苷酸的磷酸。如图:
2.结合DNA分子双螺旋结构模型的特点思考下列问题:
(1)DNA分子中A=T、G=C,每条链中也有该等量关系吗
提示　一般没有。
(2)为什么DNA分子中嘌呤和嘧啶数量相等
提示　碱基互补配对原则中,A总是和T配对,G总是和C配对,所以A=T,G=C,A+G=C+T。
(3)为什么“A+T”或“G+C”在整个双链上所占的比例与在每一条单链上所占的比例相等
提示　设在双链DNA分子中的一条链上A1+T1=n%,因为A1=T2,T1=A2,所以另一条链上T2+A2=n%,整个DNA分子中A+T=n%。即在双链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。
(4)如果一条链上=m,则其互补链上的值是多少
提示　双链DNA分子的一条链上=m,因为==m,所以互补链上=。即在双链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。
(5)DNA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分子可有多少种排列方式
提示　4n。
(6)DNA只含有4种脱氧核苷酸,为什么能够储存足够量的遗传信息
提示　碱基排列顺序的千变万化,使DNA能够储存大量的遗传信息。
认知生成
DNA的相关计算
在双链DNA分子中,A=T,G=C,即A1=T2,T1=A2,C1=G2,G1=C2。如下图:
规律一:在双链DNA分子中,嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数,各占全部碱基数的一半,或“不互补碱基之和相等,比值为1”。即A+G=T+C=A+C=G+T;(A+G)/(T+C)=(A+C)/(G+T)=1。
规律二:在双链DNA分子中,互补碱基之和的比值在两条链中和整个DNA分子中相等。即若(A1+T1)/(G1+C1)=m,则(A2+T2)/(G2+C2)=(A+T)/(G+C)=m。
规律三:在双链DNA分子中,不互补碱基之和的比值在两条链中互为倒数,在整个DNA分子中为1。即若(A1+G1)/(T1+C1)=n,则(A2+G2)/(T2+C2)=1/n;双链DNA分子中(A+G)/(T+C)=1。
注意:规律二和规律三可巧记为“补则等,不补则倒”。
例2　一条双链DNA,G和C占全部碱基的44%,其中一条链的碱基中,A占26%,C占20%,那么其互补链中的A和C分别占该链全部碱基的(　　)。
A.28%和22%　　　　　 B.30%和24%
C.26%和20% D.24%和30%
【答案】　B
【解析】　由=44%推出=44%,又因为A1=26%,C1=20%,推出G1=44%-20%=24%,T1=1-44%-26%=30%,则A2=T1=30%,C2=G1=24%。
对点练2　(不定项)已知基因M含有N个碱基、n个腺嘌呤,具有类似下图的平面结构,下列叙述正确的是(　　)。
A.基因M共有2个游离的磷酸基团
B.基因M的a链中(A+G)/(T+C)的值与b链中(A+G)/(T+C)的值相等
C.基因M含有鸟嘌呤的个数是(N-2n)/2
D.基因M的双螺旋结构中脱氧核糖和碱基交替排列在外侧,构成基本骨架
【答案】　AC
【解析】　基因M的每一条链有1个游离的磷酸基团,因此基因M含有2个游离的磷酸基团,A正确;由于两条DNA单链的碱基按照碱基互补配对的原则配对,即A=T,G=C,所以a链中(A+G)/(T+C)的值与b链中的(A+G)/(T+C)的值互为倒数,B错误;已知基因M含有N个碱基、n个腺嘌呤,即A=T=n,则C=G=(N-2n)/2,C正确;基因M的双螺旋结构中脱氧核糖和磷酸交替排列在外侧,构成基本骨架,D错误。
素能提升　DNA测序(科学探究能力)
下图1是用DNA测序仪测出的某生物的1个DNA片段上被标记的1条脱氧核苷酸链的碱基排列顺序(5'-TGCGTATTGG-3'),请回答下列问题:
(1)据图1推测,此DNA片段上的鸟嘌呤脱氧核苷酸数目是　　　　。
(2)根据图1脱氧核苷酸链的碱基排序可知,图2显示的脱氧核苷酸链碱基序列为　　　　　　　　　　(从上往下)。
(3)图1对应的DNA双链与图2对应的DNA双链中的(A+G)/(T+C)的值为　　　　,这是因为DNA双链中碱基数量关系是　　　　　　　。图1对应的DNA双链片段与图2对应的DNA双链片段中A/G的值分别为　　　　、　　　　,这体现了DNA的特异性。
【答案】　(1)5　(2)CCAGTGCGCC　(3)1　嘌呤数等于嘧啶数　1　1/4
【解析】　(1)图1显示的DNA片段1条链上鸟嘌呤脱氧核苷酸的数目是4,胞嘧啶脱氧核苷酸的数目是1,根据碱基互补配对原则,对应的互补链上还有1个鸟嘌呤脱氧核苷酸,即共有5个鸟嘌呤脱氧核苷酸。(2)图1对应的脱氧核苷酸链的碱基排列顺序已经解读出来,其顺序是TGCGTATTGG,所以图中碱基序列应从上向下读,且由左至右依次是A、C、G、T,所以图2对应的脱氧核苷酸链的碱基序列为CCAGTGCGCC。(3)在双链DNA中,碱基互补配对,嘌呤数等于嘧啶数,故(A+G)/(T+C)=1。根据图1对应的DNA片段的1条脱氧核苷酸链的碱基排列顺序,可计算出图1对应的DNA片段中A/G=(1+4)/(4+1)=1;同理可计算出图2对应的DNA片段中A/G=(1+1)/(3+5)=2/8=1/4。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
判断正误。 (1)DNA分子中的每个磷酸均连接着一个脱氧核糖和一个碱基。 (×) (2)双链DNA分子同时含有2个游离的磷酸基团,其中嘌呤碱基数等于嘧啶碱基数。 (√) (3)某双链DNA分子中一条链上A∶T=1∶2,则该DNA分子中A∶T=2∶1。 (×) (4)DNA分子的基本骨架由磷酸和核糖交替排列而成,且分布于外侧。 (×)
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