2024届高考生物一轮总复习第六单元基因的本质和表达第2讲DNA的结构复制和基因的概念教师用书

第 2 讲　DNA的结构、复制和基因的概念

1．沃森和克里克提出腺嘌呤的量等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量等于胞嘧啶的量。(×)

2．在DNA双螺旋结构中，DNA中的核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架。(×)

3．复制开始时，在细胞提供的能量的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开。(√)

4．DNA聚合酶等以解开的每一条母链为模板，以4种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一条子链。(√)

5．DNA通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性。(√)

6．遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中。(√)

系统学习(一)　DNA的结构和基因的本质(固基点)

　　　　　　主干知识·记准理清

(一)DNA结构模型的建立者及DNA的组成

1．DNA双螺旋模型构建者

沃森和克里克。

2．图解DNA双螺旋结构

(1)DNA是由两条单链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。

DNA的一条单链具有两个末端，一端有一个游离的磷酸基团，称作5′端，另一端有一个羟基(—OH)，称作3′端。DNA的两条单链走向相反，一条单链从5′端到3′端，另一条单链从3′端到5′端。

(2)DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。

(3)两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基配对具有一定规律：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。碱基之间的这种一一对应的关系，叫作碱基互补配对原则。　　(二)DNA结构特点

(三)染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系

————————————■链教材资料·发展科学思维■————————————

1．(必修2 P50图3­8分析)脱氧核糖中的1′C是指与碱基相连的碳，5′C是指与磷酸基团相连的碳。从图中看出DNA两条链反向平行的依据是从双链的一端起始，一条单链是从5′端到3′端的，另一条单链则是从3′端到5′端的。

2．(必修2 P51“探究·实践”讨论T1)DNA只含有4种脱氧核苷酸，它为什么能够储存足够量的遗传信息？

提示：DNA虽然只含有4种脱氧核苷酸，但是碱基的排列顺序却是千变万化的，使DNA储存了大量的遗传信息。

　　　　　　题点考法·练全练通

考法(一)　考查DNA分子的结构及特点

1．如图为DNA分子结构示意图，下列对该图的叙述正确的是(　 )

A．②和③相间排列，构成了DNA分子的基本骨架

B．④是构成DNA的基本组成单位，名称是胞嘧啶脱氧核苷酸

C．DNA分子中特定的脱氧核苷酸序列代表了遗传信息

D．⑤⑥分别代表A、G，一条脱氧核苷酸单链上的相邻两个碱基之间通过⑨连接

解析：选C　DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，即①②相间排列在外侧，构成基本骨架，A错误；脱氧核苷酸中，磷酸基团连接在脱氧核糖的5′碳原子上，图中所示的④并非为一个脱氧核苷酸，标记为①的磷酸基团属于上方的胸腺嘧啶脱氧核苷酸，B错误；⑤⑥分别代表A、G，一条脱氧核苷酸单链上的两个相邻碱基通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相连，两条脱氧核苷酸链之间的互补碱基通过⑨氢键相连，D错误。

2．(2022·重庆模拟)查哥夫对多种生物DNA做了碱基定量分析，发现(A＋T)/(C＋G)的比值如表。结合所学知识，可得出的结论是(　 )

A.猪的DNA结构比大肠杆菌的DNA结构更稳定一些

B．小麦和鼠的DNA所携带的遗传信息相同

C．小麦DNA中(A＋T)的数量是鼠DNA中(C＋G)数量的1.21倍

D．同一生物不同组织的DNA碱基组成相同

解析：选D　大肠杆菌DNA中(A＋T)/(C＋G)的比值小于猪的，说明大肠杆菌DNA所含C—G碱基对的比例较高，而C—G碱基对含3个氢键，因此大肠杆菌的DNA结构稳定性高于猪的，A错误；虽然小麦和鼠的DNA中(A＋T)/(C＋G)比值相同，但不代表二者的碱基序列与数目相同，B、C错误；同一生物的不同组织所含DNA的碱基序列是相同的，因此DNA碱基组成也相同，D正确。

[归纳拓展]　DNA结构的两种关系和两种化学键

考法(二)　考查与DNA分子相关的计算

3．下列有关双链DNA分子的叙述，正确的是(　 )

A．若DNA分子一条链中的碱基A所占比例为a，则另一条链的碱基C所占比例为1/(2－a)

