人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第2节 DNA的结构学案

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知识点一 DNA双螺旋结构模型的构建
1．构建者
美国生物学家eq \(□,\s\up4(01))沃森和英国物理学家eq \(□,\s\up4(02))克里克。
2．构建过程
3．意义：是划时代的伟大发现，在生物学的发展中具有里程碑式的意义。
eq \a\vs4\al(问题探究) DNA的结构模型属于什么模型？
提示：物理模型。
[例] 下列关于在DNA结构模型构建相关的说法中，错误的是( )
A．威尔金斯和富兰克林提供了DNA的电子显微镜图像
B．沃森和克里克提出了DNA的双螺旋结构模型
C．研究DNA结构常用的方法是X射线晶体衍射法
D．查哥夫发现碱基A的量等于T的量、C的量等于G的量
解题分析 在DNA结构构建方面，威尔金斯和富兰克林提供了DNA的衍射图谱，A错误。
答案 A
知识点二 DNA的结构
1．组成元素：eq \(□,\s\up4(01))C、H、O、N、P。
2．基本单位：eq \(□,\s\up4(02))脱氧核苷酸(4种)。
(1)组成：每个脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖、一分子eq \(□,\s\up4(03))含氮碱基构成，共有四种碱基，分别为Aeq \(□,\s\up4(04))腺嘌呤、Teq \(□,\s\up4(05))胸腺嘧啶、Geq \(□,\s\up4(06))鸟嘌呤、Ceq \(□,\s\up4(07))胞嘧啶。
(2)结构简式
脱氧核糖上与碱基相连的碳叫作eq \(□,\s\up4(08))1′－C，与磷酸基团相连的碳叫作eq \(□,\s\up4(09))5′－C。
3．DNA结构：双螺旋结构。
(1)DNA结构图
DNA的一条单链具有eq \(□,\s\up4(10))两个末端，一端有一个游离的eq \(□,\s\up4(11))磷酸基团，这一端称作5′－端，另一端有一个羟基(—OH)，称作3′－端。DNA的两条单链走向eq \(□,\s\up4(12))相反，从双链的一端起始，一条单链是从eq \(□,\s\up4(13))5′－端到3′－端的，另一条单链则是从eq \(□,\s\up4(14))3′－端到5′－端的。
(2)结构特点
①DNA是由eq \(□,\s\up4(15))两条链组成的，这两条链按eq \(□,\s\up4(16))反向平行方式盘旋成eq \(□,\s\up4(17))双螺旋结构。
②DNA中的eq \(□,\s\up4(18))磷酸和eq \(□,\s\up4(19))脱氧核糖交替连接，排列在外侧，构成eq \(□,\s\up4(20))基本骨架，eq \(□,\s\up4(21))碱基排列在内侧。
③两条链上的碱基通过eq \(□,\s\up4(22))氢键连接成碱基对。碱基配对的规律是：eq \(□,\s\up4(23))A与T配对，eq \(□,\s\up4(24))G与C配对。碱基之间的这种一一对应的关系，叫作eq \(□,\s\up4(25))碱基互补配对原则。
eq \a\vs4\al(问题探究) 在双链DNA中，一个磷酸与几个脱氧核糖相连？一个脱氧核糖与几个磷酸相连？
提示：一个或两个；一个或两个。
eq \a\vs4\al(问题探究) 一条脱氧核苷酸链上相邻的两个碱基通过什么相连？
提示：脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖。
eq \a\vs4\al(问题探究) 两条链的碱基通过什么相连？该片段中有几个游离的磷酸基团？
提示：氢键；2个。
eq \a\vs4\al(问题探究) 一条DNA单链的序列是5′－CAGTAC－3′，那么它的互补链的序列是什么？
提示：5′－GTACTG－3′。
eq \a\vs4\al(知识拓展) 涉及到的基本骨架或基本支架有
(1)有机大分子：碳链。
(2)细胞骨架：蛋白质纤维。
(3)细胞膜基本支架：磷脂双分子层。
(4)DNA双螺旋结构基本骨架：脱氧核糖和磷酸交替连接。
