DNA分子的结构

回眸历史 1953年，美国科学家沃森（J．D.Watson，1928—）和英国科学家克里克（F.Crick，1916—2004），共同提出了DNA分子的双螺旋结构模型。 这是20世纪继爱因斯坦发现相对论之后的又一划时代发现，它标志着生物学的研究进入分子的层次。因为这项“生物科学中最具有革命性的发现”，两位科学家获得了1962年度诺贝尔生理学或医学奖。  

回眸历史 在生命的旋梯上 沃森和克里克

早凋的“科学玫瑰” －－富兰克林（ R.E.Franklin） 她和同事威尔金斯 在1951年率先采用X射线衍射技术拍摄到DＮＡ晶体照片，为推算出DNA分子呈螺旋结构的结论，提供了决定性的实验依据。 但“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研究成果被承认之前就已凋谢。 (英，R.E.Franklin, 1920－1958）

回眸历史 富兰克林拍摄的DNA的X射线衍射图 X衍射技术是用X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的分子排列。 DNA的X射线衍射图

1、DNA的化学组成 T A G C 2.DNA的基本单位－脱氧核苷酸 胸腺嘧啶 C H O N P 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 磷酸 脱氧 核糖 T 含氮碱基 A G C 腺嘌呤 胸腺嘧啶 鸟嘌呤 胞嘧啶

组成脱氧核苷酸的碱基： 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 胞嘧啶脱氧核苷酸 C 腺膘呤脱氧核苷酸 A T 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 鸟瞟呤脱氧核苷酸 G

3.四种脱氧核苷酸聚合形成多核苷酸链 A T G C

4、DNA分子的平面结构 T A 氢键 T A G C C G

讨论2： 1. DNA是由几条链构成的？它具有怎样的立体结构？ 2. DNA的基本骨架是由哪些物质组成的？它们分别位于DNA的什么部位呢？

DNA的空间结构 放大 从图中可见DNA具有规则的双螺旋空间结构 DNA的结构模式图

A T 磷酸 C G A T 脱氧核糖 A T 含氮碱基 C G G C A T G C

嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对，形成碱基对，且A只和T配对、C只和G配对，这种碱基之间的一一对应的关系就叫做碱基互补配对原则。 另一碱基对 氢键 嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对，形成碱基对，且A只和T配对、C只和G配对，这种碱基之间的一一对应的关系就叫做碱基互补配对原则。

DNA分子的结构特点 （1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。 A T C G A T A T C G G C A

DNA分子的结构特点 （1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。 T C G （1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。 A T A T C G （2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。 G C A T G C

两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。 你知道右图ＤＮＡ结构中的哪个结构是稳定不变的哪个结构是千变万化的？ A T C G A T 两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。 A T C G G C 长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。 A T G C

你注意到了吗？ 两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。 DNA分子的特异性就体现在特定的碱基（对）排列顺序中。 长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。

5.DNA双螺旋结构特点 （1）DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构 A（腺嘌呤）一定与T（胸腺嘧啶）配对 G（鸟嘌呤）一定与C（胞嘧啶）配对 碱基互补配对原则

－A－A－C－C－G－G－A－T－ 碱 基 互 －T－T－G－G －C－C－T－A－ 补 配 对 情 况 图 解 DNA

请完成DNA的双螺旋结构 主链 碱基对 1）脱氧核糖与磷酸交替排列； 1）主链上对应碱基以氢键连结成对； 构成方式 2）两条主链呈反向平行； 2）碱基互补配对（A—T，G—C）； 3）盘绕成规则的双螺旋。 位置 双螺旋外侧 双螺旋内侧

6.DNA分子的特性 （1）稳定性 两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是 稳定不变的。通过氢键形成碱基对，连接两条长链 （2）多样性 碱基对的排列顺序千变万化，构成DNA分子的多样性 （3）特异性 碱基对的特定排列顺序，又构成了每一个DNA分子的特异性 5种元素→ 4种基本单位→ 3类物质→ 2条链→1种结构

