人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第2节 DNA的结构导学案

第2节　DNA的结构

1.通过尝试制作DNA双螺旋结构的模型,概述DNA分子的结构及特点,领悟人们在探索DNA分子结构历程中的科学方法与科学精神。

2.基于对DNA的结构及特点的理解,进一步形成结构与功能相适应的观念。

3.运用数学方法分析DNA分子的结构,阐述碱基多种多样的排列顺序蕴含着丰富的遗传信息。

新知探究一　DNA的结构及其模型构建

资料1:20世纪30年代,人们已经认识到DNA是由脱氧核苷酸连接而成的长链;组成DNA分子的脱氧核苷酸有4种,每1种含有1个特定的碱基。思考讨论下列问题。

问题(1):每个脱氧核苷酸是由哪些小分子组成的?组成DNA的碱基有哪几种?尝试构建脱氧核苷酸的结构模型。

提示:脱氧核糖、磷酸和含氮碱基。腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)。

问题(2):DNA中的N、P分别存在于脱氧核苷酸的哪一种成分中?

提示:N存在于含氮碱基中,P存在于磷酸基团中。

问题(3):脱氧核苷酸长链是如何构成具有双螺旋结构的DNA分子的?配对有什么规律?

提示:两条脱氧核苷酸长链反向平行,通过碱基对连接在一起。A与T配对,G与C配对。

问题(4):下图为某同学制作的DNA双螺旋结构模型,请找出图中的错误有几处,分别是什么。

提示:4处;核糖应为脱氧核糖;碱基U应为T;磷酸二酯键连接位置应该在脱氧核糖与磷酸基团之间;C、G间氢键数应为三个。

问题(5):现有M、N两个均含有200个碱基的双链DNA分子,其中M分子中共有260个氢键,N分子中含有20个腺嘌呤,那么M、N分子中有C—G碱基对各多少个?这两个DNA分子中哪个结构更稳定?

提示:由题意可知M分子中有A—T碱基对 40个,C—G碱基对60个,N分子中A—T碱基对有20个,则G—C碱基对有80个,氢键共有20×2+80×3=280(个);氢键越多的DNA分子越稳定,因此N分子更稳定。

资料2:某研究小组绘制了DNA分子的两种结构模型图,试回答下列问题。

问题(6):每个DNA片段中游离的磷酸基团有几个?

提示:2个。

问题(7):在DNA分子的一条单链中相邻的碱基如何连接?

提示: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。

问题(8):DNA的空间结构有什么特点?

提示:是规则的双螺旋结构。

DNA分子的结构

(1)结构图示

(2)图示解读

(3)特异性:每种DNA有别于其他DNA的特定的碱基排列顺序。

1.下列是脱氧核苷酸的结构图,正确的是(　D　)

解析:组成脱氧核苷酸的各种分子间正确的连接方式是磷酸—脱氧核糖—含氮碱基,并且含氮碱基应连接在脱氧核糖的1号碳原子上,磷酸连接在脱氧核糖的5号碳原子上。

2.下列关于DNA分子结构的叙述中,不正确的是(　D　)

A.每个DNA分子中通常都含有四种脱氧核苷酸

B.DNA分子的两条链反向平行

C.DNA两条链上的碱基以氢键相连,且A与T配对,G与C配对

D.DNA分子长链的每个脱氧核糖上均连接着一个磷酸和一个碱基

解析:DNA分子长链结束部位的脱氧核糖上连接着一个磷酸和一个碱基,其他脱氧核糖上连接两个磷酸和一个碱基。

新知探究二　DNA结构中碱基的数量关系

活动:观察教材P50图38“DNA的结构模式图”,可以看出碱基之间通过氢键连接形成碱基对,遵循碱基互补配对原则,双链DNA分子中碱基数量存在如下关系:

思考下列问题。

问题(1):任意两种不互补的碱基数量之和占总碱基数的比例是多少?

提示:50%。

问题(2):若一条链中互补的两种碱基之和占该单链碱基数的比例为m,则该DNA分子两条链中这两种碱基数量之和占总碱基数的比例及其互补链中两种碱基之和占该单链碱基数的比例分别是多少?