[例1] 如图是4位同学拼制的DNA部分平面结构模型，正确的是( )
解题分析 一个脱氧核苷酸的磷酸基团与碱基分别连在脱氧核糖的5′－C和7′－C上。脱氧核苷酸之间的连接方式是一个脱氧核苷酸的磷酸和另一个脱氧核苷酸的脱氧核糖的3′－C连接。
答案 C
[例2] 下面对DNA结构的叙述中，错误的一项是( )
A．DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧
B．DNA中的两条链反向平行
C．DNA中氢键数目和碱基数目一定相等
D．DNA中在两条链的5′－端具有2个游离的磷酸基团
解题分析 在DNA中，脱氧核糖与磷酸交替连接，排列在DNA外侧，共同构成DNA的基本骨架，A正确；DNA两条链反向平行，B正确；A—T间是2个氢键，G—C间是3个氢键，氢键数目和碱基数目不相等，C错误；DNA一条链的5′－端具有游离的磷酸基团，DNA由两条反向平行的链构成，因此具有两个游离的磷酸基团，D正确。
答案 C
技法提升
“三看法”判断DNA结构的正误
一看基本骨架的成键位置是否正确，正确的成键位置在一分子脱氧核苷酸的5号碳原子上的磷酸基团与相邻核苷酸的脱氧核糖的3号碳原子之间；
二看两条链是否反向平行；
三看内侧碱基之间配对是否遵循碱基互补配对原则。
知识点三 制作DNA双螺旋结构模型及DNA相关计算
1．制作DNA双螺旋结构模型
(1)组装“脱氧核苷酸模型”：利用材料制作若干个eq \(□,\s\up4(01))脱氧核糖、磷酸和碱基，组装成若干个脱氧核苷酸。
(2)制作“多核苷酸长链模型”：将若干个脱氧核苷酸依次穿起来，组成两条多核苷酸长链。注意两条长链的单核苷酸数目必须eq \(□,\s\up4(02))相等，碱基之间能够eq \(□,\s\up4(03))互补配对。
(3)制作DNA平面结构模型：按照eq \(□,\s\up4(04))碱基互补配对的原则，将两条多核苷酸长链互相连接起来，注意两条链的方向eq \(□,\s\up4(05))相反。
(4)制作DNA的立体结构(双螺旋结构)模型：把DNA平面结构旋转，即可得到一个DNA的双螺旋结构模型。
2．DNA相关计算
分析上图可得出以下规律
(1)DNA双链中互补的两个碱基数量eq \(□,\s\up4(06))相等，即A＝T，C＝eq \(□,\s\up4(07))G。
(2)DNA双链中，两个不互补的碱基之和比值eq \(□,\s\up4(08))相等，并为碱基总数的eq \(□,\s\up4(09))eq \f(1,2)，即(A＋G)/(A＋G＋T＋C)＝(T＋C)/(A＋G＋T＋C)＝(A＋C)/(A＋G＋T＋C)＝(T＋G)/(A＋G＋T＋C)＝eq \(□,\s\up4(10))eq \f(1,2)。
(3)一条链中互补的两碱基的和占该单链的比eq \(□,\s\up4(11))等于其互补链中这两碱基占互补链的比，eq \(□,\s\up4(12))等于DNA双链中这两种碱基的和占碱基总数的比例，即eq \f(A1＋T1,A1＋T1＋C1＋G1)＝eq \f(A2＋T2,A2＋T2＋C2＋G2)＝eq \f(A＋T,A＋T＋C＋G)，
eq \f(C1＋G1,A1＋T1＋C1＋G1)＝eq \f(C2＋G2,A2＋T2＋C2＋G2)＝eq \f(C＋G,A＋T＋C＋G)。
(4)若一条链中(A1＋G1)/(T1＋C1)＝K，则另一条链中(A2＋G2)/(T2＋C2)＝eq \(□,\s\up4(13))eq \f(1,K)。
(5)不同DNA，eq \f(A＋T,G＋C)值不同。
eq \a\vs4\al(问题探究) DNA中，以下碱基关系哪些是一定成立的？
①A1＝T1、A2＝T2、C1＝G1、C2＝G2
②A1＝T2、A2＝T1、C1＝G2、C2＝G1
③A＝T、C＝G ④eq \f(A1＋T1,C1＋G1)＝eq \f(A2＋T2,C2＋G2)＝eq \f(A＋T,C＋G) ⑤A＋T＝C＋G ⑥eq \f(A1＋G1,T1＋C1)＝eq \f(T2＋C2,A2＋G2)＝eq \f(A＋G,T＋C) ⑦A＋G＝T＋C
提示：②③④⑦。
[例1] 某基因含有腺嘌呤的分子数为15%，含胞嘧啶的分子数为( )
A．15% B．35% C．70% D．85%
