第2节 DNA的结构
[学习目标] 1.概述科学家构建DNA模型的研究历程。2.概述DNA的双螺旋结构模型的特点。3.依据DNA的结构特点，分析并掌握DNA结构的相关计算。
知识点一 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．构建过程
3．意义：是划时代的伟大发现，在生物学的发展中具有里程碑式的意义。
DNA的结构模型属于什么模型？
提示：物理模型。
[例] 下列关于在DNA结构模型构建相关的说法中，错误的是( )
A．威尔金斯和富兰克林提供了DNA的电子显微镜图像
B．沃森和克里克提出了DNA的双螺旋结构模型
C．研究DNA结构常用的方法是X射线晶体衍射法
D．查哥夫发现碱基A的量等于T的量、C的量等于G的量
解题分析 在DNA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。
答案 A
知识点二 DNA的结构
1．组成元素：C、H、O、N、P。
2．基本单位：脱氧核苷酸(4种)。
(1)组成：每个脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖、一分子含氮碱基构成，共有四种碱基，分别为A腺嘌呤、T胸腺嘧啶、G鸟嘌呤、C胞嘧啶。
(2)结构简式
脱氧核糖上与碱基相连的碳叫作1′－C，与磷酸基团相连的碳叫作5′－C。
3．DNA结构：双螺旋结构。
(1)DNA结构图
DNA的一条单链具有两个末端，一端有一个游离的磷酸基团，这一端称作5′－端，另一端有一个羟基(—OH)，称作3′－端。DNA的两条单链走向相反，从双链的一端起始，一条单链是从5′－端到3′－端的，另一条单链则是从3′－端到5′－端的。
(2)结构特点
①DNA是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
②DNA中的磷酸和脱氧核糖交替连接，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，叫作碱基互补配对原则。
在双链DNA中，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？
提示：一个或两个；一个或两个。
一条脱氧核苷酸链上相邻的两个碱基通过什么相连？
提示：脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖。
两条链的碱基通过什么相连？该片段中有几个游离的磷酸基团？
提示：氢键；2个。
一条DNA单链的序列是5′－CAGTAC－3′，那么它的互补链的序列是什么？
提示：5′－GTACTG－3′。
涉及到的基本骨架或基本支架有
(1)有机大分子：碳链。
(2)细胞骨架：蛋白质纤维。
(3)细胞膜基本支架：磷脂双分子层。
(4)DNA双螺旋结构基本骨架：脱氧核糖和磷酸交替连接。
[例1] 如图是4位同学拼制的DNA部分平面结构模型，正确的是( )
解题分析 一个脱氧核苷酸的磷酸基团与碱基分别连在脱氧核糖的5′－C和7′－C上。脱氧核苷酸之间的连接方式是一个脱氧核苷酸的磷酸和另一个脱氧核苷酸的脱氧核糖的3′－C连接。
答案 C
[例2] 下面对DNA结构的叙述中，错误的一项是( )
A．DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧
B．DNA中的两条链反向平行
C．DNA中氢键数目和碱基数目一定相等
D．DNA中在两条链的5′－端具有2个游离的磷酸基团
解题分析 在DNA中，脱氧核糖与磷酸交替连接，排列在DNA外侧，共同构成DNA的基本骨架，A正确；DNA两条链反向平行，B正确；A—T间是2个氢键，G—C间是3个氢键，氢键数目和碱基数目不相等，C错误；DNA一条链的5′－端具有游离的磷酸基团，DNA由两条反向平行的链构成，因此具有两个游离的磷酸基团，D正确。
答案 C
技法提升
“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分子脱氧核苷酸的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；
