人教版高中化学选择性必修3第四章生物大分子第三节核酸学案

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第三节　核酸
[学习目标]　1.能辨识核糖核酸、脱氧核糖核酸中的磷酯键，能基于氢键分析碱基的配对原理。能说明核糖核酸、脱氧核糖核酸对于生命遗传的意义。2.了解脱氧核糖核酸、核糖核酸的结构特点和生物功能。认识核酸的意义，体会化学科学在生命科学发展中所起的重要作用。
任务一　核酸的组成
1．分类
分类依据：根据组成中所含戊糖的不同。
2．组成
(1)基本单元：核苷酸。
核苷酸由磷酸、戊糖和碱基结合而成。核酸是由许多核苷酸单体形成的聚合物，是一种生物大分子。
核酸在酶的作用下，可以发生水解反应，过程如图所示：
(2)戊糖
(3)碱基
脱氧核糖核酸(DNA)中的碱基
核糖核酸(RNA)中的碱基
[交流研讨]　腺嘌呤核苷和腺嘌呤核苷酸是生产核酸类药物的中间体，请在以下结构简式中圈出戊糖、碱基和磷酸所对应的部分。
提示：
1．分析下面的概念图，下列叙述正确的是(　　)
A．a表示的碱基有5种
B．b表示的是核糖
C．d表示核糖核苷酸
D．d表示脱氧核糖核苷酸
答案：D
解析：组成DNA的基本单元是脱氧核糖核苷酸，脱氧核糖核苷酸由磷酸、脱氧核糖和碱基组成，所以a表示碱基。DNA中的碱基有4种，A错误；b表示脱氧核糖，B错误；d表示脱氧核糖核苷酸，C错误、D正确。
2.如图1是脱氧核糖核酸(DNA)的结构片段，它的碱基中胞嘧啶的结构如图2，下列说法正确的是(　　)
A．脱氧核糖核酸中含有的化学键都是不同原子形成的极性共价键
B．2-脱氧核糖(C5H10O4)与葡萄糖属于同系物，都能发生银镜反应
C．胞嘧啶的分子式为C4H5N3O，含有的官能团是氨基和酰胺基
D．脱氧核糖核酸由磷酸、2-脱氧核糖和碱基通过一定方式结合而成
答案：D
解析：根据脱氧核糖核酸的结构可知，其中含有的化学键既有不同原子间形成的极性共价键，也有碳原子之间形成的非极性共价键，A错误；2-脱氧核糖(C5H10O4)无醛基，不能发生银镜反应，B错误；胞嘧啶的分子式为C4H5N3O，含有的官能团有酰胺基、碳碳双键和氨基，C错误；图1为脱氧核糖核酸的结构片段，由其结构判断可知脱氧核糖核酸由磷酸、2-脱氧核糖和碱基通过一定方式结合而成，D正确。
DNA和RNA的对比
组成 脱氧核糖核酸(DNA) 核糖核酸(RNA)
磷酸 都含有
核苷 戊糖 脱氧核糖 核糖
碱基 相同 腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)
不同 胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶(U)
　　
任务二　核酸的结构和生物功能
1．核酸的结构
(1)DNA
①由两条多聚核苷酸链组成，两条链平行盘绕，形成双螺旋结构。核苷酸之间通过磷酯键连接。
②每条链中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，碱基排列在内侧。
③两条链上的碱基遵循碱基互补配对原则，通过氢键结合成碱基对，腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)配对，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)配对。
(2)RNA
①一般呈单链状结构，比DNA分子小得多。
②与DNA对比，核糖替代脱氧核糖，尿嘧啶(U)替代胸腺嘧啶(T)。
2．核酸的生物功能
(1)DNA分子
①基因：有一定碱基排列顺序的DNA片段含有特定的遗传信息。
②作用：DNA分子上有许多基因，决定了生物体的一系列性状。
③复制过程：亲代DNA分子两条链解开→作为母链为模板，在酶的作用下，利用游离的核苷酸各自合成一段与母链互补的子链→形成两个与亲代DNA完全相同的子代DNA分子。
