第2节 DNA分子的结构

1、一、探究一、探究DNADNA双螺旋结构模型的构建过程双螺旋结构模型的构建过程二、说明二、说明DNADNA分子的空间结构分子的空间结构三、根据三、根据DNADNA分子的组成和空间结构特点，推测分子的组成和空间结构特点，推测DNADNA分子的特性分子的特性四、四、碱基互补配对规律的有关计算碱基互补配对规律的有关计算本节聚焦本节聚焦一一.DNA.DNA双螺旋结构模型的构建双螺旋结构模型的构建 50 50年代初，人们已普遍承认年代初，人们已普遍承认DNADNA是最重要的遗传物质，是最重要的遗传物质，遗传信息就存储在遗传信息就存储在DNADNA分子多核苷酸链上的分子多核苷酸链上的4 4种碱基的特定种碱基

2、的特定序列上，进一步阐明其结构和功能已成为迫切的任务。这时，序列上，进一步阐明其结构和功能已成为迫切的任务。这时，有三组科学家在进行有三组科学家在进行DNADNA结构的研究，他们是：结构的研究，他们是：v 美国加州理工学院的美国加州理工学院的鲍林鲍林，v 英国剑桥大学国王学院的英国剑桥大学国王学院的富兰克琳与威尔金斯富兰克琳与威尔金斯，v 英国剑桥大学卡文迪什实验室的英国剑桥大学卡文迪什实验室的沃森与克里克。沃森与克里克。 19501950年，年，鲍林鲍林首先阐明并发首先阐明并发现了现了氨基酸链的氨基酸链的 螺旋状结构螺旋状结构。此后，他又投入了此后，他又投入了DNADNA结构结构的研究。他是

3、的研究。他是最早认定最早认定DNADNA分子具有与氨基酸链类似的螺分子具有与氨基酸链类似的螺旋结构旋结构的科学家，而且研究的的科学家，而且研究的环境最优越，但他错误地认为环境最优越，但他错误地认为DNADNA分子是由分子是由三股螺旋三股螺旋组成组成的，这使他误入歧途的，这使他误入歧途 19391939年鲍林首创化学键理论，奠定其获得年鲍林首创化学键理论，奠定其获得19541954年年诺贝尔奖化学奖的基础。成功构建了诺贝尔奖化学奖的基础。成功构建了多肽的多肽的 螺旋螺旋的分子结构模型，而启发了的分子结构模型，而启发了沃森与克里克沃森与克里克，必需，必需建建立立DNADNA的分子结构模型的分子结构

4、模型。 鲍林自己构建的鲍林自己构建的DNADNA分子模型为何失败了呢？分子模型为何失败了呢？ 提出的提出的DNADNA三螺旋分子三螺旋分子模型并未经过严格检验，他模型并未经过严格检验，他也没有详尽掌握也没有详尽掌握DNADNA相关的最新信息。相关的最新信息。 DNADNA的的X-X-射线衍射图射线衍射图 19511951年前后，富兰克林和威尔金斯利用年前后，富兰克林和威尔金斯利用X-X-射线衍射技术射线衍射技术得到了得到了DNADNA分子结晶清晰的衍射图分子结晶清晰的衍射图。威尔金斯富兰克林 英国生物物理学家英国生物物理学家威尔金斯威尔金斯计算出计算出DNADNA分子螺旋的直径与长度分子螺旋的

5、直径与长度。英国。英国富兰克琳富兰克琳是最早认定是最早认定DNADNA具有具有双螺旋结构双螺旋结构的科学的科学家，并且运用家，并且运用X X射线衍射技术拍摄到了射线衍射技术拍摄到了DNADNA照片，还精确地计算出照片，还精确地计算出DNADNA分子内分子内部结构的部结构的轴向与距离轴向与距离。他们二人还对。他们二人还对DNADNA分子的结构作出了确切而关键性的分子的结构作出了确切而关键性的描述：描述：磷酸根磷酸根在螺旋的在螺旋的外侧外侧，碱基碱基在螺在螺旋旋内侧内侧。为推算出。为推算出DNADNA分子呈螺旋结构分子呈螺旋结构的结论，提供了决定性的实验依据。的结论，提供了决定性的实验依据。（1

6、1）衍射斑点呈交叉状分布；）衍射斑点呈交叉状分布；（2 2）衍射点之间的距离与层次表明有）衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm0.34nm和和3.4nm3.4nm的周期性；的周期性；（3 3） 图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状。图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状。（4 4）螺旋直径）螺旋直径2nm2nm最为关键结论：最为关键结论：DNADNA呈规则呈规则双链螺旋形双链螺旋形结构结构图形特点：图形特点：很规则、具有简单对称性很规则、具有简单对称性 英国剑桥大学国王学院英国剑桥大学国王学院19461946年就设立了年就设立了DNADNA结构结构研究室，研究室，富兰克琳与威尔金斯富兰克

