2021高三生物人教版一轮教师用书：必修2第6单元第2讲 DNA分子的结构、复制与基因的本质
展开第2讲 DNA分子的结构、复制与基因的本质
1.DNA分子结构的主要特点(Ⅱ) 2.基因的概念(Ⅱ) 3.DNA分子的复制(Ⅱ) |
1.DNA的结构决定DNA的功能(生命观念) 2.建立DNA分子双螺旋结构模型(科学思维) 3.验证DNA分子通过半保留方式进行复制(科学探究) |
DNA分子的结构和基因的本质
1．DNA分子的结构
2．DNA分子的特性
(1)相对稳定性：DNA分子中磷酸和脱氧核糖交替连接的方式不变，两条链间碱基互补配对的方式不变。
(2)多样性：不同的DNA分子中脱氧核苷酸数目不同，排列顺序多种多样。若某DNA分子中有n个碱基对，则排列顺序有4n种。
(3)特异性：每种DNA分子都有区别于其他DNA的特定的碱基对排列顺序，代表了特定的遗传信息。
3．基因的本质
(1)染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系
(2)基因与碱基的关系
遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序中，构成基因的碱基数小于(填“大于”“小于”或“等于”)DNA分子的碱基总数。
(人教版必修2 P58“科学·技术·社会”)如何获得DNA指纹图谱？该技术有哪些应用？
提示：(1)应用DNA指纹技术，首先需要用合适的酶将待检测的样品DNA切成片段，然后用电泳的方法将这些片段按大小分开，再经过一系列步骤，最后形成DNA指纹图；(2)由于每个人的DNA指纹图是独一无二的，所以我们可以根据分析指纹图的吻合程度来帮助确认身份。因而此技术被广泛应用于刑侦领域、亲子鉴定、遗骸鉴定等。
1．沃森和克里克研究DNA分子的结构时，运用了构建物理模型的方法。 (√)
2．嘌呤碱基与嘧啶碱基的结合保证了DNA分子空间结构的相对稳定。 (√)
3．分子大小相同、碱基含量相同的核酸分子所携带的遗传信息一定相同。 (×)
提示：核酸分子所携带的遗传信息取决于碱基对排列顺序。
4．DNA分子一条链上的相邻碱基通过磷酸—脱氧核糖—磷酸相连。 (×)
提示：一条链上相邻的碱基通过脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖相连。
5．不同生物的DNA分子中互补配对的碱基之和的比值可能相同。 (√)
6．DNA分子的多样性和特异性主要与它的空间结构密切相关。
(×)
提示：DNA的空间结构都是双螺旋结构，与多样性和特异性无关。
7．人体内控制β-珠蛋白基因由1700个碱基对组成，其碱基对可能的排列方式有41700种。 (×)
提示：β-珠蛋白的基因的碱基排列方式是特定的。
8．DNA分子中G和C所占的比例越大，其稳定性越低。(×)
提示：G和C之间有三个氢键，A和T之间有两个氢键，因此，DNA分子中G和C所占的比例越大，稳定性越高。
碱基互补配对原则及相关计算
DNA碱基互补配对原则是指在DNA分子形成碱基对时，A一定与T配对，G一定与C配对的一一对应关系。推论如下：
1．双链DNA分子中嘌呤总数与嘧啶总数相等，即A＋G＝T＋C。简记：“DNA分子中两个非互补碱基之和是DNA分子总碱基数的一半”。
2．在双链DNA分子中，互补碱基之和所占比例在任意一条链及整个DNA分子中都相等。
设在双链DNA分子中的一条链上A1＋T1＝n%，则⇒A1＋T1＝A2＋T2＝n%，所以A＋T＝A1＋A2＋T1＋T2＝＝n%。
简记为“配对的两碱基之和在单、双链中所占比例相等”。
3．双链DNA分子中，非互补碱基之和所占比例在两条互补链中互为倒数。
设双链DNA分子中一条链上，＝m，
则＝＝m，互补链中＝。
简记为：“DNA两条互补链中，不配对两碱基之和的比值互为倒数，乘积为1”。
4．双链DNA分子中，若＝b%，则＝%。
1．基因是碱基对随机排列成的DNA分子吗？为什么？
提示：基因不是碱基对随机排列成的DNA分子。在自然选择过程中，由大部分随机排列的脱氧核苷酸序列控制性状的生物不能成活，被淘汰掉了。
2．根据DNA的下列两模型思考回答：