解题分析 DNA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%。
答案 B
[例2] 一条双链DNA，G和C占全部碱基的44%，其中一条链的碱基中，26%是A,20%是C，那么其互补链中的A和C分别占该链全部碱基的百分比是( )
A．28%和22% B．30%和24%
C．26%和20% D．24%和30%
解题分析 由eq \f(G＋C,A＋T＋C＋G)＝44%推出eq \f(G1＋C1,A1＋T1＋C1＋G1)＝44%，又因为A1＝26%，C1＝20%，推出G1＝44%－20%＝24%，T1＝1－44%－26%＝30%，则A2＝T1＝30%，C2＝G1＝24%。
答案 B
[例3] DNA的一条单链中(A＋G)/(T＋C)＝0.4。上述比例在其互补单链和整个DNA中分别为( )
A．0.4、0.6 B．2.5、1.0 C．0.4、0.4 D．0.6、1.0
解题分析 根据碱基互补配对原则，在整个DNA中，因为A＝T、G＝C，所以(A＋G)/(T＋C)比值为1.0。在双链DNA中，一条链上的(A＋G)/(T＋C)与另一条链上(A＋G)/(T＋C)互为倒数，因而互补链中(A＋G)/(T＋C)＝2.5。
答案 B
技法提升
解答碱基计算题目的三个步骤
第一步：搞清题中所给出的碱基数或碱基数的和是占单链的比例还是双链的比例，所求的是占整个DNA的比例还是占其中一条链的比例。
第二步：画出一个DNA模式图，并在图中标出已知和所求的碱基。
第三步：根据碱基互补配对原则及有关规律进行计算。
1．有一对氢键连接的脱氧核苷酸，已知它的结构中有一个腺嘌呤，则它的其他组成应是( )
A．三个磷酸、三个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶
B．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胞嘧啶
C．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶
D．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个尿嘧啶
答案 C
解析 据碱基互补配对原则可知，另一个碱基为T，两个脱氧核苷酸含有两个磷酸和两个脱氧核糖。
2．已知1个DNA中有4000个碱基对，其中胞嘧啶有2200个，这个DNA中应含有的脱氧核苷酸的数目和腺嘌呤的数目分别是( )
A．4000个和900个 B．4000个和1800个
C．8000个和1800个 D．8000个和3600个
答案 C
解析 每个脱氧核苷酸含有一个碱基，有4000个碱基对，所以含有8000个脱氧核苷酸。双链DNA中，不互补的两种碱基之和占全部碱基总数的50%，即A＋C＝4000，故A＝1800。
3．如图所示为DNA的某一片段，下列相关叙述正确的是( )
A．构成DNA的基本单位是⑦
B．DNA中⑤相对含量越多越稳定
C．图中④的种类由③决定，共有5种
D．⑥构成DNA的基本骨架
答案 B
解析 图中⑦是脱氧核苷酸链，构成DNA的基本单位是脱氧核苷酸，应是④，A错误；⑤表示碱基之间的氢键，DNA中其相对含量越多越稳定，B正确；图中④是脱氧核苷酸，其种类由③碱基决定，共有A、G、C、T四种，C错误；⑥是碱基对，脱氧核糖②和磷酸①交替连接构成DNA的基本骨架，D错误。
4．如图表示某大肠杆菌DNA结构的片段，请据图回答：
(1)图中1表示________，2表示________。1、2、3结合在一起的结构叫__________________。
(2)3有________种，中文名称分别是______________。
(3)DNA中3与4是通过________连接起来的。
(4)DNA被彻底氧化分解后，能产生含N废物的是________。
(5)脱氧核苷酸中，磷酸基团和碱基分别连在脱氧核糖的________和__________________上。
答案 (1)磷酸 脱氧核糖 脱氧核糖核苷酸
(2)两 鸟嘌呤、胞嘧啶
(3)氢键 (4)含氮碱基
(5)5′－C 1′－C
解析 图示为DNA片段，1代表磷酸基团，2是脱氧核糖，3、4代表含氮碱基。两条链之间通过碱基对间的氢键相连。