（高一）专题5 DNA的结构和复制知识串讲-2024-2025学年高中生物期末重难点复习攻略

专题5  DNA的结构和复制 一、DNA的结构及计算 1．DNA双螺旋结构模型的构建 (1)构建者：美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。 (2)过程 2．DNA的结构 (1)DNA的基本组成单位——脱氧核苷酸 结构模式图 (2)双螺旋结构特点 ①DNA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，一条单链从5′－端到3′－端，另一条单链从3′－端到5′－端。 ②DNA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一定与T配对，G一定与C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。 3．制作DNA双螺旋结构模型 (1)组装“脱氧核苷酸模型” 利用材料制作若干个脱氧核糖、磷酸和碱基，组装成若干个脱氧核苷酸。 (2)制作“多核苷酸长链模型” 将若干个脱氧核苷酸依次连接起来，组成两条多核苷酸长链。注意两条长链的单核苷酸数目必须相同，碱基之间能够互补配对。 (3)作DNA分子平面结构模型 按照碱基互补配对的原则，将两条多核苷酸长链互相连接起来，注意两条链的方向相反。 (4)制作DNA分子的立体结构(双螺旋结构)模型 把DNA分子平面结构旋转一下，即可得到一个DNA分子的双螺旋结构模型。 二、DNA的复制及基因的概念 1．DNA的复制 (1)对DNA复制的推测 ①提出者：沃森和克里克。 ②假说 解旋：DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂。 复制：解开的两条单链作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸依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。 特点：新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，这种复制方式被称作半保留复制。 (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 a．DNA的两条链都用15N标记，那么这样的DNA分子密度最大，离心时应该在试管的底部。 b．DNA的两条链都没有被15N标记，那么这样的DNA分子密度最小，离心时应该在试管的上部。 c．DNA的两条链中只有一条单链被15N标记，那么这样的DNA分子离心时应该在试管的中部。 ③实验过程 ④实验结果 a．立即取出，提取DNA→离心→全部重带。 b．繁殖一代后取出，提取DNA→离心→全部中带。 c．繁殖两代后取出，提取DNA→离心→1/2轻带、1/2中带。 ⑤实验结果和预期的一致，说明DNA的复制是以半保留的方式进行的。 (3)DNA复制的过程 ①DNA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过程 ④结果 形成两个完全相同的DNA分子。 ⑤特点 a．边解旋边复制。 b．半保留复制。 ⑥意义：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。 2．DNA片段中的遗传信息 (1)遗传信息：是指DNA分子中4种碱基的排列顺序。 (2)DNA的多样性与特异性 ①多样性：碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA的多样性。若某个DNA分子有n个碱基对，则DNA分子可有4n种碱基对排列方式，从而构成了DNA分子的多样性。 ②特异性：每一个特定的DNA分子都有特定的碱基排列顺序，都储存着特定的遗传信息。 ③意义：DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。 (3)基因的概念 基因通常是具有遗传效应的DNA片段；有些病毒的遗传物质RNA，对这类病毒而言，基因就是有遗传效应的RNA片段。 1．DNA分子结构中两种关系与两类化学键的比较 2．