思考题：DNA是遗传物质，储存着大量的遗传信息，那么DNA是通过什么储存大量的遗传信息？ （即为脱氧核苷酸的排列顺序） 储存大量的遗传信息

【课堂反馈】 1．下面是DNA的分子结构模式图，说出图中1－10的名称。 1. 胞嘧啶 2. 腺嘌呤 3. 鸟嘌呤 4. 胸腺嘧啶 5 6 7 8 10 9 G T C A 1. 胞嘧啶 2. 腺嘌呤 3. 鸟嘌呤 4. 胸腺嘧啶 5. 脱氧核糖 6. 磷酸 7. 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 8. 碱基对 9. 氢键 10. 一条脱氧核苷酸链的片段

7、碱基互补配对原则

规律总结： A+T ①双链DNA分子中，两互补碱基相等；任意两个不 互补碱基之和恒等，各占碱基总数的50%,且不互补 碱基之和的比值等于1． ∵A=T， C=G A1 T2 T1 A2 G1 C C1 G2 DNA双链 ∴ A+G=T+C =A+C=T+G= 50% (A+G)/(T+C)=(A+C)/(T+G)=(T+C)/(A+G)=(T+G)/(A+C)=1 ②双链DNA分子中A+T/G+C等于其中任何一条链的A+T/G+C。 A2 +T2 G2 +C2 A+T G+C A1+T1 G1+C1 =n =n =n

③双链DNA分子中，互补的两条链中A+G/T+C互为倒数。即两不互补碱基之和的比值等于另一互补链中这一 比值的倒数. = 1 n T1+C1 = n A1+G1 ④双链DNA分子中，A+T占整个DNA分子碱基总数的百分比等于其中任何一条链中A+T占该链碱基总数的百分比。 A1 T2 T1 A2 G1 C2 C1 G2 DNA双链 A1 +T1 +G1 +C1 A1 +T1 = m% A2 +T2 +G2 +C2 A2 +T2 = m% A+T A+T+G+C = m%

1、某双链DNA分子中，G占23%，求A占多少？ 解析： 因为DNA分子中，A+G=T+C。所以， A=50%–23%=27% 2、在DNA的一个单链中，A+G/T+C=0.4，上述比例在其 互补链和整个DNA分子中分别是多少？ 若DNA的一个单链中，A+T/G+C=0.4，上述比例在其互补链和整个DNA分子中分别是多少？ 2.5 1 ; 0.4 0.4

3、某双链DNA分子中，A与T之和占整个DNA碱基总数的54%，其中一条链上G占该链碱基总数的22%。求另一条链上G占其所在链碱基总数的百分含量。 24% 解析一： 设DNA分子碱基总数为100. 已知：A+T=54，则G+C=46 所以，G1+C 1 =G 2 +C 2 =23 已知：G 1 = ×100×22%=11 1 2 所以, C 2=G 1=11 G 2 A 2 +T 2 +G 2 +C 2 = 12 1 2 ×100 24% 则: G 2=23–11=12 解析二: 已知 A+T 总 = 54%, 则 = 46% G+C 所以 G1+C 1 1/2总 = 46%. 已知 1/2总 G 1 = 22% 所以 1/2总 C 1 = 46%–22%= 24% 所以 1/2总 G 2 = 24% 因为 G2=C1

4、（2000上海）由120个碱基组成的DNA分子片段， 练习： 1、某双链DNA分子的碱基中，鸟嘌呤占30%，则 胸腺嘧啶为_____ 20% 2、一个DNA分子的碱基中，腺嘌呤占20%，那么在含有 100个碱基对的DNA分子中，胞嘧啶 应是_____ 60个 3、 DNA分子的一条单链中，A=20%，T=22%，求整个 DNA分子中G= _____ 29% 4、（2000上海）由120个碱基组成的DNA分子片段， 可因其碱基对组成和序列的不同而携 带不同 的遗传信息，其种类数最多可达 （ ） A、4120 B、1204 C、460 D、604 C

1 n n 5.已知在DNA分子中的一条单链(A+G)/(T+C)= m 时,求: (1)在另一互补链中这一比例是多少? 1/m (2) 这个比例关系在整个分子中又是多少? 1 当在一单链中,如果(A+T)/(G+C)= n 时,求: n (3)在另一互补链中这一比例是多少? (4)这个比例在整个DNA分子中又是多少? n 6:从某生物组织中提取DNA进行分析,其四种碱基数的比例 是鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基数的46% ,又知DNA的 一条链(H链)所含的碱基中28%是腺嘌呤,问与H链相对应 的另一条链中腺嘌呤占该链全部碱基数的 ( ) Ａ、26%　　　Ｂ、24% 　Ｃ、14% Ｄ、11%　 A

