第23节DNA分子的结构和复制

1、第2、3节 DNA分子的结构和复制 洞口县第三中学高三生物备课组一、知识结构：1、 DNA的结构：基本单位脱氧核苷酸脱氧核糖（11O4）磷酸 、 含氮碱基 A 腺嘌呤T 胸腺嘧啶G 鸟嘌呤C 胞嘧啶 每个DNA分子都包含两条由成百上千个脱氧核苷酸连接而成的长链DNA的组成元素：C、H、O、N、P五种元素。DNA的化学结构DNA的空间结构碱基互补配对原则：A=T、GC（表示出氢键的个数）规则的双螺旋结构 由两条脱氧核苷酸长链反向平行盘旋而成。 外侧由磷酸和脱氧核糖交替连结，构成骨架。 内侧是碱基对，通过氢键相连结组成。结构特点稳定性：脱氧核糖和磷酸交替排列在外不变，碱基互补配对方式不变。多样性：

2、DNA碱基对顺序排列方式多种多样（主要），脱氧核苷酸数目不同。特异性：每种生物的DNA分子都有特定的碱基排列顺序，具有特定的功能。2、 DNA的复制概念：指以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。时间：有丝分裂间期或减数第一次分裂前的间期。过程解旋：在解旋酶的作用下，两条扭成螺旋状的长链解开。复制合成：以解开的母链为模，按碱基互补配对原则，合成两条子链。每条母链与对应合成的子链扭成螺旋状，构成新的DNA分子。条件：模板、原料、能量、酶 。特点边解旋边复制半保留复制：新DNA分子由一条母链和一条子链构成。意义复制时脱氧核苷酸种类、数目、排列顺序无变化，维持遗传性状的稳定性。复制时脱氧核苷

3、酸种类、数目、排列顺序发生变化，产生可遗传的变异。二、 教学目标1、 知识方面（1） 理解DNA分子的双螺旋结构。（2） 理解DNA分子的复制过程和意义。（3） 理解碱基互补配对原则及其生物学意义。2、 态度观方面（1） 培养实事求是的科学态度和合作精神。（2） 学习科学家持之以恒、坚忍不拔的探索精神。（3） 初步形成生物体结构与功能、多样性与共同性相统一的观点，树立辩证唯物主义的自然观，逐步树立科学的世界观。3、 能力方面（1） 发展学生的科学思维，培养创新能力。（2） 培养学生观察能力，用简约的科学术语表达生物现象的能力。（3） 培养学生抽象思维能力、知识迁移能力及各学科知识的综合运用能力

4、。三、 教学重点难点1、 DNA分子的双螺旋结构2、 DNA分子复制过程3、 设计实验，证明DNA复制的条件和方式。4、 有关碱基的计算。四、教学用具：DNA双螺旋结构模型，DNA结构的磁性演示模型，挂图，幻灯片五、课时安排：二课时六、教学过程：（一） DNA的分子结构讨论构成核酸的基本单位是什么？它是由哪几个部分组成的？（参考要点：构成核酸的基本单位是核苷酸，一个核苷酸分子由1分子磷酸、1分子五碳糖和1分子含氮碱基组成。其中的五碳糖有2种形式，核糖和脱氧核糖，含吸核糖的核苷酸称为核糖核苷酸，含有脱氧核糖的核苷酸称为脱氧核苷酸。由核糖核苷酸连接而成的核酸称为核糖核酸简称RNA。由脱氧核苷酸连接

5、而成的核酸称为脱氧核糖核酸，简称DAN。）1、 DNA的组成元素：DNA由C、H、O、N、P五种元素组成。2、 DNA的基本组成单位脱氧核苷酸DNA是由4种脱氧核苷酸组成的一种高分子化合物，每个脱氧核苷酸是由一个分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基组成，其中的含氮碱基有四种，它们是腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T。因此相应的脱氧核苷酸也有四种：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。例1、 由A、T、C、G四种碱基组成的核苷酸有几种？（C）A、4种 B、3种 C、7种 D、8种DNA就是由4种脱氧核苷酸聚合而成的长链。脱氧核苷酸1分子脱氧核糖 1分

6、子含氮碱基 1分子磷酸A 腺嘌呤T 胸腺嘧啶G 鸟嘌呤C 胞嘧啶 （模型演示）脱氧核苷酸的组成：3、 多脱氧核苷酸链的形成 脱氧核苷酸分子相互连接在一起形成多脱氧核苷酸链。连接的方式是一个核苷酸上的磷酸基团上的“OH”和另一个核苷酸分子的第3位碳原子上的羟基之间失去一分子水，形成酯键。即在相邻的两个脱氧核苷酸的3和5碳原子之间形成磷酸二酯键。数量庞大的四种脱氧核苷酸通过3、5磷酸二酯键彼此连接起来形成多脱氧核苷酸链。4、 DNA分子的双螺旋结构（在1952年美国化学家查伽夫发现了DNA碱基的组成特点，即DNA分子中的A和T的摩尔数、C和G的摩尔数在不同听生物中总是相等的，即A/T=C/G=1；