DNA分子的碱基互补配对原则及相关计算 (1)碱基互补配对原则：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，且等于其转录形成的mRNA(T换为U)中该种碱基比例的比值。 ③规律三：在DNA双链中，一条单链的(A1＋G1)/(T1＋C1)的值与其互补单链的(A2＋G2)/(T2＋C2)的值互为倒数关系。但在整个DNA分子中该比值等于1。 ④规律四：在DNA双链中，一条单链的(A1＋T1)/(G1＋C1)的值，与该互补链的(A2＋T2)/(G2＋C2)的值是相等的，与整个DNA分子中的(A＋T)/(G＋C)的值是相等的。 3.分析DNA复制过程中的数量关系 DNA分子的复制为半保留复制，一个DNA分子复制n次，则有： (1)DNA分子数 ①子代DNA分子数＝2n个。 ②含有亲代DNA链的子代DNA分子数＝2个。 ③不含亲代DNA链的子代DNA分子数＝(2n－2)个。 (2)脱氧核苷酸链数 ①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数＝2n＋1条。 ②亲代脱氧核苷酸链数＝2条。 ③新合成的脱氧核苷酸链数＝(2n＋1－2)条。 (3)消耗的脱氧核苷酸数 ①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为m×(2n－1)个。 ②一个DNA分子复制n次后，得到的DNA分子数为2n个，复制(n－1)次后得到的DNA分子数为2n－1个。第n次复制增加的DNA分子数为2n－2n－1＝2n－1个，需要含该碱基的脱氧核苷酸数为m·2n－1个。 【理论基础】 1.DNA分子是否都是由两条链构成的？ 提示：不是。大部分DNA以双螺旋结构存在，但一经热或碱处理就会变为单链状态。在某些种类的DNA病毒中存在单链环状或单链线状的DNA分子，如圆环病毒科、细小病毒科的病毒。 2.如何判断某核酸样品是DNA，还是RNA？是双链还是单链？ 提示：含U的为RNA，含T的为DNA；若为双链，遵循碱基互补配对原则，A＝T(或U)，G＝C；单链中四种碱基之间没有严格的数量关系。 3.解答有关碱基计算题的“三步曲” 4.DNA分子精确复制的原因。 提示：①DNA分子独特的双螺旋结构能够为复制提供模板，②碱基配对原则保证了复制能够准确进行。 5.DNA 分子经过诱变，某位点上的一个正常碱基(设为 M)变成了尿嘧啶，该 DNA 连续复制两次得到的 4 个子代 DNA 分子相应位点上的碱基对分别为 U－A、A－T、G－C、C－G，推测“M” 可能是什么？写出推导过程。 提示：鸟嘌呤或胞嘧啶。由4个子代DNA分子的碱基对可知该DNA分子经过诱变处理后，其中1条链上的碱基发生了突变，另一条链是正常的，所以得到的4个子代DNA分子中正常的DNA分子和异常的DNA分子各占1/2，因此含有G与C、C与G的2个DNA分子是未发生突变的。这两个正常的DNA分子和亲代DNA分子的碱基组成是一致的，即亲代DNA分子中的碱基组成是G－C或C－G，因此M可能是G或C。 6.从两种细胞分裂方式分析染色体标记情况 (1)有丝分裂中子染色体标记情况分析 ①过程图解(一般只研究一条染色体)： 复制一次(母链标记，培养液不含标记同位素)： 转至不含放射性培养液中再培养一个细胞周期： ②规律总结：若只复制一次，产生的子染色体都带有标记；若复制两次，产生的子染色体只有一半带有标记。 (2)减数分裂中子染色体标记情况分析 ①过程图解：减数分裂一般选取一对同源染色体为研究对象，如图： ②规律总结：由于减数分裂没有细胞周期，DNA只复制一次，因此产生的子染色体都带有标记。 7．利用模型分析子细胞中染色体标记情况 此类问题可通过构建模型图解答，如下图： 这样来看，最后形成的4个子细胞有三种情况：第一种情况是4个细胞都是；第二种情况是2个细胞是，1个细胞是，1个细胞是；第三种情况是2个细胞是，另外2个细胞是。 8．四步绘图解决细胞分裂中染色体标记问题 第一步 画出含一条染色体的细胞图，下方画出该条染色体上的1个DNA分子，用竖实线表示含同位素标记 第二步 画出复制一次，分裂一次的子细胞染色体图，下方画出染色体上的DNA链，未被标记的新链用竖虚线表示 第三步 再画出第二次复制(分裂)后的细胞的染色体组成和DNA链的情况 第四步 若继续推测后期情况，可想象着丝点分裂，染色单体分开的局面，并进而推测子细胞染色体的情况 【典型例题】 1．