2020高中生物 第4章 第2节 DNA的结构和DNA的复制 第1课时 DNA分子的结构学案 苏教版必修2

2020高中生物 第4章 第2节 DNA的结构和DNA的复制 第1课时 DNA分子的结构学案 苏教版必修2

第1课时　DNA分子的结构 学习目标 知识概览(教师用书独具)‎ ‎1．概述DNA分子结构的主要特点。(重点)‎ ‎2．设计并制作DNA分子双螺旋结构模型。‎ ‎3．DNA分子中碱基的计算。(难点)‎ ‎[自 主 预 习·探 新 知]‎ 一、DNA分子结构的认识和结构特点 ‎1．对DNA分子结构的认识过程 ‎(1)20世纪30年代后期，瑞典科学家们证明了DNA是不对称的。‎ ‎(2)1951年奥地利生物化学家查哥夫在定量分析DNA分子的碱基组成后，发现腺嘌呤(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。‎ ‎(3)1952年英国化学家富兰克琳采用X射线衍射技术拍摄到DNA分子结构的照片，确认DNA分子为螺旋结构，而不是由一条链构成。‎ ‎(4)1953年美国科学家沃森和英国科学家克里克提出DNA分子的双螺旋结构模型。‎ ‎2．DNA分子的结构 ‎(1)DNA分子的结构层次 ‎①基本组成元素：C、H、O、N、P ‎↓‎ ‎②基本组成化合物：磷酸、脱氧核糖、含氮碱基 ‎↓‎ ‎③基本组成单位：脱氧核苷酸(4种)，如图 ‎(2)DNA分子的结构及特点 Ⅰ.结构 12‎ Ⅱ.特点 通过图示可知DNA分子的结构特点：‎ a．立体结构：DNA分子是由①和②(填序号)组成的，它们按反向平行的方式盘旋成双螺旋结构。‎ b．内部结构：DNA分子中的⑤脱氧核糖和④磷酸交替连接，排列在双螺旋的外侧，构成基本骨架；⑦和⑧碱基排列在内侧。‎ c．碱基配对：两条链上的碱基通过③和⑥氢键连接成碱基对，并且遵循A—T、G—C配对的规律，称为碱基互补配对原则。‎ Ⅲ.特性 a．多样性：碱基对的排列顺序千变万化。‎ b．特异性：是由DNA分子中特定的碱基对排列顺序决定的。‎ 二、设计制作DNA分子双螺旋结构模型及DNA分子的相关计算 ‎1．制作原理：DNA分子双螺旋结构的主要特点。‎ ‎2．实验目的：通过制作DNA分子双螺旋结构模型，加深对DNA分子结构特点的理解和认识。‎ ‎3．材料用具：曲别针、泡沫塑料、纸板、牙签、橡皮泥等。‎ ‎4．设计模型：绘出DNA模型的设计图；确定制作的DNA分子双螺旋结构模型的大小(如高度与直径的比例)、维系立体构型的方式；代表磷酸、脱氧核糖、碱基的材料等。‎ ‎5．制作模型 选材：选择能代表磷酸、4种碱基和脱氧核糖的材料等 ‎　↓‎ 制作：若干个磷酸、脱氧核糖、碱基 ‎　↓‎ 整合：若干个脱氧核苷酸 ‎　↓‎ 连接：形成脱氧核苷酸链 ‎　↓‎ 构成平面：两条反向平行的单链 12‎ ‎　↓‎ 旋转：DNA分子双螺旋结构 ‎6．DNA分子的相关计算原理：碱基互补配对原则，即双链DNA分子中A＝T、G＝C。‎ ‎[基础自测]‎ ‎1．判断对错 ‎(1)DNA彻底水解产物是四种脱氧核苷酸。 (　　)‎ ‎(2)DNA分子一条链上相邻的两个碱基通过氢键相连。 (　　)‎ ‎(3)DNA分子中G、C碱基的比例越高，分子结构的稳定性越高。 ‎ ‎ (　　)‎ ‎(4)DNA分子中的嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。 (　　)‎ ‎(5)双链DNA分子中(A＋G)/(T＋C)存在特异性。 (　　)‎ 提示：(1)×　DNA初步水解产物是四种脱氧核苷酸，彻底水解产物是含氮的碱基、磷酸和脱氧核糖。‎ ‎(2)×　DNA分子的两条链碱基之间通过氢键相连，一条链上的两个碱基则通过脱氧核糖、磷酸和脱氧核糖相连。‎ ‎(3)√　(4)√‎ ‎(5)×　双链DNA分子中(A＋G)/(T＋C)＝1，不存在特异性。