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第二节DNA分子的结构和复制,一,二,一、DNA的结构1.基本组成单位:脱氧核苷酸(1)组成:脱氧核苷酸的结构模式图如下图所示。(2)碱基:A.腺嘌呤;G.鸟嘌呤;C.胞嘧啶;T.胸腺嘧啶。(3)种类: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。,一,二,2.DNA的双螺旋结构(1)两条脱氧核苷酸链按照反向平行的方式盘旋成双螺旋结构。(2)外侧:脱氧核糖和磷酸交替连接,构成基本骨架。(3)内侧:两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。(4)碱基互补配对:A一定与T配对;G一定与C配对。自主思考在海洋底部火山口附近有一种细菌,科学家经研究发现,与常温下生存的细菌的DNA相比,该细菌的DNA结构更稳定,且耐高温。那么该细菌的DNA结构更稳定的原因是什么?提示:该细菌的DNA结构中GC碱基对多,由于GC碱基对中有3个氢键,所以结构更稳定。(5)特定的碱基对排列顺序构成了每一个DNA分子的特异性,而碱基对排列顺序的千变万化构成了DNA分子的多样性。,一,二,二、DNA分子的复制1.概念DNA分子的复制是指以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。2.时间细胞有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期。3.场所DNA复制的主要场所是细胞核,在拟核、线粒体、叶绿体中也进行DNA的复制。,一,二,4.过程(1)复制开始时,DNA分子首先利用细胞提供的能量,在解旋酶的作用下,把两条螺旋的双链解开,这个过程称为解旋。(2)以两条解开的母链为模板,在DNA聚合酶等酶的作用下,以周围环境中游离的脱氧核苷酸为原料,按照碱基互补配对原则,各自合成与母链互补的一条子链。(3)新合成的子链不断地延伸,同时,每条子链同与其对应的母链盘绕形成双螺旋结构,各自形成一个新的DNA分子。5.特点(1)DNA复制是一个边解旋边复制的过程。(2)在新合成的每个DNA分子中,都保留了原来DNA分子中的一条链,因此,这种复制方式又被称为DNA半保留复制。,一,二,6.精确复制的原因(1)DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板。(2)碱基互补配对保证了复制的精确进行。7.意义DNA分子通过复制保证了遗传信息传递的连续性,使细胞得以增殖,使生物种族的繁衍得以延续。自主思考DNA在细胞内可以复制,在细胞外可以复制吗?提示:DNA在细胞内可以复制,在细胞外,在相关酶的催化下,提供相应的原料也能够复制,比如PCR技术。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,DNA的双螺旋结构问题导引随着商品防伪难度的增大和DNA有关知识的普及,近几年来,许多商家尝试着用DNA作防伪标记。其原理是什么?提示:DNA分子的特异性,即每个DNA分子都有其特定的碱基对排列顺序。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,名师精讲DNA的双螺旋结构1.结构层次,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,2.结构特点(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分子都有特定的碱基对排列顺序。注意:DNA分子的多样性和特异性从分子水平说明了生物体具有多样性和特异性的原因。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,3.DNA结构中碱基互补配对原则的应用规律一:DNA双链中两互补链的碱基数相等,任意两个不互补的碱基之和恒等,占DNA中碱基数的50%。即:A=T,G=C,A+G=T+C=A+C=T+G=50%,(A+G)/(T+C)=(A+C)/(G+T)=1。规律二:DNA双链中的一条单链上(A+G)/(T+C)的值与另一条互补链上(A+G)/(T+C)的值互为倒数关系,在整个DNA中此比值为1。(A+C)/(T+G)的值亦如此。规律三:DNA双链中,一条单链上(A+T)/(G+C)的值与另一条互补链上(A+T)/(G+C)的值相等,与DNA双链中(A+T)/(G+C)的值相等。规律四:一条链中任意两互补碱基之和占该单链的比例等于DNA双链中该两种碱基之和占碱基总数的比例。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,典例剖析【例题1】下列有关DNA分子结构的叙述,正确的是()A.基本组成单位是核糖核苷酸B.磷酸和五碳糖排列在内侧C.具有规则的双螺旋结构D.碱基对构成分子的基本骨架解析:DNA分子的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸,结构中磷酸和五碳糖交替连接形成基本骨架排列在外侧,碱基排列在内侧,最后高度螺旋化形成规则的双螺旋结构。答案:C反思领悟DNA的结构是由两条反向平行的链构成的,磷酸与脱氧核糖交替连接形成基本骨架,碱基排列在内侧,遵循碱基互补配对的原则,其空间结构是规则的双螺旋结构。