第2节 DNA分子的结构
学 习 目 标
核 心 素 养
1．了解科学家构建模型的研究历程。
2．理解并掌握DNA分子的结构特点，并掌握有关的计算规律。
3．学习制作DNA双螺旋结构模型。
1．领悟模型建构在研究中的应用，体会持之以恒的科学精神。
2．通过动手制作模型，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。
一、DNA双螺旋结构模型的构建
1．构建者：沃森和克里克。
2．构建过程
3．新模型的特点及意义
(1)特点：A—T碱基对与G—C碱基对具有相同的形状和直径，这样组成的DNA分子具有稳定的直径。
(2)意义
①能解释A、T、G、C的数量关系。
②能解释DNA的复制。
③模型与X射线衍射照片完全相符。
二、DNA分子的结构
1．结构图示
2．图示解读
基本组成元素
C、H、O、N、P
组成物质
[①]碱基，[②]脱氧核糖，[③]磷酸
基本组成单位
[④]脱氧核苷酸，共4种
整体结构
由两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构
结构
特点
外侧
由脱氧核糖和磷酸交替连接组成基本骨架
内侧
碱基之间通过氢键连接；遵循碱基互补配对原则，即T(胸腺嘧啶)一定与[⑥]腺嘌呤配对，C(胞嘧啶)一定与[⑦]鸟嘌呤配对
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．沃森和克里克在构建DNA双螺旋结构模型过程中，碱基配对方式经历了相同碱基配对到嘌呤与嘧啶配对的过程。 ( )
2．组成DNA分子的基本单位是4种脱氧核苷酸，其中所含的碱基是A、U、G、C。 ( )
3．在DNA分子中一定存在如下关系：C===T，A===G。 ( )
4．双链DNA分子中的每个磷酸都与2个五碳糖连接。 ( )
提示：1．√
2．× U(尿嘧啶)只在RNA中含有，DNA中含有的是T(胸腺嘧啶)。
3．× 在DNA分子双链上，A和T配对，C与G配对，一定存在的关系：A＝T，G＝C。
4．× 双链DNA分子中大多数磷酸与2个五碳糖连接，但位于末端的磷酸只与1个五碳糖连接。
DNA分子的结构
1．DNA分子的结构
(1)DNA单链：脱氧核苷酸分子连接成脱氧核苷酸链(如图)。
(2)DNA双链：两条脱氧核苷酸单链以氢键相连形成(如图)。
①每个DNA片段中○、?、?之间的数量比为1∶1∶1，游离的磷酸基团有2个；
②一条核苷酸链中相邻两个核苷酸通过磷酸二酯键相连；连接双链之间的化学键为碱基对之间的氢键；
③每个脱氧核糖(除两端外)连接着2个磷酸，分别在3号、5号碳原子上相连接；
④在DNA分子的一条单链中相邻的碱基通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相连接；
⑤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。
2．DNA分子的结构特性
(1)稳定性：DNA中脱氧核糖和磷酸交替连接的方式不变；两条链间碱基互补配对的方式不变。
(2)多样性：DNA分子中碱基对(脱氧核苷酸对)的排列顺序多种多样，构成了DNA的多样性→遗传信息的多样性→生物多样性。
(3)特异性：每种DNA有别于其他DNA的特定的碱基排列顺序。
巧学助记 DNA分子结构的“五、四、三、二、一”
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A的量等于T的量、C的量等于G的量
B [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A的量总是等于T的量、C的量总是等于G的量，沃森和克里克在此基础上提出了A与T配对、C与G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。]
2．下面为含有四种碱基的DNA分子结构示意图，对该图的正确描述是( )
A．③有可能是碱基A
B．②和③相间排列，构成DNA分子的基本骨架
C．①②③中特有的元素分别是P、C和N
D．与⑤有关的碱基对一定是A—T
D [该DNA分子含有四种碱基，且A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键，因此与⑤有关的碱基对一定是A—T，与③有关的碱基对一定是G—C，但无法确定③⑤具体是哪一种碱基。DNA分子的基本骨架是由磷酸和脱氧核糖交替连接构成的，应为图中的①②。①中特有的元素是P，③中特有的元素是N，而C并不是②所特有的，③中也含有C。]
DNA分子碱基比率的计算
1．碱基互补配对原则
A－T，G－C，如图所示。
2．有关推论