‎ ‎2．某同学制作一DNA片段模型，现准备了10个碱基T塑料片，8个碱基A塑料片，30组脱氧核糖和磷酸的塑料片，那么还需准备碱基C塑料片数目是(　　)‎ A．14　　 　　B．‎8　‎　 　　C．7　　 　　D．16‎ C　[因为30组脱氧核糖和磷酸塑料片可制成含15个碱基对的DNA分子模型，而该同学已准备了10个碱基T塑料片，8个碱基A塑料片，这样仅能构成8个A＝T碱基对，剩下的7个碱基对若全为G≡C碱基对，则还需要准备G、C碱基塑料片各7片。]‎ ‎3．分析某生物的双链DNA分子，发现腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的64%，其中一条链上的腺嘌呤占该链全部碱基的30%，则另一条链中腺嘌呤占整个DNA分子碱基总数的比例是(　　) ‎ ‎【导学号：01632126】‎ A．17% B．32% ‎ C．34% D．50%‎ A　[假设DNA中共有2N个碱基，根据题干可知：(A＋T)%＝64%，即(A＋T)/2N＝0.64，则(A1＋A2＋T1＋T2)/2N＝0.64，可推出(A1＋T1)/N＝0.64。题干还告诉我们：A1/N＝0.30，则可知T1/N＝0.34，而T1＝A2，所以A2/N＝0.34(即另一条链中的A占该条链碱基总数的34%)，则A2/2N＝0.17，即另一条链中的A占整个DNA分子碱基总数的17%。]‎ ‎[合 作 探 究·攻 重 难]‎ 12‎ DNA分子结构的认识过程及结构特点 背景材料 坐落于北京中关村高科技园区的DNA雕塑，以简洁而独特的双螺旋造型吸引着过往的行人，但很少有人注意到它的旋转是顺时针方向还是逆时针方向。‎ ‎[思考交流]‎ ‎1．DNA分子是怎样构成的？‎ 提示：DNA分子是由脱氧核苷酸连接成单链，单链之间通过氢键连接起来，形成双螺旋的空间结构。‎ ‎2．DNA分子的基本单位是什么？‎ 提示：脱氧核苷酸。‎ ‎3．DNA是怎样携带遗传信息的？‎ 提示：通过碱基对的排列顺序携带遗传信息。‎ ‎4．近年来，许多人尝试着用DNA作防伪标记，其原理是什么？‎ 提示：DNA分子具有特异性。‎ ‎1．DNA分子的结构 ‎(1)平面结构。‎ ‎①由多个脱氧核苷酸分子聚合形成脱氧核苷酸长链。‎ ‎②配对的碱基，A与T之间形成2个氢键，G与C之间形成3个氢键，C—G碱基对在DNA中所占的比例越大，DNA分子结构越稳定。‎ ‎③在同一条脱氧核苷酸链中，相邻2个碱基之间通过脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖间接相连。‎ ‎(2)DNA分子的空间结构。‎ 12‎ ‎①DNA分子是由两条脱氧核苷酸长链，按反向平行(指一条链的起点为磷酸，另一条链的起点为脱氧核糖)方式盘绕成双螺旋结构。‎ ‎②基本骨架由磷酸和脱氧核糖交替连接而成。‎ ‎③中间的碱基严格按碱基互补配对原则(A与T配对，G与C配对)形成碱基对。‎ ‎④DNA分子中，脱氧核苷酸数∶脱氧核糖数∶磷酸数∶含氮碱基数＝1∶1∶1∶1。‎ ‎2．DNA分子的结构特性 ‎(1)稳定性：脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序稳定不变，两条链间碱基互补配对的方式不变。‎ ‎(2)多样性：碱基对的排列顺序多种多样。‎ ‎(3)特异性：每个DNA都有特定的碱基对排列顺序。‎ 好记巧学：DNA结构的“五四三二一”‎ 五种元素：C、H、O、N、P。‎ 四种碱基：A、G、C、T，相应的有四种脱氧核苷酸。‎ 三种物质：磷酸、脱氧核糖、含氮碱基。‎ 两条长链：两条反向平行的脱氧核苷酸链。‎ 一种螺旋：规则的双螺旋结构。‎ ‎[典例通关]‎ 如图是DNA分子的部分平面结构示意图，下列有关叙述不正确的是(　　)‎ A．图中4的名称是腺嘌呤脱氧核苷酸 B．