DNA 的结构
DNA 由两条脱氧核苷酸链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构；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，两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，A 与 T 配对、G 与 C 配对。这就是沃森和克里克在 1953 年提出的 DNA 双螺旋结构模型。由碱基互补配对可以推出：双链 DNA 中 A = T、G = C，嘌呤数等于嘧啶数；A–T 之间有 2 个氢键、G–C 之间有 3 个氢键。
DNA 的基本单位：脱氧核苷酸
DNA 的基本组成单位是脱氧核苷酸，每个脱氧核苷酸由 1 分子磷酸、1 分子脱氧核糖（五碳糖）和 1 分子含氮碱基组成。碱基有 4 种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）是双环的嘌呤，胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）是单环的嘧啶，相应地有 4 种脱氧核苷酸。DNA 中没有尿嘧啶（U），U 是 RNA 特有的碱基。
脱氧核糖的 5 个碳原子编号为 1′ 到 5′：1′ 碳连碱基，5′ 碳连本核苷酸的磷酸，3′ 碳与下一个脱氧核苷酸的磷酸相连，脱氧核苷酸就这样一个接一个连成长链。链的一端有一个游离的磷酸基团，叫 5′ 端；另一端脱氧核糖上有一个游离的羟基（—OH），叫 3′ 端。
双螺旋结构的主要特点
- 两条链反向平行：一条链 5′→3′，另一条 3′→5′，盘旋成右手双螺旋。
- 外侧是基本骨架：脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧。
- 内侧是碱基对：两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，A 一定与 T 配对，G 一定与 C 配对，这叫碱基互补配对原则。
嘌呤总是与嘧啶配对，每个碱基对的宽度都一样，所以 DNA 的直径处处相同，约 2 nm。相邻两个碱基对相距 0.34 nm，每旋转一圈有 10 个碱基对，螺距 3.4 nm。碱基对的排列顺序千变万化，构成了 DNA 的多样性；每个 DNA 分子特定的碱基排列顺序，又构成了它的特异性。
碱基数量关系
| 规律 | 依据 | 例子 |
|---|---|---|
| A = T，G = C | A 与 T、G 与 C 一一配对 | A 占 20% → T 占 20%，G、C 各占 30% |
| A + G = T + C = 50% | 每个碱基对都是 1 个嘌呤 + 1 个嘧啶 | 任意两种不配对碱基之和占一半 |
| (A+G)/(T+C)：两条链互为倒数，双链中为 1 | 链 1 的 A、G 等于链 2 的 T、C | 链 1 为 2/5 → 链 2 为 5/2 |
| (A+T)/(G+C)：两条链和双链中都相等 | 链 1 的 A+T 等于链 2 的 T+A | 链 1 为 2/3 → 链 2、双链都是 2/3 |
| G+C 占一条链的比例 = 占双链的比例 | 两条链的 G+C 数相同、总数相同 | 一条链中占 44% → 双链中也占 44% |
| 氢键数 = 2 ×（A–T 对数）+ 3 ×（G–C 对数） | A–T 2 个、G–C 3 个 | 100 对中 30 个 A → 2×30 + 3×70 = 270 |
G–C 碱基对越多，氢键越多，DNA 越稳定、越耐高温。n 个碱基对的 DNA 片段，碱基对的排列方式最多有 4ⁿ 种。
用这个模型做实验
- 旋转双螺旋，勾选“5′ 端、3′ 端”：沿一条链从 5′ 走到 3′，再看另一条链，确认两条链方向相反；看一看螺旋是向右旋的。
- “突出显示”选“基本骨架”，再选“碱基对”：骨架在外侧，碱基对像楼梯的台阶排在内侧；点不同的碱基对，数一数 A–T 和 G–C 之间的氢键。
- 点“解旋成平面结构”，双螺旋拧开成教材上的平面梯子；再勾选“断开氢键，分开两条链”，看两条链上的碱基怎样一一对应。
- 选“A–T 多”“G–C 多”两段序列，对比面板中的氢键数；自己输入一段序列，验证碱基统计表里的规律。
