2025届高三一轮复习生物： DNA 的结构、复制及基因的本质课件

前情提要 格里菲斯和艾弗里、赫尔希和蔡斯证明了DNA是遗传物质 DNA的结构是怎样的？ 孟德尔发现了遗传因子（基因） 摩尔根证明了基因位于染色体上 DNA是如何储存遗传信息的？ 1 2 3 4 5 1. DNA的基本组成元素有哪些: C、 H、 O、 N、P 2. DNA的基本组成单位是: 脱氧核苷酸 DNA（脱氧核糖核酸）分子的化学组成 复习回顾 DNA的水解: (1)初步水解产物:四种脱氧核糖核苷酸。 (2)彻底水解产物:一种磷酸、一种脱氧核糖 四种含氮碱基。 豌豆细胞内的核酸初步水解的产物有_____种，彻底水解的产物有____种， 豌豆细胞内的遗传物质初步水解的产物有_____种，彻底水解的产物有____种 脱氧核苷酸如何连接成为DNA ？ 脱氧 核糖 P 脱氧 核糖 P 脱氧 核糖 P 脱氧 核糖 P 脱氧核苷酸链 磷酸二酯键 G T C A DNA有几条链组成？ 是什么样的空间结构？ 第2节 DNA的结构 问题探讨 坐落于北京中关村高科技园区的DNA雕塑,以它简洁而独特的双螺旋造型吸引着过往行人。你知道为什么将它作为高科技的标志吗? DNA分子的双螺旋结构的发现，标志着生物学的研究进入分子水平，具有里程碑式的意义。 DNA双螺旋结构的发现是20世纪最为重大的科学发现之一，和相对论、量子力学一起被誉为20世纪最重要三大科学发现。 沃森和克里克搭建 DNA双螺旋结构模式图 晚年沃森和克里克在双螺旋结构 模型前的最后一次合影 沃森和克里克在构建DNA模型过程中，借助了他人的哪些经验和成果？ DNA双螺旋结构模型的构建 6 1951年11月 应用X射线衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱。 科学家：威尔金斯（M.Wilkins）和富兰克林（R.E.Franklin） 富兰克林拍摄的DNA衍射图谱 富兰克林发现，将DNA晶体翻转180度获得的X射线衍射图仍然是一样的。 沃森与克里克认为：DNA两条链是反向排列的。 DNA双螺旋结构模型的构建 沃森和克里克推算出DNA呈螺旋结构，尝试建构模型：双螺旋、三螺旋→失败 7 沃森和克里克尝试了碱基位于螺旋外部，磷酸位于内部的双螺旋结构，你觉得合理吗？为什么？ 推测：碱基在DNA螺旋结构的内侧，磷酸在外侧 DNA双螺旋结构模型的构建 磷酸基团是亲水的，碱基疏水 8 沃森和克里克尝试了碱基位于螺旋内部，磷酸位于外部的双螺旋结构。 DNA双螺旋结构模型的构建 4种碱基如何配对组合呢？ 沃森和克里克首先设计让两个相同的碱基组合在一起 9 A T C G T T G C T A DNA双螺旋结构模型的构建 10 A T C G T T G C T A DNA双螺旋结构模型的构建 A T C G T T G C T A 11 来源 碱基的相对含量 腺嘌呤A 鸟嘌呤G 胞嘧啶C 胸腺嘧啶T 人 30.9 19.9 19.8 29.4 牛 27.9 22.7 22.1 27.3 酵母菌 31.3 18.7 17.1 32.9 大肠杆菌 15.1 34.9 35.4 14.6 查哥夫 1952年，奥地利生物化学家查哥夫（E.Chargaff）发现：在DNA中，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。 基于威尔金斯和富兰克林的DNA衍射图谱和查哥夫定律，1953年，沃森、克里克成功地构建DNA双螺旋结构模型。标志着分子生物学时代的诞生。 诺贝尔医学生理学奖 1962年，沃森、克里克和英国物理学家威尔金斯因发现生命的双螺旋而荣获1962年诺贝尔医学生理学奖。 DNA双螺旋结构模型的构建 沃森和克里克默契配合，揭示了DNA的双螺旋结构，是科学家合作研究的典范，在科学界传为佳话。他们的这种工作方式给予你那些启示？ ③研究小组成员在知识背景上最好是互补的，对所从事的研究要有兴趣和激情等。 ①要善于利用他人的研究成果和经验； ②要善于与他人交流、合作，闪光的思想是在交流与碰撞中获得的； 两条单链 反向平行 双螺旋结构 链数： 方向： 空间结构： 3′ 5′ 3′ 5′ 脱氧核糖和磷酸交替连接，构成基本骨架 碱基排列在内侧 碱基互补配对形成氢键 G C A T 核苷酸之间连接的化学键 3',5'-磷酸二酯键 DNA的结构 15 两条链反向平行盘旋成规则的双螺旋结构。 