三看内侧碱基之间配对是否遵循碱基互补配对原则。
知识点三 制作DNA双螺旋结构模型及DNA相关计算
1．制作DNA双螺旋结构模型
(1)组装“脱氧核苷酸模型”：利用材料制作若干个脱氧核糖、磷酸和碱基，组装成若干个脱氧核苷酸。
(2)制作“多核苷酸长链模型”：将若干个脱氧核苷酸依次穿起来，组成两条多核苷酸长链。注意两条长链的单核苷酸数目必须相等，碱基之间能够互补配对。
(3)制作DNA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，注意两条链的方向相反。
(4)制作DNA的立体结构(双螺旋结构)模型：把DNA平面结构旋转，即可得到一个DNA的双螺旋结构模型。
2．DNA相关计算
分析上图可得出以下规律
(1)DNA双链中互补的两个碱基数量相等，即A＝T，C＝G。
(2)DNA双链中，两个不互补的碱基之和比值相等，并为碱基总数的，即(A＋G)/(A＋G＋T＋C)＝(T＋C)/(A＋G＋T＋C)＝(A＋C)/(A＋G＋T＋C)＝(T＋G)/(A＋G＋T＋C)＝。
(3)一条链中互补的两碱基的和占该单链的比等于其互补链中这两碱基占互补链的比，等于DNA双链中这两种碱基的和占碱基总数的比例，即＝＝，
＝＝。
(4)若一条链中(A1＋G1)/(T1＋C1)＝K，则另一条链中(A2＋G2)/(T2＋C2)＝。
(5)不同DNA，值不同。
DNA中，以下碱基关系哪些是一定成立的？
①A1＝T1、A2＝T2、C1＝G1、C2＝G2
②A1＝T2、A2＝T1、C1＝G2、C2＝G1
③A＝T、C＝G ④＝＝ ⑤A＋T＝C＋G ⑥＝＝ ⑦A＋G＝T＋C
提示：②③④⑦。
[例1] 某基因含有腺嘌呤的分子数为15%，含胞嘧啶的分子数为( )
A．15%
B．35%
C．70%
D．85%
解题分析 DNA中，任意两个不互补的碱基之和占碱基总数的50%，即A＋C＝50%，A＝15%，所以C＝35%。
答案 B
[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，26%是A,20%是C，那么其互补链中的A和C分别占该链全部碱基的百分比是( )
A．28%和22%
B．30%和24%
C．26%和20%
D．24%和30%
解题分析 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%。
答案 B
[例3] DNA的一条单链中(A＋G)/(T＋C)＝0.4。上述比例在其互补单链和整个DNA中分别为( )
A．0.4、0.6
B．2.5、1.0
C．0.4、0.4
D．0.6、1.0
解题分析 根据碱基互补配对原则，在整个DNA中，因为A＝T、G＝C，所以(A＋G)/(T＋C)比值为1.0。在双链DNA中，一条链上的(A＋G)/(T＋C)与另一条链上(A＋G)/(T＋C)互为倒数，因而互补链中(A＋G)/(T＋C)＝2.5。
答案 B
技法提升
解答碱基计算题目的三个步骤
第一步：搞清题中所给出的碱基数或碱基数的和是占单链的比例还是双链的比例，所求的是占整个DNA的比例还是占其中一条链的比例。
第二步：画出一个DNA模式图，并在图中标出已知和所求的碱基。
第三步：根据碱基互补配对原则及有关规律进行计算。
1．有一对氢键连接的脱氧核苷酸，已知它的结构中有一个腺嘌呤，则它的其他组成应是( )
A．三个磷酸、三个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶
B．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胞嘧啶
C．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶
D．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个尿嘧啶
答案 C
解析 据碱基互补配对原则可知，另一个碱基为T，两个脱氧核苷酸含有两个磷酸和两个脱氧核糖。
2．已知1个DNA中有4000个碱基对，其中胞嘧啶有2200个，这个DNA中应含有的脱氧核苷酸的数目和腺嘌呤的数目分别是( )
A．4000个和900个
B．4000个和1800个
C．8000个和1800个
