(寒假班)人教版高中生物必修二同步讲义第03讲 基因的本质-（含详解）

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第3讲 基因的本质
【学习目标】
1. 通过对肺炎链球菌的转化实验、噬菌体侵染细菌等实验的学习，认同科学结论的获得离不开严谨的推理和确凿的实验证据。
2.基干对DNA的结构模型的构建以及DNA结构特点的理解，进一步形成结构与功能相适应的观念。
3.通过分析DNA半保留复制的实验证据，阐明运用假说一演绎法进行科学探究的基本思路。4.基于科学家对基因本质的探索历程，认同科学探究是一个个断深化的过程。
【基础知识】
一、肺炎链球菌的转化实验
1．肺炎链球菌的类型
项目
S型细菌
R型细菌
菌落
表面光滑
表面粗糙
菌体


有无致病性
有
无

2. 区别
项目
体内转化实验
体外转化实验
科学家
格里菲思
艾弗里及其同事
细菌培养
小鼠体内
体外培养基
实验构思
用加热致死的S型细菌注射到小鼠体内作为对照实验来说明确实发生了转化
在S型细菌的提取物中，分别去除某种物质，观察能否使R型细菌发生转化
观察指标
小鼠是否死亡
培养基中菌落类型
实验结论
已经加热致死的S型细菌体内有转化因子
转化因子是DNA

3. 联系
①体内转化实验是体外转化实验的基础，体外转化实验则是前者的延伸。
②实验设计都遵循对照原则和单一变量原则。
二、噬菌体侵染细菌的实验
1．实验者：赫尔希和蔡斯。
2．实验方法：放射性同位素标记技术。
3．实验材料：T2噬菌体和大肠杆菌
4．实验分析
(1)噬菌体侵染细菌时，DNA进入细菌的细胞中，而蛋白质外壳仍留在细胞外。
(2)子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传的。
5．实验结论：DNA才是噬菌体的遗传物质。
三、生物的遗传物质
1．RNA是遗传物质的实验证据
(1)实验材料：烟草花叶病毒(只含有蛋白质和RNA)、烟草。
(2)结论：烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，不是蛋白质。
2．DNA是主要的遗传物质：绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有极少数生物的遗传物质是RNA。因此，DNA是主要的遗传物质。
四、DNA的结构
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，两条单链走向相反，一条单链是从5′－端到3′－端的，另一条单链是从3′－端到5′－端的。
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。
五、对DNA复制的推测及DNA半保留复制的实验证据
1．对DNA复制的推测
(1)半保留复制
①提出者：沃森和克里克。
②观点：DNA复制方式为半保留复制。
③内容：DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂。解开的两条单链分别作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸根据碱基互补配对原则，通过形成氢键，结合到作为模板的单链上。
④结果：新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链。
(2)全保留复制
概念：指DNA复制以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。
2．DNA半保留复制的实验证据
(1)实验方法：同位素标记技术和离心技术。
(2)实验原理：只含15N的DNA密度大，只含14N的DNA密度小，一条链含14N、一条链含15N的双链DNA密度居中。
(3)实验假设：DNA分子以半保留的方式复制。
(4)实验结果预期：离心后应出现三条DNA带。
①重带(密度最大)：两条链都为15N标记的亲代双链DNA。
②中带(密度居中)：一条链为14N标记，另一条链为15N标记的子代双链DNA。
③轻带(密度最小)：两条链都为14N标记的子代双链DNA。
(5)结果分析
①立即取出：提取DNA→离心→全部是重带。
②细胞分裂一次(即细菌繁殖一代)取出：提取DNA→离心→全部是中带。
③细胞再分裂一次(即细菌繁殖两代)取出：提取DNA→离心→1/2位于中带、1/2位于轻带。
(6)实验结论：DNA复制是以半保留的方式进行的。
六、DNA复制的过程
1．DNA复制的概念：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．结果：一个DNA分子形成了两个完全相同的DNA分子。
4．特点
(1)边解旋边复制。
(2)半保留复制。
5．准确复制的原因
(1)DNA独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板。
(2)通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。
6．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。
七、DNA片段中的遗传信息
1．遗传信息：遗传信息是指基因中的脱氧核苷酸的排列顺序。不同基因的脱氧核苷酸的排列顺序不同，含有的遗传信息不同。
2．DNA分子的多样性和特异性
(1)多样性：DNA分子中共有4种类型的碱基，但是碱基对的数目却可以成千上万，形成的碱基对的排列顺序也可以千变万化，若某个DNA分子具有n个碱基对，则DNA分子可有4n种组合方式，从而构成了DNA分子的多样性。
(2)特异性：每个特定的DNA分子都有特定的碱基排列顺序，构成了DNA分子的特异性。
3．生物体多样性和特异性与DNA的关系：DNA的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。
4．基因的本质：基因通常是有遗传效应的DNA片段。