脱氧核糖和磷酸交替连接成基本骨架； 内侧：两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对， 遵循碱基互补配对原则。 3.特异性： 每个DNA分子中碱基对的特定排列顺序，构成了DNA分子的特异性。 1.稳定性： DNA分子的特性 碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性。 2.多样性： P59 与其空间结构无关 16 碱基排列顺序的千变万化 DNA分子的多样性 碱基特定的排列顺序 每个DNA分子的特异性 生物体的多样性 生物体的特异性 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。 DNA片段中的遗传信息 P52科学.技术.社会：DNA指纹技术 一条脱氧核苷酸链中相邻脱氧核苷酸通过磷酸二酯键相连 DNA分子的一条单链中，相邻碱基通过氢键相连。 [判断] ①双链DNA分子中，两互补碱基相等；任意两个不互补碱基之和恒等，各占碱基总数的50%，且不互补碱基之和的比值等于1。 ( A+G)/(T+C)=(A+C)/(T+G)=(T+C)/(A+G)=(T+G)/(A+C)=1 A1 T2 T1 A2 G1 C2 C1 G2 DNA双链 ∵A=T， C=G ∴ A+G=T+C =A+C=T+G= 50% DNA分子中各种碱基的数量关系 有关DNA中的相关计算 若在一个生物体内嘌呤≠嘧啶是什么原因？ 则必然有单链结构存在； A1 T2 T1 A2 G1 C2 C1 G2 DNA双链 ②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。 互补碱基之和占链比相等 A+T A+T+G+C = A2 +T2 +G2 +C2 A2 +T2 = A1 +T1 +G1 +C1 A1 +T1 = m% m% m% 设 ③双链DNA分子中，一条链中两不互补碱基之和的比值等于另一互补链中这一 比值的倒数。 1 n A2+G2 T2+C2 = T1+C1 = n A1+G1 设 不互补碱基之和的比值互为倒数 [典例]某DNA双链中，一条链中 ，则互补链中的比值是 一条链中 ，则互补链中的比值是 = A+T C+G 0.4 = A+C T+G 0.4 0.4 2.5 [典例]某DNA中A+T占整个DNA碱基总数的44%，其中一条链上的G占该链碱基总数的21%，那么，对应的另一条互补链上的G占该链碱基总数的比例是（ ） A.35% B.29% C.28% D.21% . [典例]在含有4种碱基的DNA区段中，腺嘌呤有a个，占该区段全部碱基的比例为b，则 A.b≦0.5 B.b≧0.5 C.胞嘧啶为a(1/2b-1)个 D.胞嘧啶为b(1/2a-1)个 [典例]在一个双链DNA分子中A占n%，则A在其中一条单链中的数值能确定吗？ 能确定范围，0%≤A1≤2n%； 23 [提升]下列有关DNA分子的一条单链与其所在DNA分子中、一条单链与其互补链中碱基数目比值的关系图，不正确的是(　　) 第3节 DNA的复制 沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道：“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制。” in the following communications. We were not aware of the details of the results presented there when we devised our structure, which rests mainly though not entirely on published experimental data and stereo-chemical arguments. It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the gengtic material. Full details of the structure, including the con-ditions assumed in building it , together with a set of co-ordinates for the atoms, will be published elsewhere. 