7、琳与威尔金斯拥有充足的经费和拥有充足的经费和先进的技术设备，他们与成功地建立先进的技术设备，他们与成功地建立DNADNA双螺旋双螺旋结构模型只有咫尺之遥，但却未能跨出最后也是结构模型只有咫尺之遥，但却未能跨出最后也是最关键的一步。这一方面是因为他们认为探索最关键的一步。这一方面是因为他们认为探索DNADNA结构的惟一途径是使用结构的惟一途径是使用晶体学和数学计算晶体学和数学计算的的方法，拒绝采用方法，拒绝采用建立结构模型建立结构模型的方法；另一方面的方法；另一方面是由于人际关系等方面的因素。是由于人际关系等方面的因素。 AGCT腺嘌呤脱氧核苷酸腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胞

8、嘧啶脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸基本单位基本单位脱氧核苷酸脱氧核苷酸几种生物的几种生物的DNA碱基组成碱基组成(%)查哥夫规则的发现查哥夫规则的发现 19501950年总结出年总结出DNADNA的碱基组成的规律的碱基组成的规律（碱基互补配对原则）（碱基互补配对原则）(3) (3) 同一种生物的体细胞同一种生物的体细胞DNADNA的碱基含量相同。不同种生的碱基含量相同。不同种生物碱基含量不同。物碱基含量不同。(2) (2) 所有所有DNADNA分子中碱基含量分子中碱基含量 A=TA=T，G=CG=C 腺嘌呤和胞嘧啶总数等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶总数，腺嘌呤和胞嘧啶总

9、数等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶总数， 即即A+C= G+T A+C= G+T 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G= C+TA+G= C+T (1) (1) 所有所有DNADNA分子中都含有分子中都含有A A、T T、GG、C C 四种碱基。四种碱基。嘌呤配对嘌呤配对嘧啶配对嘧啶配对嘌呤和嘧啶嘌呤和嘧啶配对配对碱基互补配对原则碱基互补配对原则 X X衍射技术是用衍射技术是用X X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术。这个方法可以用来推测晶体中的分子排列。出晶体图案的技术。这个方法可以用来推测晶体中的分子排列。沃森沃森

10、和克里克和克里克就是根据对就是根据对DNADNA的的X X光衍射光衍射结果，以及对结果，以及对DNADNA分子不同分子不同碱基碱基之间数量关系之间数量关系的分析，提出了的分析，提出了DNADNA分子的分子的双螺旋结构双螺旋结构模型。模型。 DNA的双链结构的双链结构19531953年，沃森和克年，沃森和克里克撰写的里克撰写的核酸的核酸的分子结构分子结构脱氧核脱氧核糖核酸的一个结构模糖核酸的一个结构模型型论文在英国论文在英国自自然然杂志上刊载杂志上刊载ATGCAGCATT氢键氢键19621962年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖沃森、克里克、威尔金斯沃森、克里克、威尔金斯二二 .DNA

11、.DNA分子的结构分子的结构1.1.双链双链反向反向平行，盘旋成双螺平行，盘旋成双螺旋结构；旋结构；空间结构特点：空间结构特点：2.2.脱氧核糖和磷酸交替连接，排脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧构成基本骨架在外侧构成基本骨架；碱基排；碱基排在在内侧内侧 ；3.DNA3.DNA分子上的碱基通过分子上的碱基通过氢键氢键连接成碱基对：连接成碱基对：A AT T、GCGCATGCAGCATT氢键氢键53535 5种元素种元素4 4种基本单位种基本单位3 3类物质类物质2 2条链条链1 1种结构种结构 3 3、DNADNA分子的结构特性分子的结构特性（1 1）多样性：）多样性：碱基对的排列顺序的千变万化

12、，构成了碱基对的排列顺序的千变万化，构成了DNADNA分子的多样性。分子的多样性。 在生物体内，一个最短在生物体内，一个最短DNADNA分子也大约有分子也大约有40004000个碱基对，个碱基对，碱基对有：碱基对有：ATAT、TATA、GCGC、CGCG。请分析计算。请分析计算40004000个碱个碱基对组成的基对组成的DNADNA分子有多少种？分子有多少种？4 440004000 种种（2 2）特异性）特异性碱基对的特定排列顺序，又构成了每一个碱基对的特定排列顺序，又构成了每一个DNADNA分子的特分子的特异性。异性。（3) 3) 稳定性：稳定性： 具有规则的双螺旋结构具有规则的双螺旋结构三