7、而（A+T）/（C+G）的值，各种生物不同，反映出种的特异性。1951年，英国的维尔金斯和弗兰克林等人成功地分离出高纯度的DNA纤维，获得了X衍射照片，但他们均未提出正确的DNA结构模型。）（1）DNA双螺旋结构的特点： DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式（即一条链为35，另一链为53）盘旋成双螺旋结构。 DNA分子中的脱氧核糖与磷酸交替连接（以3，5、磷酸二酯键），排列在外侧；碱基对排列在内侧。 DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，碱基配对按碱基酸对原则，A与T配对，G与C配对，其中在A与T之间形成两个氢键，在C与G之间形成三氢键，（2）关于碱基配对规律的有关计算问

8、题：根据碱基互补配对原则引出的关于碱基比率、数量计算是本节教材的难点之一。怎样解决这类问题，可根据以下几条规律。规律一：DNA双链中的两种互补的碱基相等；任意两个不互补的碱基之和恒等，占碱基总数的50%，用公式表示为：A=T，C=G，A+G=A+C=T+G=T+C=50%，一般情况下，在AG时，A+TG+C。规律二：在DNA双链中一条单链的（A+G）/（T+C）的值与另一条互补单链的（A+G）/（T+C）的值互为倒数关系。例2、在DNA双链中一条单链的（A+G）/（T+C）的值为2，则另一条互补单链的（A+G）/（T+C）的值为（ B ）A、2 B、1/2 C、4 D、1规律三：DNA双链中，

9、一条单链的（A+T）/（G+C）的值，与另一条互补链的（A+T）/（G+C）的值是相等的，也与整个DNA分子中的（A+T）/（G+C）的值是相等的；一条单链上的A+T=24%，则另一条互补链的A+T=24%。规律三可以这样记：互补的碱基相加，比率在各种情况下都是不变的，例3、在DNA双链上的A+T=64%，其中一条链上的腺嘌呤占该链全部碱基的30%，则对应链中腺嘌呤占整个DNA分子碱基的比例是（A）A、17% B、32% C、34% D、50%解析：在DNA双链上的A+T=64%，则其中一条链上A+T=64%，腺嘌呤占该链全部碱基的30%，则胸腺嘧啶占该链全部碱基的34%，则对应链中腺嘌呤占对

10、应链全部碱基的34%，所以对应链中腺嘌呤占整个DNA分子碱基的比例是34%/2=17%。选A（二） DNA的复制生物之所以具有遗传现象，是与DNA分子的复制分不开的，DNA分子通过复制，使遗信息从亲代传给子代，从而保持了遗传信息的连续性；另一方面在后代的个体发育中以一定的方式反应到蛋白质的分子结构上，使后代表现出与后代相似的性状。讨论DNA复制是在细胞周期的什么时期？DNA复制是在细胞有丝分裂的新间期和减数第一次分裂的间期。但DNA分子的复制也不是绝对在细胞周期的间期进行，已脱离细胞周期的细胞中，线粒体和叶绿体中的DNA也会进行复制。因为线粒体和叶绿体的增殖与细胞增殖不一定是同步的。1、 DN

11、A分子的复制过程DNA复制过程如下： DNA双螺旋解开，利用细胞提供的能量和在解旋酶的作用下，使碱基之间的氢键断裂。 以解开的每段母链为模板与周围环境中（核基质中）的脱氧核苷酸配对，这些核苷酸已被ATP激活，形成相应的三磷酸核苷酸，如腺嘌呤脱氧核苷酸三磷酸，简称dATP；鸟嘌呤脱氧核苷酸三磷酸，简称dGTP；胞嘧啶脱氧核苷酸三磷酸，简称dCTP；胸腺嘧啶脱氧核苷酸三磷酸，简称dTTP。 在有关DNA合酶的作用下，各自形成与母链互补的一段子链。 每条子链与其对应的母链盘绕成双螺旋结构，从而各形成一个新的DNA分子。2、 DNA分子复制的特点 边解旋边复制。边解旋边复制是指复制过程。 半保留复制。

12、半保留复制是指复制的结果。是指新复制出的两个DNA分子中，有一条链是旧的，即原来DNA的，另一条链是新合成的。关于半保留复制的有关计算问题：一个DNA分子被标记、复制n次后：被标记的DNA分子占总分子数的1/2（n1）；被标记的链数占总链数的1/2n;不含标记的DNA分子占总数的11/2（n1）；不含标记的链数占总链数的11/2n。例4，将大肠杆菌放在含有同位素15N培养基中培养若干代后，细菌DNA所有氮均为15N，它比14N分子密度大。然后将DNA被15N标记的大肠杆菌再移到14N培养基中培养，每隔4小时（相当于分裂繁殖一代的时间）取样一次，测定其不同世代细DNA的密度。实验结果DNA复制的