提示:都是m,根据碱基互补配对原则及等比定理,有下列数量关系:

===m,

===m。

问题(3):若一条链中两种不互补碱基之和的比值为n,则其互补链中该比值为多少?

提示:,即若一条链中(或)=n,则另一条链中(或)=。

问题(4):在整个DNA分子中的值等于多少?

提示:A1+A2=T1+T2,G1+G2=C1+C2,故=1。

问题(5):若已知碱基对数为n,A有m个,则氢键数为多少?

提示:碱基总数为2n个,A有m个,则C=G=(2n-2m)/2=n-m(个)。氢键数量为3(n-m)+2m=3n-m(个)。

双链DNA分子中碱基的最基本数量关系

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”。

规律三: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。

3.在一个双链DNA分子中,碱基总数为m,腺嘌呤碱基数为n。在碱基A与T之间形成2个氢键,G与C之间形成3个氢键。则下列叙述正确的是(　D　)

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-n　③两条链中A+T的数量为2n　④G的数量为m-n

A.①②③④ B.②③④

C.③④ D.①②③

解析:每个脱氧核苷酸均由一个磷酸、一个碱基和一个脱氧核糖组成,因此,脱氧核苷酸数=磷酸数=碱基总数=m,①正确;腺嘌呤碱基数为n,则T也为n个,说明有n个A—T碱基对,含有2n个氢键,G—C碱基对之间含有的氢键总数为,因此,该DNA分子含有的氢键总数为+2n=-n,②正确;两条链中A+T的数量为2n,③正确;G的数量为=-n,④错误。

4.如果一个双链DNA中鸟嘌呤占整个DNA碱基的27%,并测得DNA一条链上的腺嘌呤占该链的28%,那么另一条链上的腺嘌呤占该链碱基总数的比例为(　B　)

A.28% B.18% C.27% D.9%

解析:已知一个双链DNA中鸟嘌呤占整个DNA碱基的27%,即G=27%,则C=G=27%,A=T=50%-27%=23%。已知其中一条链上的腺嘌呤占这条链碱基的28%,即A1=28%,根据碱基互补配对原则,A=(A1+A2)÷2,所以另一条链上的腺嘌呤占该链的碱基的比例是A2=23%×2-28%=18%。

[科技情境]

cfDNA是细胞凋亡后裂解释放到血浆中的游离的DNA碎片,它包括循环肿瘤DNA(ctDNA)和胎儿DNA(cffDNA)。cfDNA已被证明是很多种疾病的生物标志物。

探究:(1)cfDNA的基本骨架是什么?

提示:磷酸和脱氧核糖交替连接构成cfDNA的基本骨架。

(2)在cfDNA一条链中连接A与T的是什么结构?

提示:—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—。

课堂小结

随堂反馈

1.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(　D　)

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

解析: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。

2.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(　C　)

A.1∶1∶1∶1 B.2∶2∶3∶3

C.3∶3∶10∶10 D.10∶10∶3∶3

解析: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。

3.在制作DNA双螺旋结构模型的实验中,若4种碱基塑料片共30个,其中6个C、10个G、6个A、8个T,脱氧核糖和磷酸之间的连接物18个,脱氧核糖塑料片、磷酸塑料片、代表氢键的连接物、脱氧核糖和碱基之间的连接物等材料均充足,则(　D　)

A.能制作出含30个脱氧核苷酸的DNA分子片段

B.所制作的DNA分子片段最多含12个碱基对

C.能制作出415种不同的DNA分子模型

D.能制作出一个含5个碱基对的DNA分子片段

解析:在双链DNA分子中,碱基之间的配对遵循碱基互补配对原则,设制作的DNA分子片段含有n个碱基对,则每条链需要脱氧核糖和磷酸之间的连接物的数目为2n-1,制作的DNA分子片段需要脱氧核糖和磷酸之间的连接物的数目为(2n-1)×2,已知脱氧核糖和磷酸之间的连接物有18个,则n≤5,又4种碱基数目均大于5,其他材料充足,所以题干提供的材料最多能制作出一个含5个碱基对的DNA分子片段;含5个碱基对的DNA分子片段,含10个脱氧核苷酸,最多能制作出45种不同的DNA分子模型。

