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第二节DNA的分子结构和特点学习目标1.概述DNA分子的双螺旋结构及特点。2.学会“制作DNA双螺旋结构模型”的构建过程。3.通过制作DNA双螺旋结构模型，进一步理解其结构特点并掌握有关的计算规律。一、DNA分子的结构1.核苷酸是核苷和磷酸连接起来的结构单元，其中的核苷又是含氮碱基与脱氧核糖结合形成的单位。2.DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸，DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体。由于组成脱氧核苷酸的碱基只有4种，分别是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)，因此，脱氧核苷酸也有4种，分别是腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。归纳总结DNA的分子组成例1(2018绍兴测试)如图表示的是DNA和RNA组成的结构示意图，下列有关说法中正确的是()A.人体细胞中都有5种碱基和8种核苷酸B.硝化细菌的遗传物质由5种碱基构成C.蓝细菌的线粒体中也有上述两种核酸D.DNA彻底水解后得到的产物中有脱氧核糖而没有核糖答案D解析在人体成熟红细胞中不含DNA、RNA，因而红细胞内也不含碱基和核苷酸；硝化细菌的遗传物质是DNA，只由4种碱基构成；蓝细菌属于原核生物，无线粒体。例2(2018金华测试)下列图中所示的核苷酸中，在DNA结构中不可能具有的是()答案B解析DNA的基本组成单位脱氧核苷酸是由脱氧核糖、磷酸、含氮碱基结合而成的，其含氮碱基中不含尿嘧啶(U)。二、DNA分子的结构特点1.沃森和克里克认为：DNA分子的立体结构是规则的双螺旋结构。2.DNA分子结构的主要特点(1)DNA分子是由两条长链组成的，并按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。其中每条链上的一个核苷酸以脱氧核糖与另一个核苷酸上的磷酸基团结合，形成主链的基本骨架，并排列在主链的外侧，碱基位于主链的内侧。(2)DNA分子一条链上的核苷酸碱基总是跟另一条链上的核苷酸碱基互补配对，两条链上的核苷酸碱基由氢键连接。碱基互补配对原则是：腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)通过两个氢键相连，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)通过三个氢键相连。(3)双链DNA分子中碱基AT，GC，但是AT的量不一定等于GC的量，这就是DNA中碱基含量的卡伽夫法则。归纳总结1.DNA结构的“五、四、三、二、一”记忆五种元素：C、H、O、N、P；四种碱基：A、G、C、T，相应地有四种脱氧核苷酸；三种物质：磷酸、脱氧核糖、含氮碱基；二条长链：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。2.DNA中两条链反向平行，每条链有一个游离的磷酸基团；一条链内的相邻碱基由脱氧核糖磷酸基团脱氧核糖连接；两条链之间的碱基由氢键连接形成碱基对，AT之间有2个氢键，GC之间有3个氢键；相同长度的DNA分子，GC碱基对越多，氢键越多，DNA分子越稳定。例3如图表示DNA片段的结构图，请据图回答：(1)图甲是DNA片段的_结构，图乙是DNA片段的_结构。(2)填出图中部分结构的名称：_；_；_。(3)从图中可以看出DNA分子中的两条链的基本骨架是由_和_交替连接构成的。(4)连接碱基对的4是_，碱基配对的方式如下：即_与_配对；_与_配对。(5)图甲中表示了_种_个脱氧核苷酸。(6)从图甲可以看出组成DNA分子的两条链的方向是_的，从图乙可以看出组成DNA分子的两条链相互缠绕成_结构。