【考点剖析】
考点一　肺炎链球菌的转化实验
1．肺炎链球菌的转化实验中，发现无致病性R型活细菌和被加热致死的有致病性S型细菌混合后，在小鼠体内找到了下列哪些类型的细菌(　　)
①有致病性R型细菌　②无致病性R型细菌　③有致病性S型细菌　④无致病性S型细菌
A．①② B．③④　C．②③ D．②④
答案　C
解析　S型细菌中存在某种转化因子，能将部分R型细菌转化为S型细菌，因此，无致病性R型活细菌和被加热致死的有致病性S型细菌混合后，在小鼠体内能找到无致病性R型细菌和有致病性S型细菌。
2．下列有关肺炎链球菌转化实验的叙述，正确的是(　　)
A．格里菲思认为已经加热致死的S型细菌中含有转化因子
B．体内转化实验表明S型细菌的DNA可以使小鼠死亡
C．艾弗里的实验不能证明蛋白质不是遗传物质
D．艾弗里的实验运用了“加法原理”
答案　A
解析　格里菲思通过4组实验对照得出已经加热致死的S型细菌中含有转化因子，A正确；使小鼠死亡的是S型活细菌，而不是其DNA，B错误；艾弗里的实验可以证明蛋白质不是遗传物质，C错误；艾弗里实验运用了“减法原理”，D错误。
考点二　噬菌体侵染细菌的实验
3．1952年，赫尔希和蔡斯用35S和32P分别标记T2噬菌体时，正确的做法是(　　)
A．分别用含35S和32P的人工培养基培养T2噬菌体
B．分别用含35S和32P的培养基培养细菌，再分别用上述细菌培养T2噬菌体
C．分别将35S和32P注入鸡胚，再用T2噬菌体感染鸡胚
D．分别用含35S和32P的动物血清培养T2噬菌体
答案　B
4．赫尔希与蔡斯用32P标记T2噬菌体与无标记的细菌培养液混合，一段时间后经过搅拌、离心得到了上清液和沉淀物。与此有关的叙述不正确的是(　　)
A．32P主要集中在沉淀物中，但上清液中也不排除有少量放射性
B．若离心前混合时间过长，会导致上清液中放射性降低
C．本实验的目的是单独研究DNA在遗传中的作用
D．本实验说明了DNA在亲子代之间传递具有连续性
答案　B
解析　若离心前混合时间过长，会使大肠杆菌裂解，子代噬菌体被释放出来导致上清液中放射性增强。
考点三　生物的遗传物质
5．下列关于生物遗传物质的叙述，正确的是(　　)
A．所有生物的遗传物质都是DNA
B．DNA和RNA在细胞中均存在，其中DNA是主要的遗传物质，RNA是次要的遗传物质
C．真核生物、原核生物、大部分病毒的遗传物质是DNA，少数病毒的遗传物质是RNA
D．真核生物、原核生物的遗传物质是DNA，其他生物的遗传物质是RNA
答案　C
解析　绝大多数生物的遗传物质是DNA，A错误；含有细胞结构的生物的遗传物质是DNA，B错误；真核生物、原核生物、大部分病毒的遗传物质是DNA，少数病毒的遗传物质是RNA，C正确，D错误。
6．请利用所给的含有大肠杆菌生长所需各种营养成分的培养基(分别含32P标记的核苷酸和35S标记的氨基酸)、大肠杆菌菌液、T2噬菌体进行实验，证明DNA是遗传物质。
(1)实验过程：
步骤一：分别取等量含32P标记的核苷酸和含35S标记的氨基酸的培养基装入两个相同培养皿中，依次编号为甲、乙；
步骤二：在两个培养皿中接种______________________，在适宜条件下培养一段时间；
步骤三：在甲、乙两个培养皿中放入__________，培养一段时间，分别获得被________标记和被________标记的噬菌体；
步骤四：用上述噬菌体分别侵染___________的大肠杆菌，经短时间保温后，用搅拌器搅拌、放入离心管内离心。
步骤五：检测放射性同位素存在的主要位置。
(2)预测实验结果：