基础知识简答 1、沃森和克里克于 年提出了著名的 模型，为 合理地解释遗传物质的 奠定了基础。 2、DNA又称 ，组成它的基本单位是 （由 1、沃森和克里克于 年提出了著名的 模型，为 合理地解释遗传物质的 奠定了基础。 2、DNA又称 ，组成它的基本单位是 （由 一分子 、一分子 、一分子 组成）。 组成DNA的碱基共有 种（符号表示为 ），脱氧核苷 共有 种（名称是① 、② 、 ③ 、④ ）。 1953 DNA双螺旋 各种功能 脱氧核糖核酸 脱氧核苷酸 磷酸 脱氧核糖 含氮碱基 4 A T G C 4 腺嘌呤脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 鸟嘌呤脱氧核苷酸 胞嘧啶脱氧核苷酸

3、 DNA的双螺旋结构是由 平行的 长链 而成， 排在外侧的 和 交替连接构成基本骨架，通过 连 两条 脱氧核糖核酸 盘旋 3、 DNA的双螺旋结构是由 平行的 长链 而成， 排在外侧的 和 交替连接构成基本骨架，通过 连 接起来的 排列在内侧。碱基对的组成规律是 与 配 对， （A）一定与 （T）配对， （G） 一定与 （C）配对，反之亦然，这种一一对应的关系叫 做 原则。 4、 DNA的碱基只有 种，碱基对只有 种，而分子结构具 有 性，这完全是碱基对的 千变万化的结果。 脱氧核糖 磷酸 氢键 碱基对 嘌呤 嘧啶 腺嘌呤 胸腺嘧啶 鸟嘌呤 胞嘧啶 碱基互补配对 4 两 多样 排列次序

4、下图是DNA分子结构模式图，用文字填出1—10的名称。 P A C T G 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 胞嘧啶（C） 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 胸腺嘧啶（T） 脱氧核糖 磷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 碱基对 氢键 一条脱氧核苷酸链的片段

DNA分子双螺旋结构的发现 首先要介绍的是英国伦敦皇家学院的晶体衍射专家维尔金斯和年轻的女科学家弗兰克林。他们拍摄出来非常清晰的DNA分子的X射线衍射照片，为分析DNA结构提供了重要的依据和证据。 英国晶体衍射专家 维尔金斯 英国女科学家 弗兰克林

DNA分子双螺旋结构的发现 DNA的X射线衍射图 由于X射线的波长与晶体内原子或分子间的距离相近，当一束X射线照射晶体时，就会发生衍射。射线的强度在一些方向上加强，在一些方向上减弱。分析衍射图样，就可以确定晶体内部原子间的排列和距离。 DNA的X射线衍射图

DNA分子双螺旋结构的发现 美国生物化学家 詹姆斯·沃森 英国分子生物学家 弗郎西斯·克里克 克里克是毕业于伦敦大学的物理学家。他曾参加过用X射线研究血红蛋白的分子结构，在研究X射线衍射照片方面有很高的造诣。沃森是年轻有为的分子生物学家，他与克里克一见如故，共同研究DNA的分子结构。 当时沃森和克里克见到的DNA的X射线衍射照片不是非常清楚，但是可以看出DNA分子很可能具有螺旋结构。他们用金属铰合线建立了一个三链的模型，但很快就知道是错误的。

DNA分子双螺旋结构的发现 一次，沃森和克里克见到了维尔金斯和弗兰克林拍摄的、非常清晰的X射线衍射照片。他们从照片中央的那些小小的十字架样的图案上，敏锐地意识到DNA分子很可能是双链结构。 在1952年的春天，从奥地利的生物学家查哥夫那里得到一个重要信息：DNA分子的碱基数总是：A=T，C=G。 他们立即投入模型的重建工作，经过深入的思考，终于建立了DNA的双螺旋结构模型。