答案(1)平面立体(或空间)(2)一条脱氧核苷酸单链片段脱氧核糖腺嘌呤脱氧核苷酸(3)脱氧核糖磷酸(4)氢键A(腺嘌呤)T(胸腺嘧啶)G(鸟嘌呤)C(胞嘧啶)(5)48(6)反向平行规则的双螺旋例4下面对DNA结构的叙述中，错误的一项是()A.DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧B.DNA分子中的两条链反向平行C.DNA分子中氢键数目和碱基数目一定相等D.DNA分子中碱基之间一一对应配对的关系是碱基互补配对原则答案C解析在DNA分子中，AT、GC，脱氧核糖与磷酸交替连接，排列在DNA外侧，共同构成DNA分子的基本骨架；DNA分子两条链反向平行；AT间是2个氢键，GC间是3个氢键，氢键数目和碱基数目不相等。三、制作DNA双螺旋结构模型1.实验原理(1)DNA分子由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成。 (2)DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架。(3)DNA分子两条链上的碱基按照碱基互补配对原则两两配对，并且以氢键连接。2.实验步骤(1)用不同颜色的卡纸剪成长方形碱基，用其他颜色的卡纸剪成圆形代表磷酸，另一种颜色的卡纸剪成五边形，代表脱氧核糖。 (2)使用订书机将磷酸、脱氧核糖、碱基连接，制作成一个个含有不同碱基的脱氧核苷酸模型。(3)用订书机把一个个脱氧核苷酸模型连接起来，形成一条多核苷酸的长链；根据碱基互补配对原则，制作一条与这条链完全互补的脱氧核苷酸长链。(4)将脱氧核苷酸中的磷酸固定在细铁丝上，然后把两条链平放在桌子上，用订书机把配对的碱基两两连接在一起。(5)将两条链的末端分别与硬纸方块连接在一起，两手分别提起硬纸方块，轻轻旋转，即可得到一个DNA分子双螺旋结构模型。注意事项：选材时，用不同形状、不同大小和不同颜色的材料分别代表脱氧核糖、磷酸和不同的碱基。要选用有一定强度和韧性的支架和连接材料。例5(2015浙江10月选考)如图表示某同学制作的DNA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处答案C解析组成DNA的五碳糖为脱氧核糖；构成DNA的碱基中不含尿嘧啶；腺嘌呤通过两条氢键与胸腺嘧啶配对，胞嘧啶与鸟嘌呤间形成三条氢键。例6(2017台州二模)某同学制作一DNA片段模型，现有若干不同类型塑料片，见表。还应准备脱氧核糖的塑料片数目是()塑料片碱基G碱基C碱基A碱基T磷酸数量(个)1016161052A.32 B.40C.26 D.52答案B解析根据碱基互补配对原则，该DNA分子中应该有10个CG碱基对，10个AT碱基对，共20个碱基对，40个碱基。由于一分子脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基组成，因此还应该准备40个脱氧核糖。四、DNA分子中碱基数目的计算1.碱基比例与双链DNA分子的共性及特异性(1)共性：不因生物种类的不同而不同1；1；1。(2)特异性：的值在不同DNA分子中是不同的，是DNA分子多样性和特异性的表现。2.DNA分子中碱基的相关计算(1)基本规则碱基互补配对原则为A与T配对，G与C配对。总的碱基数量为两条单链的碱基之和。(2)计算规律规律一：DNA双链中的两条互补链的碱基数相等，任意两个不互补的碱基之和恒等，占碱基总数的50%，即AGTCACTG50%。结论：DNA中非互补碱基之和总相等。规律二：DNA双链中的一条单链的的值与其互补链的的值互为倒数关系。结论：DNA两条链间非互补碱基和之比互为倒数。规律三：DNA双链中，一条单链的的值与其互补链的的值是相等的，也与整个DNA分子中的的值相等。结论：在同一DNA中，双链和单链中互补碱基和之比相等。规律四：DNA一条链中A占的比例为a1，另一条链中A占的比例为a2，则整个DNA分子中A占的比例为。结论：某碱基占双链DNA碱基总数的百分比数等于相应碱基占相应单链比值和的一半。例7某DNA分子中AT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()A.35% B.29% C.28% D.21%答案A解析整个DNA分子中的AT占整个DNA碱基总数的44%，则GC占整个DNA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GC占整个DNA分子碱基总数的56%，所以G(b链上)C(a链上)占DNA整个分子碱基总数的35%，推得G占b链碱基总数的35%，所以答案选A。