构成DNA的核苷酸种类的不同与2有关 C．N元素存在于图中的碱基中 D．从主链上看，两条脱氧核苷酸链反向平行 ‎[技巧点拨]　明确①、②、③、④、⑤的名称，脱氧核苷酸的组成及其与脱氧核苷酸链和DNA之间的关系是解题关键。‎ B 12‎ ‎　[构成DNA的核苷酸是脱氧核苷酸，脱氧核苷酸种类的不同与碱基有关，与脱氧核糖和磷酸无关，图中2为脱氧核糖，3为碱基。]‎ ‎　(1)组成DNA分子基本骨架的元素有哪些？‎ 提示：C、H、O、P。‎ ‎(2)若图示DNA片段彻底水解可以形成几种小分子物质？‎ 提示：6种。‎ ‎[活学活用]‎ ‎1．如图表示某同学制作的DNA分子双螺旋结构模型的一个片段。其中存在的错误有(　　)‎ A．3处　　　　 B．5处 C．7处 D．8处 C　[图中的核糖应改为脱氧核糖；DNA中不存在尿嘧啶；胞嘧啶与鸟嘌呤之间有3个氢键；腺嘌呤与胸腺嘧啶之间有2个氢键。]‎ ‎2．如图为某核苷酸长链片段的示意图，下列关于该长链的相关叙述中，错误的是(　　)‎ A．2和3构成腺苷 B．嘌呤数目等于嘧啶数目 C．4为胞嘧啶脱氧核苷酸 D．磷酸基团的数目等于脱氧核糖的数目 B　[图示核苷酸长链为单链，嘌呤数不一定等于嘧啶数。]‎ ‎1．下面关于DNA分子结构的叙述中，错误的是(　　)‎ A．每个双链DNA分子中嘌呤数＝嘧啶数 B．每个碱基分子上均直接连接着一个磷酸和一个脱氧核糖 C．每个DNA分子中碱基数＝磷酸数＝脱氧核糖数 D．双链DNA分子中的一段含有40个胞嘧啶，就一定会同时含有40个鸟嘌呤 12‎ B　[DNA分子是双螺旋结构，碱基间遵循碱基互补配对原则，即A＝T、G＝C，所以A＋G＝T＋C，即嘌呤数＝嘧啶数。DNA分子的基本组成单位是脱氧核苷酸，每个脱氧核苷酸由1分子磷酸、1分子脱氧核糖和1分子碱基组成。脱氧核苷酸分子的连接方式为，碱基是通过五碳糖与磷酸相连的。]‎ ‎2．下列表示某同学制作的脱氧核苷酸结构模型，正确的是(　　) ‎ ‎【导学号：01632127】‎ D　[每1个脱氧核苷酸是由1个脱氧核糖、1个磷酸基团和1个碱基构成，碱基可能是A或C或G或T，不可能是U，A项错误；脱氧核糖是五碳糖，其中1号碳上连着碱基，5号碳上连着磷酸基团，B项、C项错误，D项正确。]‎ 题后反思：DNA分子中两条链反向平行，每条链有一个游离的磷酸基团；一条链上的相邻碱基由脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖连接；两条链之间的碱基由氢键连接形成碱基对，A—T之间有2条氢键，G—C之间有3条氢键；相同长度的DNA分子，G—C碱基对越多，氢键越多，DNA分子越稳定。‎ DNA分子的相关计算 背景材料 下图是DNA分子的平面结构。‎ ‎[思考交流]‎ ‎1．双链DNA分子中，磷酸、脱氧核糖和碱基之间的数量关系如何？‎ 12‎ 提示：磷酸数＝脱氧核糖数＝碱基数。‎ ‎2．四种碱基(A、T、C、G)之间有何关系？‎ 提示：A＝T，G＝C。‎ ‎3．某双链DNA分子中A有n个，C有m个，该DNA分子中共有多少个氢键？‎ 提示：2n＋‎3m。‎ ‎4．不同的双链DNA分子中或的值有什么规律？‎ 提示：等于1，因为双链DNA分子中A与T相等，G与C相等。‎ DNA分子结构简图如下图所示，碱基互补配对原则：A配T，G配C。‎ ‎1．以DNA双链为研究对象时碱基数量的关系 ‎(1)A、T、G、C的关系：A＝T，G＝C。‎ ‎(2)非互补碱基和之比：‎ ‎(A＋G)/(T＋C)＝(A＋C)/(T＋G)＝1。‎ 结论：DNA分子中非互补碱基之和总相等。‎ ‎(3)互补碱基和之比：‎ ‎(A＋T)/(G＋C)不是定值。‎ ‎2．以DNA单链为研究对象时碱基数量的关系(如上图)‎ ‎(1)A1＝T2，G1＝C2，C1＝G2，T1＝A2。