图1 图2
(1)由图1可知，每个DNA分子片段中，游离磷酸基团含有2个。单链中相邻碱基通过脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖连接。互补链中相邻碱基通过氢键连接。
(2)图2是图1的简化形式，其中①是磷酸二酯键，②是氢键。解旋酶作用于②部位，限制性核酸内切酶和DNA连接酶作用于①部位。
考查DNA分子的结构
1．(2019·潍坊期中)下列关于DNA分子结构的叙述，正确的是( )
A．DNA分子中碱基对的排列顺序代表遗传信息
B．1个双链DNA分子片段中有1个游离的磷酸
C．嘌呤与嘌呤之间、嘧啶与嘧啶之间通过氢键相连
D．DNA分子的基本骨架由磷酸和含氮碱基交替连接构成
A [DNA分子中碱基对的排列顺序代表遗传信息，A项正确；1个双链DNA分子片段中有2个游离的磷酸，B项错误；嘌呤与嘧啶之间通过氢键相连，C项错误；DNA分子的基本骨架由磷酸和脱氧核糖交替连接构成，D项错误。]
2．2019年是DNA分子双螺旋结构被发现的第66年。下列关于DNA分子的叙述，错误的是( )
A．DNA分子中G和C所占的比例越高，DNA分子的热稳定性越强
B．DNA分子中的磷酸和脱氧核糖交替连接构成DNA分子的基本骨架
C．不同生物的DNA分子中，(A＋T)/(G＋C)的值越接近，亲缘关系越近
D．DNA分子发生碱基对替换后，不会改变DNA分子中嘧啶碱基所占的比例
C [生物的遗传信息蕴藏在碱基对的排列顺序中，与DNA分子中碱基的比例没有直接关系，C项错误。]
考查基因的本质及与DNA和染色体的关系
3．(2018·潍坊期中)下列有关基因的叙述，正确的是( )
A．真核细胞中的基因都以染色体为载体
B．唾液淀粉酶基因在人体所有细胞中都能表达
C．等位基因的根本区别是脱氧核苷酸的排列顺序不同
D．基因是由碱基对随机排列成的DNA片段
C [真核细胞的细胞核基因以染色体为载体，细胞质基因不是以染色体为载体，A错误；唾液淀粉酶基因只在唾液腺细胞中表达，B错误；等位基因是基因突变产生的，两者的根本区别是脱氧核苷酸的排列顺序不同，C正确；基因是有遗传效应的DNA片段，其中的碱基对具有特定的排列顺序，D错误。]
4．(2019·重庆一模)下列有关基因的叙述，错误的是( )
A．摩尔根将孟德尔的“遗传因子”这一名词重新命名为“基因”
B．随着细胞质基因的发现，基因与染色体的关系可概括为染色体是基因的主要载体
C．一个DNA分子上有多个基因，基因是有遗传效应的DNA片段
D．研究表明，基因与性状的关系并不都是简单的线性关系
A [摩尔根运用假说—演绎法证明基因在染色体上，约翰逊给“遗传因子”起了一个新名字为“基因”，A错误；DNA主要存在于染色体上，少量存在于细胞质中，故染色体是基因的主要载体，B正确；基因是有遗传效应的DNA片段，一个DNA分子上有多个基因，C正确；生物的性状由基因和环境共同决定的，基因与性状的关系并不都是简单的线性关系，D正确。]
DNA分子的复制
1．概念：以亲代DNA为模板，合成子代DNA的过程。
2．时间：有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期。
3．过程
4．特点
(1)复制方式为半保留复制。
(2)边解旋边复制。
5．DNA分子精确复制的原因
(1)DNA分子的双螺旋结构提供精确的模板。
(2)碱基互补配对原则保证复制准确进行。
6．意义：使遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。
7．研究DNA复制的常用方法
同位素示踪法和离心法，常用3H、15N标记，通过离心在试管中形成不同位置的DNA条带。
1．DNA复制遵循碱基互补配对原则，新合成的DNA分子中两条链均是新合成的。 (×)
提示：新合成的DNA分子的两条链有一条链是新合成的。
2．DNA双螺旋结构全部解旋后，开始DNA的复制。 (×)
提示：DNA复制时边解旋边复制。
3．单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链。 (×)