(2)RNA分子：负责传递、翻译和表达DNA分子所携带的遗传信息。
(3)我国科学工作者的贡献
时间 贡献
1981年 人工合成了具有生物活性的核酸分子——酵母丙氨酸转移核糖核酸
1999年 参与了人类基因组计划
2002年 完成了水稻基因组图谱的绘制
[交流研讨1]　DNA分子的多聚核苷酸链中，核苷酸之间通过磷酯键连接。请类比蛋白质的结构，指出DNA分子、核苷酸和磷酯键分别对应蛋白质的哪些部分。
提示：。
[交流研讨2]　如图是核酸片段，据图回答下列有关问题：
(1)若图中为脱氧核苷酸链，则从碱基组成上看，还应有的碱基是什么？图中①和②各代表什么？
(2)若图中为核糖核苷酸链，则从碱基组成上看，还应有的碱基是什么？图中②代表什么？
(3)核酸分子的多样性由什么决定？蛋白质分子的多样性由什么决定？
提示：(1)T　磷酸　脱氧核糖。
(2)U　核糖。
(3)核酸分子的多样性由核苷酸的种类、数目和排列顺序三个因素决定，而蛋白质分子的多样性由氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构四个因素决定。
核酸分子的结构层次
　　
1．正误判断，错误的说明原因。
(1)DNA是生物体遗传信息的载体、蛋白质合成的模板。
(2)DNA分子由两条多聚核苷酸链组成，两条链平行盘绕，形成双螺旋结构。
(3)DNA分子每条链中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在内侧，碱基排列在外侧。
(4)RNA也是以核苷酸为基本构成单位，其中的戊糖和碱基与DNA中的不同，脱氧核糖替代了核糖，尿嘧啶(U)替代了胸腺嘧啶(T)。
答案：(1)正确。　(2)正确。　(3)错误。DNA分子每条链中的脱氧核糖和磷酸交替连接，应排列在外侧，碱基排列在内侧。　(4)错误。应该是核糖替代了脱氧核糖。
2．(2024·济南高二检测)下列关于如图所示过程的叙述错误的是(　　)
A．甲是磷酸，在不同的核苷酸中种类相同
B．乙是五碳糖，在DNA中是脱氧核糖，在RNA中是核糖
C．丙是碱基，在人体细胞遗传物质中有5种
D．丁是核苷酸，在一个细胞中有8种
答案：C
解析：甲是磷酸，在不同的核苷酸中种类相同，A项正确； 乙是戊糖，在DNA中是脱氧核糖，在RNA中是核糖，B项正确；丙是碱基，在人体细胞遗传物质DNA中有4种，即A、T、C、G，C项错误； 丁是核苷酸，在一个细胞中既有DNA又有RNA，所以有8种，即4种脱氧核糖核苷酸和4种核糖核苷酸，D项正确。
3．下列有关核酸的叙述正确的是(　　)
A．核酸对生物体的生长、繁殖、遗传、变异等起着决定性作用，是生命活动的控制者，大量存在于细胞核中
B．核酸指挥控制着蛋白质的合成、细胞的分裂，主要存在于细胞质中
C．生物体遗传信息的载体DNA，大量存在于细胞核中，决定蛋白质的合成
D．生物体遗传信息的载体RNA，大量存在于细胞质中，控制蛋白质的合成
答案：C
1．DNA与RNA完全水解后产物的特点是(　　)
A．部分碱基相同，戊糖相同
B．部分碱基不同，戊糖不同
C．碱基相同，戊糖不同
D．碱基不同，戊糖相同
答案：B
解析：DNA完全水解的产物是脱氧核糖，磷酸和碱基，RNA完全水解的产物是核糖，磷酸和碱基，部分碱基不同，戊糖不同。
2．物质M的结构简式如图，下列关于M的叙述正确的是(　　)
A．M是一种核苷酸
B．M中的碱基为嘧啶
C．该化合物能发生水解反应
D．M发生缩聚反应可以生成核酸
答案：C
解析：A项，M是一种核苷，错误；B项，M中的碱基为嘌呤，错误；C项，M是核苷，可以水解生成戊糖和碱基，正确；D项，核酸是核苷酸缩聚得到的，M没有磷酸基，不能发生缩聚反应，错误。
3．核酸检测为确认病毒感染提供了关键的支持性证据。某核糖核酸(RNA)的结构片段示意图如图，它在酶的催化作用下能完全水解生成戊糖、碱基和某酸。下列说法不正确的是(　　)
A．核酸也可能通过人工合成的方法得到
B．该核糖核酸水解生成的戊糖能溶于水