①在甲培养皿中获得的噬菌体侵染的大肠杆菌，经搅拌、离心后结果如________图。
②在乙培养皿中获得的噬菌体侵染的大肠杆菌，经搅拌、离心后结果如________图。
答案　(1)等量的大肠杆菌菌液　T2噬菌体　32P　35S　未被标记　(2)①B　②A
解析　T2噬菌体营寄生生活，必须寄生于大肠杆菌体内才能增殖，所以若要标记噬菌体，需要先用含32P或35S的培养基培养大肠杆菌，然后用上述大肠杆菌培养噬菌体。噬菌体侵染大肠杆菌时，只有DNA进入大肠杆菌体内，蛋白质外壳附着在大肠杆菌外面，所以离心时，含有32P的DNA进入大肠杆菌内出现在沉淀物中，而附着的蛋白质外壳会脱离菌体，出现在上清液中。故甲培养皿中获得的噬菌体侵染的大肠杆菌，经搅拌、离心后结果如B图，同理，乙培养皿中获得的噬菌体侵染的大肠杆菌，经搅拌、离心后结果如A图。
考点四　DNA双螺旋结构模型的构建及制作
7．下列关于沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型的叙述，错误的是(　　)
A．沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型是建立在DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链的基础上，这4种脱氧核苷酸分别含有A、T、G、C 4种碱基
B．威尔金斯和富兰克林通过对DNA衍射图谱的有关数据进行分析，得出DNA呈双螺旋结构
C．沃森和克里克曾尝试搭建了多种模型，但都不科学
D．沃森和克里克最后受“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”的启发，构建出科学的模型
答案　B
解析　沃森和克里克以DNA衍射图谱及有关数据为基础，推算出DNA呈螺旋结构，B错误。
8．在制作DNA双螺旋结构模型时，会发现制成的DNA分子的平面结构像一架“梯子”，那么组成这架“梯子”的“扶手”、“扶手”间的“阶梯”、连接“阶梯”的键依次是(　　)
①磷酸和脱氧核糖　②氢键　③碱基对　④肽键
A．①②③ B．①③②　C．③①② D．①③④
答案　B
考点五　DNA的结构
9．DNA由反向平行的两条脱氧核苷酸长链组成。如果DNA的一条链上某碱基序列是5′－AGCTGCG－3′，则另一条链与之配对的部分是(　　)
A．5′－CGCAGCT－3′ B．5′－TCGACGC－3′
C．5′－AGCTGCG－3′ D．5′－GCGTCGA－3′
答案　A
10．下列有关DNA结构的叙述，错误的是(　　)
A．DNA的基本骨架排列在外侧
B．DNA具有独特的双螺旋结构
C．DNA中，A与U配对，C与G配对
D．遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序中
答案　C
解析　DNA中，A与T配对，C与G配对，C错误。
11．如图是DNA的局部结构示意图，请据图回答：

(1)图中有_____种碱基，有____个完整的脱氧核苷酸单位，有____个游离的磷酸基团。
(2)从主链看，DNA的两条单链方向________________；从碱基关系看，两条单链上的碱基________(填“相同”或“互补”)。
(3)图中的1、2是________，3是______________，4、5是____________，若该DNA片段中的这些结构可任意替换，则可形成________种不同的DNA片段。
答案　(1)2　4　2　(2)反向平行　互补　(3)磷酸基团　脱氧核糖　含氮碱基　4
考点六　DNA半保留复制的实验证据
12．某亲本DNA分子双链均以白色表示，以灰色表示第一次复制出的DNA子链，以黑色表示第二次复制出的DNA子链，该亲本双链DNA分子连续复制两次后的产物是(　　)