提示：在DNA聚合酶的作用下，单个脱氧核苷酸连接到DNA单链片段上形成子链。
4．在一个细胞周期中，DNA复制过程中的解旋发生在两条DNA母链之间。
(√)
5．在人体内，成熟的红细胞、浆细胞中不发生DNA的复制。 (√)
1．DNA分子复制中相关计算的规律
DNA分子复制为半保留复制，若将一个被15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养(复制)若干代，其结果分析如下：
2．DNA分子复制过程中消耗的某种脱氧核苷酸数
(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次复制需要该种脱氧核苷酸数为m·2n－1个。
1．将发生癌变的小肠上皮细胞用含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液培养，一段时间后再移至普通培养液中培养，不同间隔时间取样，检测到被标记的癌细胞比例减少，出现上述结果的原因是什么？
提示：依据DNA半保留复制特点，移到普通培养液中的被标记的癌细胞，随着细胞增殖次数的增加，不被标记的癌细胞开始出现并不断增多，故被标记的癌细胞比例减少。
2．通常DNA分子复制从一个复制起始点开始，有单向复制和双向复制，如图所示。
放射性越高的3H胸腺嘧啶脱氧核糖核苷(3H脱氧胸苷)，在放射自显影技术的图像上，感光还原的银颗粒密度越高。请利用放射性自显影技术、低放射性3H脱氧胸苷和高放射性3H脱氧胸苷，设计实验以确定大肠杆菌DNA复制的方向，简要写出实验思路并预测实验结果和得出结论。
提示：(1)实验思路：复制开始时，首先用含低放射性3H脱氧胸苷培养基培养大肠杆菌，一段时间后转移到含有高放射性3H脱氧胸苷的培养基中继续培养，用放射自显影技术观察复制起点和复制起点两侧银颗粒密度情况。
(1)预期实验结果和结论：若复制起点处银颗粒密度低，复制起点的一侧银颗粒密度高，则DNA分子复制为单向复制；若复制起点处银颗粒密度低，复制起点的两侧银颗粒密度高，则DNA分子复制为双向复制。
考查DNA分子复制的过程和特点
1．正常情况下，DNA分子在复制时，DNA单链结合蛋白能与解旋后的DNA单链结合，使单链呈伸展状态而有利于复制。如图是大肠杆菌DNA复制过程的示意图，下列有关分析错误的是( )
A．在真核细胞中，DNA复制可发生在细胞分裂的间期
B．DNA复制时，两条子链复制的方向是相反的，且都是连续形成的
C．如图所示过程可发生在大肠杆菌的拟核中，酶1和酶2都是在核糖体上合成的
D．DNA单链结合蛋白能防止解旋的DNA单链重新配对
B [DNA分子的两条链是反向平行的，从图中可以看出，在复制的过程中，子链的形成是由片段连接而成的，B项错误。]
2．(2019·哈尔滨模拟)细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，细菌DNA的含氮碱基均含有15N，然后再将其移入含14N的培养基中培养，提取亲代及子代的DNA并离心，如图①～⑤为可能的结果。下列叙述错误的是 ( )
A．子一代DNA应为②
B．子二代DNA应为①
C．子三代DNA应为④
D．亲代的DNA应为⑤
C [DNA的复制方式是半保留复制，亲代DNA为15N/15N，在含14N的培养基中培养，子一代的DNA应全为14N/15N，即如图中②，A项正确；子二代DNA中1/2为14N/15N、1/2为14N/14N，即如图中①，B项正确；子三代DNA中1/4为14N/15N、3/4为14N/14N，即如图中③，C项错误；亲代的DNA应为15N/15N，即如图中⑤，D项正确。]
考查DNA复制的相关计算
3．一个双链均被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．DNA复制是一个边解旋边复制的过程
B．第三次复制需要2.1×104个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸
C．子代DNA分子中含32P的单链与含31P的单链之比为1∶7
D．子代DNA 分子中含32P与含31P的分子数之比为 1∶4