例8下列关于双链DNA的叙述，不正确的是()A.若一条链上A和T的数目相等，则另一条链上的A和T数目也相等B.若一条链上A的数目大于T，则另一条链上A的数目小于TC.若一条链上ATGC1234，则另一条链上ATGC1234D.若一条链上ATGC1234，则另一条链上ATGC2143答案C解析根据DNA双螺旋结构中的碱基互补配对原则，即A对T，G对C，由此推测两条链上互补碱基的数量关系是AT，GC。若一条链上A和T的数目相等，则另一条链上的A和T的数目也相等，A项正确；若一条链上A的数目大于T，则另一条链上A的数目小于T，B项正确；若一条链上ATGC1234，对应出另一条链上TACG1234，调整为ATGC的顺序，应等于2143，C项错误，D项正确。方法技巧解答碱基计算的“三个”步骤第一步：搞清题中所给的和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。第二步：画出一个DNA分子模式图，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.(2018杭州学考)有关DNA分子结构的叙述，错误的是()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.碱基与脱氧核糖相连接D.磷酸与脱氧核糖交替连接构成DNA的基本骨架答案B解析DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，DNA分子由4种脱氧核苷酸组成，A正确；DNA单链上相邻碱基通过脱氧核糖磷酸脱氧核糖相连接，B错误；碱基与脱氧核糖相连接，C正确；磷酸与脱氧核糖交替连接形成DNA分子链的基本骨架，D正确。2.(2018温州模拟)如图表示DNA分子部分结构的示意图，下列关于图中结构叙述正确的是() A.腺嘌呤数目与胸腺嘧啶数目相等B.嘌呤数目与嘧啶数目相等C.核糖数目与磷酸二酯键数目相等D.磷酸基团数目与碱基数目相等答案D解析在DNA分子单链中，A和T数目不一定相等，嘌呤和嘧啶也不一定相等，核糖数目比磷酸二酯键数目多一个，一个核苷酸中有一个磷酸和一个碱基，D正确。3.假设一个DNA分子片段中，碱基T共312个，占全部碱基的26%，则此DNA片段中碱基G所占百分比和数目分别是()A.26%,312个 B.24%,288个C.24%,298个 D.12%,144个答案B解析DNA分子的碱基数目和比例严格遵循碱基互补配对原则，即DNA分子中有一个A，必须有一个和其互补的T；有一个C，必有一个G。根据这个原理可知G24%；又知T共312个，占26%，则可知该DNA分子片段中共有碱基31226%1 200个，则G的数目是1 20024%288个。4.若用订书钉将脱氧核糖、磷酸、碱基及DNA的两条链连接，构建一个含10对碱基(A有6个)的DNA分子的片段模型，那么使用的订书钉个数为()A.58 B.78C.82 D.88答案C解析A和T之间有2个氢键，C和G之间有3个氢键，该DNA片段含有10个碱基对，其中有6对是A与T碱基对，则氢键数62(106)324个，即需要24个订书钉作为氢键，一分子脱氧核糖核苷酸需要2个订书钉(将磷酸、脱氧核糖、碱基连接在一起)，因此共需要订书钉102240个，每条链相邻两个脱氧核苷酸之间通过磷酸二酯键相连，即需要1个订书钉，因此每条链需要9个订书钉，则共需要9218个。因此，共需要订书钉24401882个。5.如图所示为DNA分子结构模式图，请据图回答下列问题：(1)组成DNA的基本单位是_，共有_种。(2)若3为胞嘧啶，则4应是_。两者之间通过_键相连。(3)图中8示意的是一条_的片段，与另一条片段的位置关系是_。(4)构成DNA分子的碱基有_种，其中A与T通过_个氢键相连，G与C通过_个氢键相连。(5)如果该DNA分子的一条链中的A占该链的35%，T占该链的25%，那么该DNA中的G占该DNA分子的比例是_。答案(1)5脱氧核苷酸4(2)鸟嘌呤氢(3)脱氧核苷酸链反向平行(4)423(5)20%解析(1)图中的1、2、3、4、5、6、7分别是磷酸、脱氧核糖、碱基、碱基、脱氧核苷酸、碱基对、氢键，其中组成DNA的基本单位是4种脱氧核苷酸。(2)根据碱基互补配对原则，若3为胞嘧啶，则4应为鸟嘌呤，两者之间通过氢键相连。