生物必修2：第2节-DNA分子的结构(人教版)

新课导入我们经过学习，已经知道DNA是主要的遗传物质，它能使亲代的性状在子代表现出来。那么，DNA为什么能起遗传作用呢？第2节DNA分子的结构一、DNA双螺旋结构模型的构建二、DNA分子的结构教学目标知识目标1.了解DNA双螺旋结构模型的构建过程。2.理解DNA分子的结构特点。能力目标1.通过学习DNA分子的结构，培养学生的空间想象能力。2.通过制作DNA双螺旋结构模型，培养学生的创新能力和动手操作能力。3.通过探索求知、制作模型、讨论交流激发学生的独立思考、主动获取新知识的能力。情感态度与价值观目标通过DNA结构的学习，探索生物界丰富多彩的奥秘，从而激发学生学科学、用科学、爱科学的求知欲。重点难点教学重难点DNA双螺旋结构模型的构建过程和DNA分子的结构特点。DNA分子的立体结构特点。一、DNA模型建构(一)DNA的化学组成1.组成DNA分子的化学元素C、H、O、N、P2.DNA分子的基本单位碱基ATC磷酸脱氧核糖脱氧核苷酸简图G脱氧核苷酸的种类A腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸GC胞嘧啶脱氧核苷酸T胸腺嘧啶脱氧核苷酸（1）组成DNA的基本单位是什么？每个基本单位由哪三部分组成？DNA的基本单位是脱氧核苷酸，它由一个脱氧核糖、一个磷酸和一个含氮碱基组成。（2）组成DNA的碱基有哪几种？脱氧核苷酸呢？想一想组成DNA的碱基有四种：腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）；脱氧核苷酸有四种：腺嘌呤脱氧核苷酸，鸟嘌呤脱氧核苷酸，胞嘧啶脱氧核苷酸，胸腺嘧啶脱氧核苷酸。（二）DNA模型建构资料2：20世纪30年代，科学家认识到：组成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸。资料3：DNA是由许多个脱氧核苷酸连接而成的长链。资料1：20世纪初，摩尔根通过果蝇杂交实验证明基因位于染色体上。1943年，艾弗里证明了DNA携带有遗传信息，并认为DNA可能就是基因。资料4：1951年，英国科学家威尔金斯和富兰克林提供了DNA的X射线衍射图谱。富兰克林威尔金斯DNA的X射线衍射图谱资料5：奥地利著名生物化学家查哥夫研究得出：（1）腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量(A=T)，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量(G=C)。（2）同种生物体细胞中DNA的含量是相同的，不同种生物的碱基含量是不同的。显微镜拍到的DNA照片资料6：交缠在一起的螺旋结构从图上可辨认出DNA是由两条链根据一些科学家的经验和成果,沃森和克里克完成了DNA双螺旋模型的构建。沃森（左）克里克（右）DNA分子双螺旋结构模型讨论1：1.沃森和克里克在构建DNA模型过程中，利用了他人的哪些经验和成果？又涉及到哪些学科的知识和方法？而这些，对你理解生物科学的发展以及和各学科的联系有什么启示？2.沃森和克里克在构建模型的过程中，出现过哪些错误？他们是如何对待和纠正这些错误的？3.沃森和克里克默契配合，发现DNA双螺旋结构的过程，作为科学家合作研究的典范，在科学界传为佳话。他们这种工作方式给予你哪些启示？二、DNA分子的结构（一）DNA的空间结构DNA的结构模式图从图中可见DNA具有规则的双螺旋空间结构AAATTTGGGGCCCATC磷酸脱氧核糖含氮碱基放大后的DNA结构图碱基对另一碱基对嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对，形成碱基对，且A只和T配对、C只和G配对，这种碱基之间的一一对应的关系就叫做碱基互补配对原则。ATGC氢键DNA双链（二）DNA的平面结构AGCTAGCTP脱氧核糖PPP脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖P脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖PPP（三）DNA立体结构DNA立体结构图（1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。