DNA分子双螺旋结构的发现 发现生命的双螺旋而荣获1962年诺贝尔医学生理学奖。 左一：威尔金斯 左三：克里克 左五：沃森

富兰克林1920年生于伦敦，15岁就立志要当科学家，但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，当获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱，有人评价她 “从来没有见到法语讲的这么好的外国人”。1951年，她回到英国，在伦敦大学国王学院取得了一个职位 。

在那时候，人们已经知道了脱氧核糖核酸（DNA）可能是遗传物质，但是对于DNA的结构，以及它如何在生命活动中发挥作用的机制还不甚了解。就在这时，富兰克林加入了研究DNA结构的行列——在相当不友善的环境下。她负责起实验室的DNA项目时，有好几个月没有人干活。同事威尔金斯不喜欢她进入自己的研究领域，但他在研究上却又离不开她。他把她看作搞技术的副手，她却认为自己与他地位同等，两人的私交恶劣到几乎不讲话。在那时的科学界，对女科学家的歧视处处存在，女性甚至不被准许在大学的高级休息室里用午餐。她们无形中被排除在科学家间的联系网络之外，而这种联系对了解新的研究动态、交换新理念、触发灵感极为重要。

富兰克林在法国学习的X射线衍射技术在她的研究中派上了用场。 X射线是波长非常短的电磁波。医生通常用它来透视，而物理学家用它来分析晶体的结构。当X射线穿过晶体之后，会形成衍射图样——一种特定的明暗交替的图形。不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析这种图形人们就 能知道组成晶体的原子是如何 排列的。富兰克林精于此道， 她成功的拍摄了DNA晶体的X 射线衍射照片。

此时，生物大分子结构会议在意大利举行，威尔金斯在富兰克林不知情的情况下在报告中展示了ＤＮＡ的Ｘ射线衍射照片，这给沃森留下了极深的印象。不久后，沃森来到剑桥大学遇到了克里克，他们的配合成为科学家合作的典范。物理学家出身的克里克可以帮助沃森分析衍射图谱，而沃森可以帮助克里克理解生物学的内容。

当时科学界对ＤＮＡ的认识：ＤＮＡ分子是以４种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链，这４种脱氧核苷酸分别含有Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ四种碱基。沃森和克里克根据威尔金斯提供的ＤＮＡ衍射图谱的有关数据推算出ＤＮＡ分子呈螺旋结构。他们尝试了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型，这些模型中，碱基位于螺旋的外部。但是这些模型很快被否定了。

失败后，他们并没有放弃，很快又重新构建了一个将磷酸—脱氧核糖骨架安排在螺旋外部，碱基安排在螺旋内部的双链螺旋。在这个模型中是相同碱基进行配对的，即Ａ与Ａ配对，Ｔ与Ｔ配对。但是，有化学家指出这种配对方式违反了化学规律，于是这个模型又被抛弃了。

后来，沃森和克里克从著名生物化学家查哥夫那里得到一个重要的信息：腺嘌呤（Ａ）的量总是等于胸腺嘧啶（Ｔ）的量：鸟嘌呤（Ｇ）的量总是等于胞嘧啶（Ｃ）的量。于是他们改变了碱基的配对方式，让Ａ与Ｔ配对，Ｇ与Ｃ配对，构建出新的ＤＮＡ双螺旋结构模型。结果发现：Ａ—Ｔ碱基对和Ｇ—Ｃ碱基对具有相同的形状和直径，这样组成的ＤＮＡ分子具有稳定的直径，能够解释Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ的数量关系，同时也能解释ＤＮＡ的复制。当他们把这个用金属材料制作的模型与拍摄的Ｘ射线衍射照片比较时，发现两者完全相符。

这个故事的结局有些伤感。当1962年沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖的时候，富兰克林已经在4年前因为卵巢癌而去世。按照惯例，诺贝尔奖不授予已经去世的人。此外，同一奖项至多只能由3个人分享。由于富兰克林的突出贡献，人们总在猜想：假如富兰克林活着，她会得奖吗？性别差异是否会成为公平竞争的障碍？当然，现在这个问题已经永远是一个迷了。今天，科技界对富兰克林的工作给予很高评价。