D．8000个和3600个
答案 C
解析 每个脱氧核苷酸含有一个碱基，有4000个碱基对，所以含有8000个脱氧核苷酸。双链DNA中，不互补的两种碱基之和占全部碱基总数的50%，即A＋C＝4000，故A＝1800。
3．如图所示为DNA的某一片段，下列相关叙述正确的是( )
A．构成DNA的基本单位是⑦
B．DNA中⑤相对含量越多越稳定
C．图中④的种类由③决定，共有5种
D．⑥构成DNA的基本骨架
答案 B
解析 图中⑦是脱氧核苷酸链，构成DNA的基本单位是脱氧核苷酸，应是④，A错误；⑤表示碱基之间的氢键，DNA中其相对含量越多越稳定，B正确；图中④是脱氧核苷酸，其种类由③碱基决定，共有A、G、C、T四种，C错误；⑥是碱基对，脱氧核糖②和磷酸①交替连接构成DNA的基本骨架，D错误。
4．如图表示某大肠杆菌DNA结构的片段，请据图回答：
(1)图中1表示________，2表示________。1、2、3结合在一起的结构叫__________________。
(2)3有________种，中文名称分别是______________。
(3)DNA中3与4是通过________连接起来的。
(4)DNA被彻底氧化分解后，能产生含N废物的是________。
(5)脱氧核苷酸中，磷酸基团和碱基分别连在脱氧核糖的________和__________________上。
答案 (1)磷酸 脱氧核糖 脱氧核糖核苷酸
(2)两 鸟嘌呤、胞嘧啶
(3)氢键 (4)含氮碱基
(5)5′－C 1′－C
解析 图示为DNA片段，1代表磷酸基团，2是脱氧核糖，3、4代表含氮碱基。两条链之间通过碱基对间的氢键相连。[基础对点]
知识点一 DNA双螺旋结构模型的构建
1.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以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链的基础上，这4种脱氧核苷酸分别含有A、T、G、C
4种碱基
B．威尔金斯和富兰克林通过对DNA衍射图谱的有关数据进行分析，得出DNA呈螺旋结构
C．沃森和克里克曾尝试构建了多种模型，但都不科学
D．沃森和克里克受腺嘌呤(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
解析 沃森和克里克依据威尔金斯和富兰克林提供的DNA衍射图谱及有关数据，推算出DNA呈双螺旋结构。
知识点二 DNA的结构
2.关于DNA的描述错误的是( )
A．每个DNA都由两条脱氧核苷酸链缠绕而成
B．两条链的碱基严格的遵循互补配对原则
C．DNA双链的互补碱基对之间以氢键相连
D．两条链反向平行排列
答案 A
解析 DNA一般是由2条链组成，有的DNA是单链DNA，A错误；DNA两条链上的碱基遵循A与T配对、G与C配对的碱基互补配对原则，B正确；双链DNA上互补的碱基由氢键连接形成碱基对，C正确；双链DNA的两条链从方向上看是反向平行的，D正确。
3．在下列DNA结构的模式图中，正确的是( )
答案 A
解析 一看DNA外侧的基本骨架是否由磷酸与脱氧核糖交替连接而成，据此可知，D错误；二看两条单链是否反向平行，据此可知，B错误；三看内侧碱基之间是否遵循碱基互补配对原则，如出现“同配”“错配”均不正确，C错误。
4．如果某DNA的一条链上的某段碱基排列顺序是5′－A—G—A—T—C—G—A—T－3′，则另一条链上对应的碱基排列顺序是( )
A．5′－A—G—A—T—C—G—A—T－3′
B．5′－G—A—G—T—C—G—T—A－3′
C．3′－T—C—T—A—G—C—T—A－5′
D．3′－C—T—C—G—C—T—A—T－5′
答案 C
解析 DNA的两条单链反向平行，且根据碱基互补配对原则，即A与T配对，C与G配对，可对应写出另一条链的碱基排列顺序应该为
3′－T—C—T—A—G—C—T—A－5′。
5．在DNA的一条脱氧核苷酸链中，相邻的碱基A与T之间的连接结构是( )
A．氢键
B．—磷酸—脱氧核糖—磷酸—
C．肽键
D．脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖
答案 D