答案　D
解析　因为DNA的复制为半保留复制，因此亲本DNA的两条链将进入不同的子代DNA分子中，故A、B项错误；第二次复制时得到的4个DNA分子中，都有一条DNA子链是在第二次复制时形成的，而C项中只有两个DNA分子中含第二次复制出的子链(黑色表示)，故C项错误、D项正确。
13．下列有关“证明DNA半保留复制的实验”的叙述，正确的是(　　)
A．培养过程中，大肠杆菌将利用NH4Cl中的N合成DNA的基本骨架
B．通过对第二代大肠杆菌DNA的离心，得出DNA复制的特点为半保留复制
C．将含14N/14N—DNA的大肠杆菌转移到以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养若干代，所获得的大肠杆菌的DNA中都含有15N
D．将含15N/15N—DNA的大肠杆菌转移到以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中繁殖一代后，若将提取的子代大肠杆菌DNA解旋处理后进行离心，离心管中将只出现1个条带
答案　C
解析　培养过程中，大肠杆菌将利用NH4Cl中的N合成含氮碱基，进而形成DNA两条链之间的碱基对，A错误；通过对亲代、第一代、第二代大肠杆菌DNA的离心和对比分析才可得出DNA复制的特点为半保留复制，B错误；将含15N/15N—DNA的大肠杆菌转移到以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中繁殖一代后，若将提取的子代大肠杆菌DNA解旋处理后进行离心，离心管中将出现轻、重两条带，D错误。
考点七　DNA复制的过程
14．体外进行DNA复制的实验，向试管中加入有关的酶、四种脱氧核苷酸和ATP，37 ℃下保温。下列叙述中正确的是(　　)
A．能生成DNA，DNA的碱基比例与四种脱氧核苷酸的比例一致
B．不能生成DNA，因为缺少DNA模板
C．能生成DNA，DNA的碱基比例不确定，且与酶的来源有一定的关联
D．不能生成DNA，因为实验中缺少酶催化的适宜的体内条件
答案　B
解析　DNA复制的四个基本条件是模板、酶、能量、原料。没有加入模板DNA，所以无DNA生成。
15．下图为某真核细胞中DNA复制过程的模式图，下列叙述正确的是(　　)

A．DNA分子在酶①的作用下水解成脱氧核苷酸，酶②催化碱基对之间的连接
B．在复制过程中解旋和复制是同时进行的
C．解旋后以一条母链为模板合成两条新的子链
D．两条新的子链通过氢键形成一个新的DNA分子
答案　B
16．真核细胞中DNA复制如图所示，下列表述错误的是(　　)

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和精确的模板
答案　C
解析　DNA复制过程中氢键的破坏需要解旋酶的催化，氢键的形成不需要酶的催化。
17．如图为某细胞内DNA分子复制简图，请据图回答：

(1)该过程发生的时间为细胞分裂前的_______期，需要_______酶和_______酶的作用。
(2)DNA分子复制时，在有关酶的作用下，以解开的每一条母链为模板，以细胞中游离的__________为原料，按照____________原则，各自合成与母链互补的一条子链。
(3)若亲代DNA分子中A＋T占60%，则子代DNA分子中C＋G占________%。
(4)若将长期培养在14N环境中的细胞移入只含15N的环境中培养，使细胞连续分裂n次，则最终获得的子代DNA分子中，含14N的占________，含15N的占________，这说明DNA分子的复制特点是____________________________________________________________。
答案　(1)间　解旋(或DNA聚合)　DNA聚合(或解旋)　(2)脱氧核苷酸　碱基互补配对　(3)40　(4)2/2n　100%　半保留复制
解析　(3)亲代DNA分子中A＋T占60%，则G＋C占40%，由于DNA复制遵循碱基互补配对原则，所以子代DNA分子中C＋G也占40%。(4)DNA复制为半保留复制，细胞分裂n次共形成2n个子代DNA分子，其中2个DNA分子含14N，2n个DNA分子含15N。
考点八　说明基因与DNA关系的实例
18．大肠杆菌细胞的拟核有1个DNA分子，长度约为4.7×106 bp(碱基对)，在该DNA分子上分布有大约4 400个基因，每个基因的平均长度约为1 000 bp。根据题中信息，不能得出的结论是(　　)
A．基因位于DNA分子上
B．1个DNA分子上有多个基因
C．DNA分子上有非基因片段
D．DNA分子的碱基对总数与所含有的基因的碱基对总数相等
答案　D
解析　该DNA分子上分布有大约4 400个基因，每个基因的平均长度约为1 000 bp，则所有基因含有的碱基对总数约为4.4×106个，小于DNA分子含有的碱基对总数，这同时也说明DNA分子上有非基因片段，故选D。
19．人类14号染色体信息已被破译，总计含87 410 661个碱基对，这一结果发表在英国科学周刊《自然》杂志上。研究报告称，14号染色体含有1 050个基因。则平均每个基因含有的碱基数为(　　)
A．83 248 B．166 496
C．1 050 D．不能确定
答案　D
解析　一个DNA分子中含有多个基因。基因之间的DNA片段属于间隔区段，这些间隔区段因为没有遗传效应而不属于基因。人类14号染色体上的87 410 661个碱基对是该染色体DNA分子上的碱基对总数，但据此无法确定1 050个基因上的碱基对数，故不能确定每个基因含有的碱基数。
考点九　DNA片段中的遗传信息
20．下列关于遗传信息的说法中，不正确的是(　　)
A．基因中脱氧核苷酸的排列顺序就代表遗传信息
B．遗传信息的传递主要是通过染色体上的基因传递的
C．生物体内的遗传信息主要储存在DNA分子上
D．遗传信息即生物体所表现出来的遗传性状
答案　D
解析　遗传信息是指基因中脱氧核苷酸的排列顺序，不是指生物体所表现出来的遗传性状。
21．由60个脱氧核苷酸组成的DNA分子片段，可因其脱氧核苷酸的排列顺序不同携带不同的遗传信息，其种类最多可达(　　)
A．430 B．460 C．604 D．304
答案　A
解析　含有60个脱氧核苷酸的DNA分子片段，只有30对脱氧核苷酸，所以脱氧核苷酸的排列方式有430种，即最多可以编码430种不同的遗传信息，故选A。
22．如图表示细胞内与基因有关的物质或结构，请仔细阅读并回答问题：