B．如果一条链上(A＋T)∶(G＋C)＝m，则另一条链上该比值也为m

C．如果一条链上的A∶T∶G∶C＝2∶2∶3∶3，则另一条链上该比值为3∶3∶2∶2

D．由50个碱基对组成的DNA分子片段中至少含有氢键的数量为150个

解析：选B　若DNA分子一条链中的碱基A所占比例为a，据此无法计算出另一条链的碱基C所占比例，A错误；如果一条链上的A∶T∶G∶C＝2∶2∶3∶3，则另一条链上该比值为2∶2∶3∶3，C错误；由50个碱基对组成的DNA分子片段中至少含有氢键的数量为50×2＝100(个)，最多含有氢键的数量为50×3＝150(个)，D错误。

4．某DNA分子含有1 000个碱基对，其中A的含量为30%，α链中G的含量为30%，下列与该DNA分子有关的叙述正确的是(　 )

A．该DNA分子中含有的氢键数为2.4×103个

B．该DNA分子的两条单链中(A＋C)/(T＋G)的值一定相等

C．该DNA分子的α链中碱基A所占的比例在0～40%范围内

D．由于碱基互补配对，DNA分子中C与G的和一定占50%

解析：选A　该DNA分子中A＝T＝2 000×30%＝600，G＝C＝2 000×20%＝400，A—T之间有2个氢键，C—G之间有3个氢键，所以该DNA分子中氢键数为600×2＋400×3＝2 400(个)，A正确；DNA分子中，A与T数量相等，C与G数量相等，(A＋C)/(T＋G)＝1，而两条单链中该值互为倒数，B错误；该DNA分子中A的含量为30%，则T的含量也为30%，α链中A＋T的含量与DNA分子中A＋T的含量相等，都为60%，若α链不含A，则该链中A的含量为0，若该DNA分子中的碱基A都在α链中，则该链中A的含量为60%，所以该链中碱基A的比例在0～60%范围内，C错误；由于碱基互补配对，DNA分子中A＋C和T＋G一定占50%，该DNA分子中G＋C占40%，D错误。

系统学习(二)　DNA的复制及相关计算(释疑点)

　　　　　　基础知识·全面掌握

1．DNA半保留复制的实验证据

(1)实验技术方法：同位素标记技术。

(2)科学研究方法：假说—演绎法。

(3)结论：DNA的复制是以半保留方式进行的。

2．DNA的复制

(1)概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。

(2)发生时期：在真核生物中，这一过程是在细胞分裂前的间期，随着染色体的复制而完成的。

(3)过程。

(4)场所：真核生物在细胞核、线粒体和叶绿体；原核生物在拟核和细胞质。

(5)结果：一个DNA分子形成了两个完全相同的DNA分子。

(6)特点：边解旋边复制；半保留复制。

(7)意义：DNA通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性。

　　　　　　重难盲点·讲练疏通

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概括DNA复制的五个问题

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[典例1]　复制叉是复制时双链打开，分成两股，各自作为模板，子链沿模板延长所形成的Y字形结构(如图)，复制叉从复制起始点开始沿着DNA链有序移动。DNA甲基化会引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式发生改变。下列叙述正确的是(　 )

A．解旋酶使DNA双链完全打开后再进行复制

B．DNA聚合酶发挥作用需要母链提供合成模板

C．DNA以两条链为模板进行复制可提高复制速率

D．甲基化修饰DNA链不会影响复制叉的有序移动

[解析]　DNA分子的复制特点是边解旋边复制，解旋酶能使DNA两条螺旋的双链逐步打开，A错误；多起点双向复制可以提高复制的速率，而以两条链为模板进行复制是半保留的复制方式，不会提高复制速率，C错误；由于DNA甲基化会引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式发生改变，故甲基化修饰DNA链会直接停顿复制叉，D错误。

[答案]　B

明确DNA复制、“剪切”与“水解”中的四种酶

[对点练习]

1．研究发现DNA复制需要多种蛋白质和酶参与，其中Rep蛋白可以将DNA双链解旋，单链结合蛋白可以和解旋的DNA单链结合，并随着子链的延伸而与DNA单链分离。下列叙述正确的是(　 )

