高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第2节 DNA的结构学案

第2节　DNA的结构

【主干知识梳理】

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．构建历程

3．模型的特点及意义

二、DNA的结构

三、制作DNA双螺旋结构模型

1．目的要求：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。

2．制作程序

【教材微点发掘】

1．下图为DNA的结构模式图，据图回答有关问题：

(1)写出图中相应序号表示的物质或结构：

①胸腺嘧啶；②脱氧核糖；③磷酸；④胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸；⑤胞嘧啶；⑥腺嘌呤_；⑦鸟嘌呤；⑧胞嘧啶。

(2)脱氧核糖中的1′C是指与碱基相连的碳，5′C是指与磷酸基团相连的碳。

(3)从图中看出DNA两条链是反向平行的依据是：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．在沃森和克里克在构建模型的过程中，借鉴利用了他人的哪些经验和成果？

提示：①当时科学界已发现的证据；②英国生物物理学家威尔金斯和富兰克林提供的DNA衍射图谱；③奥地利生物化学家查哥夫的研究成果：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。

 教材问题提示

(一)思考·讨论(教材第48、49页)

1．(1)DNA是由两条链构成的。它的立体结构为：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)DNA的基本骨架包括脱氧核糖和磷酸，它们排列在DNA的外侧。

(3)DNA中的碱基通过氢键连接成碱基对，它们位于DNA的内侧。碱基配对有一定的规律：A一定与T配对，G一定与C配对。

2．要善于利用他人的研究成果和经验；要善于与他人交流、合作，闪光的思想是在交流与碰撞中获得的；研究小组成员在知识背景上最好是互补的，对所从事的研究要有兴趣和激情等。

(二)探究·实践(教材第51页)

1．DNA虽然只含有4种脱氧核苷酸，但是碱基的排列顺序却是千变万化的。碱基排列顺序的千变万化，使DNA储存了大量的遗传信息。

2．(1)靠DNA碱基对之间的氢键维系两条链的偶联；(2)在DNA双螺旋结构中，由于碱基对平面之间相互靠近，形成了与碱基对平面垂直方向的相互作用力(该点可不作要求)。

3．可从DNA的结构来进行推测，如从碱基互补配对原则出发去思考。

新知探究(一)　DNA的结构

【探究·深化】

[问题驱动]　

坐落在北京中关村高新科技园区的DNA雕塑，以它简洁而独特的造型吸引着过往行人，它象征着中关村生生不息的精神，寓意创新的生命更加顽强。

（1）该双螺旋模型代表的双链之间通过什么键连接？

提示：氢键。

(2)该双螺旋模型代表的双链长度是否相等？为什么？

提示：相等。两条链之间通过碱基互补配对，所以两条链的脱氧核苷酸数目相等。

(3)DNA中的N、P分别存在于脱氧核苷酸的哪种成分中？

提示：N存在于含氮碱基中，P存在于磷酸基团中。

(4)为什么“G—C”含量越多的DNA越耐高温？

提示：G—C之间的氢键数量是3个，而A—T之间的氢键数量是2个，所以含“G—C”越多则结构越稳定，越不容易被高温破坏。

(5)DNA分子中，每个脱氧核糖均连接一个磷酸和一个碱基吗？

提示：DNA分子中，每个脱氧核糖均连接一个碱基；而除3′端的脱氧核糖只连接一个磷酸外，其他部位的脱氧核糖均连接两个磷酸。

[重难点拨]　

一、DNA分子的结构及特点

1．由图1得到以下信息：

(4)DNA初步水解的产物是脱氧核苷酸，彻底水解的产物是磷酸、脱氧核糖和含氮碱基。

2．图2是图1的简化形式，其中①是磷酸二酯键，②是氢键。

二、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都具有不同于其他DNA的特定的碱基排列顺序。

【典题·例析】

[典例]　λ噬菌体的线性双链DNA两端各有一段单链序列。这种噬菌体在侵染大肠杆菌后其DNA会自连环化(如图所示)，该线性分子两端能够相连的主要原因是(　　)

A．单链序列脱氧核苷酸数量相等

B．分子骨架同为脱氧核糖与磷酸

C．单链序列的碱基能够互补配对

D．自连环化后两条单链方向相同

[解析]　单链序列脱氧核苷酸数量相等和分子骨架同为脱氧核糖与磷酸都不是该线性DNA分子两端能够相连的原因，A、B错误；据图可知，单链序列的碱基能够互补配对，这是该线性DNA分子两端能够相连的主要原因，C正确；该线性DNA分子自连环化后两条单链方向相反，D错误。

[答案]　C

方法技巧————————————————————————————————

巧用“五、四、三、二、一”记忆DNA的结构

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【应用·体验】

1．如图是某DNA分子的部分结构示意图，下列叙述正确的是(　　)