某双链（α链和β链）DNA分子中鸟嘌呤与胞嘧啶的数量之和占全部碱基总数的56%，α链中腺嘌呤占28%。下列关于该DNA分子中各碱基数量及其相互关系的叙述，错误的是（　　） A．β链中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量之和占该链碱基总数的44% B．β链中鸟嘌呤与胞嘧啶所占的比例相等，均是28% C．α链中胸腺嘧啶所占的比例是16%，占双链DNA分子的8% D．（A+T）/（G+C）的比值不同，该比值体现了不同生物DNA分子的特异性 2．在含有 BrdU 的培养液中进行 DNA复制时，BrdU会取代胸苷掺入到新合成的链中，形成BrdU标记链。当用某种荧光染料对复制后的染色体进行染色，发现含半标记DNA（一条链被标记）的染色单体发出明亮荧光，含全标记DNA（两条链均被标记）的染色单体荧光被抑制（无明亮荧光）。若将一个细胞置于含BrdU 的培养液中，培养到第二个细胞周期的中期进行染色并观察。下列推测错误的是（    ） A．1/2的染色体荧光被抑制 B．1/2的染色单体发出明亮荧光 C．全部DNA分子被BrdU标记 D．3/4的DNA单链被BrdU标记 3．DNA复制时双链DNA从复制起点处解开螺旋成单链，复制起点呈现叉子形的复制叉。复制起始点的共同特点是含有丰富的AT序列，DNA复制从固定的起始点以双向等速方式进行的。如下图所示。下列说法错误的是（　　）    A．复制起始点含有丰富的AT序列的原因是该序列氢键少，更容易解旋 B．滞后链冈崎片段的合成需要引物，前导链的合成不需要引物 C．当滞后链RNA引物被切除后可以利用后一个冈崎片段作为引物由5′→3′合成DNA填补缺口 D．DNA子链5′端的RNA引物被切除后无法修复，使DNA随复制次数的增加而缩短是细胞衰老的原因之一 4．研究人员将1个含14N-DNA的大肠杆菌转移到以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中，培养24h后提取子代大肠杆菌的DNA．将DNA解开双螺旋，变成单链：然后进行密度梯度离心，试管中出现两种条带（如图）。下列说法正确的是（　　）    A．根据条带的数目和位置可以确定DNA的复制方式是半保留复制 B．若直接将子代DNA进行密度梯度离心也能得到两条条带 C．解旋酶解开DNA双螺旋的实质是破坏核苷酸之间的磷酸二酯键 D．DNA复制需要消耗能量且可推知该大肠杆菌的细胞周期大约为6h 5．下列关于基因、DNA、染色体三者之间的关系，错误的是（　　） A．每条染色体上含有一个或两个DNA分子，每个DNA分子上含有多个基因 B．基因是一段有遗传功能的DNA或RNA分子片段 C．染色体是基因的主要载体，基因在染色体上呈线性排列 D．同源染色体的相同位置上一定是等位基因 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案： 1．B 【分析】碱基互补配对原则的规律：（1）在双链DNA分子中，互补碱基两两相等，A=T，C=G，A+G=C+T，即嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数；（2）DNA分子的一条单链中（A+T）与（G+C）的比值等于其互补链和整个DNA分子中该种比例的比值；（3）DNA分子一条链中（A+G）与（T+C）的比值与互补链中的该种碱基的比值互为倒数，在整个双链中该比值等于1；（4）双链DNA分子中，A=（A1+A2）÷2，其他碱基同理。 【详解】A、DNA分子中鸟嘌呤与胞嘧啶的数量之和占全部碱基总数的56%，则腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量之和占全部碱基总数的44%，互补碱基之和在单双链中比值相等，因此β链中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量之和也占该链碱基总数的44%，A正确； B、根据鸟嘌呤和胞嘧啶所占的比例不能确定每条链中鸟嘌呤与胞嘧啶所占的比例，两者不一定是等分的，B错误； C、α链中胸腺嘧啶所占的比例是1-56%-28%=16%，则占双链中的比例是16%÷2=8%，C正确； D、不同生物的DNA分子中互补配对的碱基之和的比值不同，即(A＋T)/(C＋G)的值不同，该比值体现了不同生物DNA分子的特异性，D正确。 故选B。 