2025届高三一轮复习生物：第28讲 DNA的结构、复制与基因的概念

第18讲 DNA的结构、复制与基因的概念 DNA的结构及相关计算 考点一 考点二 DNA的复制及基因的概念 1.DNA双螺旋结构模型的构建 沃森和克里克 脱氧 核苷酸 T G 2.DNA的结构 C、H、O、N、P 脱氧核苷酸 2.DNA的结构 磷酸 脱氧核糖 碱基 A与T配对 G与C配对 3.DNA的结构特点 (1)______ 性：具n个碱基对的DNA 可能有4n种碱基对排列顺序。 (2)______ 性：每种DNA分子都有其 特定的碱基对 。　　　 (3)______ 性：如两条主链磷酸与 脱氧核糖交替连接的顺序不变，碱基 配对方式不变等。 多样 特异 稳定 排列顺序 并不是碱基配对方式决定的 元素→物质→基本单位→脱氧核苷酸链→平面结构→立体结构 1.DNA双螺旋模型构建者： 。 2.DNA双螺旋结构的构成： 沃森和克里克 ①威尔金斯和富兰克林提供的 DNA 的 X 射线衍射图谱； ②查哥夫的研究成果：腺嘌呤(A) = 胸腺嘧啶(T)，鸟嘌呤(G) = 胞嘧啶(C)这一数量关系等。 在构建 DNA 模型的过程中利用了他人的哪些经验和成果？ CHONP 脱氧 核糖 含氮 碱基 磷酸 四种脱氧核苷酸 A G C T 一条脱氧核苷酸链 A C T DNA双链平面 T C A A G G C T G … … … … … … … … … … 一、 DNA的结构及相关计算 3’ 5’ 3.DNA的结构 一、 DNA的结构及相关计算 (1)DNA分子由___条脱氧核苷酸链组成，这两条链按__________的方式盘旋成双螺旋结构。 (2)外侧：_________________和_____________交替连接，构成基本骨架。 (3)内侧：两条链上的碱基通过氢键连接成__________。 (4)遵循 ：A一定与T配对，G一定与C配对。 两　 反向平行　 脱氧核糖　 磷酸　 碱基对　 碱基互补配对原则 [易错提醒]　G、C碱基对越多，DNA分子中的氢键越多，DNA分子越稳定。 (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： 外侧的脱氧核糖和磷酸交替排列的方式稳定不变，内侧碱基配对方式稳定不变。 4.DNA的结构特性 与DNA空间结构无关。 DNA的结构模型的解读 磷酸二酯键 氢键 解旋酶 限制性内切核酸酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 A G C T T C G A A T 磷酸二酯键 5， 3， 3， 5， 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 端，另一端有一个羟基(—OH)，称作 ，两条单链走向 ，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。 5′ 3′端 相反 5.DNA分子的方向： 6.DNA分子结构的解读 (1)数量关系： ①每个DNA片段中，含2个游离的磷酸基团。 ②脱氧核苷酸、磷酸、脱氧核糖、含氮碱基，四者之间的数量关系为1∶1∶1：1。 (2)水解情况： ①DNA初步水解产物：脱氧核苷酸(4种)； ②DNA彻底水解产物：磷酸、脱氧核糖和含氮碱基(6种)。 (3)化学键： ①氢键：碱基对之间的化学键，可用解旋酶断裂，也可加热断裂，RNA聚合酶断裂。 ②磷酸二酯键：磷酸和脱氧核糖之间的化学键，用限制性内切核酸酶处理可切割，用DNA连接 酶(DNA聚合酶、RNA聚合酶)处理可连接。 DNA的结构及相关计算 一 DNA的分子结构 (3)单链中，互补碱基之和的比值在两条互补链中相等。 设双链DNA分子中,一条链上:  =m,则: =  = m ,即互补链上 =m。 二、DNA中碱基数量的计算规律 (2)双链中，任意两种不互补的碱基数量之和占碱基总数的一半,即嘌呤之和=嘧啶之和=总碱基数×50%, A+G=T+C=A+C=T+G=(A+T+C+G)×50%,  =  =1 (1)双链中，互补的两种碱基数量相等,即A=T,C=G。 DNA的结构及相关计算 A1+T1 G1+C1 A1+T1 G1+C1 A2+T2 G2+C2 A2+T2 G2+C2 (4)单链中，非互补碱基之和的比值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,即互补链上  = 。 