‎ ‎(2)若1链中(A1＋G1)/(T1＋C1)＝m，则2链中(A2＋G2)/(T2＋C2)＝1/m。‎ 结论：两链间非互补碱基和之比互为倒数。‎ ‎3．DNA双链和单链中碱基数量的联系(如上图)‎ ‎(1)若在双链中(A＋T)/(G＋C)＝n，则在1链中(A1＋T1)/(G1＋C1)＝n,2链中(A2＋T2)/(G2＋C2)＝n。‎ 结论：在同一DNA分子中，双链和单链中互补碱基和之比相等。‎ ‎(2)若1链中A1占的比例为X1,2链中A2占的比例为X2，则整个DNA分子中A占的比例为(X1＋X2)/2。‎ 结论：某碱基占双链DNA分子碱基总数的百分比等于相应碱基占相应单链比值和的一半。‎ 特别提醒：碱基配对原则应用注意问题 ‎(1)大部分DNA是双链，但也有DNA是单链的，单链DNA分子中不存在A＝T，C＝G的关系。‎ ‎(2)DNA分子中碱基配对只能是A和T、C和G之间。‎ 12‎ ‎(3)计算碱基含量时，应注意题干中提供的是碱基对还是碱基数目，所求的碱基比例，是占整个DNA分子的比例还是占其中一条链的比例。‎ ‎[典例通关]‎ 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，下列表述错误的是(　　)‎ A．该DNA分子的另一条链上A∶T∶G∶C＝2∶1∶4∶3‎ B．该DNA分子共有腺嘌呤60个 C．该DNA分子共有鸟嘌呤140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 ‎[技巧点拨]　根据双链DNA分子碱基互补配对原则，画示意简图进行作答。‎ D　[根据碱基互补配对原则，A＝T＝60，G＝C＝＝140；DNA分子的两条单链中(A＋T)/(G＋C)都等于。]‎ ‎　(1)整个DNA分子中A∶T∶G∶C的比值是多少？‎ 提示：3∶3∶7∶7。‎ ‎(2)一条链中(A＋G)/(T＋C)＝2/3，则另一条链中的比值是多少？整个DNA分子中呢？‎ 提示：另一条链中的比值为3/2，整个DNA分子中比值为1。‎ ‎[活学活用]‎ ‎1．已知1个DNA分子中有4 000个碱基对，其中胞嘧啶有2 200个，这个DNA分子中应含有的脱氧核苷酸的数目和腺嘌呤的数目分别是(　　)‎ A．4 000个和900个 B．4 000个和1 800个 C．8 000个和1 800个 D．8 000个和3 600个 C　[每个脱氧核苷酸含有一个碱基，因为含有4 000个碱基对，所以含有8 000个脱氧核苷酸。因为胞嘧啶和鸟嘌呤的碱基对数目是2 200，所以腺嘌呤和胸腺嘧啶的碱基对数目是1 800，又因腺嘌呤和胸腺嘧啶数目相等，所以腺嘌呤的数目是1 800个。]‎ ‎2．某DNA分子中A＋T占整个DNA分子碱基总数的44%，其中一条链(a)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(　　) ‎ ‎【导学号：01632128】‎ A．35% B．29%‎ C．28% D．21%‎ A 12‎ ‎　[整个DNA中的A＋T占整个DNA分子碱基总数的44%，则G＋C占整个DNA分子碱基总数的56%，又因为其中一条链(a)上的G占该链碱基总数的21%，所以与G对应的互补链(b)上的C占b链碱基总数的21%，则G(a链上)＋C(b链上)占DNA分子碱基总数的21%。因为总的G＋C占整个DNA分子碱基总数的56%，所以G(b链上)＋C(a链上)占整个DNA分子碱基总数的35%，推得G占b链碱基总数的35%，所以答案选A。]‎ 误区警示：进行碱基计算时要注意以下几点 (1)单位是“对”还是“个”，这方面往往带来数据成倍的错误。‎ (2)注意提供的数据是DNA双链还是DNA的一条单链。‎ (3)解题时最好画一下简图，比较直观，减少因为思路不清晰引起的错误。‎ ‎[当 堂 达 标·固 双 基]‎ ‎1．