(1)规律一：一个双链DNA分子中，A＝T、C＝G，则A＋G＝C＋T，即“嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数”。
注意：一个双链DNA分子中，A＋T与C＋G不一定相等，而且一般都不相等。
(2)规律二：在双链DNA分子中，A＋T或C＋G在全部碱基中所占的比例等于其任何一条单链中A＋T或C＋G所占的比例。
由图知：A1＋T1＋G1＋C1＝m，A2＋T2＋G2＋C2＝m，整个双链DNA上的碱基总数为2m。
因为A1＝T2、T1＝A2，则A1＋T1＝A2＋T2，A＋T＝(A1＋T1)＋(A2＋T2)，＝＝
(3)规律三：在DNA双链中，一条单链的的值与另一条互补单链的的值互为倒数关系。简记为“不配对的碱基和之比在两条单链中互为倒数”。
注意 在整个DNA分子中该比值等于1。
(4)规律四：DNA双链中，一条单链的的值，与另一条互补链的的值是相等的，也与整个DNA分子中的的值是相等的。
注意 综合规律三、四可简记为“补则等，不补则倒”。
(5)规律五：不同生物的DNA分子中互补配对的碱基之和的比值不同，即(A＋T)/(C＋G)的值不同。该比值体现了不同生物DNA分子的特异性。
(6)规律六：若＝b%，则＝%。
(7)规律七：若已知A在双链中所占的比例为c%，则A1在单链中所占的比例无法确定，但最大值为2c%，最小值为0。
易错提醒：碱基数量计算的两个易错点
(1)看清单双链：所求的碱基占单链中的比例还是双链中的比例。
(2)看清“个”或“对”：题干中给出的数量是多少“对”碱基还是多少“个”碱基。
1．下列有关DNA分子的一条单链与其所在DNA分子中、一条单链与其互补链中碱基数目比值的关系图，不正确的是( )
C [本题主要考查对DNA分子碱基互补配对原则的理解。双链DNA分子中，(A＋C)/(T＋G)一定等于1，故A项正确；在DNA分子中，存在(A1＋T1)/(G1＋C1)＝(A2＋T2)/(G2＋C2)＝(A＋T)/(G＋C)，故B、D项正确；当一条链中存在(A1＋C1)/(T1＋G1)＝1时，其互补链中存在(A2＋C2)/(T2＋G2)＝(T1＋G1)/(A1＋C1)＝1，C项错误。]
2．某双链DNA分子中A＋T占整个DNA分子碱基总数的38%，其中一条a链上的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．41% B．38%
C．28% D．21%
A [在整个DNA分子中，A＋T＝38%，则G＋C＝62%。在a链上G＋C＝62%，由G＝21%，推知C＝62%－21%＝41%。根据碱基互补配对原则可知，在b链上G＝41%。]
方法规律：关于碱基含量计算的“两点两法”
(1)“两点”为两个基本点。
①A与T配对，G与C配对(A＝T，G＝C)。
②双链DNA分子中，嘌呤总数＝嘧啶总数＝1/2碱基总数(A＋G＝T＋C)。
(2)“两法”为双链法和设定系数法。
①用两条直线表示DNA分子的双链结构即双链法。
②设定系数法即设定一个系数来表示碱基的总数或碱基的数目。
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建
核 心 语 句 归 纳
1．DNA分子的双螺旋结构
(1)两条链反向平行。(2)脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架。(3)碱基通过氢键连接成碱基对，排列在内侧。
2．双链DNA分子中，嘌呤数＝嘧啶数，即A＋G＝T＋C。
3．互补碱基之和的比例在DNA的任何一条链及整个DNA分子中都相等。
4．非互补碱基之和的比例在两条互补链中互为倒数，而在整个DNA分子中比值为1。
5．在DNA分子中，含G－C碱基对越多的DNA分子相对越稳定。
1．在DNA分子的一条单链中，相邻的碱基A与T是通过下列哪种结构连接起来的( )
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—
B [在DNA分子的一条单链中，相邻碱基之间的连接是脱氧核苷酸之间的连接，故相邻的碱基A与T之间是通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”彼此连接起来的，B正确。]
2．如图为核苷酸的模式图，下列相关说法正确的是( )
A．DNA与RNA的不同点只体现在②处
B．若②为核糖，则③可以是胸腺嘧啶
C．在T2噬菌体中核苷酸共有8种
D．人体内的③有5种，②有2种
D [图中①②③分别是磷酸、五碳糖、含氮碱基。DNA与RNA的不同点体现在②③两处，A错误；若②为核糖，则③可以是A、U、C、G，但是不可能是T(胸腺嘧啶)，B错误：T2噬菌体是DNA病毒，只含有一种核酸，4种核苷酸，C错误；人体内有2种核酸，故有2种核糖，5种碱基，D正确。]