13、、碱基计算的一般规律三、碱基计算的一般规律: : DNADNA双双链中，链中，互补互补碱基的数量碱基的数量相等，即相等，即( (A=TA=T、C=G)C=G) ； DNADNA单单链中，链中，互补互补碱基的数量碱基的数量不一定相等不一定相等, ,（A A T T、C GC G）2. 2. 双链双链DNADNA分子分子不互补不互补碱基对的碱基之碱基对的碱基之和和的的比值比值为为1 1，即，即嘌嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。 （A+CA+C）/ /（T+GT+G）=1=1，即，即 A+C = T+G A+C = T+G （A+GA+G）/ /（T+CT+C）=1=1，即，

14、即 A+G = T+C A+G = T+C3.3.在在双链双链DNADNA分子分子中某碱基的比值等于该中某碱基的比值等于该DNADNA分子每一条分子每一条单链中单链中该碱基该碱基比值比值之和的一半之和的一半2A1+A2A=2T1+T2T=4. DNA4. DNA分子其中分子其中一条一条链中的链中的互补互补碱基对的碱基之碱基对的碱基之和和的的比值比值与与另一条另一条互互补链中以及补链中以及双链双链DNADNA中该比值中该比值相等相等。A A1 1+T+T1 1 / / G G1 1+C+C1 1= =A A2 2 +T +T2 2 / / G G2 2 +C +C2 2= =A+TA+T / /

15、 G+CG+C = a = aATGCATGCA.A.核苷酸核苷酸B.B.脱氧核苷酸脱氧核苷酸C.C.腺嘌呤脱氧核苷酸腺嘌呤脱氧核苷酸1 1、下图为、下图为DNADNA分子结构示意图，下列三个选项中，对分子结构示意图，下列三个选项中，对 的的名称是否有正确的描述？名称是否有正确的描述？没有没有2.有两对通过氢键连接的脱氧核苷酸，已查明它的结构有有两对通过氢键连接的脱氧核苷酸，已查明它的结构有1个个腺嘌呤，腺嘌呤，1个胞嘧啶，则它的其它组成应是个胞嘧啶，则它的其它组成应是 ( ) A3个磷酸、个磷酸、3个脱氧核糖、个脱氧核糖、1个胸腺嘧啶、一个鸟嘌呤个胸腺嘧啶、一个鸟嘌呤 B2个磷酸、个磷酸、2

16、个脱氧核糖和个脱氧核糖和1个胞嘧啶、一个鸟嘌呤个胞嘧啶、一个鸟嘌呤C4个磷酸、个磷酸、4个脱氧核糖、个脱氧核糖、1个胸腺嘧啶、一个鸟嘌呤个胸腺嘧啶、一个鸟嘌呤 D4个磷酸、个磷酸、4个脱氧核糖、个脱氧核糖、1个尿嘧啶、一个鸟嘌呤个尿嘧啶、一个鸟嘌呤3.分析一个分析一个DNA时，发现时，发现20%的脱氧核苷酸含有鸟嘌呤，由的脱氧核苷酸含有鸟嘌呤，由此可知，该分子中一条链上腺嘌呤含量的最大值可占此链碱此可知，该分子中一条链上腺嘌呤含量的最大值可占此链碱基数的：（基数的：（）A60%B.30%C.40%D.80%CB4 4. .某某DNADNA分子一个单链上（分子一个单链上（A+GA+G）/ /（T

17、+CT+C）=0.4=0.4，则该，则该DNADNA的另一条单链和整个的另一条单链和整个DNADNA分子中同样的碱基比是分子中同样的碱基比是 A A、0.40.4和和0.6 B0.6 B、2.52.5和和1.0 1.0 C C、0.40.4和和0.4 D0.4 D、0.60.6和和1.01.05 5、双链、双链DNADNA分子中，分子中，GG占碱基总数的占碱基总数的3838，其中一条链中，其中一条链中的的T T占碱基总数的占碱基总数的5 5，那么另一条链中的，那么另一条链中的T T占碱基总数的占碱基总数的（ ） A.12%A.12% B.5%B.5% C.7%C.7% D.19%D.19%6 6. .马和鼠体细胞具有相同数目的染色体，但性状差异很大，马和鼠体细胞具有相同数目的染色体，但性状差异很大，原因是原因是( )( ) A A、生活环境不同、生活环境不同 B B、DNADNA分子中碱基对排列顺序不同分子中碱基对排列顺序不同 C C、DNADNA分子中碱基配对方式不同分子中碱基配对方式不同 D D、着丝点数目不同、着丝点数目不同B BD7.若在一双链若在一双链DNA分子中鸟嘌呤和胞嘧啶之和占碱基总和的分子中鸟嘌呤和胞嘧啶之和占碱基总和的