解析 DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，其连接方式如图所示，含氮碱基连接在脱氧核糖的1′－C，其5′－C连接的磷酸基团，磷酸基团连接在另一个脱氧核糖的3′－C上，因此DNA单链中，相邻碱基应通过两个脱氧核糖和一个磷酸连接。
6．下面为DNA的结构示意图，对该图的正确描述是( )
A．②和③交替排列，构成了DNA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越稳定
D．DNA中⑤⑥⑦⑧依次代表A、G、C、T
答案 D
解析 ②表示脱氧核糖，③表示碱基，①⑨表示磷酸，④表示A—T碱基对。DNA的基本骨架是由脱氧核糖(②)和磷酸(①⑨)交替连接而成，A错误；脱氧核苷酸的磷酸和碱基分别连在脱氧核糖的5′－C和1′－C上，因此胞嘧啶脱氧核苷酸由②③⑨组成，B错误；A与T之间的氢键有两个，G、C间的氢键有三个，G、C含量越多，氢键越多，DNA越稳定，C错误；根据碱基互补配对原则，⑤⑥⑦⑧依次代表A、G、C、T，D正确。
7．关于DNA结构的叙述，正确的是( )
A．组成双链DNA的脱氧核苷酸可以只有1种
B．每个脱氧核糖上均连着两个磷酸和一个碱基
C．双链DNA中，碱基的数目和脱氧核糖的数目是相等的
D．双链DNA中，A＋T＝G＋C
答案 C
解析 根据碱基互补配对原则，组成双链DNA的脱氧核苷酸至少有2种，A错误；位于DNA单链3′－端的脱氧核糖上只连着一个磷酸和一个碱基，B错误；一个脱氧核苷酸由一分子磷酸，一分子碱基，一分子脱氧核糖构成，因此双链DNA中，碱基的数目和脱氧核糖的数目是相等的，C正确；双链DNA中，根据碱基互补配对原则，有A＋G＝T＋C，A＋C＝T＋G，A＋T不一定等于C＋G，D错误。
知识点三 制作DNA双螺旋结构模型及DNA相关计算
8．在DNA分子模型搭建实验中，如果用一种长度的塑料片代表A和G，用另一长度的塑料片代表C和T，那么由此搭建而成的DNA双螺旋的整条模型( )
A．粗细相同，因为嘌呤环必定与嘧啶环互补
B．粗细相同，因为嘌呤环与嘧啶环的空间尺寸相似
C．粗细不同，因为嘌呤环不一定与嘧啶环互补
D．粗细不同，因为嘌呤环与嘧啶环的空间尺寸不同
答案 A
解析 A和G都是嘌呤碱基，C和T都是嘧啶碱基，在DNA分子中，总是A＝T，G＝C，依题意，用一种长度的塑料片代表A和G，用另一长度的塑料片代表C和T，则DNA的粗细相同。
9．下列关于双链DNA的叙述，不正确的是( )
A．若一条链上A和T的数目相等，则另一条链上的A和T数目也相等
B．若一条链上A的数目大于T，则另一条链上A的数目小于T
C．若一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，则另一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4
D．若一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，则另一条链上A∶T∶G∶C＝2∶1∶4∶3
答案 C
解析 A与T互补，所以一条链中的A、T相等，另一条链也相等，一条链中A大于T则互补链中T大于A，A、B正确；若一条链中A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，则互补链中A∶T∶G∶C＝2∶1∶4∶3，C错误，D正确。
10．经测定，青蛙体细胞中一段双链DNA中含有A碱基600个，占全部碱基总数的24%。那么，该双链DNA片段中C碱基所占比例和数量分别是( )
A．24%,600个
B．24%,650个
C．26%,600个
D．26%,650个
答案 D
解析 根据碱基互补配对原则，DNA双链中，两个非互补碱基之和占碱基总数的一半，即A＋C＝50%，则C占26%，C的数量为600÷24%×26%＝650(个)，D正确。
[能力提升]
11．如图为核苷酸链结构图，下列叙述不正确的是( )
A．能构成一个完整核苷酸的是图中的a和b
B．图中每个五碳糖都只有1个碱基与之直接相连
C．各核苷酸之间是通过化学键③连接起来的
D．该核苷酸链的5′－端具有1个游离的磷酸基团
答案 A