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,变式训练1某双链DNA分子中共有含氮碱基1400个,其中一条单链上(A+T)/(C+G)=2/5,该DNA分子中胸腺嘧啶脱氧核苷酸有()A.150个B.200个C.300个D.400个解析:双链DNA的一条链中,(A+T)/(G+C)与另一条互补链中(A+T)/(G+C)以及整个DNA分子中(A+T)/(G+C)相等。DNA分子的一条单链上(A+T)/(C+G)=2/5,那么整个DNA分子中(A+T)/(C+G)=2/5,因此可以推导出A+T占DNA分子碱基总数的2/7。双链DNA分子共有含氮碱基1400个,A=T,则DNA分子中胸腺嘧啶脱氧核苷酸有200个。答案:B,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,DNA的复制问题导引DNA分子的复制是否一定准确无误?提示:不一定,在DNA分子复制过程中由于受自身或外界因素的影响,可能出现碱基对的替换、缺失或改变等差错,但出错率极低。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,名师精讲1.DNA的复制边解旋边复制,半保留复制。其过程分为三个阶段,解旋合成子链母、子链组成双螺旋。(如图),探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,2.DNA复制的相关计算(1)标记模板DNA:DNA复制n次后,产生的子代DNA分子数为2n,其中含标记的DNA分子数为2,占全部DNA分子的2/2n;不含标记的DNA分子个数为2n-2,占全部DNA分子的比例为(2n-2)/2n=1-1/2n-1;含标记的DNA链为2条,占DNA总链数的比例为2/(22n)=1/2n;不含标记的DNA链数为2n+1-2,占全部DNA链数的比例为(2n+1-2)/2n+1=(2n-1)/2n。(2)标记原料:DNA复制n次,产生的子代DNA数为2n,被标记的DNA分子个数为2n,占全部DNA分子的100%;未被标记的DNA链为2条,占DNA总链数的1/2n;被标记的DNA链为(2n+1-2)条,占全部DNA链数的比例为(2n-1)/2n。(3)DNA复制n次所需的游离脱氧核苷酸=(2n-1)m,DNA第n次复制所需的游离脱氧核苷酸=2n-1m,其中m为所求脱氧核苷酸在亲代DNA中的含量,n为复制次数。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,拓展提高由于DNA的复制为半保留复制,因此可推出一个含m个脱氧核苷酸的DNA分子复制若干次的数量关系:,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,典例剖析【例题2】某DNA分子中含有1000个碱基对(P元素只是32P),若将DNA分子放在只含31P的脱氧核苷酸的培养液中,让其在适宜的条件下复制两次,则子代DNA的平均相对分子质量比原来()A.增加1000B.减少1000C.增加1500D.减少1500解析:具有1000个碱基对的DNA分子连续复制两次,形成4个DNA分子,这4个DNA分子中有2个DNA分子的每条链都含31P,还有2个DNA分子都是一条链含31P,另一条链含32P。这样4个DNA分子平均相对分子质量比原来减少了6000/4=1500。答案:D,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,变式训练2假设一个双链均被32P标记的噬菌体DNA由5000个碱基对组成,其中腺嘌呤占全部碱基的20%。用这个噬菌体侵染只含31P的大肠杆菌,共释放出100个子代噬菌体。下列叙述正确的是()A.该过程至少需要3105个鸟嘌呤脱氧核苷酸B.噬菌体增殖需要细菌提供模板、原料和酶等C.含32P与只含31P的子代噬菌体的比例为149D.该噬菌体DNA分子中含有的胞嘧啶脱氧核苷酸的数量是2000个,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,解析:DNA分子中含有的鸟嘌呤脱氧核苷酸(G)的数量是(50002-5000220%2)2=3000(个),复制过程至少需要鸟嘌呤脱氧核苷酸的数量为3000(100-1)=2.97105(个),A项错误;噬菌体增殖过程中的模板来自噬菌体本身,B项错误;经过多次复制后,含32P的子代噬菌体为2个,所以含32P与只含31P的子代噬菌体的比例为2(100-2)=149,C项正确;在双链DNA分子中,胞嘧啶脱氧核苷酸的数量等于鸟嘌呤脱氧核苷酸的数量,为3000个。答案:C,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,判断正误(正确的画“”,错误的画“”)。1.DNA分子的立体结构是规则的双螺旋结构,其两条链呈反向平行方式盘旋。()提示:2.DNA分子中的脱氧核糖与碱基交替连接排列于外侧,构成基本骨架。()提示:DNA分子中的脱氧核糖与磷酸交替连接排列于外侧,构成基本骨架。3.含GC碱基对相对多的DNA分子其稳定性应小于含AT碱基对相对多的DNA分子。