A．该DNA分子中①与②比例为2∶1

B．该DNA分子的多样性与其空间结构有关

C．该DNA一条链中碱基⑥和③通过氢键相连

D．该DNA分子的两条链中⑥的数量可能不等

解析：答案：D　该DNA分子中①磷酸与②脱氧核糖的比例为1∶1，A错误；DNA分子的空间结构只有双螺旋结构一种，不具有多样性，B错误；处于一条链中的互补碱基不能通过氢键相连，C错误；一个DNA分子两条链中，某个碱基的数量可以不等，D正确。

2．下列关于威尔金斯、沃森、克里克、富兰克林和查哥夫等人在DNA分子结构构建方面突出贡献的说法，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、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

解析：答案：B　威尔金斯和富兰克林提供了DNA衍射图谱，A错误；查哥夫发现腺嘌呤的量总是等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量总是等于胞嘧啶的量，C错误；沃森和克里克提出了DNA双螺旋结构模型，D错误，故选B。

新知探究(二)　 DNA分子中有关碱基数量的计算

【拓展·深化】

1．碱基互补配对原则

在双链DNA分子中，A＝T，G＝C，A1＝T2，T1＝A2，G1＝C2，C1＝G2。如图：

2．DNA分子中碱基数量关系的规律

(1)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

(2)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。

(3)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”。

[思考·讨论]

(1)在整个双链DNA分子中，嘌呤总数是否等于嘧啶总数？在DNA分子一条单链中呢？

提示：整个双链DNA分子中，嘌呤总数等于嘧啶总数，因为A＝T，G＝C，所以A＋G＝T＋C。在DNA分子一条单链中，上述关系一般不成立。

(2)某双链DNA分子中，鸟嘌呤占23%，求腺嘌呤占多少？

提示：27%。

(3)在DNA的一条单链中，(A＋G)/(T＋C)＝0.4，上述比例在其互补链和整个DNA分子中分别是多少？

提示：2.5和1。

(4)若DNA的一个单链中，(A＋T)/(G＋C)＝0.4，上述比例在其互补链和整个DNA分子中分别是多少？

提示：0.4和0.4。

【典题·例析】

[典例1]　下面四个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，错误的是(　　)

[解析]　DNA分子中，(A＋C)/(T＋G)一定等于1；一条单链中(A＋T)/(G＋C)与其互补链中(A＋T)/(G＋C)及DNA分子中(A＋T)/(G＋C)都相等；一条单链中(A＋C)/(G＋G)与其互补链中(A＋C)/(T＋G)互为倒数，一条单链中(A＋C)/(T＋G)＝0.5时，则其互补链中(A＋C)/(T＋G)＝2。故选C。

[答案]　C

[典例2]　在一个DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基总数的54%。若其中一条链的胞嘧啶占该链碱基总数的22%，胸腺嘧啶占28%，则另一条链上，胞嘧啶、胸腺嘧啶分别占该链碱基总数的(　　)

A．24%、26%　　　　　 B．22%、28%

C．27%、23%  D．20%、30%

[解析]　已知双链DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的54%，即A＋T＝54%，则A＝T＝27%，C＝G＝50%－27%＝23%。又已知一条链上的胞嘧啶占该链碱基总数的22%、胸腺嘧啶占28%，即C1＝22%，T1＝28%，根据碱基互补配对原则，C＝(C1＋C2)÷2，所以C2＝24%，同理T2＝26%。故选A。

[答案]　A

方法规律————————————————————————————————

解答DNA分子中有关碱基计算的“三步曲”

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【应用·体验】

1．某同学欲制作DNA双螺旋结构模型，已准备了足够的相关材料。下列叙述正确的是(　　)

A．在制作脱氧核苷酸时，需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基

B．制作模型时，鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连

C．制成的模型中，腺嘌呤与胞嘧啶之和等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶之和

D．制成的模型中，磷酸和脱氧核糖交替连接位于主链的内侧

解析：答案：C　在制作脱氧核苷酸时，需在脱氧核糖上连接磷酸和碱基，A错误；鸟嘌呤和胞嘧啶之间由3个氢键连接，B错误；DNA的两条链之间遵循碱基互补配对原则，即A＝T、C＝G，故在制作的模型中A＋C＝G＋T，C正确；DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架，碱基在内侧，D错误。

2．某双链DNA分子含有400个碱基，其中一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4。下列表述正确的是(　　)

A．该DNA分子的另一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4

B．该DNA分子共有腺嘌呤60个

C．该DNA分子共有鸟嘌呤160个

D．其中一条链中(A＋T)/(G＋C)＝3/7，另一条链中(A＋T)/(G＋C)＝7/3

解析：答案：B　根据碱基互补配对原则，该DNA分子另一条链上A∶T∶G∶C＝2∶1∶4∶3，则A＋T占该链碱基总数的比例为30%，G＋C占70%，即DNA分子中A＋T占30%，G＋C占70%，共有A＝T＝400×(30%÷2)＝60(个)，G＝C＝400×(70%÷2)＝140(个)，A、C错误，B正确；该DNA分子一条链中(A＋T)/(G＋C)＝3/7，则另一条链中(A＋T)/(G＋C)＝3/7，D错误。