3．某双链DNA分子一条链上(A＋T)/(G＋C)的值为0.3，则在整个DNA分子中A∶T∶G∶C为( )
A．1∶1∶1∶1 B．2∶2∶3∶3
C．3∶3∶10∶10 D．10∶10∶3∶3
C [某双链DNA分子一条链上(A＋T)/(G＋C)的值为0.3，则另一条链上(A＋T)/(G＋C)的值也为0.3。又因A＝T、C＝G，故在整个DNA分子中A∶T∶G∶C＝3∶3∶10∶10，C项正确。]
4．甲生物核酸的碱基组成为嘌呤占46%、嘧啶占54%，乙生物遗传物质的碱基组成为嘌呤占34%、嘧啶占66%，则甲、乙生物可能是( )
A．发菜、变形虫 B．玉米、T2噬菌体
C．硝化细菌、绵羊 D．乳酸菌、SARS病毒
D [甲生物核酸的碱基组成中嘌呤数不等于嘧啶数，可能是含有DNA和RNA，也可能是只含有RNA一种核酸；乙生物遗传物质的碱基组成中嘌呤数不等于嘧啶数，说明只含有RNA，而上述答案中，只有D项中SARS病毒的遗传物质是RNA。]
5．如图为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分子中的______________和________________交替连接排列在外侧，构成基本骨架。
(4)连接碱基对的⑦是________，碱基配对的方式如下：即________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______________结构。
[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单链片段，而⑤表示的是腺嘌呤脱氧核苷酸。(3)从图甲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。
[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)反向平行 规则的双螺旋
教材课后习题 (教师用书独具)
一、基础题
1．胞嘧啶 腺嘌呤 鸟嘌呤 胸腺嘧啶 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．C 3.B
二、拓展题
A＋G＋T＋C A＋G＋T＋C T＋G A＋C T＋C
A＋G 相等 50%
课件48张PPT。第3章 基因的本质第2节 DNA分子的结构沃森和克里克 复制稳定的直径A、T、G、CC、H、O、N、P 碱基脱氧核糖磷酸脱氧核苷酸反向平行脱氧核糖磷酸碱基互补配对胸腺嘧啶腺嘌呤胞嘧啶鸟嘌呤DNA分子的结构 DNA分子碱基比率的计算 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十)
(建议用时：25分钟)
[合格基础练]
1．1962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
C [选项中成果与科学家之间的对应如下：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，获得了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。]
2．下列有关DNA分子结构的叙述，错误的是( )
A．双链DNA分子中含有两个游离的磷酸基团
B．DNA的一条单链上相邻的碱基之间通过氢键连接
C．嘌呤碱基与嘧啶碱基的结合保证了DNA分子空间结构的相对稳定
D．DNA分子两条链反向平行
B [DNA每条脱氧核苷酸链的一端有一个游离的磷酸基团，双链DNA分子中含有两个游离的磷酸基团，A正确；一条单链上相邻碱基通过脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖相连，B错误；碱基互补配对原则中，A与T配对、G与C配对，C正确；DNA双螺旋结构是由两条反向平行的脱氧核苷酸链构成的，D正确。]
3．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%
A [已知某双链DNA分子中，G＋C＝34%，则A＋T＝100%－34%＝66%，即一条链中G＋C＝34%，A＋T＝66%，该链中C＝18%，T＝32%，则G＝34%－18%＝16%，A＝66%－32%＝34%。根据碱基互补配对原则，在它的互补链中，C＝16%，T＝34%。]
4．在一个双链DNA分子中，碱基总数为m，腺嘌呤数为n，则下列有关叙述正确的是( )