《核酸的分子结构》论文节选 碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？ 这句话中为什么要用“可能”二字？这反映科学研究具有什么特点？ 问题探讨 碱基互补配对原则是指DNA两条链的碱基之间有准确的一一对应关系，暗示DNA的复制可能需要先解开DNA双螺旋的两条链，然后通过碱基互补配对合成互补链。 科学研究需要大胆的想象，但得出结论必须建立在确凿的证据之上。 半保留复制 全保留复制 分散复制 这些观点各有不同，如何来证明那个观点是正确的？ 对DNA复制的推测 提出问题 要通过实验“探究DNA复制是哪种方式？”关键思路是什么？ 关键思路：通过实验区分亲代和子代的DNA。 DNA以什么方式复制？ 作出假设 DNA以半保留方式复制（全保留、分散） DNA半保留复制的实验证据 同位素标记技术 资料：15N和14N是N元素的两种稳定的同位素，这两种同位素的相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大； DNA半保留复制的实验证据 如何区分亲代和子代的DNA？ 科学家：梅塞尔森（M.Meselson）和斯塔尔（F.Stahl） 29 密度梯度离心 利用离心技术可以在试管中区分含有不同质量N元素的DNA。 DNA半保留复制的实验证据 如何进行实验单独观察不同的DNA呢？ 30 15NH4Cl 14N/ 14N-DNA 繁殖若干代 15N/ 15N-DNA 目的？ 15N/ 15N-DNA 14NH4Cl 再分裂一次 分裂一次 提取DNA离心 提取DNA离心 DNA复制一次 DNA再复制一次 得到的大肠杆菌DNA几乎都是15N标记 大肠杆菌 31 15N/ 15N-DNA 15N/ 15N-DNA 14N/ 14N-DNA 15N/ 15N 14N/ 14N 14N/ 14N 14N/ 14N 亲代 子一代 演绎推理 全保留复制 全部位于 重带 1/2位于轻带 1/2位于重带 3/4位于轻带 1/4位于重带 离心 离心 离心 DNA 复制一次 据此推测，子三代的结果是？ 子二代 DNA 复制一次 子三代 DNA 复制一次 15N/ 15N 14N/ 14N 15N/ 15N 14N/ 14N 15N/ 15N 32 15N/ 15N-DNA 15N/ 14N-DNA 14N/ 15N-DNA 15N/ 14N 14N/ 15N 14N/ 14N 14N/ 14N 亲代 子一代 演绎推理 半保留复制 全部位于 重带 全部位于 中带 1/2位于轻带 1/2位于中带 离心 离心 离心 DNA 复制一次 据此推测，子三代的结果是？ 子二代 DNA 复制一次 子三代 DNA 复制一次 思考：分散复制的离心结果是？ 15N/ 15N 14N/ 15N 14N/ 14N 14N/ 15N 33 结论： DNA的复制是 半保留复制 排除DNA的复制是全保留复制 排除DNA的复制是分散复制 细胞再分裂一次 转移到含14NH4Cl 的培养液中 分裂一次 提出DNA离心 提出DNA离心 提出DNA离心 实验验证 亲代 子一代 DNA 复制一次 子二代 DNA 复制一次 15N/ 15N-DNA 15N/ 14N 14N/ 15N 14N/ 14N 14N/ 14N 15N/ 14N 14N/ 15N 得出结论 发现问题 提出假说 演绎推理 实验验证 科学研究的方法——假说演绎法 半保留复制、全保留复制或分散复制 推理、探究几种复制模式下得到子代DNA的可能情况，预测可能实验结果 结论：DNA复制是半保留复制 DNA是如何复制的? 证明DNA半保留复制的实验 35 [典例]细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，使细菌的DNA皆含有15N，然后再移入含14N的培养基中培养，提取其子代的DNA进行梯度离心，下图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是(　　) A.第一次分裂的子代DNA应为② B.第二次分裂的子代DNA应为① C.第三次分裂的子代DNA应为③ D.