(1)细胞内的遗传物质是[　　]________，基因和g的关系是_______________________。
(2)e和g的关系是__________________，g被彻底水解后的产物可用字母________表示。
(3)遗传物质的主要载体是[　　]________，基因和i的关系是______________________。
(4)g的成分与RNA的成分相比，主要差异在于__________________________________。
(5)g的空间结构一般表现为______________________，若其中(C＋G)/(T＋A)＝1/2，则A占总碱基数的比例为________，其单链中(C＋G)/(T＋A)为________。
答案　(1)g　DNA　基因通常是有遗传效应的g(DNA)片段　(2)e是组成g的基本单位　b、c、d　(3)i　染色体　基因在染色体上呈线性排列　(4)碱基和五碳糖的种类不同(g的五碳糖为脱氧核糖，RNA的五碳糖为核糖；g的含氮碱基中特有T，而RNA的含氮碱基中特有U)　(5)双螺旋结构　1/3　1/2
解析　根据题图信息可以推知：g是DNA，h是蛋白质，i是染色体，e是脱氧核苷酸，b、c、d是构成脱氧核苷酸的磷酸、脱氧核糖和含氮碱基，a是组成元素C、H、O、N、P。DNA具有双螺旋的空间结构。因为DNA双链中，A＝T、G＝C，则A占总碱基数的比例为A/(A＋T＋C＋G)＝A/(2A＋2G)，由(C＋G)/(T＋A)＝1/2得出A＝2G，所以，A占总碱基数的比例为A/(3A)＝1/3；根据(C＋G)/(T＋A)的比值特点可知，DNA单链中(C＋G)/(T＋A)的值与双链中(C＋G)/(T＋A)的值相同。
23．用32P标记玉米细胞(正常体细胞含20条染色体)的DNA分子双链，再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养，让其分裂n次，若一个细胞中的染色体总数和被32P标记的染色体数分别是40和2，则该细胞至少是处于第几次分裂的分裂期(　　)
A．第一次 B．第二次
C．第三次 D．第四次
答案　C
解析　根据题意分析可知：玉米细胞含20条染色体，第一次有丝分裂后期，被32P标记的染色体条数为40条；第二次有丝分裂中期的细胞中有20条染色体，有40条染色单体，而其中的一半，即20条具有32P标记。当细胞处于第二次有丝分裂后期时，染色单体分开，具有32P标记的染色体也随机进入2个细胞，而子细胞分到具有32P标记的染色体的数目为0～20条。而第三次分裂是以第二次分裂后的子细胞为前提，因此第三次有丝分裂的分裂期，被32P标记的染色体在0到20条之间。
24．将含有一对同源染色体、其DNA分子都已用32P标记的1个精原细胞，在只供给含31P的原料中先进行一次有丝分裂，产生的两个子细胞再各自进行减数分裂。则最终所产生的八个精子中，被32P标记的精子可能有(　　)
A．2或4个 B．2、4或6个
C．4、6或8个 D．4个
答案　D
解析　由题干可知：1个精原细胞中2个DNA分子都用32P标记，在供给含31P的原料中先进行一次有丝分裂，产生两个子细胞，这两子细胞含有的两个DNA分子都是一条链含有32P，一条链含有31P；两个子细胞再在31P的环境中各自进行减数分裂，在减数分裂前的间期，DNA进行复制，每个细胞中的两个DNA分子经过复制形成四个DNA分子，这四个DNA分子中，有两个DNA是一条链含有32P，一条链含有31P，还有两个DNA只含31P。减数分裂结束后，这四个DNA分子平均分配给四个精子，每一个精子只含一个DNA分子，因此每个细胞减数分裂形成四个精子，其中有两个精子既含32P，也含31P，还有两个精子只含31P，即被32P标记的精子有4个。