()提示:GC碱基对由3个氢键连接,AT碱基对由2个氢键连接,所以含GC碱基对相对多的DNA分子其稳定性应大于含AT碱基对相对多的DNA分子。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,4.含1000个碱基的DNA分子,其碱基对的排列方式可达41000种,这表明DNA分子具多样性。()提示:碱基对的排列方式是4500种。5.不同DNA分子,其碱基对各有其特定的排列顺序,该排列顺序即代表遗传信息,这表明DNA分子具有特异性。()提示:6.DNA解旋后的每一条脱氧核苷酸链都可以作为DNA复制的模板。()提示:,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,设计和制作DNA分子双螺旋结构模型【实验指导】1.制作原理DNA的脱氧核苷酸双链反向平行,磷酸与脱氧核糖交替连接,排列在外侧,碱基排列在内侧,碱基对通过氢键连接,相应碱基互补配对。2.材料用具大头针、泡沫塑料、纸板、牙签、橡皮泥等常用物品都可用做模型制作的材料。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,3.制作流程(1)使用各种材料分别“制”若干个磷酸、脱氧核糖、碱基;将各种配件整合在一起,并连接成脱氧核苷酸链;连接两条脱氧核苷酸链,拼成DNA分子平面结构图,再“旋转”成双螺旋结构。(2)根据设计,对制作的DNA分子双螺旋结构模型进行检查,对模型的不足加以修正。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,4.注意事项(1)熟悉制作模型用的各种零件代表的物质,写出四种碱基的名称。(2)两条链的长度、碱基总数一致,碱基互补、方向相反。(3)磷酸、脱氧核糖、碱基三者之间的连接部位要正确。(4)制作中各零件连接应牢固,避免在旋转中脱落。(5)各组模型制作以不同数量和顺序的AT、CG、TA、GC四种碱基对排列,领悟DNA分子的多样性。(6)制作DNA结构模型的材料也可以用其他替代材料,因地制宜,就地取材。,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,【设计体验】在制作DNA双螺旋结构模型时,各“部件”之间需要连接。图中的连接方式错误的是(),解析:DNA分子是由两条链组成的,脱氧核糖和磷酸交替连接,排列在外侧,构成基本骨架,碱基排列在内侧。具体连接如选项C、D。选项B中的连接方式是磷酸和磷酸连接,因此是错误的。答案:B,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,1.以下关于DNA分子结构的叙述,不正确的是()A.含有两条反向平行的脱氧核苷酸链B.磷酸和脱氧核糖交替排列在外侧,构成基本骨架C.碱基之间以氢键连接D.碱基的数目等于磷酸与脱氧核糖数目之和解析:DNA分子中,其基本组成单位脱氧核苷酸由磷酸、脱氧核糖和碱基连接形成,所以碱基数目与磷酸数目以及脱氧核糖数目相等。答案:D,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,2.某同学制作的DNA双螺旋结构模型中,在一条链中所用碱基模块ACTG为1234,则该双螺旋模型中上述碱基模块的比应为()A.1234B.3412C.1111D.2323解析:因一条链中ACTG=1234,根据碱基互补配对原则,互补链中ACTG=3412,所以DNA双链中的ACTG=(1+3)(2+4)(3+1)(4+2)=2323。答案:D,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,3.地球上的生物多种多样,不同生物的DNA不同,每一种生物的DNA又具有特异性。决定DNA遗传特异性的是()A.脱氧核苷酸链上磷酸和脱氧核糖的排列特点B.嘌呤总数与嘧啶总数的比值C.碱基互补配对的原则D.碱基排列顺序解析:生物的遗传信息储存在DNA的碱基排列顺序中,DNA的遗传特异性取决于碱基排列顺序。答案:D,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,4.下列有关DNA复制的叙述,正确的是()A.DNA分子在解旋酶的作用下水解成脱氧核苷酸B.在复制过程中边解旋边复制C.解旋后以一条母链为模板合成两条新的子链D.两条新的子链通过氢键形成一个新的DNA分子解析:DNA复制的特点是边解旋边复制和半保留复制。解旋酶的作用是打开碱基对间的氢键,解旋后两条链都分别作模板形成两条与母链互补的子链,然后母链与互补子链通过氢键相连接。答案:B,探究点一,探究点二,易错点排查,实验设计,当堂检测,5.DNA是以半保留方式进行复制的,如果含有放射性标记的1个双链DNA分子在无放射性标记的溶液中复制2次,那么所产生的4个DNA分子中()A.部分DNA分子含有放射性B.全部DNA分子含有放射性C.所有分子的一条链含有放射性D.所有分子的两条链都没有放射性解析:根据DNA分子半保留复制的特点,含有放射性标记的1个双链DNA分子在无放射性标记的溶液中复制2次,形成4个DNA分子,其中2个DNA分子的2条链都没有放射性;另外2个DNA分子都是一条链含有放射性,另一条链无放射性。答案:A,
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