C．该核酸水解生成的碱基中含有氮元素
D．该核酸完全水解生成的酸是H3PO3
答案：D
解析：采用有机合成反应或酶促合成反应可进行核酸大分子的合成，A正确；碱基是形成核苷的含氮化合物，所以该核酸水解生成的碱基中含有氮元素，C正确；从图中分析可知，该核酸完全水解生成的酸是H3PO4，D错误。
4．(2024·云南龙陵高二期末)DNA指纹法在案件侦破工作中有着重要作用，从案发现场提取DNA样品，可为案件侦破提供证据，其中的生物学原理是(　　)
A．不同人体内的DNA所含的碱基种类不同
B．不同人体内的DNA所含的戊糖和磷酸不同
C．不同人体内的DNA的空间结构不同
D．不同人体内的DNA所含的脱氧核苷酸排列顺序不同
答案：D
解析：A.不同人体内的DNA所含的碱基种类相同，都是A、T、C、G，A项错误；B.不同人体内的DNA所含的五碳糖和磷酸相同，B项错误；C.不同人体内DNA的空间结构都是双螺旋结构，C项错误；D.遗传信息储藏在碱基对的排列顺序中，也就是所含的脱氧核苷酸的排列顺序，DNA指纹可为案件侦破提供证据的原理是人与人之间的遗传信息不同，D项正确。
课时测评21　核酸
(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)
题点一　核酸的组成
1．(2024·山东青州高二期末)下列物质中属于生物大分子的是(　　)
A．核苷酸　　　　　 B．硬脂酸甘油酯
C．核酸 D．聚乳酸
答案：C
解析：A.核苷酸是组成核酸的单体，不是生物大分子，A错误；B.硬脂酸甘油酯是脂肪，不是生物大分子，B错误；C.核酸是生物大分子，C正确；D.聚乳酸是人工合成的，不是生物大分子，D错误。
2．下列有关核酸的叙述中错误的是(　　)
A．生物体内具有有遗传功能的大分子化合物
B．核酸包括 DNA和RNA
C．由含氮碱基、脱氧核糖和磷酸组成
D．核酸为生命之源
答案：C
解析：核酸包括 DNA和RNA，DNA由含氮碱基、脱氧核糖和磷酸组成，RNA由含氮碱基、核糖和磷酸组成，不能说核酸由含氮碱基、脱氧核糖和磷酸组成。
3．(2024·云南龙陵高二期末)构成DNA分子的4种脱氧核糖核苷酸的不同取决于(　　)
A．五碳糖的不同 B．碱基的种类
C．磷酸分子的多少 D．碱基对的排列顺序
答案：B
解析：核酸根据五碳糖的不同分为DNA和RNA，DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸，根据碱基不同，脱氧核糖核苷酸可分为4种。故构成DNA分子的4种脱氧核糖核苷酸的不同取决于碱基的种类。
题点二　核酸的结构
4．如图表示DNA分子结构中的一部分，其中连接碱基A与T的是(　　)
A．肽键 B．氢键
C．磷酯键 D．二硫键
答案：B
解析：DNA分子结构中不存在肽键，A错误；DNA分子结构中连接碱基A与T的是氢键，B正确；DNA分子结构中连接脱氧核苷酸的是磷酯键，C错误；DNA分子结构中不存在二硫键，D错误。
5．如图表示的是组成某种核酸的基本单元，下列有关叙述错误的是(　　)
A．该物质是组成RNA的基本单元
B．该物质仅含有C、H、O、N、P五种元素
C．图中碱基可能是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶或胸腺嘧啶
D．该物质组成的核酸参与遗传信息的传递过程
答案：C
解析：题图中物质含有磷酸、核糖和碱基，为核糖核苷酸，是组成RNA的基本单元，A项正确；核糖核苷酸的组成元素是C、H、O、N、P，B项正确；核糖核苷酸中不含胸腺嘧啶，C项错误；RNA参与遗传信息的传递过程，D项正确。
6．核酸是一种生物大分子，关于核酸的说法正确的是(　　)
A．核酸在酶的催化下水解可以得到核苷和戊糖
B．DNA两条链上的碱基通过形成氢链进行互补配对
C．核苷酸是磷酸与戊糖脱水形成的酯
D．腺嘌呤分子中的碳原子与氮原子杂化方式完全相同
答案：B