(3)8为一条由若干个脱氧核苷酸连接而成的脱氧核苷酸链片段，与另一条片段的位置关系是反向平行。(4)构成DNA分子的碱基只有4种，A与T通过2个氢键相连，G与C通过3个氢键相连。(5)据题知一条链中的AT占该链的60%，所以整个DNA分子中AT60%，故GC占整个DNA分子的比例是40%，所以G占该DNA分子总碱基数的比例是20%。对点训练题组一DNA分子的结构1.根据碱基互补配对原则，以下碱基配对正确的是()A.G与T B.A与AC.U与T D.G与C答案D解析根据碱基互补配对原则：A与T配对、G与C配对。2.一对由氢键连接的脱氧核苷酸，已查明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DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，每一个脱氧核苷酸都是由一分子磷酸、一分子含氮碱基(有4种)、一分子脱氧核糖组成。一对由氢键连接的脱氧核苷酸包含两个脱氧核苷酸分子，由于一个含有腺嘌呤，则另一个应含有胸腺嘧啶，另外还有两个磷酸、两个脱氧核糖。3.如图是一个DNA分子的片段，从图中不能得到的信息是()A.DNA是双螺旋结构B.碱基严格互补配对C.嘌呤数等于嘧啶数D.两条脱氧核苷酸链反向平行答案D解析由图示可以看出，DNA是双螺旋结构，两条链之间碱基严格互补配对，即嘌呤数等于嘧啶数；从题中不能看出两条链的方向。4.下面为DNA分子的结构示意图，对该图的正确描述是()A.和相间排列，构成了DNA分子的基本骨架B.构成胞嘧啶脱氧核苷酸C.占的比例越大，DNA分子越稳定D.DNA分子中依次代表A、G、C、T答案D解析DNA分子的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成的，A错误；胞嘧啶脱氧核苷酸由组成，B错误；是A与T之间的氢键，G、C含量越多，DNA分子越稳定，C错误；根据碱基互补配对原则，、依次代表A、G、C、T，D正确。5.以下四个双链DNA分子中，稳定性最差的是()A.A占25% B.T占30%C.G占25% D.C占30%答案B解析DNA分子结构稳定性表现在相对稳定的双螺旋结构；碱基对通过氢键连接，氢键含量越高，稳定性越强；根据碱基互补配对原则可计算四个双链DNA分子中含GC碱基对最少的稳定性最差。A项中GC50%；B项中GC40%；C项中GC50%；D项中GC60%。6.在DNA分子模型搭建实验中，如果用一种长度的塑料片代表A和G，用另一长度的塑料片代表C和T，那么由此搭建而成的DNA双螺旋的整条模型()A.粗细相同，因为嘌呤环必定与嘧啶环互补B.粗细相同，因为嘌呤环与嘧啶环的空间尺寸相似C.粗细不同，因为嘌呤环不一定与嘧啶环互补D.粗细不同，因为嘌呤环与嘧啶环的空间尺寸不同答案A解析A和G都是嘌呤碱基，C和T都是嘧啶碱基，在DNA分子中，总是AT、GC，依题意，用一种长度的塑料片代表A和G，用另一长度的塑料片代表C和T，则DNA的粗细相同。7.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答案D解析审题时应扣住“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，依靠磷酸基团和脱氧核糖之间形成的磷酸二酯键，因此两个碱基之间的连接结构是：脱氧核糖磷酸脱氧核糖。题组二制作DNA双螺旋结构模型8.某学生制作的以下碱基对模型中，正确的是()答案A解析DNA的两条链反向平行构成双螺旋结构，即C、D错误；碱基之间的配对遵循碱基互补配对原则，即A和T配对、C和G配对，且A和T之间有2个氢键，C和G之间有3个氢键，即A正确、B错误。9.某同学在构建DNA分子模型时，用不同的几何图形代表核苷酸的三个不同组成部分。该同学组建的DNA分子模型中共有多少种不同的几何图形()A.5种 B.6种C.7种 D.8种答案B解析DNA的单体为脱氧核苷酸，1分子脱氧核苷酸包括1个含氮碱基(4种)、1个磷酸分子和1个脱氧核糖，共有6种小分子，B正确。10.对大肠杆菌DNA分子图示的分析正确的是()A.图中2是核糖，属于五碳糖B.图中的碱基对3和4可能是GC，也可能是ATC.