（2）DNA分子中的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。（3）两条链上的碱基通过氢键连结起来，形成碱基对，且遵循碱基互补配对原则。（四）DNA分子的结构特点思考碱基对的排列顺序不同碱基对的排列顺序中•DNA中的遗传信息蕴藏在哪儿?•比较不同的DNA有什么不同？A.两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。B.长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。DNA分子的特异性就体现在特定的碱基（对）排列顺序中。（五）DNA双链的特点（六）DNA分子的特性①多样性：DNA分子碱基对的排列顺序千变万化。一个最短的DNA分子也有4000个碱基对，可能的排列方式就有44000种。②特异性：特定的DNA分子具有特定的碱基排列顺序。不同的生物，碱基对的数目可能不同，碱基对的排列顺序肯定不同。③稳定性：DNA分子当中的脱氧核糖和磷酸交替排列稳定不变；碱基互补配对原则稳定不变;相应的碱基之间通过氢键构成碱基对。讨论2：1.DNA是由几条链构成的？它具有怎样的立体结构2.DNA的基本骨架是由哪些物质组成的？它们分别位于DNA的什么部位呢？3.DNA中的碱基是如何配对的？它们位于DNA的什么部位三、构建DNA分子的结构模型1.取一个硬塑方框，在硬塑方框一侧的两端各拴上一条长0.5m的细铁丝。2.将一个剪好的球形塑料片（代表磷酸）和一个长方形塑料片（4种不同颜色的长方形塑料片分别代表4种不同的碱基），分别用订书钉连接在一个剪好的五边形塑料片（代表脱氧核糖）上。用同样的方法制作一个个含有不同碱基的脱氧核苷酸模型。3.将若干个制成的脱氧核苷酸模型，按照一定的碱基顺序依次穿在一条长细铁丝上，这样就制作好了一条DNA链。按同样方法制作好DNA的另一条链（注意碱基的顺序及脱氧核苷酸的方向），用订书钉将两条链之间的互补碱基连接好。4.将两条铁丝的末端分别拴到另一个硬塑方框一侧的两端，并在所制模型的背侧用两根较粗的铁丝加固。双手分别提起硬塑方框，拉直双链，旋转一下，即可得到一个DNA分子的双螺旋结构模型。你注意到了吗？1.DNA的化学组成2.DNA的空间结构及碱基互补配对原则课堂小结科学家将DNA水解后得到四种脱氧核糖核苷酸；再将脱氧核糖核苷酸水解分别得到了磷酸、脱氧核糖和含氮的碱基（A、T、C、G）。①DNA分子由两条脱氧核糖核苷酸链组成双螺旋结构；②外侧：磷酸和脱氧核糖交替连接，构成DNA的基本骨架；③内侧：两条链之间的对应碱基通过氢键连接起来。①稳定性：DNA分子当中的脱氧核糖和磷酸交替排列稳定不变；碱基互补配对原则稳定不变;相应的碱基之间通过氢键构成碱基对。3.DNA的结构特点②多样性：每个DNA分子中的脱氧核糖核苷酸的数目不同，碱基对的排列顺序各异。③特异性：每个DNA分子都有自己特定的碱基排列顺序，各种生物的DNA分子，其碱基排列顺序各不相同。高考链接(2009广东)有关DNA分子结构的叙述，正确的是（多选）（）A.DNA分子由4种脱氧核苷酸组成B.DNA单链上相邻碱基以氢键连接C.碱基与磷基相连接D.磷酸与脱核糖交替连接构成DNA链的基本骨架AD解析：DNA分子是由四种不同的脱氧核苷酸为单位，聚合而成的脱氧核苷酸链。所以A正确。DNA分子双螺旋结构的外侧，两条长链上的磷酸与脱氧核糖交替排列的顺序稳定不变；内侧两条长链上的碱基通过氢键，按照碱基互补配对原则严格配对。由此可见选项BC错误，故选AD。（2008上海）某个DNA片段由500对碱基组成，A＋T占碱基总数的34%，若该DNA片段复制2次，共需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸分子个数为（）A.330B.660C.990D.1320解析：在DNA中A与T碱基互补配对，G与C碱基互补配对，因此双链中的A+T占34%，G+C=66%,G=C=33%,DNA是半保留复制，复制两次，实际上相当于合成3个新的DNA分子，所以需要胞嘧啶脱氧核苷酸分子个数为：500*2*3*33%=990.C(2007山东)DNA分子经过诱变，某位点上的一个正常碱基（设为P）变成了尿嘧啶，该DNA连续复制两次，得到的4个子代DNA分子相应位点上的碱基对分别为U-A、A-T、G-C、C-G，推测“P”可能是（）A.