二、DNA中碱基数量的计算规律 DNA的结构及相关计算 (5)单链中，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分子的一条链上A1+T1=n%,因为A1=T2,A2=T1,则:A1+T1=A2+T2=n%。所以 A+T= = =n%。简记为“配对的两碱基之和在单、双链中所占比例相等”。 1、双链DNA中，A=T，G=C。 2、单链DNA中，A1=T2，T1=A2，G1=C2，C1=G2。 3、两条单链中碱基的总数相等，且为双链碱基总数的一半。 规律总结 碱基是“对”还是“个” 所占比例是“一条链”还是“双链” 易错点 【例】从某生物组织中提取DNA进行分析，其中鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部 碱基数的46%，又知该DNA分子的一条链（H链）所含的碱基中28%是腺嘌呤， 24%是胞嘧啶，则与H链相对应的另一条链中，腺嘌呤、胞嘧啶分别占该链 全部碱基数的（ ） A.26%、22% B.24%、28% C.14%、11% D.11%、14% 二、DNA中碱基数量的计算规律 DNA的结构及相关计算 【解析】已知： 求： ∵ ∴ 又∵ ∴同理可得： A (1)沃森和克里克用DNA衍射图谱得出碱基配对方式。(2022·广东卷，5D)( ) (2)某同学制作DNA双螺旋结构模型，在制作脱氧核苷酸时，需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基。(2022·浙江6月选考，13A)( ) (3)制作DNA双螺旋结构模型时，鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连。(2022·浙江6月选考，13B)( ) × × × (4)DNA每条链的5′端是羟基末端。(2021·辽宁卷，4C)( ) (5)与RNA分子相比，DNA分子特有的碱基是U。(2017·浙江4月选考，6改编)( ) (6)生物体内DNA分子中(A＋T)/(G＋C)的值越大，双链DNA分子的稳定性越高。(2017·海南卷，24B)( ) × × × 根据下列DNA的两模型思考回答： (1)由图1可知，每个DNA分子片段中，游离磷酸基团含有________个。单链中相邻碱基通过______________________________连接。互补链中相邻碱基通过________连接。 (2)图2是图1的简化形式，其中①是___________，②是________。解旋酶作用于________部位，限制性内切核酸酶和DNA连接酶作用于________部位。 2 —脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖— 氢键 磷酸二酯键 氢键 ② ① D 1.(2024·河北唐山检测)某DNA部分片段结构如图所示，下列叙述正确的是(　　) A.③为磷酸二酯键，③的形成需要RNA聚合酶催化 B.①代表氢键，①的形成与断裂需要ATP提供能量 C.片段中碱基②与五碳糖构成的脱氧核苷与ATP中 的腺苷相同 D.若该DNA一条链中碱基A与T之和占48%，则整个 DNA中碱基C占26% CD 2.(不定项)(2024·山东烟台调研)下列关于DNA分子结构的叙述，正确的是(　　) A.DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的单链结构 B.DNA分子中的每个磷酸均连接着一个脱氧核糖和一个碱基 C.DNA分子两条链之间总是嘌呤与嘧啶形成碱基对 D.DNA两条链的5′­端各具有1个游离的磷酸基团，且一条链的脱氧核苷酸的磷酸与另一个脱氧核苷酸的3′­C连接 1.DNA半保留复制的实验证据 半保留 同位素标记 1.DNA半保留复制的实验证据 全部重带 半保留复制 2.DNA复制 (1)概念、时间、场所 间期 细 胞核 (2)过程 解旋 脱氧核苷酸 DNA聚合酶 碱基互补配对 (3)类型 多个 复制速率 单 (4)结果 一个DNA分子形成了两个__________的DNA分子。 (5)DNA准确复制 完全相同 双螺旋 碱基互补配对 遗传信息 遗传信息 3.染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系 一个或两个 有遗传 效应的DNA片段 许多个基因 脱氧核苷 酸排列顺序 DNA半保留复制的实验证据——假说-演绎法 1.