4.如图为DNA有关的概念图,其中A～E表示相关物质,下列有关叙述正确的是(　D　)

A.物质D表示的结构有2种

B.物质B表示的糖类有2种

C.物质C表示的磷酸有2种

D.物质A表示的碱基有4种

解析:物质D表示的结构为脱氧核苷酸有4种;物质B表示的糖类有1种,即脱氧核糖;物质C表示的磷酸有1种;物质A表示的碱基有4种,分别是A、T、C、G。

5.如图是某核苷酸与核苷酸长链的示意图,据图回答问题。

(1)图1所示的核苷酸的中文名称是　　　　　　　　　　　　,该核苷酸是构成　　　　的原料。 

(2)图2为一条核苷酸长链的片段,据图回答下列问题。

①图中所示1、2、3的名称分别是　　　　　　、　　　　　　、　　　　　　。 

②此结构中与另一种核酸相比较,其特有碱基的中文名称是　　　　　　。 

解析:(1)图1中的五碳糖是核糖,又知图1的分子结构式右上角的含氮碱基为腺嘌呤(A),则图1所示的核苷酸的中文全称是腺嘌呤核糖核苷酸,是构成RNA的原料。

(2)①由图可知,图2中所示1、2、3的名称分别是磷酸、脱氧核糖、胞嘧啶。

②此结构(DNA)与另一种核酸(RNA)相比较,其特有的碱基是T,中文名称是胸腺嘧啶。

答案:(1)腺嘌呤核糖核苷酸　RNA

(2)①磷酸　脱氧核糖　胞嘧啶　②胸腺嘧啶

选题测控导航表

1.如图是一个DNA分子的片段,从图中不能得到的信息是(　D　)

A.DNA是双螺旋结构

B.碱基严格互补配对

C.嘌呤数等于嘧啶数

D.两条脱氧核苷酸链反向平行

解析:由题图可以看出,DNA是双螺旋结构,且两条链之间碱基严格互补配对,即嘌呤数等于嘧啶数;但从图中不能看出两条链的方向。

2.威尔金斯、富兰克林、查哥夫、沃森和克里克等人在DNA分子结构构建方面作出了突出的贡献。下列相关说法正确的是(　B　)

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:在DNA分子结构构建方面,威尔金斯和富兰克林提供了DNA衍射图谱;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DNA分子的双螺旋结构模型。

3.下列哪项不是沃森和克里克构建过的模型(　B　)

A.碱基在外侧的双螺旋结构模型

B.同种碱基配对的三螺旋结构模型

C.碱基在外侧的三螺旋结构模型

D.碱基互补配对的双螺旋结构模型

解析:沃森和克里克最先提出了碱基在外侧的双螺旋和三螺旋结构模型,后来又提出了碱基在内侧的双螺旋结构模型,并且同种碱基配对,最后提出了碱基互补配对的双螺旋结构模型。

4.有关DNA分子结构的叙述,正确的是(　D　)

A.DNA分子由4种核糖核苷酸组成

B.DNA单链上相邻碱基以氢键连接

C.碱基与磷酸相连接

D.磷酸与脱氧核糖交替连接构成DNA链的基本骨架

解析:DNA分子由4种脱氧核苷酸组成;DNA双链之间碱基以氢键连接,DNA单链上相邻碱基以“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接;碱基与脱氧核糖相连接;DNA链的基本骨架是由磷酸与脱氧核糖交替连接构成。

5.果蝇某基因含有腺嘌呤的分子数为15%,含胞嘧啶的分子数为(　B　)

A.15% B.35% C.70% D.85%

解析:DNA分子中,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%。

6.某双链DNA分子中,腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的比例为M,其中一条链上腺嘌呤占该链全部碱基的比例为N,则互补链中腺嘌呤占整个DNA分子碱基的比例为(　A　)