亲代的DNA应为④ DNA复制的过程 37 概念 以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程 时间 真核细胞：细胞核（主要）、线粒体和叶绿体； 原核细胞：拟核区（主要），质粒（环状DNA）； 病毒：宿主细胞中（如：噬菌体侵染大肠杆菌） 细胞分裂前的间期 场所 DNA复制的过程 有丝分裂前的间期 减数分裂前的间期 过程 39 DNA复制的过程 解旋——在能量驱动下，解旋酶将DNA双螺旋解开 合成子链——DNA聚合酶以解开的每一条母链为模板，以游离的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 复旋——随着解旋进行，子链不断延伸，每条新子链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构 过程 解旋酶 5’ 3’ DNA聚合酶 3’ 5’ 5’ 3’ 5’ 3’ 子链皆由5’向3’端进行延伸 解旋酶 使氢键断开 连接脱氧核苷酸单体 形成磷酸二酯键 断开氢键的方式： 解旋酶 加热等 DNA 聚合酶 DNA 聚合酶 过程 42 边解旋边复制 (从过程上看) 半保留复制 (从结果上看) ①模板： ②原料： ③能量 ④ 酶： 亲代DNA的两条链 4种游离的脱氧核苷酸 解旋酶、DNA聚合酶等 ATP 形成两个完全相同的DNA分子 条件 特点 结果 DNA复制的过程 方向 从子链的5' 端向 3' 端延伸 (1)DNA分子独特的双螺旋结构提供了精确的模板。 (2)通过碱基互补配对保证了复制的准确进行。 意义 准确复制的原因 将遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。 DNA复制的过程 44 真核生物 DNA 的复制从多个起点开始进行，使得复制能在较短时间内完成。 原核生物 DNA 的复制只有一个复制起点。 真核生物与原核生物DNA复制的区别 亲代DNA分子经n次复制后，则 ①子代DNA分子数： ②含亲代母链的DNA分子数： ④不含亲代母链的DNA分子数： 2n个 2个 2n-2个 ⑤含亲代母链的DNA分子数与子代DNA分子数之比为： 2/ 2n ③只含亲代母链的DNA分子数： 0个 DNA复制中的有关计算 ①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数： ②亲代脱氧核苷酸链数： ③新合成的脱氧核苷酸链数： 2n+1条 2条 2n+1-2条 DNA复制中的有关计算 亲代DNA分子经n次复制后，则 m（ 2n-1） （1）则经过n次复制共需要消耗 该脱氧核苷酸个数为： （2）第n次复制需要消耗该脱氧 核苷酸个数为： m（ 2n-2n-1）= m × 2n-1 DNA复制中的有关计算 亲代DNA分子经n次 若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，则 [典例]将某精原细胞(2n=8)的DNA分子用32P标记后置于不含标记物的培养基中培养，经过一次细胞分裂后，检测分裂过程和分裂后细胞的情况，子细胞中被32P标记的染色体条数是______________。 [典例]将某精原细胞(2n=8)的DNA分子用32P标记后置于不含标记物的培养基中培养，经过两次细胞分裂后，检测分裂过程和分裂后细胞的情况，子细胞中被32P标记的染色体条数是______________。 2n或n 0~2n或n 总结：与DNA相关的酶 DNA聚合酶；将单个脱氧核苷酸连接到DNA片段上 DNA连接酶；将两条DNA片段相连接 都是形成磷酸二酯键 DNA酶 将DNA水解成脱氧核苷酸 DNA解旋酶 将DNA的双螺旋结构打开 破坏磷酸二酯键 破坏氢键 限制性核酸内切酶：识别特定核苷酸序列，在特定的切点切DNA 基因位于染色体上 DNA是主要的遗传物质 基因=DNA？ 果蝇X染色体上的一些基因 第4节 基因通常是具有遗传效应的DNA片段 思考·讨论 资料1：大肠杆菌细胞的拟核有1个DNA分子， 长度约为4.7×106个碱基对；上面有4.4×103个基因，每个基因的平均长度约为1×103个碱基对。 正在分裂的大肠杆菌， 细胞内的DNA被染成红色 说明基因是DNA的片段 说明一个DNA分子上含有多个基因； 基因的碱基对总数＜DNA分子的碱基对总数。 基因A 基因B 基因C 含有3个基因的DNA片段的模式图 非基因片段 非基因片段 非基因片段 54 思考·讨论 基因是DNA片段。 