B [DNA分子中共有10 000个碱基，其中胞嘧啶有3 000个，则DNA第三次复制需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为(23－1)×3000－(22－1)×3000＝1.2×104(个)，B项错误。]
4．用15N标记了两条链含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，该DNA分子在含14N的培养基中连续复制3次。下列有关说法中错误的是( )
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160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
B [该DNA分子有100个碱基对，其中胞嘧啶有60个，则C和G各有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项正确；该DNA分子第一次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸(A)40个，第二次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸80个，第三次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸160个，则复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为40＋80＋160＝280(个)，B项错误；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，含15N的单链与含14N的单链之比为2∶14，即1∶7，C项正确；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项正确。]
准确把握DNA复制的相关计算问题
(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，后者只包括最后一次复制。
(2)碱基数目：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。
1.DNA中并不是所有的脱氧核糖都连着两个磷酸基团，两条链各有一个3′端的脱氧核糖连着一个磷酸基团。
2．并非所有DNA片段都是基因，基因是有遗传效应的DNA片段，不是连续分布在DNA上的，而是由碱基序列将不同的基因分割开的。
3．细胞生物中凡存在DNA分子的场所均可进行DNA分子的复制，其场所除细胞核外，还包括叶绿体、线粒体、原核细胞的拟核及质粒。
4．DNA中氢键可由解旋酶催化断裂，同时需要ATP供能，也可加热断裂(体外)；而氢键是自动形成的，不需要酶和能量。
1.DNA的两条脱氧核苷酸链反向平行盘旋成规则的双螺旋结构。
2．DNA双螺旋结构的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成的。
3．DNA上的碱基对严格遵循碱基互补配对原则，通过氢键连接。
4．DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。
5．DNA复制具有边解旋边复制、半保留复制的特点。
6．DNA复制需要解旋酶和DNA聚合酶参与。
7．基因是具有遗传效应的DNA片段。
8．染色体是基因的主要载体，线粒体、叶绿体中也存在基因。
真题体验| 感悟高考 淬炼考能
1．(2019·天津高考)用3H标记胸腺嘧啶后合成脱氧核苷酸，注入真核细胞，可用于研究( )
A．DNA复制的场所
B．mRNA与核糖体的结合
C．分泌蛋白的运输
D．细胞膜脂质的流动
A [脱氧核苷酸是合成DNA的原料，用3H标记胸腺嘧啶后合成脱氧核苷酸，然后注入真核细胞，可用于研究DNA复制的场所，A项符合题意。]