胸腺嘧啶B.腺嘌呤C.胸腺嘧啶或腺嘌呤D.胞嘧啶解析：因为DNA的复制是半保留复制，由正常的子代DNA分子中的G-C、C-G就可以得知，第一代子代DNA分子中也是C-G，以此类推，亲代中也这样，所以发生突变的就是C或G。D1.在DNA分子双螺旋结构中,腺嘌呤与胸腺嘧啶之间有2个氢键,胞嘧啶与鸟嘌呤之间有3个氢键。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%的样品课堂练习B2.已知病毒的核酸有双链DNA、单链DNA、双链RNA、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那一种类型,应该()A.分析碱基类型,确定碱基比率B.分析碱基类型,分析核糖类型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A3.某生物细胞DNA分子的碱中，腺嘌呤的分子数占22％，那么，胞嘧啶的分子数占（）A.11％B.22％C.28％D.44％C4.根据碱基互补配对原则，在A≠G时，双链DNA分子中，下列四个式子中正确的是（）C提示:本节的问题探讨主要是培养学生收集资料、讨论交流的能力。课本答案参考(一)问题探讨1.(1)当时科学界已经发现的证据有:组成DNA分子的单位是脱氧核苷酸;DNA分子是由含4种碱基的脱氧核苷酸长链构成的;(2)英国科学家威尔金斯和富兰克林提供的DNA的X射线衍射图谱;(3)美国生物化学家鲍林揭示生物大分子结构的方法(1950年),即按照X射线衍射分析的实验数据建立模型的方法(因为模型能使生物大分子非常复杂的空间结构,以完整的、简明扼要的形象表示出来),为此,沃森和克里克像摆积木一样,用自制的硬纸板构建DNA结构模型;(二)旁栏思考题(4)奥地利著名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)的量这一碱基之间的数量关系。2.沃森和克里克根据当时掌握的资料,最初尝试了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型,在这些模型中,他们将碱基置于螺旋的外部。在威尔金斯为首的一批科学家的帮助下,他们否定了最初建立的模型。在失败面前,沃森和克里克没有气馁,他们又重新构建了一个将磷酸-核糖骨架安排在螺旋外部,碱基安排在螺旋内部的双链螺旋。沃森和克里克最初构建的模型,连接双链结构的碱基之间是以相同碱基进行配对的,即A与A、T与T配对。但是,有化学家指出这种配对方式违反了化学规律。1952年,沃森和克里克从奥地利生物化学家查哥夫那里得到了一个重要的信息: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。于是,沃森和克里克改变了碱基配对的方式,让A与T配对,G与C配对,最终,构建出了正确的DNA模型。2.提示:主要涉及物理学(主要是晶体学)、生物化学、数学和分子生物学等学科的知识。涉及的方法主要有:X射线衍射结构分析方法,其中包括数学计算法;建构模型的方法等。现代科学技术中许多成果的取得,都是多学科交叉运用的结果;反过来,多学科交叉的运用,又会促进学科的发展,诞生新的边缘学科,如生物化学、生物物理学等。3.提示:要善于利用他人的研究成果和经验;要善于与他人交流和沟通,闪光的思想是在交流与撞击中获得的;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。(三)思考与讨论1.DNA虽然只含有4种脱氧核苷酸,但是碱基对的排列顺序却是千变万化的。碱基对千变万化的排列顺序使DNA储存了大量的遗传信息。2.提示:(1)靠DNA分子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。（四）模型建构习题答案一、基础题1.(1)胞嘧啶(2)腺嘌呤(3)鸟嘌呤(4)胸腺嘧啶(5)脱氧核糖(6)磷酸(7)脱氧核苷酸(8)碱基对(9)氢键(10)一条脱氧核苷酸链的片段2.C3.B二、拓展题因为A=TG=C所以A+G=T+C所以A+G/(A+G+T+C)=T+C/(A+