2021高考生物人教版一轮教师用书第六单元第18讲　DNA的结构、复制与基因的本质

第18讲　DNA的结构、复制与基因的本质

考点一　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)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,则其碱基对排列顺序有4n种。

(2)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)稳定性:两条链磷酸与脱氧核糖交替排列的顺序不变,碱基之间有氢键相连,使DNA分子具有稳定性。

3.基因与染色体、DNA的关系

[纠误诊断]

(1)沃森和克里克研究DNA分子的结构时,运用了构建数学模型的方法。(　×　)

提示:沃森和克里克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一定不同。(　×　)

提示:不同生物的DNA分子中A+T/G+C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1 700个碱基对组成,其碱基对可能的排列方式有41 700种。(　×　)

提示:β珠蛋白的基因的碱基排列方式是特定的。

(8)HIV的基因是指具有遗传效应的RNA片段。(　√　)

1.下图是DNA分子结构示意图,请据图思考回答:

(1)由图1可知,每个DNA分子片段中,游离磷酸基团有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(填“①”或“②”)部位,限制性核酸内切酶和DNA连接酶作用于①(填“①”或“②”)部位。

[深度思考]

(1)含G、C碱基对比较多的DNA分子热稳定性较高,为什么?

提示:G、C碱基对中含三个氢键,断裂时所需能量多。

(2)基因是碱基对随机排列成的DNA片段吗?

提示:基因中碱基对的排列顺序是特定的,特有的碱基对的排列顺序蕴含遗传信息,不是随机排列成的DNA片段。

2.碱基互补配对原则及相关计算规律探究

(1)碱基互补配对原则:在双链DNA分子中,A一定与T配对,G一定与C配对。

(2)四个计算规律。

①规律一:一个双链DNA分子中,A=T、C=G,则A+G=C+T,即嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。

②规律二:在双链DNA分子中,互补的两碱基之和(如A+T或C+G)占全部碱基的比值等于其任何一条单链中该种碱基比例的比值。

③规律三:在DNA双链中,一条单链的的值与其互补单链的的值互为倒数关系。

提醒:在整个DNA分子中该比值等于1。

④规律四:在DNA双链中,一条单链的的值,与该互补链的的值是相等的,与整个DNA分子中的的值是相等的。

题型一　考查DNA分子的结构及特性

1.(2019·河北衡水金卷)如图是某DNA片段的结构示意图,下列叙述正确的是(　C　)

A.DNA复制时,解旋酶先将①全部切割,再进行复制

B.该DNA片段有两种碱基配对方式,四种核糖核苷酸

C.磷酸与脱氧核糖交替排列构成DNA分子的基本骨架

D.a链、b链方向相同,a链与b链的碱基互补配对

解析:DNA复制是边解旋边复制;该DNA片段有两种碱基配对方式,即A与T配对,G与C配对,四种脱氧核苷酸;磷酸与脱氧核糖交替排列构成DNA分子的基本骨架;DNA分子的两条链方向相反,a链与b链的碱基互补配对。

2.(2019·河北衡水中学五调)2018年是DNA分子双螺旋结构被发现的第65年。下列关于DNA分子的叙述,错误的是(　C　)

A.DNA分子中G和C所占的比例越高,DNA分子的热稳定性越高

B.DNA分子互补配对的两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构

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

解析:生物的遗传信息蕴藏在碱基对的排列顺序中,而与DNA分子中碱基的比例没有直接关系。

题型二　考查DNA分子中的碱基配对规律及相关计算

3.(2019·河北衡水金卷)某已知序列的双链链状DNA分子由200个脱氧核苷酸组成,其中有胞嘧啶脱氧核苷酸40个。下列相关叙述正确的是(　C　)

A.四种碱基和氢键构成了DNA分子的基本骨架

B.每个脱氧核糖上均连接着2个磷酸和1个碱基

C.该DNA分子一定含有40个鸟嘌呤脱氧核苷酸

D.该DNA分子蕴含的遗传信息种类最多有4200种

解析:在双链链状DNA分子中,磷酸和五碳糖(脱氧核糖)排列在外侧,构成DNA分子的基本骨架;该双链DNA分子的末端脱氧核糖连接着1个磷酸和1个碱基;已知该DNA分子含有200个脱氧核苷酸,其中有胞嘧啶脱氧核苷酸40个,根据碱基互补配对原则,该DNA分子中一定含有40个鸟嘌呤脱氧核苷酸;该DNA分子的序列是已知的,其蕴含的遗传信息种类有1种。

4.(2017·海南卷)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(　D　)

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

解析:双链DNA分子中A=T,G=C,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;前一个比值越小,双链DNA分子的稳定性越高;当两个比值相同时,只能推出4种碱基数目相同,无法判断出这个DNA分子是双链还是单链;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。

题型三　考查基因的本质及与DNA和染色体的关系

5.(2019·重庆一模)下列有关基因的叙述,错误的是(　A　)

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

解析: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”;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;基因是有遗传效应的DNA片段,一个DNA分子上有多个基因;生物的性状是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。

6.(2019·河北衡水金卷)如图表示细胞内与基因有关的物质或结构,其中i是遗传物质的主要载体。下列相关叙述正确的是(　B　)

元素(a)e基因(f)gi

A.碱基对数目的差异是不同f携带信息不同的主要原因

B.f在i上呈线性排列,f与性状不是简单的一一对应关系

C.e为核糖核苷酸,h为蛋白质

D.若g中(G+C)/(A+T)=0.5,则A占g中总碱基数的比例为1/2

解析:f为基因,不同基因携带信息不同的主要原因是碱基对的排列顺序不同;i为染色体,基因在染色体上呈线性排列,基因与性状不是简单的一一对应关系;e为基因的基本组成单位——脱氧核糖核苷酸,h为组成染色体的成分——蛋白质;若g中(G+C)/(A+T)=0.5,假设G=C=n,则A=T=2n,故A占g中总碱基数的比例为1/3。