提出问题 DNA以什么方式复制？ 2.作出假设 若要探究复制方式，关键要观察什么结果？ 区分母链和子链(区分亲代和子代DNA) (2)全保留复制 新复制出的分子直接形成，完全没有旧的 复制一次 亲代DNA 子代DNA (1)半保留复制(沃森和克里克提出） 形成的分子一半是新的，一半是旧的 复制一次 亲代DNA 子代DNA DNA的复制及基因的概念 实 验 者： 实验材料： 实验方法 ： 大肠杆菌（繁殖快，20min一代） 同位素标记技术和密度梯度离心技术 实验过程 ： 大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代 美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔 实验原理 ： 15N和14N是N元素的两种稳定同位素，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，因此，利用离心技术可以在试管中分离开含有不同N元素的DNA。 高密度带 中密度带 低密度带 15N 14N 15N 15N 14N 14N DNA半保留复制的实验证据——假说-演绎法 DNA的复制及基因的概念 1.提出问题 2.作出假设 3.演绎推理 （1）半保留复制 P: F1: F2: 15N 15N 14N复制 （2）全保留复制 15N 15N 15N 15N 14N 14N 14N复制 14N复制 14N复制 15N 14N 15N 14N 14N 14N 15N 14N 15N 14N 14N 14N 14N 14N 15N 15N 14N 14N 14N 14N DNA半保留复制的实验证据——假说-演绎法 DNA的复制及基因的概念 15N 14N 14N 14N 15N 14N P: F1: F2: 细胞再 分裂一次 15N 15N 转移到含14NH4Cl的培养液中 细胞分裂一次 提取DNA离心 提取DNA离心 提取DNA离心 排除DNA的复制是全保留复制 排除DNA的复制是全保留复制 1.提出问题 2.作出假设 3.演绎推理 4.实验验证 14N复制 14N复制 5.实验结论 DNA的复制方式是半保留复制 DNA半保留复制的实验证据——假说-演绎法 DNA的复制及基因的概念 高密度带15N15N 中密度带15N14N 中密度带5N14N 低密度带14N14N DNA复制的过程 真核细胞： 以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。 主要在细胞核，其次在线粒体、叶绿体等。 原核细胞： 主要在拟核中，其次在质粒处。 细胞分裂前的间期(有丝分裂前的间期、减数分裂前的间期)。 1.概念： 2.场所: 3.发生时期(真核生物) DNA的复制及基因的概念 4.条件 DNA聚合酶：催化形成磷酸二酯键，将单个脱氧核苷酸连接成长链。 解旋酶：断裂氢键，将DNA双螺旋的两条链解开。 氢键的形成 不需要酶的催化。 5.过程: ATP，解旋酶催化（氢键断裂）DNA双螺旋的两条链解开 以两条母链为模板在DNA聚合酶的催化下，利用游离的脱氧核苷酸进行碱基互补配对，分别合成与母链互补的一条子链。 ①解旋： ②合成子链: ③形成子代DNA： 新合成的子链不断延伸，一条母链和一条子链盘绕成双螺旋结构，形成新的DNA分子。 DNA聚合酶只能催化子链从5/→3/合成，并且需要引物。 DNA复制的过程 DNA的复制及基因的概念 6.复制特点: （1）边解旋边复制 （2）半保留复制 ① 多复制起点 ②双向复制 意义：提高了复制速率， 减少了变异的发生。 DNA复制的过程 DNA的复制及基因的概念 7.精确复制的原因: （1）DNA分子独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板； （2）碱基互补配对原则，保证了复制能够准确地进行。 DNA复制会百分之百准确吗？如果复制出现错误，可能会产生什么影响？ 8.复制的意义: 会出错，可能导致基因突变，也可能引起生物体性状的改变。 将遗传信息从亲代传给子代，从而保持遗传信息的连续性。 DNA复制的相关计算 1.