2．(2018·海南高考)现有DNA分子的两条单链均只含有14N(表示为14N14N)的大肠杆菌，若将该大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖两代，再转到含有14N的培养基中繁殖一代，则理论上DNA分子的组成类型和比例分别是( )
A．有15N14N和14N14N两种，其比例为1∶3
B．有15N15N和14N14N两种，其比例为1∶1
C．有15N15N和14N14N两种，其比例为3∶1
D．有15N14N和14N14N两种，其比例为3∶1
D [一个14N14N的DNA分子利用15N的培养基复制两代，再转到14N的培养基中复制一代共产生8个DNA分子，其中6个DNA分子为15N14N，两个DNA分子为14N14N。]
3．(2018·浙江高考)某研究小组进行“探究DNA的复制过程”的活动，结果如图所示。其中培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl，a、b、c表示离心管编号，条带表示大肠杆菌DNA离心后在离心管中的分布位置。下列叙述错误的是( )
A．本活动运用了同位素示踪和密度梯度离心技术
B．a管的结果表明该管中的大肠杆菌是在含14NH4Cl的培养液中培养的
C．b管的结果表明该管中的大肠杆菌的DNA都是15N14NDNA
D．实验结果说明DNA分子的复制是半保留复制
B [本题考查“探究DNA的复制过程”。本活动中使用14N和15N，即采用了同位素示踪技术，3个离心管中的条带是经密度梯度离心产生的，A正确；a管中只有重带，即15N15NDNA，表明该管中的大肠杆菌是在含15NH4Cl的培养液中培养的，B错误；b管中只有中带，即DNA都是15N14NDNA，C正确；c管中具有1/2中带(15N14NDNA)，1/2轻带(14N14NDNA)，综合a、b、c三支管可推测，a管中为亲代DNA：15N15NDNA，b管中为在含14N的培养基上复制一代后的子代DNA：15N14NDNA，c管中为在含14N的培养基上复制两代后的子代DNA：1/215N14N—DNA、1/214N14NDNA，据实验结果，可说明DNA分子的复制是半保留复制，D正确。]
4．(2017·海南高考)DNA分子的稳定性与碱基对之间的氢键数目有关。下列关于生物体内DNA分子中(A＋T)/(G＋C)与(A＋C)/(G＋T)两个比值的叙述，正确的是( )
A．碱基序列不同的双链DNA分子，后一比值不同
B．前一个比值越大，双链DNA分子的稳定性越高
C．当两个比值相同时， 可判断这个DNA分子是双链
D．经半保留复制得到的DNA分子，后一比值等于1
D [双链DNA分子中A＝T，C＝G，前者之间是两个氢键，后者之间是三个氢键；碱基序列不同的双链DNA分子，前一比值不同，后一比值相同，A错误；前一个比值越小，双链DNA分子的稳定性越高，B错误；当两个比值相同时，不能判断这个DNA分子是双链，因为假设A＝30，G＝30，C＝30，T＝30，这条链可能是单链也有可能是双链，C错误；双链DNA的复制方式为半保留复制，经半保留复制得到的DNA分子仍为双链，后一比值等于1，D正确。]
5．(2016·全国卷Ⅱ)某种物质可插入DNA分子两条链的碱基对之间，使DNA双链不能解开。若在细胞正常生长的培养液中加入适量的该物质，下列相关叙述错误的是( )
A．随后细胞中的DNA复制发生障碍
B．随后细胞中的RNA转录发生障碍
C．该物质可将细胞周期阻断在分裂中期
D．可推测该物质对癌细胞的增殖有抑制作用
C [在DNA分子的复制过程中，DNA分子需要先经过解旋，即DNA双链解开，加入该物质后DNA分子双链不能解开，故细胞中DNA的复制会发生障碍，A项正确。DNA分子转录产生RNA的过程中，DNA分子也需要在RNA聚合酶作用下先将双链解开，再以DNA的一条链为模板进行转录，加入该物质后DNA分子双链不能解开，故细胞中的RNA转录会发生障碍，B项正确。因DNA复制发生在细胞分裂间期，故该物质阻断的是分裂间期DNA分子的复制过程，从而将细胞周期阻断在分裂间期，C项错误。癌细胞的增殖方式是有丝分裂，其分裂过程中可发生DNA复制和转录，加入该物质会阻碍这两个过程，从而抑制癌细胞的增殖，D项正确。]