解析：核酸水解得到磷酸和核苷，核苷水解得到戊糖和碱基，其中戊糖有脱氧核糖和核糖，故A错误；DNA分子由两条多聚核苷酸链组成，每条链中的脱氧核糖与磷酸之间通过磷脂键连接，两条链上的碱基之间都是通过氢键而连接，故B正确；碱基与戊糖缩合形成核苷，核苷与磷酸缩合形成核苷酸，故C错误；腺嘌呤中六元环中的N原子为sp2杂化，—NH2中N原子为sp3杂化，C原子为双键的连接方式，因此只有sp2杂化的方式，故D错误；故答案选B。
7．如图为核苷酸的模式图，下列相关说法正确的是(　　)
A．DNA与RNA在核苷酸上的不同点只有②方面
B．如果②为核糖，则③有4种
C．③在生物体中共有8种，核酸彻底水解的产物也有8种
D．人体内的遗传物质彻底水解会得到8种产物
答案：B
解析：DNA与RNA的碱基上也有差异，DNA中有碱基T，RNA中有碱基U，A错误；如果②为核糖，则该核苷酸是核糖核苷酸，则③有A、C、G、U 4种，B正确；③在生物体中共有5种，核酸彻底水解的产物是脱氧核糖、核糖、磷酸和5种含氮碱基，C错误；人体内的遗传物质是DNA，彻底水解的产物是脱氧核糖、磷酸和4种含氮碱基，D错误。
8．(2024·北京昌平高二期末)脱氧核糖核酸(DNA)分子的局部结构示意图如下，它是由脱氧核糖、磷酸及碱基形成脱氧核糖核苷酸后，脱氧核糖核苷酸聚合成脱氧核糖核苷酸链进而形成的。
下列说法不正确的是(　　)
A．磷酸与脱氧核糖分子通过醚键结合
B．碱基分子在形成脱氧核糖核苷酸时均断N—H键
C．脱氧核糖、磷酸、碱基通过分子间脱水形成脱氧核糖核苷酸
D．碱基G与C、A与T互补配对原则的原因是氢键数目最多、结构最稳定
答案：A
解析：A.由图可知，磷酸与脱氧核糖分子通过磷酯键结合在一起的，A错误；B.由图可知，碱基和脱氧核糖核苷酸是紧密相连的，它们之间通过N—糖苷键连接，则碱基分子在形成脱氧核糖核苷酸时均断N—H键，B正确；C.碱基与脱氧核糖通过脱水缩合形成核苷，核苷分子中五碳糖上的羟基与磷酸脱水，通过磷酯键结合形成核苷酸，C正确；D.碱基之间形成的氢键数目越多，结构越稳定，故碱基G与C、A与T互补配对原则的原因是氢键数目最多、结构最稳定，D正确。
题点三　核酸的生物功能
9．人类首次合成的具有生命活性的蛋白质是(　　)
A．美国有机化学家合成的叶绿素
B．中国有机化学家合成的结晶牛胰岛素
C．日本化学家合成的嘧啶类物质
D．俄国科学家合成的核糖核酸类物质
答案：B
解析：叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，是一类含脂的色素，不属于蛋白质，A项错误；结晶牛胰岛素是具有生物活性的蛋白质，由中国有机化学家在世界上首次合成， B项正确；嘧啶类物质是一种碱性含氮杂环有机化合物，不属于蛋白质，C项错误；核糖核酸不属于蛋白质，D项错误。
10．下列说法不正确的是(　　)
A．组成天然蛋白质的氨基酸几乎都是α-氨基酸
B．利用盐析可以分离和提纯蛋白质
C．有一定碱基排列顺序的DNA片段含有特定的遗传信息
D．DNA主要存在于细胞核中，它根据RNA提供的信息控制体内蛋白质的合成
答案：D
解析：盐析不改变蛋白质的生理活性，只是使其暂时失去溶解性，利用多次盐析和溶解可分离、提纯蛋白质，故B正确；RNA主要存在于细胞质中，根据DNA提供的信息控制体内蛋白质的合成，故D错误。
11．(2024·甘肃兰州高二期末)病毒核酸采样管中的红色液体是一种样本保护液，其中含有胍盐，作用于病毒核酸保存。已知胍是有机一元碱，碱性与氢氧化钠相近；胍盐易水解为氨和尿素。以下说法错误的是(　　)
A．核酸和蛋白质都是生物大分子
B．核酸水解最终产物中含有磷酸、六碳糖和碱基
C．胍保存不当时易吸收空气中的CO2而变质
D．合理使用尿素可以促进农作物的生长，提高粮食产量
答案：B
解析：A.核酸和蛋白质都是生物大分子，A正确；B.核酸水解产物中含有磷酸、戊糖和碱基，戊糖为五碳糖，B错误；C.由题中信息可知胍的碱性与氢氧化钠相近，所以保存不当易吸收空气中的CO2而变质，C正确；D.化肥都不可以过度施用，D正确。