考点二　DNA分子的复制

1.DNA分子复制的概念和时间

(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。

2.复制过程图解

3.特点

(1)复制方式为半保留复制。

(2)边解旋边复制。

4.DNA分子精确复制的原因

(1)DNA分子独特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精确进行。

5.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。

[纠误诊断]

(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)所有的细胞中都要进行核DNA分子的复制。(　×　)

提示:哺乳动物成熟的红细胞因为无细胞核和各种细胞器而不能进行核DNA分子复制;不分裂的细胞不存在DNA分子复制。

(5)复制后的两个子DNA分子将在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期着丝点分裂时,随两染色单体分离而分开,分别进入两个子细胞中。(　√　)

1.分析各类生物体中DNA分子复制的场所

(1)真核生物:细胞核(主要场所)、叶绿体、线粒体。

(2)原核生物:拟核、细胞质(如质粒中DNA的复制)。

(3)DNA病毒:宿主细胞内。

2.探究DNA分子复制过程中相关计算的规律

DNA复制为半保留复制,若将亲代DNA分子复制n代,其结果分析如下:

(1)子代DNA分子数为2n个。

①含有亲代链的DNA分子数为2个。

②只含亲代链的DNA分子数为0个。

③不含亲代链的DNA分子数为(2n-2)个。

④含子代链的DNA分子数有2n个。

(2)子代脱氧核苷酸链数为2n+1条。

①亲代脱氧核苷酸链数为2条。

②新合成的脱氧核苷酸链数为(2n+1-2)条。

(3)若模板DNA中含有m个碱基,其中A有a个,则:

①连续复制n次需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸数目为[(m/2-a)×(2n-1)]个。

②第n次复制需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸数目为 [(m/2-a)×2n-1]个。

题型一　考查DNA复制的过程和特点

1.(2019·河北衡水中学五调)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(　B　)

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

解析: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。

2.(2019·河北衡水金卷)真核细胞中DNA复制如图所示。下列表述错误的是(　C　)

A.多起点双向复制能保证DNA复制在短时间内完成

B.每个子代DNA都有一条核苷酸链来自亲代

C.复制过程中氢键的破坏和形成都需要DNA聚合酶的催化

D.DNA分子的准确复制依赖于碱基互补配对原则

解析:多起点双向复制能加快复制速度,保证DNA复制在短时间内完成;DNA的复制方式是半保留复制,每个子代DNA都有一条核苷酸链来自亲代;复制过程中氢键的破坏和形成不需要DNA聚合酶的催化,DNA聚合酶用于催化磷酸二酯键的形成;由于碱基互补配对原则的存在,DNA分子才得以准确复制。

题型二　DNA复制的相关计算

3.(2019·河北衡水中学四调)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(　B　)

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

解析:DNA分子中共有10 000个碱基,其中胞嘧啶 3 000个,DNA第三次复制需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为(23-1)×3 000-(22-1)×3 000=1.2×104(个)。

4.某DNA分子含m对碱基,其中腺嘌呤有A个。下列有关此DNA在连续复制时所需的胞嘧啶脱氧核苷酸数目的叙述中,错误的是(　D　)

A.在第一次复制时,需要(m-A)个

B.在第二次复制时,需要2(m-A)个

C.在第n次复制时,需要2n-1(m-A)个

D.在n次复制过程中,总共需要2n(m-A)个

解析:该DNA分子含胞嘧啶数目为(2m-2A)/2=(m-A)个;第二次复制时是以两个DNA分子为模板复制出4个DNA分子的过程,所以需要胞嘧啶脱氧核苷酸数目为2(m-A)个;DNA复制n次需胞嘧啶脱氧核苷酸数目为(m-A)(2n-1)个;第n次复制所需的胞嘧啶脱氧核苷酸数目是n次复制所需的胞嘧啶脱氧核苷酸数减去(n-1)次复制所需的胞嘧啶脱氧核苷酸数目,即(m-A)(2n-1)-(m-A)(2n-1-1)=[2n-1(m-A)]个。

题型三　DNA半保留复制的实验分析

5.(2019·河北衡水金卷)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(　C　)

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

解析: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,即图②;子二代DNA中1/2为14N/15N、1/2为14N/14N,即图①;子三代DNA中1/4为14N/15N、3/4为14N/14N,即图③;亲代的DNA应为15N/15N,即图⑤。

6.(2018·浙江卷)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(　B　)

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15N/14NDNA

D.实验结果说明DNA分子的复制是半保留复制的

解析:本活动中使用了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管中只有重带,即15N/15NDNA,表明该管中的大肠杆菌是在含15NH4Cl的培养液中培养的;b管中只有中带,即DNA都是15N/14NDNA;c管中具有1/2中带(15N/14NDNA),1/2轻带(14N/14NDNA),综合a、b、c三支管可推测,a管中为亲代DNA:15N/15NDNA,b管中为在含14N的培养基上复制一代后的子代DNA:15N/14NDNA,c管中为在含14N的培养基上复制两代后的子代DNA:1/215N/14NDNA、1/214N/14NDNA,据实验结果可说明DNA分子的复制是半保留复制。

 [构建知识网络]

[强化思维表达]

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分子中脱氧核苷酸碱基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聚合酶的参与。

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。