A．Rep蛋白能使A与C、T与G之间的氢键断裂

B．低温处理DNA分子也可以使DNA双链解旋

C．DNA复制具有边解旋边复制和半保留复制的特点

D．单链结合蛋白与DNA单链结合不利于DNA新链的形成

解析：选C　根据Rep蛋白的功能可推断出，Rep蛋白应为解旋酶，该酶能破坏氢键，但碱基之间互补配对原则是A与T配对，C与G配对，即Rep蛋白可破坏A与T、C与G之间形成的氢键，A错误；高温处理DNA分子能使DNA双链解旋，B错误；单链结合蛋白与DNA单链结合，可防止单链之间重新螺旋化，对DNA新链的形成有利，D错误。

2.下图为DNA分子的复制方式模式图，图中“→”表示复制方向。下列叙述错误的是(　 )

A．由图可知，DNA分子复制为单向复制

B．除图示酶外，DNA分子复制还需DNA聚合酶等

C．DNA分子复制时，子链的延伸方向是相同的

D．解旋含G—C碱基对较多区域时，消耗的能量相对较多

解析：选A　由图可知，DNA分子复制为双向复制，A错误；图示解旋酶打开双链间的氢键，使双链DNA解开，需要消耗ATP，DNA复制过程中，还需要DNA聚合酶将单个脱氧核苷酸连接到DNA片段上，再将片段连成完整的子链需要DNA连接酶，B正确；DNA分子的两条链是反向平行的，而复制的时候只能从5′­端向3′­端延伸，所以两条子链合成方向相反，但延伸方向是相同的，C正确；G—C含有3个氢键，A—T含有2个氢键，故解旋含G—C碱基对较多区域时，消耗的能量相对较多，D正确。

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“图解法”分析DNA复制相关计算

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1．DNA复制后子代DNA分子数和子链数

将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基中连续复制n次，则：

(1)子代DNA分子共2n个

(2)脱氧核苷酸链共2n＋1条

2．DNA复制过程中消耗的脱氧核苷酸数

(1)若亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n－1)个。

(2)第n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·2n－1个。

[典例2]　一个双链均被32P标记的DNA由5 000个碱基对组成，其中腺嘌呤占20%，将其置于只含31P的环境中复制3次。下列叙述不正确的是(　 )

A．该DNA分子中含有氢键的数目为1.3×104

B．复制过程需要2.1×104个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸

C．含有放射性的子代DNA分子的两条链都有放射性

D．子代DNA分子中含32P与只含31P的分子数之比为1∶3

[解析]　该DNA分子含有5 000个碱基对，A占20%，因此A＝T＝10 000×20%＝2 000，DNA中A＝T＝2 000，C＝G＝3 000，A、T碱基对之间的氢键是2个，G、C碱基对之间的氢键是3个，因此该DNA分子中含有氢键的数目为2 000×2＋3 000×3＝1.3×104，A正确；复制过程需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为3 000×(8－1)＝2.1×104(个)，B正确；根据DNA半保留复制的特点，含有放射性的子代DNA分子中只有一条链有放射性，C错误；根据半保留复制可知，被32P标记的DNA分子是2个，含有31P的是8个，只含有31P的是8－2＝6(个)，因此子代DNA分子中含32P与只含31P的分子数之比为1∶3，D正确。

[答案]　C

(1)复制次数：“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别：前者包括所有的复制，但后者只包括最后一次复制。

(2)碱基数目：注意碱基的数目单位是“对”还是“个”。

(3)复制模板：在DNA复制过程中，无论复制了几次，含有亲代脱氧核苷酸单链的DNA分子都只有两个。

(4)关键词语：看清是“DNA分子数”还是“链数”，“含”还是“只含”等关键词。　　

[对点练习]

3.某DNA分子片段中共含有3 000个碱基，其中腺嘌呤占35%。现将该DNA分子片段用15N同位素标记过的四种游离脱氧核苷酸为原料复制3次，将全部复制产物进行密度梯度离心，得到图甲结果；如果将全部复制产物加入解旋酶处理后再离心，则得到图乙结果。下列有关分析正确的是(　 )