12．(2024·北京海淀高二期末)下图为DNA分子的局部结构示意图。下列说法不正确的是(　　)
A.DNA是一种生物大分子，分子中四种碱基均含N—H键
B．脱氧核糖分子、磷酸分子、碱基可通过脱水形成脱氧核糖核苷酸分子
C．—NH2氮原子能提供孤电子对与H＋的空轨道形成配位键，因此能与酸反应
D．图中虚线表示碱基互补配对(A和T、C和G)时形成的化学键
答案：D
解析：A.生物大分子是指生物体细胞内存在的蛋白质、核酸、多糖等大分子，DNA是一种生物大分子，分子中四种碱基均含N—H键，A正确；B.脱氧核糖分子、磷酸分子、碱基可通过脱水形成脱氧核糖核苷酸分子，B正确；C.—NH2氮原子能提供孤电子对与H＋的空轨道形成配位键，二者能形成—NH，使氨基表现出碱性，能与酸发生反应，C正确；D.由图可知虚线表示碱基互补配对(A和T、C和G)时形成的氢键，D错误。
13．核酸是细胞内重要的化合物，请回答下列有关核酸的问题：
(1)核酸的基本组成单元是________，请写出图中字母M、N、Q所表示的物质名称：M________、N________、Q________。
(2)核酸种类的不同是由于上图中N的不同，N有________种。组成DNA的N为________。
(3)上图中的Q共有________种。组成DNA的Q是________。
(4)绝大多数生物体的遗传物质是________，病毒的遗传物质是________。
答案：(1)核苷酸　磷酸　戊糖　碱基
(2)2　脱氧核糖
(3)5　A、G、C、T
(4)DNA　DNA或RNA
解析：(1)核酸的基本组成单元是核苷酸，是由一分子磷酸(M)和一分子戊糖(N)和一分子碱基(Q)组成的。(2)核酸由DNA和RNA组成，它们的主要区别是戊糖不同，有脱氧核糖和核糖2种，组成DNA的是脱氧核糖。(3)Q是碱基，在DNA和RNA中各有4种，但A、G、C是相同的，加上特有的T和U共5种。组成DNA的碱基是A、G、C、T。
14．核酸是由许多核苷酸聚合成的生物大分子，为生物体的最基本物质之一。核酸广泛存在于所有动植物细胞、微生物体内。如图A所示的分子结构为某种核糖核苷酸，已知分子结构的左上角基团为碱基——腺嘌呤；如图B是某DNA分子片段的示意图，请据图回答问题。
(1)图A中核苷酸与图B中核苷酸主要区别是戊糖和碱基不同，图A中核苷酸含有的戊糖是核糖，特有的碱基是________。
(2)人体细胞中含有的核酸包括DNA和RNA，人体细胞中遗传物质初步水解的产物是________。
(3)1953年沃森和克里克发现了DNA分子结构，称为________。
(4)图B中，作为DNA分子基本组成单元的结构7的中文名称是________。
(5)图B中DNA分子两条链的碱基排列在内侧，通过8相连，结构8表示________。
答案：(1)U(尿嘧啶)　(2)(4种)脱氧核苷酸
(3)双螺旋结构　(4)胸腺嘧啶脱氧核苷酸　(5)氢键
解析：(1)图A中核苷酸是核糖核苷酸、图B中核苷酸是脱氧核苷酸，二者的主要区别是戊糖不同(分别是核糖和脱氧核糖)、碱基不完全相同(分别是A、U、G、C和A、T、G、C)，核糖核苷酸中含有的戊糖是核糖，特有的碱基是U(尿嘧啶)。(2)人体细胞中含有的核酸包括DNA和RNA，其遗传物质是DNA，DNA初步水解的产物是(4种)脱氧核苷酸，彻底水解的产物是磷酸、脱氧核糖和碱基(A、T、G、C)。(4)图B中，作为DNA分子基本组成单元的结构7是胸腺嘧啶脱氧核苷酸，是由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子胸腺嘧啶形成的。(5)图B中DNA分子两条链的碱基排列在内侧，通过结构8(氢键)相连，每条单链上的磷酸和脱氧核糖交替连接形成DNA的基本骨架。
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