磷酸、五碳糖交替连接构成基本骨架D.1、2、3构成了一个完整的核糖核苷酸分子答案C解析DNA分子中含有的五碳糖是脱氧核糖；碱基对GC之间有三个氢键，AT之间有两个氢键，故3和4只能是GC；磷酸、脱氧核糖交替连接构成DNA的基本骨架；1、2、3构成的是一个完整的脱氧核苷酸分子。题组三DNA分子中碱基数目的计算11.细胞内某一DNA片段中有30%的碱基为A，则该片段中()A.G的含量为30% B.U的含量为30%C.嘌呤含量为50% D.嘧啶含量为40%答案C解析因在DNA分子双链间只有AT和GC碱基对，故AT30%，GC20%，AG50%，TC50%。12.某双链DNA分子含有200个碱基，一条链上ATGC1234，则该DNA分子()A.含有4个游离的磷酸基团B.含有腺嘌呤脱氧核苷酸20个C.四种含氮碱基ATGC3377D.碱基排列方式共有4100种答案C解析一个双链DNA分子中含有2个游离的磷酸基团，故A错误；由一条链上ATGC1234，计算得一条链上100个碱基中含A、T、G、C依次是10、20、30、40，另一条链上含A、T、G、C则依次是20、10、40、30，故该DNA中含腺嘌呤脱氧核苷酸数为102030个，故B项错误；四种含氮碱基的比例是ATGC(1020)(2010)(3040)(4030)3377，故C项正确；含200个碱基的DNA不考虑每种碱基比例关系的情况下，可能的碱基排列方式共有4100种。但因碱基数量比例已确定，故碱基排列方式肯定少于4100种，且一个DNA分子只有一种特定的碱基排列顺序，故D项错误。综合强化13.下图为大肠杆菌的一条脱氧核苷酸长链。请据图回答下列问题：(1)图中的1表示_，2表示_，1、2、3结合在一起的结构叫_。(2)3有_种，碱基A的中文名称是_。(3)DNA彻底氧化分解后，能产生含氮废物的是_(用序号表示)。(4)此图若为艾滋病病毒的核酸，3有_种，其中含有碱基G的核苷酸的中文名称是_。(5)图中由1、2、3组成的结构形成长链时，其排列顺序代表了生物的_信息。答案(1)磷酸脱氧核糖脱氧核糖核苷酸(2)4腺嘌呤(3)3(4)4鸟嘌呤核糖核苷酸(5)遗传14.不同生物或生物体不同器官(细胞)的DNA分子有关碱基比例如下表：生物或器官(细胞)酵母菌小麦人猪牛肝胰脾肾精子肺1.081.211.521.431.431.431.301.291.30(1)表中可见，不同种生物的DNA分子的碱基比例显著不同，这一事实表明，DNA分子结构具有_。(2)牛的肾和肺的DNA比例相同，原因是_；但精子与肾和肺的DNA碱基比例稍有差异，原因是_。(3)表中所列生物的DNA分子中，或的比例差异显著吗？_。因为_。(4)比较表中不同生物的DNA的碱基比例，_中DNA分子热稳定性最高，原因是_。答案(1)特异性(2)它们是由同一受精卵经有丝分裂产生的体细胞构成的精子是减数分裂的产物，虽然X、Y染色体是一对同源染色体，但X、Y染色体上的DNA分子有差异(3)不显著比值相等，均为1(4)酵母菌酵母菌DNA分子中，GC碱基对含量比例最大解析(1)对于双链DNA分子而言，互补碱基和之比在不同生物体内有显著差异，体现了DNA分子的特异性。(2)在同一生物体内，所有的体细胞均来自同一受精卵的有丝分裂，因而各体细胞内DNA分子相同，其碱基比率也相同。(3)无论在哪种生物体内，双链DNA分子中AT、GC，所以或的比率均为1。(4)GC碱基对比例越高，热稳定性越高。15.下图是制作DNA双螺旋结构模型的过程图，请回答下面的问题：(1)在制作模型前进行的设计中，甲处应考虑具备_种材料，它们分别是_；其中五边形材料表示_。(2)乙表示的物质是_，a位置的元素是_。制作一个乙用到了_种材料。(3)由乙连接成丙的过程，需考虑的主要有：两条链中五边形材料的顶角应呈_(填“同向”或“反向”)关系；若一条链的下端是磷酸，则另一条链的上端应该是_，这样制作的目的是体现DNA双链_的特点。(4)随机将班里某两位同学制作的单链连接成双链，不合理的地方最可能是_。(5)丙到丁过程体现了DNA分子_的特点，丁中排在外侧的物质是_。答案(1)6磷酸、脱氧核糖、四种碱基脱氧核糖(2)脱氧核苷酸氧3(3)反向磷酸反向平行(4)双链间的碱基配对不遵循碱基互补配对原则(5)(双)螺旋交替连接的脱氧核糖和磷酸
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