A．X层与Y层中DNA分子质量比大于1∶3

B．Y层中含15N标记的鸟嘌呤有3 600个

C．第二次复制结束时，含14N的DNA分子占1/2

D．W层与Z层的核苷酸数之比是4∶1

解析：选C　据题干分析可知，X层为2个含有14N和15N的DNA分子，Y层为6个只含15N的DNA分子，因此X层与Y层中DNA分子质量比小于1∶3，A错误；Y层为6个只含15N的DNA分子，一个DNA分子含有鸟嘌呤450个，则Y层中含15N标记的鸟嘌呤共有450×6＝2 700(个)，B错误；DNA进行半保留复制，第二次复制结束，得到的4个DNA分子中有2个含有14N，因此含14N的DNA分子占1/2，C正确；W层有14条核苷酸链，Z层有2条核苷酸链，W层与Z层的核苷酸数之比是7∶1，D错误。

4．(2023·泉州模拟)用15N标记两条链含有100个碱基对的DNA分子，其中胞嘧啶有60个，该DNA分子在含14N的培养基中连续复制3次。下列有关说法错误的是(　 )

A．该DNA分子含有的氢键数目是260个

B．该DNA分子复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸320个

C．子代DNA分子中含15N的单链与含14N的单链之比为1∶7

D．子代DNA分子中含15N的DNA分子与含14N的DNA分子之比为1∶4

解析：选B　该DNA分子有100个碱基对，其中胞嘧啶(C)有60个，则G有60个，A和T各有40个，又知C、G之间有3个氢键，A、T之间有2个氢键，因此氢键数目为60×3＋40×2＝260(个)，A正确；该DNA分子含有腺嘌呤脱氧核苷酸(A)40个，则复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为(23－1)×40＝280(个)，B错误；该DNA分子复制3次共产生8个DNA分子、16条DNA单链，其中2条链含15N，故含15N的单链与含14N的单链之比为2∶14，即1∶7，C正确；该DNA分子复制3次共产生8个DNA分子，其中2个DNA分子含有15N,8个DNA分子都含有14N，故二者之比为1∶4，D正确。

[课时验收评价]

1．下列关于DNA分子的结构和DNA分子复制的说法，错误的是(　 )

A．DNA分子能准确地复制与DNA分子的结构有密切的关系

B．DNA分子复制过程中有氢键的断裂和重新形成

C．细胞内DNA分子复制过程中需要解旋酶和DNA聚合酶的参与

D．含有2n个碱基对的DNA分子，其碱基对的排列方式最多有n4种

解析：选D　含有2n个碱基对的DNA分子，其碱基对的排列方式最多有42n种，D错误。

2．下列有关基因、DNA、染色体的叙述，错误的是(　 )

①染色体就是由基因组成的　②基因在每条染色体上都成对存在　

③每个DNA分子上都有一个基因

④一条染色体上只有一个DNA分子　⑤基因通常是具有遗传效应的DNA片段　

⑥基因和染色体行为存在着平行关系

A．③④⑤⑥   B．①②④⑤

C．①②③④   D．①③⑤⑥

解析：选C　染色体是遗传物质的主要载体，组成成分主要是DNA和蛋白质，基因通常是具有遗传效应的DNA片段，基因和染色体行为存在着平行关系，①错误，⑤⑥正确；等位基因在每对同源染色体上成对存在，在每个染色体上成单存在，②错误；一条染色体上有多个基因，基因在染色体上呈线性排列，③错误；一条染色体上有一个或两个DNA分子，④错误。

3．下列有关DNA复制的分析，错误的是(　 )

A．DNA复制时存在A、U碱基配对现象

B．DNA复制是多种酶参与的物质合成过程

C．两条子链延伸的方向都是由5′­端到3′­端

D．DNA聚合酶与DNA连接酶的底物相同

解析：选D　由于DNA复制过程中需要RNA引物，所以在复制时存在A、U碱基配对现象，A正确；DNA复制是解旋酶、DNA聚合酶等多种酶参与的物质合成过程，B正确；DNA分子的2条链是反向平行的，子链是依据碱基互补配对原则，在DNA聚合酶作用下合成的，其合成方向是从子链5′­端向3′­端延伸，C正确；DNA聚合酶与DNA连接酶的底物不同，前者作用于单个脱氧核苷酸，而后者作用于DNA片段，D错误。

4．(2022·广东高考)λ噬菌体的线性双链DNA两端各有一段单链序列。这种噬菌体在侵染大肠杆菌后其DNA会自连环化(如图所示)，该线性分子两端能够相连的主要原因是(　 )