一个DNA分子上有很多个基因片段，也有很多个非基因片段。 基因是一段DNA，但是一段DNA不一定是基因。 资料3：人类基因组计划测定的是24条染色体（22条常染色体+X+Y）上的DNA的碱基序列。其中，每条染色体上有一个DNA分子。这24个DNA分子大约有31.6亿个碱基对，其中，构成基因的碱基数占碱基总数的比例不超过2%。 55 思考·讨论 资料2：生长在太平洋西北部的一种水母能发出绿色荧光(图B)，这是因为水母的DNA上有一段长度为5.17×103个碱基对的片段——绿色荧光蛋白基因。 基因是特定的DNA片段，可以控制某种性状。 发绿色荧光的水母 绿色荧光蛋白基因 绿色荧光蛋白 控制合成 绿色荧光 发出 56 思考·讨论 资料2：生长在太平洋西北部的一种水母能发出绿色荧光(图B)，这是因为水母的DNA上有一段长度为5.17×103个碱基对的片段——绿色荧光蛋白基因。转基因实验表明，转入了水母绿色荧光蛋白基因的转基因鼠，在紫外线的照射下，也能像水母一样发光。 基因有遗传效应，可以独立起作用。 基因是可以切除，拼接到其他生物的DNA上，在其他生物体中表现出该性状。 57 思考·讨论 实例1 实例3 大肠杆菌DNA 人的DNA 实例2 转基因实验 基因是一个DNA片段 基因可以控制某种性状 基因具有遗传效应 基因是具有遗传效应的DNA片段 注：有些病毒的遗传物质是RNA，其基因就是有遗传效应的RNA片段。 58 (必修2 P58“相关信息”) 量子物理学奠基人薛定谔认为遗传物质是一种信息分子，提出遗传是遗传信息的复制、传递与表达的过程。 高中课本提到的信息分子的三个层次 细胞内：遗传物质 细胞间：神经递质、激素、细胞因子 生态系统中：物理信息、化学信息、行为信息 编码区 非编码区 内含子 外显子 启动子 终止子 非编码区 【基因与一些其他概念的关系】 . 1.科学研究发现，未经人工转基因操作的番薯都含有农杆菌的部分基因，而这些基因的遗传效应促使番薯根部发生膨大产生了可食用的部分，因此番薯被人类选育并种植。下列相关叙述错误的是（ ） A.农杆菌这些特定的基因可以在番薯细胞内复制 B.农杆菌和番薯的基因都是4种碱基对的随机排列 C.农杆菌和番薯的基因都是有遗传效应的DNA片段 D.农杆菌这些特定的基因可能在自然条件下转入了番薯细胞 B 4.1 概念检测 61 . 4.1 概念检测 2.整理总结染色体、DNA和基因三者之间的关系，并以你认为最简明的形式表示出来。 染色体 DNA 基因 并非所有的DNA都在染色体上 62 . 4.2 拓展应用 1.在严查偷猎野生动物的行动中，执法部门发现某餐馆出售的一种烤肉比较可疑，餐馆工作人员说是“山羊肉”，经实验室检验，执法部门确定这种“山羊肉”来自国家二级保护动物斑羚。你认为执法部门最可能采取哪种检测方法?为什么? 最可能采取DNA鉴定的方法。因为每种生物的DNA具有特异性，只有将“山羊”的DNA与斑羚的DNA进行比对，才能确定这种“山羊肉”是否来自国家二级保护动物斑羚。 63 . 4.2 拓展应用 2.我国一些城市在交通路口启用了人脸识别技术，针对行人和非机动车闯红灯等违规行为进行抓拍。这种技术应用的前提是每个人都具有独一无二的面孔。为什么人群中没有一模一样的两个人呢? 请你从生物学的角度评述人脸识别技术的可行性。 人脸识别技术的前提是每个人都有独特的面部特征，而这些都是由基因决定的，这说明了基因的特异性；每个人的基因都有区别，反映了基因的多样性。 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。 64 生物科技进展 单细胞基因组测序 分离单个细胞，在技术上已不是难题，难点是怎样获知一个细胞内的基因组序列。传统的基因测序往往通过提取大量细胞中的DNA来进行。为了获得足够的DNA进行测序，通常需要数以千计甚至百万计的细胞作为样品。然而，一个细胞内的基因组DNA只有两个拷贝，是皮克(pg,Ipg=10-12g)级的痕量水平，远远低于测序对样品浓度的要求。 北京大学的科研人员应用一种单细胞基因组扩增技术，成功地在体外对分离得到的极体进行了基因组扩增，并完成了测序，从而推测出与被测极体同时产生的卵细胞不含致病基因，最终通过试管婴儿技术帮助遗传病患者夫妇获得了健康婴儿。 单细胞基因组测序有着广泛的应用前景。例如，了解癌细胞的基因突变以及在肿瘤发生过程中的变化，分析不同细胞内“定居”着哪些基因等。 65 66 $$