- 切到“平面结构”，打开“碳原子编号”，圈出一个脱氧核苷酸：找出连在 5′ 碳上的磷酸。
- 选“补全互补链”，自己按碱基互补配对原则填右链，再故意填错，看两个嘌呤、两个嘧啶为什么配不上；填好后“在 3D 中看这段”。
常见问题
DNA 双螺旋结构的主要特点是什么？
DNA 双螺旋结构有三个主要特点：一是 DNA 由两条脱氧核苷酸链组成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构；二是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；三是两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且遵循碱基互补配对原则：A 与 T 配对，G 与 C 配对。这个模型是沃森和克里克在 1953 年提出的。
什么是碱基互补配对原则？A 与 T、G 与 C 之间各有几个氢键？
碱基互补配对原则是指 DNA 两条链上的碱基一一对应配对：腺嘌呤（A）一定与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）一定与胞嘧啶（C）配对。A 与 T 之间形成 2 个氢键，G 与 C 之间形成 3 个氢键。嘌呤（A、G）是双环，嘧啶（T、C）是单环，嘌呤总是与嘧啶配对，所以每个碱基对的宽度相同，DNA 的直径处处相同。
DNA 的 5′ 端和 3′ 端是怎样规定的？“反向平行”是什么意思？
脱氧核糖的 5 个碳原子编号为 1′ 到 5′：1′ 碳连碱基，5′ 碳连磷酸，3′ 碳连下一个脱氧核苷酸的磷酸。每条链有一个游离的磷酸基团的一端叫 5′ 端，有一个游离羟基（—OH）的一端叫 3′ 端。反向平行是指两条链走向相反：一条链从上到下是 5′→3′，与它配对的另一条链从上到下是 3′→5′。所以写互补链时要注意方向，例如 5′-ATGCC-3′ 的互补链是 5′-GGCAT-3′。
双链 DNA 中碱基数量有哪些规律？怎样计算碱基比例？
因为 A 与 T 配对、G 与 C 配对，双链 DNA 中 A = T、G = C，嘌呤数等于嘧啶数，即 A + G = T + C，各占碱基总数的 50%。常用推论：一条链中 (A + G)/(T + C) 与互补链中的这一比值互为倒数，整个分子中为 1；(A + T)/(G + C) 在两条链和整个分子中都相等；某种碱基对（如 G + C）在一条链中所占的比例，等于它在互补链和整个分子中所占的比例。例如 A 占 20%，则 T 占 20%，G 和 C 各占 30%。
为什么 G–C 含量高的 DNA 更稳定？
G 与 C 之间有 3 个氢键，A 与 T 之间只有 2 个氢键。长度相同的 DNA，G–C 碱基对所占比例越高，氢键总数越多，两条链结合得越牢固，需要更高的温度才能使双链解开，所以结构更稳定、更耐高温。例如 100 个碱基对中有 30 个 A，氢键数为 2 × 30 + 3 × 70 = 270 个。
一个脱氧核苷酸由哪几部分组成？在结构图中怎样圈出一个脱氧核苷酸？
一个脱氧核苷酸由 1 分子磷酸、1 分子脱氧核糖和 1 分子含氮碱基组成，根据碱基不同分为腺嘌呤脱氧核苷酸、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 4 种。圈的时候要看连接位置：碱基连在脱氧核糖的 1′ 碳上，属于同一个脱氧核苷酸的磷酸连在这个脱氧核糖的 5′ 碳上；连在 3′ 碳上的那个磷酸属于相邻的下一个脱氧核苷酸。DNA 中大多数脱氧核糖连着 2 个磷酸，只有每条链 3′ 端的脱氧核糖连着 1 个磷酸。
适用课程
人教版高中生物学必修 2《遗传与进化》第 3 章“基因的本质”：第 2 节“DNA 的结构”（DNA 双螺旋结构模型的构建、DNA 的结构、制作 DNA 双螺旋结构模型），并为第 3 节“DNA 的复制”、第 4 节“基因通常是有遗传效应的 DNA 片段”（DNA 的多样性和特异性）打基础，也可配合其他版本教材的相关内容。常见题型有“写出互补链的碱基序列”“计算碱基所占比例”“计算氢键数目”“判断 DNA 结构的叙述是否正确”“识别 DNA 平面结构图中的各部分”等。