将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养液中连续复制n次，则： ①子代DNA共2n个 含15N的DNA分子： 个 只含15N的DNA分子： 个 含14N的DNA分子： 个 只含14N的DNA分子： 个 ②脱氧核苷酸链共2n＋1条 含15N的脱氧核苷酸链： 条 含14N的脱氧核苷酸链： 条 2 0 2n (2n－2) 2 (2n＋1－2) DNA复制的过程 DNA的复制及基因的概念 2.DNA分子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 。 ②第n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为 。 m·(2n－1) m·2n－1 ①包括所有的复制，②只包括最后一次复制。 “DNA复制了n次”、“第n次复制”；碱基是“对”、“个”;“DNA分子数”、“链数”。“含”、“只含”； 易错点 基因的概念 一 基因与DNA (2)遗传信息 ①DNA病毒、细胞的遗传信息： 分子中 的排列顺序。 ②RNA病毒的遗传信息: 分子中 的排列顺序。 DNA (碱基对)脱氧核苷酸 RNA (碱基)核糖核苷酸 (1)基因通常是有遗传效应的 。 ①DNA病毒、细胞的基因：有遗传效应的 。 ②RNA病毒的基因：有遗传效应的 。 DNA片段 DNA片段 RNA片段 基因2 间区 间区 基因3 基因1 DNA的复制及基因的概念 二 基因、DNA、染色体之间的关系 个或两个 有遗传 多个 脱氧核苷酸排列顺序 一 效应 DNA的复制及基因的概念 DNA片段 基因1 基因2 基因3 放大 终止子 非编码区 非编码区 编码区 编码区上游 编码区下游 启动子 原核基因 终止子 编码区 非编码区 非编码区 内含子 外显子 启动子 编码区上游 编码区下游 真核基因 知识补充 基因的结构 非编码区 非编码区 编码区 编码区上游 编码区下游 启动子 终止子 ①编码区：能转录相应的mRNA，进一步编码出蛋白质的DNA序列。 ②非编码区：不编码蛋白质,含有能调控遗传信息表达的DNA序列(如启动子、终止子）。 原核细胞的基因结构： 原核基因 （连续的） 编码区 非编码区 非编码区 内含子 外显子 启动子 终止子 编码区上游 编码区下游 真核基因 编码区 非编码区： 能转录相应的mRNA，进一步能编码蛋白质的DNA序列 能转录相应的mRNA，然后在翻译前就被剪切掉，不能编码蛋白质的DNA序列 不编码蛋白质，含有能调控遗传信息表达的DNA序列，包括启动子、终止子等。 外显子： 内含子： 真核细胞的基因结构： （不连续） 非编码区 非编码区 编码区 编码区上游 编码区下游 启动子 终止子 编码区 非编码区 非编码区 内含子 外显子 启动子 终止子 编码区上游 编码区下游 原核基因 真核基因 RNA聚合酶识别并结合的位点，驱动转录 启动子 终止子 本质： 位置： 作用： 是一段特殊序列结构的DNA片段； 位于基因上游； 本质： 位置： 作用： 是一段特殊序列结构的DNA片段； 位于基因下游； 终止转录 第28讲 DNA的结构、复制与基因的概念 (1)DNA分子复制时，子链的合成过程不需要引物参与。(2021·辽宁卷，4B)( ) (2)DNA聚合酶的作用是打开DNA双链。(2021·辽宁卷，4D)( ) (3)烟草花叶病毒的RNA可通过复制将遗传密码传递给子代。(2020·浙江1月选考，21B)( ) × × × (4)果蝇体细胞中核DNA分子通过转录将遗传信息传递给子代。(2020·浙江1月选考，21C)( ) (5)洋葱根尖细胞中DNA聚合酶主要在G2期通过转录和翻译合成。(2020·浙江1月选考，21D)( ) × × 如图是人类某染色体DNA的片段，含有基因A、基因b和无遗传效应的片段M。请思考： (1)基因A和b的本质区别是什么？ 提示　不同基因的本质区别在于其脱氧核苷酸序列不同。 (2)决定mRNA上终止密码子的碱基对是否位于M处？若M中插入若干个脱氧核苷酸对是否可引发基因突变？ 提示　M为无遗传效应的非基因片段，故其无转录功能，当然不存在决定mRNA上终止密码子的碱基对，M中即使插入若干脱氧核苷酸对也不会引发基因突变。 (3)A复制时b是否也复制？A转录时，b是否也转录？其转录的模板链一定相同吗？ 提示　DNA分子复制为全程复制，故A复制时b也复制，但基因表达却为“选择性表达”，故A转录时，b未必转录，即使都转录，其模板链也未必相同。 考向1　结合DNA复制的过程分析，考查科学思维 1.