A．单链序列脱氧核苷酸数量相等

B．分子骨架同为脱氧核糖与磷酸

C．单链序列的碱基能够互补配对

D．自连环化后两条单链方向相同

解析：选C　单链序列脱氧核苷酸数量相等和分子骨架同为脱氧核糖与磷酸都不是该线性DNA分子两端能够相连的主要原因，A、B错误；据图可知，单链序列的碱基能够互补配对，这是该线性DNA分子两端能够相连的主要原因，C正确；该线性DNA分子自连环化后两条单链方向相反，D错误。

5．用15N标记含有100个碱基对的DNA分子片段，碱基间的氢键共有260个。该DNA分子在14N的培养基中连续复制多次后共消耗游离的嘌呤类脱氧核苷酸1 500个。下列叙述错误的是(　 )

A．该DNA片段中共有腺嘌呤60个，复制多次后含有14N的DNA分子占7/8

B．若一条链中(A＋G)/(T＋C)<1，则其互补链中该比例大于1

C．若一条链中A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，则其互补链中该比例为2∶1∶4∶3

D．该DNA经复制后产生了16个DNA分子

解析：选A　假设A＝T＝x，则C＝G＝100－x，由2x＋3(100－x)＝260可得x＝40，即A＝T＝40个，C＝G＝60个。经多次复制后，子代DNA全部都含有14N，A错误；DNA分子中嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数，若一条链中(A＋G)/(T＋C)＜1，则互补链中(A＋G)/(T＋C)>1，B正确；DNA两条单链之间由于碱基互补配对，若一条链中A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，则其互补链中该比例为2∶1∶4∶3，C正确；该DNA片段中嘌呤类碱基共100个，经多次复制后共消耗游离的嘌呤类碱基1 500个，则1 500＝100×(2n－1)，n＝4，所以复制后产生了24＝16个DNA分子，D正确。

6．下图为真核生物DNA的结构(图甲)及发生的生理过程(图乙)，请据图回答下列问题：

(1)图甲为DNA的结构示意图，其基本骨架由________和________(均填序号)交替排列构成，④为________________(填名称)。

(2)从图乙可看出，该过程是从________个起点开始复制的，从而________复制速率；图中所示的酶为________酶；作用于图甲中的________(填序号)。

(3)若用1个32P标记的噬菌体侵染未标记的大肠杆菌，释放出300个子代噬菌体，其中含有32P的噬菌体所占的比例是________。

(4)若图甲中的亲代DNA分子含有100个碱基对，将该DNA分子放在含有32P标记的脱氧核苷酸培养液中复制一次，则子代DNA分子的相对分子质量比原来增加________。

(5)若图乙中亲代DNA分子在复制时，一条链上的G变成了A，则该DNA分子经过n次复制后，发生差错的DNA分子占DNA分子总数的________。

解析：(1)DNA分子的基本骨架由①磷酸和②脱氧核糖交替排列构成。图中的④是由一分子脱氧核糖、一分子磷酸和一分子C(胞嘧啶)组成的胞嘧啶脱氧核苷酸。(2)分析图乙可知，DNA复制过程中有多个起点，这样可以大大提高复制的速率。图乙中的酶使碱基对间的氢键断裂，使DNA双链解旋，应为解旋酶，作用于图甲中的⑨氢键。(3)用1个32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，根据DNA分子半保留复制的特点，新形成的300个噬菌体中有2个噬菌体含32P，占1/150。(4)亲代DNA分子含有100个碱基对，在含有用32P标记的脱氧核苷酸的培养液中复制一次形成的子代DNA分子一条链含32P，一条链含31P，标记的脱氧核苷酸比未标记的相对分子质量增加1，因此子代DNA的相对分子质量比原来增加100。(5)DNA分子复制时一条链上的碱基发生突变，另一条链上的碱基不发生突变，以碱基发生突变的单链为模板复制形成的DNA分子都是异常的，以未发生突变的单链为模板合成的DNA分子都是正常的，因此无论复制多少次，发生差错的DNA分子都占DNA分子总数的1/2。

答案：(1)①　②　胞嘧啶脱氧核苷酸　(2)多　提高

解旋　⑨　(3)1/150　(4)100　(5)1/2