A. B.M-N C. D.M-

解析:某双链DNA分子中,腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的比例为M,则该DNA分子中腺嘌呤占M/2,其中一条链上腺嘌呤占该链全部碱基的比例为N,根据碱基互补配对原则,双链DNA分子中A=(A1+A2)÷2,因此互补链中腺嘌呤占该链的全部碱基的比例为M-N,则互补链中腺嘌呤占整个DNA分子碱基的比例为(M-N)/2。

7.某研究小组测定了多个不同双链DNA分子的碱基组成,根据测定结果绘制了DNA分子的一条单链与其互补链、一条单链与其所在DNA分子中碱基数目比值的关系图,下列正确的是(　C　)

解析:DNA分子中(A+C)/(T+G)应始终等于1;一条单链中(A+C)/(T+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,互补链中(A+C)/(T+G)=2;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。

8.下列能正确表示DNA片段的示意图的是(　D　)

解析:DNA中存在T,不存在U,可排除A选项;DNA分子的两条链是反向平行的,而不是B选项中同向的(依据两条链中脱氧核糖分析);A与T之间形成两个氢键,G与C之间形成三个氢键,可排除C选项。

9.如图为DNA片段的结构示意图,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代表的是　　　　,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。 

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

10.如图为真核细胞中某核酸分子局部结构图。请据图回答下列相关问题。

(1)该核酸分子是　　　　(填“DNA”或“RNA”),理由是　。 

(2)④　　　　(填“是”或“不是”)一个核苷酸。 

(3)该分子热稳定性大小与　　　　键的多少密切相关;它的多样性与其空间结构　　　　(填“有关”或“无关”),其原因是　 

　　　　　　　　　　　。 

(4)DNA指纹技术的原理是 

　。 

解析:(1)图中核酸的结构模式图中含有胸腺嘧啶(T),因此该核酸分子是DNA,因为胸腺嘧啶是DNA特有的碱基。

(2)图中的④包含的组分构成一个核苷酸。

(3)该分子热稳定性大小与碱基对之间的氢键的多少密切相关,或与DNA分子中鸟嘌呤和胞嘧啶形成的碱基对的多少有关;DNA分子的多样性与其空间结构无关,因为所有的双链DNA分子都是双螺旋结构,DNA之间的差异与DNA分子中碱基对的排列顺序密切相关。

(4)人与人之间的DNA存在微小差异且具有特异性,正因为这种微小差异的存在,因此DNA可以像指纹一样用来识别身份。

答案:(1)DNA　该核酸分子中含有碱基T

(2)是

(3)氢　无关　DNA分子空间结构均为规则的双螺旋结构

(4)人与人之间的DNA存在微小差异,DNA可以像指纹一样用来识别身份

11.在制作DNA双螺旋结构模型过程中,为了逼真起见,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,并且使用代表氢键的订书钉将代表四种碱基的塑料片连为一体。现已搭建一段含有10个碱基对的DNA分子片段,其中有3对是A与T碱基对,那么由此搭建而成的DNA双螺旋的整条模型的粗细和所用钉子数分别是(　A　)

A.粗细相同,27个钉 B.粗细相同,23个钉

C.粗细不同,23个钉 D.粗细不同,27个钉

解析:分析题意可知,因为嘌呤必定与嘧啶互补,所以搭建而成的DNA双螺旋的整条模型粗细相同;A和T之间有2个氢键,C和G之间有3个氢键,该DNA片段含有10个碱基对,其中有3对是A与T碱基对,则氢键数=3×2+(10-3)×3=27(个)。

12.在双链DNA分子中,一条链(A+G)/(T+C)=0.2,则在另一条链和整个DNA分子中其比例分别是(　D　)

A.0.2和0.2 B.0.2和0.8

C.0.8和1 D.5和1

解析:由DNA分子中的碱基互补配对原则可知,一条链上的A与另一条链上的T相等,一条链上的G与另一条链上的C相等,在整个双链DNA分子中A=T,G=C,两条单链上的(A+G)/(T+C)互为倒数,整个DNA分子中(A+G)/(T+C)=1。因此,在双链DNA分子中,一条链(A+G)/(T+C)=0.2,则在另一条链和整个DNA分子中其比例分别是5和1。

13.要准确地构建一个含有30个碱基对的双链DNA分子模型,则该模型中(　D　)