解析 核苷酸由1分子磷酸、1分子五碳糖和1分子碱基组成，且磷酸连接在五碳糖的5′－C上，碱基连接在五碳糖的1′－C上，图中能构成一个完整核苷酸的是a，b中的磷酸不属于该核苷酸，A错误；由题图可知，每个五碳糖都只有1个碱基与之直接相连，B正确；一个核苷酸的磷酸与另一个核苷酸的五碳糖的3′－C相连，形成磷酸二酯键，故核苷酸之间通过磷酸二酯键相连，③表示磷酸二酯键，C正确；核苷酸链的5′－端具有一个游离的磷酸基团，3′－端具有一个羟基(—OH)，D正确。
12．在一个双链DNA中，碱基总数为m，腺嘌呤碱基数为n，G与C之间形成3个氢键，A与T之间形成2个氢键。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
答案 D
解析 每个脱氧核苷酸中含一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基，故①中的等量关系正确；因G与C之间形成3个氢键，A与T之间形成2个氢键，故氢键数为2n＋3×(m－2n)/2＝(3m－2n)/2，②正确；因两条链中A＋T的总量为2n，故一条链中的A＋T的数量应为n，③正确；G的数量为(m－2n)/2＝m/2－n。
13．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的两条链的方向是____________的；从图乙可以看出组成DNA的两条链相互缠绕成__________________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
14．下列是一组有关双链DNA中含氮碱基的问题，请回答：
(1)若A占20%，则G占________。
(2)若双链DNA中A占20%，且一条链中的A占20%，则此链中C所占比例的最大值是_____________________________________________
___________________________。
(3)一条链中(A＋C)/(T＋G)＝0.4，互补链中的此值是________。
(4)一条链中(A＋T)/(C＋G)＝0.4，互补链中的此值是________。
(5)若A有P个，占全部碱基数的20%，则该DNA中的G有________个。
答案 (1)30% (2)60% (3)2.5 (4)0.4
(5)1.5P
解析 (1)由双链DNA的嘌呤碱基数占总碱基数的一半可知：A＋G＝50%，因而G占30%。
(2)由双链DNA中A占20%可知：该DNA中(A＋T)占40%，(C＋G)占60%，对任意一条链而言，某种碱基所占比例的最大值即该对碱基所占的比例，因而，C最多占该链的60%。
(3)由双链DNA中，一条链中的(A＋C)/(T＋G)与另一条链中的该比值互为倒数可知：其互补链中的(A＋C)/(T＋G)＝1/0.4＝2.5。
(4)由于双链DNA及其任意一条链中的(A＋T)/(C＋G)相等，可知其互补链中的(A＋T)/(C＋G)＝0.4。
(5)若A有P个，占全部碱基数的20%，则DNA的总碱基数为P/20%＝5P(个)，而由双链DNA的嘌呤碱基数占总碱基数的一半可知：A＋G＝，则G有2.5P－P＝1.5P(个)。
15．已知多数生物的DNA是双链的，但也有个别生物的DNA是单链的。有人从两种生物中提取出DNA，分析它们的碱基比例如下，请据表分析下列问题：
(1)从生物________的碱基比例来看，它的DNA的结构应为________链，是极少数病毒具有的。
(2)从生物________的碱基比例来看，它代表着大多数生物种类DNA的结构，其碱基数量关系为____________。
(3)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 (1)甲 单 (2)乙 A＝T，G＝C (3)B
解析 双链DNA碱基之间遵循碱基互补配对原则，即A＝T，G＝C，若A≠T，G≠C，则说明该DNA不是双链，而是单链，单链DNA存在于极少数病毒中。DNA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，氢键越多DNA的稳定性越强，因此，G和C含量多的生物，稳定性大于G与C含量少的生物。