(2022·海南卷，11)科学家曾提出DNA复制方式的三种假说：全保留复制、半保留复制和分散复制(图1)。对此假说，科学家以大肠杆菌为实验材料，进行了如下实验(图2)： 图1 图2 D 下列有关叙述正确的是(　　) A.第一代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带，说明DNA复制方式一定是半保留复制 B.第二代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带和1条轻带，说明DNA复制方式一定是全保留复制 C.结合第一代和第二代细菌DNA的离心结果，说明DNA复制方式一定是分散复制 D.若DNA复制方式是半保留复制，继续培养至第三代，细菌DNA离心后试管中会出现1条中带和1条轻带 A 2.(2024·广东惠州调研)如图为某原核细胞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，该DNA分子复制方式为多起点双向复制 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.解旋经过含G—C碱基对较多的区域时，消耗的能量相对较多 CD 考向2　结合DNA复制过程中的有关计算，考查科学思维 3.(不定项)(2024·山东教育联盟联考)病毒X174和红藻的遗传信息都储存于DNA中，前者的DNA为单链结构，鸟嘌呤约占全部碱基的21%，后者的核DNA为双链结构，鸟嘌呤占全部碱基的32%。下列叙述正确的是(　　) A.病毒X174中胞嘧啶占全部碱基的29% B.病毒X174中的RNA与DNA序列互补 C.红藻的核DNA中胞嘧啶占全部碱基的32% D.病毒X174的DNA比红藻的DNA更容易突变 C 4.(2024·广东东莞调研)一个15N标记的、含1 000个碱基对的DNA分子片段，其中一条中T＋A占30%，若将该DNA分子放在14N的培养基中连续复制3次，相关叙述正确的是(　　) A.该DNA分子的另一条链中T＋A占70% B.该DNA分子中含有A的数目为400个 C.该DNA分子第3次复制时需要消耗2 800个G D.经3次复制后，子代DNA分子中含14N的比例为7/8 C 考向3　围绕DNA半保留复制中标记染色体去向的分析，考查科学思维 5.(2024·河北省级联测)一个含有2n条染色体的生物体细胞，其染色体中DNA的两条链都被标记，在不含标记的原料中进行有丝分裂，下列叙述错误的是(　　) A.第一次分裂的后期细胞中有4n条带标记的染色体 B.第二次分裂的中期每个细胞中有2n条带标记的染色单体 C.第二次分裂的后期每个细胞中有4n条带标记的染色体 D.第二次分裂结束后有的子细胞中可能不带有标记 1.(2022·辽宁卷，4)选用合适的实验材料对生物科学研究至关重要。下表对教材中相关研究的叙述，错误的是(　　) B 选项 实验材料 生物学研究 A 小球藻 卡尔文循环 B 肺炎链球菌 DNA半保留复制 C 枪乌贼 动作电位原理 D T2噬菌体 DNA是遗传物质 D 2.(2022·重庆卷，4)下列发现中，以DNA双螺旋结构模型为理论基础的是(　　) A.遗传因子控制性状 B.基因在染色体上 C.DNA是遗传物质 D.DNA半保留复制 3.(2022·广东卷，5)下列关于遗传学史上重要探究活动的叙述，错误的是(　　) A.孟德尔用统计学方法分析实验结果发现了遗传规律 B.摩尔根等基于性状与性别的关联证明基因在染色体上 C.赫尔希和蔡斯用对比实验证明DNA是遗传物质 D.沃森和克里克用DNA衍射图谱得出碱基配对方式 D 4.(2021·辽宁卷，4)下列有关细胞内的DNA及其复制过程的叙述，正确的是(　　) A.子链延伸时游离的脱氧核苷酸添加到3′端 B.子链的合成过程不需要引物参与 C.DNA每条链的5′端是羟基末端 D.DNA聚合酶的作用是打开DNA双链 A 5.(2021·浙江6月选考，14)含有100个碱基对的一个DNA分子片段，其中一条链的A＋T占40%，它的互补链中G与T分别占22%和18%，如果连续复制2次，则需游离的胞嘧啶脱氧核糖核苷酸数量为(　　) A.240个 B.180个 C.114个 D.90个 B 6.(2021·北京卷，4)酵母菌的DNA中碱基A约占32%，关于酵母菌核酸的叙述错误的是(　　) A.DNA复制后A约占32% B.DNA中C约占18% C.DNA中(A＋G)/(T＋C)＝1 D.RNA中U约占32% D 轻带、中带 $$