A.含有30个脱氧核糖分子

B.若含20个腺嘌呤,则有20个胞嘧啶

C.含有30个磷酸基团

D.两条脱氧核苷酸链是反向平行的

解析:每个脱氧核苷酸含有一个碱基、一个脱氧核糖和一个磷酸基团,因此含有30个碱基对的双链DNA分子模型中含有60个脱氧核糖分子和60个磷酸基团;若含20个腺嘌呤,则有20个胸腺嘧啶,10个胞嘧啶和10个鸟嘌呤;两条脱氧核苷酸链是反向平行的。

14.如图为某核苷酸链的局部结构图,下列叙述中错误的是(　A　)

A.图中a或b能构成一个完整的核苷酸

B.该链上各核苷酸之间是通过化学键③连接起来的

C.DNA的稳定性与胞嘧啶的含量成正相关

D.该链不可能是组成T2噬菌体遗传物质的一部分

解析:图中a能构成一个完整的核苷酸,b不能;该链上各核苷酸之间是通过③连接起来的;DNA分子两条链上的碱基通过氢键相连,腺嘌呤与胸腺嘧啶形成2个氢键,鸟嘌呤与胞嘧啶形成3个氢键,因此,胞嘧啶的含量越多,碱基对的氢键含量越高,DNA的稳定性越高;图中有尿嘧啶,说明该链是由核糖核苷酸构成的,而T2噬菌体的遗传物质是DNA,由脱氧核苷酸构成。

15.分析以下材料,回答相关问题。

材料一　在沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构模型之前,人们已经证实了DNA分子是由许多脱氧核苷酸构成的长链。当时困扰人们的是脱氧核苷酸连接的方式以及两条链之间的连接方式。对于链的数量,也有一些不同的声音,如单链和三链的说法。占主流的观点是DNA是由两条链结合形成的。

材料二　在1949年到1951年期间,科学家查哥夫研究不同生物的DNA时发现,DNA分子中的嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数;A的总数等于T的总数,G的总数等于C的总数,但(A+T)与(G+C)的比值是不固定的。

材料三　根据富兰克林等人对DNA晶体的X射线衍射分析表明DNA分子由许多“亚单位”组成,且每一层的间距为3.4埃,而且整个DNA分子长链的直径是恒定的。

以上科学研究成果为沃森和克里克提出DNA双螺旋结构模型奠定了基础。请分析回答下列问题。

(1)材料一表明DNA的基本单位是　　　　　。没有弄清楚基本单位之间连接方式的原因是　      　。 

(2)嘧啶核苷酸的总数始终等于嘌呤核苷酸的总数,说明　。 

(3)A的总数等于T的总数,G的总数等于C的总数,说明　。 

(4)A与T的总数和G与C的总数的比值不固定,说明　。 

(5) 富兰克林等人提出的DNA分子中的“亚单位”实际上是　　　　　　;亚单位的间距是3.4埃,而且DNA分子的直径是恒定的,这些特征表明　          。 

(6)基于以上分析,沃森和克里克提出了各对应的碱基之间的关系是　　　　　　　　　　　　,并成功地构建了DNA分子的双螺旋结构模型。 

解析:由材料一可以看出构成DNA的基本单位是脱氧核苷酸,但是由于存在不完整和不同的认识,人们并不清楚DNA的具体结构。不了解基本单位之间连接方式的原因是对于组成脱氧核苷酸的小分子之间的连接方式不清楚。材料二查哥夫的研究给出了组成DNA的四种碱基的数量关系,即A=T、G=C,为DNA双螺旋结构模型的构建奠定了基础。材料三说明DNA是由多个重复的碱基对组成的,碱基对的种类可能不同,但是配对的两种碱基形成的分子直径是相同的。

答案:(1)脱氧核苷酸　对于脱氧核苷酸的组成成分之间的连接并不清楚　(2)DNA分子中嘌呤与嘧啶之间的数量是一一对应的　(3)A与T一一对应,C与G一一对应　(4)A与T之间的对应和C与G之间的对应互不影响　(5)碱基对　DNA分子的空间结构非常规则　(6)A与T配对,C与G配对