13、密度梯度离心试验如图所示。轻带中带重带 DNA水解成单链后测定世代 亲代 1 2 3全重 全中1/2中1/2轻 1/4中3/4轻工业（1） 中带含有氮元素是_ （2） 如果测定第四代DNA分子密度，N标记的比例表示为_（3） 如果将第一代（全中）DNA链的氢键断裂后再测定密度，它的两条单链在试管中的分布位置应为_（4） 上述实验表明，子代DNA合成的方式是_。答案：（1）14N 15N （2）1/8中 7/8轻 （3）1/2重 1/2轻 （4）半保留复制3、 DNA复制所需的基本条件 模板 两条已解开的DNA单链 原料 游离的脱氧核苷酸 能量 ATP，实际是由ATP激活脱氧核苷酸，形成脱氧核苷

14、酸三磷酸 酶 不仅仅是解旋酶，而一个酶系，涉及到许多酶。DNA分子的结构和复制DNA分子的结构基本单位：脱氧核苷酸化学成分：脱氧核糖、含氮碱基、磷酸双螺旋结构的主要特点DNA分子的复制复制的概念复制的时间：间期复制的过程；解旋、合成复制的特点：边解旋边复制、半保留复制复制的意义七：小结八：背景资料1、 DNA的变性和复性。将双链DNA在中性盐溶液中加热，DNA分子的共价键盘不受影响，而互补碱基对间的氢键盘则被打开，从而使两条多核苷酸链分开成为两条单链，这叫做DNA变性。变性后成为单链的DNA，在适当条件下，如慢慢冷却，互补的碱基对间又形成氢键，回复成为双链DNA，这称为DNA复性或退火。加热使

15、溶液中DNA分子的50%成为单链时，所需温度称为解链温度，记作Tm。因为GC碱基对中含有三个氢键，AT碱基对中含有二个氢键，所以GC含量越多的DNA其Tm值越高，反之，则越低。因为变性和复性仅影响互补碱基对间氢键盘的打开和重新形成，所以通过变性和复性可以来制备单链DNA，进行多核苷酸链间的分子杂交，测定异源双链的同源性即碱基序列间的相似性，在遗传学研究上有重要意义。2、 双链DNA的不同构型。DNA双螺旋构型可有几种形式，其中三种在生物学上具有重要意义。1953，沃森和克里克建立的DNA双螺旋结构模型所用的资料来自于相对湿度为92%时得到DNA钠盐纤维，这种DNA称为B型DNA（BDNA），生

16、物体内天然状态的DNA几乎都以BDNA存在；在相对湿度低于75%时获得的DNA钠盐纤维，称为A型DNA，（ADNA），在高盐分或脱水状态下，DNA常以A型方式存在，活体DNA分子可能很少以A型方式存在；除了ADNA和BDNA以外，自然界还发现一种ZDNA，ZDNA是左手螺旋，天然BDNA的局部区域可以出现ZDNA结构，说明BDNA与ZDNA之间是可以相互转化的。下表为ADNA、BDNA和ZDNA 的比较（单位：nm） 旋转方向螺旋直径螺距每周螺旋碱基数目碱基对间垂直距离碱基对与中心轴倾角ADNA右2.552.45110.3319BDNA右2.373.3210.40.341ZDNA左1.844.

17、55120.3993、氯化铯（CsCl）梯度离心分离不同重量DNA的原理CsCl在超速离心时，盐原子由于强大的离心力被拉向离心管底部，同时溶液存在的扩散作用又与离心力相对抗，使Cs+和Cl-离子分散在整个溶液中。CsCl溶液经过一段时间离心后，溶液达到一种平衡状态，扩散和沉淀的两个相对力量间保持平衡，出现CsCl的一个连续的浓度梯度；溶液的密度在离心管底部最大，而在离心管顶部最小。如果DNA分子溶解在CsCl溶液中，它们将逐渐集中在一条狭窄的带上，在那儿DNA分子的密度恰好跟那一点上的CsCl密度相等。所以DNA用重同位素15N标记后，在离心管中形成的一条带，位置较低；而含有14N的轻DNA在离心管中也形成一条带，但位置较高。3、 染色体水平证明DNA半保留复制方式的实验方案（1）实验原理以含DNA的染色体为观察对象，利用同位素标记法，即用氚标记的胸腺嘧啶核苷酸标记DNA，用带有放射性的DNA标记染色体，观察一个染色体上的两条染色单体的放射性，证明DNA半保留复制方式。（2）实验过程 将蚕豆幼苗培养在含有3H的胸腺嘧啶核苷酸的培养基热培养基上，DNA复制时3H胸腺嘧啶核苷掺入DNA中。培养一段间后，染色体都带有放射性。 将根移到含有秋水仙素的非放射性培养基冷培养基中，伙水仙素抑制纺