科学视野——DNA分子杂交技术和DNA指纹技术

DNA分子杂交的基础是具有互补碱基序列的DNA分子，可以通过碱基对之间形成氢键等，形成稳定的双链区。其基本原理就是应用核酸分子的变性和复性的性质，使来源不同的 DNA片段，按碱基互补关系形成杂交双链分子。DNA分子杂交技术可以用来比较不同种生物DNA分子的差异。当两种生物的DNA单链具有互补的碱基序列时，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链(如图所示)。形成杂合双链区的部位越多，说明这两种生物的亲缘关系越近。

人的遗传信息主要分布于染色体上的DNA中。两个随机个体具有相同DNA序列的可能性微乎其微，因此，DNA可以像指纹一样用来识别身份，这种方法就是DNA指纹技术。因为每个人的DNA指纹图是独一无二的，所以我们可以根据分析指纹图的吻合程度来帮助确认身份。

【素养评价】

1．已知病毒的核酸有双链DNA、单链DNA、双链RNA和单链RNA四种类型，现发现了一种新病毒，要确定其核酸属于上述哪一种类型，应该(　　)

A．分析碱基类型，确定碱基比率

B．分析碱基类型，分析五碳糖类型

C．分析蛋白质的氨基酸组成，分析碱基类型

D．分析蛋白质的氨基酸组成，分析核糖类型

解析：答案：A　含有碱基T的核酸为DNA，含有碱基U的核酸为RNA，双链DNA中A＝T，G＝C。分析碱基类型和五碳糖类型只能确定是DNA还是RNA，无法确定是双链还是单链结构，所以还得确定碱基比率。故选A。

2．如图为DNA测序仪显示的某真核生物DNA片段一条链的碱基排列顺序图片。其中图1的碱基排列顺序已经解读，其顺序是：GGTTATGCGT，那么图2显示的碱基排列顺序应该是(　　)

A．GCTTGCGTAT　　　　 B．GATGCGTTCG

C．TAGTCTGGCT  D．GCTGAGTTAG

解析：答案：B　图1为DNA测序仪显示的某真核生物DNA片段一条链的碱基排列顺序图片。图1的碱基排列顺序已经解读，其顺序是：GGTTATGCGT，所以图中碱基序列应从下向上读，且由左至右的顺序依次是ACGT，所以图2中碱基序列是：GATGCGTTCG，B正确。

3．DNA指纹技术正发挥着越来越重要的作用，可用于亲子鉴定、侦察罪犯等方面，请思考并回答下列有关DNA指纹技术的问题。

(1)DNA亲子鉴定中，DNA探针必不可少，DNA探针是一种已知碱基顺序的DNA片段。请问用DNA探针检测基因所用的原理是________________________________________。现在已知除了同卵双生双胞胎外，每个人的DNA都是独一无二的，就好像指纹一样，这说明：__________________________________________________。

(2)为了确保实验的准确性，需要克隆出较多的DNA样品。若一个只含31P的DNA分子被32P标记的脱氧核苷酸为原料连续复制3次后，含32P的单链占全部单链的________。

(3)DNA指纹技术可应用于尸体的辨认工作中，煤矿瓦斯爆炸事故中尸体的辨认就可借助于DNA指纹技术。

①如表所示为分别从尸体和死者生前的生活用品中提取的某条染色体上同一区段DNA单链的碱基序列，根据碱基配对情况判断(不考虑基因突变)，A、B、C三组DNA中不是同一人的是________组。

②为什么从尸体与死者家属提供的死者生前的生活用品中分别提取的DNA可以完全互补配对？______________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)DNA探针检测基因依据的原理是碱基互补配对原则和DNA分子的特异性。每个人的DNA独一无二，说明DNA分子具有多样性；每个人又有特定的DNA序列，说明DNA分子具有特异性。(2)一个双链被31P标记的DNA分子，在复制过程中，只能提供2条含31P的单链，复制3次后，得到8个DNA分子、16条脱氧核苷酸链，其中只有2条单链含31P，所以含32P的单链占全部单链的(16－2)/16＝7/8。(3)①分析表格可知，A组尸体中的DNA碱基序列和家属提供的DNA碱基序列能完全进行互补配对，但B组与C组的不能完全配对，说明B、C组不是同一个人的。②一个人的所有细胞都来自同一个受精卵的有丝分裂，不考虑基因突变时，家属提供的死者生前物品上的DNA与死者尸体中的DNA相同，碱基可以完全互补配对。

答案：(1)碱基互补配对原则和DNA分子的特异性　DNA分子具有多样性和特异性　(2)7/8　(3)①B、C　②人体所有细胞均由一个受精卵经有丝分裂产生，细胞核中均含有相同的遗传物质(或DNA)