下列关于DNA分子结构的叙述正确的是(　　)‎ A．DNA分子中每个磷酸都与两个脱氧核糖相连 B．DNA分子中每个脱氧核糖都与两个磷酸相连 C．DNA分子中A一定等于T，G一定等于C D．在双链DNA分子中，嘌呤数等于嘧啶数 D　[由DNA分子的平面结构图可知，每条链两端的磷酸(或脱氧核糖)只与一个脱氧核糖(或磷酸)相连接。DNA分子包括单链和双链，其中双链DNA分子中，A＝T，G＝C。]‎ ‎2．下列制作的DNA分子双螺旋结构模型图中，连接正确的是(　　)‎ B　[DNA分子双螺旋结构的外侧是由脱氧核糖和磷酸通过磷酸二酯键交替连接而成的长链，构成DNA分子的基本骨架；碱基对位于双螺旋结构内侧，通过氢键相连。]‎ ‎3．在含有4种碱基的DNA片段中，有腺嘌呤a个，占该片段全部碱基的比例为b，则(　　) ‎ ‎【导学号：01632129】‎ A．b≤0.5　 B．b≥0.5‎ C．胞嘧啶为a(－1)个 D．胞嘧啶为b(－1)个 C　[由题意可知，该DNA分子含有4种碱基，腺嘌呤为a个，且占该片段全部碱基的比例为b。设胞嘧啶为x个，鸟嘌呤也为x个，则b＝，b＜0.5，但b 12‎ ‎≠0.5，故A、B两项错误；根据上述关系式，可知胞嘧啶的数量：x＝a(－1)，故C项正确、D项错误。]‎ ‎4．双链DNA分子的一条链中，(A＋G)/(T＋C)＝0.4，则该比值在整个DNA及其互补链中分别是(　　)‎ A．1和0.4 B．1和0.6‎ C．1和2.5 D．0.4和0.4‎ C　[整个DNA分子中A＋G＝T＋C。双链DNA分子的一条链中的A与互补链中的T相等，一条链中的G与互补链中的C相等。]‎ ‎5．在DNA分子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 D　[审题时应扣住“一条脱氧核苷酸链中，相邻的碱基A与T之间的连接结构”，相邻的脱氧核苷酸相连接，依靠磷酸、脱氧核糖之间形成磷酸二酯键，因此两个碱基之间的连接结构是脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖。]‎ ‎6．根据DNA分子结构模式图回答下列问题。‎ ‎(1)写出①～⑥的名称：‎ ‎①________；②________；③________；④________；‎ ‎⑤________；⑥________。‎ ‎(2)分析这种结构的主要特点：‎ Ⅰ.构成DNA分子的两条链按_________________________________‎ 的方式盘旋成双螺旋结构。‎ Ⅱ.DNA分子的基本骨架由________而成。‎ Ⅲ.DNA分子两条链上的碱基通过________连接成碱基对，并且遵循________原则。‎ ‎[解析]　‎ 12‎ 本题主要考查DNA分子的化学组成及其结构特点。(1)根据脱氧核苷酸的结构及碱基互补配对原则，可依次推断出①～⑥的名称。(2)根据DNA的立体结构可知，DNA分子的两条链按反向平行的方式盘旋成双螺旋结构，其外侧是由脱氧核糖和磷酸交替连接形成的基本骨架；内侧是通过氢键连接而成的碱基对，碱基对的形成严格遵循碱基互补配对原则。‎ ‎[答案]　(1)①胸腺嘧啶(T)　②胞嘧啶(C)‎ ‎③腺嘌呤(A)　④鸟嘌呤(G)　⑤脱氧核糖 ‎⑥磷酸 ‎(2)Ⅰ.反向平行 Ⅱ.脱氧核糖与磷酸交替连接 Ⅲ.氢键　碱基互补配对 ‎[核心语句归纳]‎ ‎1．DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，DNA双链是反向平行的关系。‎ ‎2．DNA分子外侧由脱氧核糖和磷酸交替连接构成基本骨架，内侧由氢键相连的碱基对组成。‎ ‎3．双链DNA分子中，嘌呤碱基数＝嘧啶碱基数，即A＋G＝T＋C。‎ ‎4．DNA具有多样性和特异性，DNA分子中碱基对的排列顺序代表遗传信息。‎ 12‎