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(3m－2n)/2
③一条链中A＋T的数量为n
④G的数量为m－n
A．①②③④ B．②③④
C．③④ D．①②③
D [在该DNA分子中，A＝T，C＝G，由此推出C＝G＝(m－2n)/2，又C与G之间有3个氢键，A与T之间有2个氢键，故一共有氢键数为3×(m－2n)/2＋2×n＝(3m－2n)/2。]
5．如图是DNA分子结构模式图，请据图回答下列问题。
(1)组成DNA的基本单位是[ ]________。
(2)图中1、2、6的名称依次为__________、______________、________。
(3)图中8表示__________________。在双链DNA分子中嘌呤与嘧啶之间的数量关系可表示为________________。
(4)上述DNA分子彻底水解得到的产物是( )
A．脱氧核糖、核糖和磷酸
B．脱氧核糖、碱基和磷酸
C．核糖、碱基和磷酸
D．核糖核苷酸、碱基和磷酸
(5)如图表示两个脱氧核苷酸之间靠氢键相连，其中正确的是( )
(6)从生物“适应的相对性”“基因突变的低频性”可见DNA作为遗传物质，其分子结构具有________性。
[解析] (1)组成DNA的基本单位是脱氧核苷酸，1个脱氧核苷酸分子由1分子磷酸、1分子脱氧核糖、1分子含氮碱基(A、T、G、C)组成。
(2)图中1为磷酸基团，2为脱氧核糖，6表示碱基对。
(3)DNA分子由两条链组成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构，图中8表示一条脱氧核苷酸链的片段，在双链DNA分子中嘌呤数与嘧啶数相等。
(4)DNA分子初步水解后形成四种脱氧核苷酸，彻底水解得到的产物是脱氧核糖、碱基和磷酸。
(5)DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成的，两个脱氧核苷酸之间靠氢键相连。
[答案] (1)5 脱氧核苷酸 (2)磷酸基团 脱氧核糖
碱基对 (3)一条脱氧核苷酸链的片段 嘌呤数＝嘧啶数(A＋G＝T＋C) (4)B (5)B (6)稳定
[等级过关练]
6．对DNA分子的碱基进行数量分析，可以通过检测其中某种碱基的数目及其比例来推断其他碱基数目及其比例。假如检测某DNA分子得知碱基A的数目为x，其比例为y，以下推断正确的有( )
A．碱基总数为x/y
B．碱基C的数目为x(0.5y－1)
C．嘌呤与嘧啶的比例为x/(1－y)
D．碱基G的比例为(1－y)/2
A [若DNA分子中碱基A的数目为x，其比例为y，则碱基总数为x/y，A项正确；由A知，碱基总数为x/y，则C＝G＝(1－2y)×x/y×1/2＝x(1－2y)/2y，B项错误；双链DNA分子中嘌呤与嘧啶相等，因此嘌呤与嘧啶的比例是1，C项错误；碱基G的比例是(1－2y)×1/2＝1/2－y，D项错误。]
7．不同生物或生物体不同器官(细胞)的DNA分子中有关碱基比例如下表：
生物或器
官(细胞)
酵母
菌
小麦
人
猪
牛
肝
胰
脾
肾
精子
肺
(A＋T)/
(G＋C)
1．08
1．21
1．52
1．43
1．43
1．43
1．30
1．29
1．30
(1)表中可见，不同种生物的DNA分子中(A＋T)/(G＋C)的值显著不同，这一事实表明，DNA分子结构具有________。
(2)牛的肾和肺的DNA比例相同，原因是____________________________；但精子与肾和肺的DNA碱基比例稍有差异，原因是_______________________。
(3)表中所列生物的DNA分子中，(A＋C)/(G＋T)或(A＋G)/(T＋C)的值差异显著吗？________。因为________________________。
(4)比较表中不同生物的DNA的碱基比例，________中DNA分子热稳定性最高，原因是_________________________。
[解析] (1)对于双链DNA分子而言，互补碱基和之比在不同生物体内有显著差异，体现了DNA分子的特异性。
(2)在同一生物体内，所有的体细胞均来自同一受精卵的有丝分裂，因而各体细胞内DNA分子相同，其碱基比例也相同。
(3)无论在哪种生物体内，双链DNA分子中A＝T，G＝C，所以(A＋C)/(G＋T)或(A＋G)/(T＋C)的比例均为1。
(4)G—C碱基对比例越高，DNA分子热稳定性越高。
[答案] (1)特异性
(2)它们是由同一受精卵经有丝分裂产生的体细胞构成的 精子是减数分裂的产物，虽然X、Y染色体是一对同源染色体，但X、Y染色体上的DNA分子有差异
(3)不显著 比值相等，均为1
(4)酵母菌 酵母菌DNA分子中，G—C碱基对含量比例最大