2．A 【分析】DNA分子的复制为半保留复制，第一个细胞周期，DNA复制后每个DNA分子中只有一条链含有放射性，第二个细胞周期，每个DNA分子复制后形成两个DNA分子，一个DNA分子含有放射性，另一个DNA分子不含放射性，则放射性检测结果是每条染色体含有两条染色单体，其中一条染色单体含有放射性，另一条染色单体不含放射性；同理可知，第三个细胞周期的放射性检测结果是有的染色体不含放射性，有的染色体的姐妹染色单体中，有一条染色单体含有放射性，另一条染色单体不含放射性。对于细胞分裂中标记DNA从而标记染色体类问题应画图解决。 【详解】A、若将一个细胞置于含BrdU 的培养液中，在第一个细胞周期间期时，DNA半保留复制，子代DNA一条链被标记，一条链没有标记。在第二个细胞周期间期，DNA半保留复制，同一条染色体的姐妹染色单体中各有一个DNA分子，其中一个DNA一条链没有标记，另一条链被标记，另一个DNA两条链都被标记，培养到第二个细胞周期的中期时，据题意，每条染色体的一条单体无明亮荧光，另一条单体有明亮荧光，A错误； B、培养到第二个细胞周期的中期时，据题意，每条染色体的一条单体无明亮荧光，另一条单体有明亮荧光，1/2的染色单体发出明亮荧光，B正确； C、第二个细胞周期间期，DNA半保留复制，同一条染色体的姐妹染色单体中各有一个DNA分子，其中一个DNA一条链没有标记，另一条链被标记，另一个DNA两条链都被标记，全部DNA分子被BrdU标记 ，C正确； D、第二个细胞周期间期，DNA半保留复制，同一条染色体的姐妹染色单体中各有一个DNA分子，其中一个DNA一条链没有标记，另一条链被标记，另一个DNA两条链都被标记，每条染色体的标记情况相同，3/4的DNA单链被BrdU标记 ，D正确。 故选A。 3．B 【分析】1、DNA分子的复制方式是半保留复制。DNA分子链的延伸方向是从5'→3′。 2、DNA分子的复制是一个边解旋边复制的过程，复制需要模板、原料、能量和酶等基本条件。DNA分子独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板，通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。 【详解】A、双链DNA的碱基A、T之间含有2个氢键，G、C之间含有3个氢键，故复制起始点含有丰富的A、T序列的氢键少，更容易解旋，A正确； B、DNA复制时滞后链和前导链的合成都需要引物，B错误； C、滞后链RNA引物被切除后，在DNA聚合酶的作用下，将新的脱氧核苷酸连接到原来的冈崎片段上继续延伸，C正确； D、若DNA子链5’端的RNA引物被切除后无法修复，会导致子代DNA（端粒DNA）长度变短，是引起细胞衰老的原因之一，D正确。 故选B。 4．B 【分析】DNA的复制是半保留复制，即以亲代DNA分子的每条链为模板，合成相应的子链，子链与对应的母链形成新的DNA分子，这样一个DNA分子经复制形成两个子代DNA分子，且每个子代DNA分子都含有一条母链。 【详解】A、由于DNA经过热变性后解开了双螺旋，变成单链，所以根据条带的数目和位置只能判断DNA单链的标记情况，但无法判断 DNA的复制方式，A错误； B、根据题意和图示分析可知，将DNA被14N标记的大肠杆菌移到15N培养基中培养，因合成DNA的原料中含15N，所以新合成的DNA链均含15N，由于14N单链：15N单链=1：7，说明DNA复制了3次，有2个DNA是15N和14N，中带，有6个都是15N的DNA，重带，离心后得到两条条带，若直接将子代DNA进行密度梯度离心也能得到两条条带，B正确； C、DNA复制的第一步是在使两条双链打开，连接两条链的化学键是氢键，所以解开DNA双螺旋的实质是破坏核苷酸之间的氢键，C错误； D、据图可知，由于14N单链：15N单链=1：7，说明DNA复制了3次，可推知该细菌的细胞周期大约为24÷3=8h，D错误。 故选B。 5．D 【分析】基因：基因是有遗传效应的DNA片段，对于RNA病毒而言，基因是一段有遗传效应的RNA分子片段。 【详解】A、染色体复制后，每条染色体含有两个DNA分子，故每条染色体上含有一个或两个DNA分子；DNA中具有遗传效应的片段为基因，每个DNA分子上含有多个基因，A正确； B、基因是有遗传功能的DNA片段，对于RNA病毒而言，基因是一段有遗传功能的RNA分子片段，B正确； C、大多数基因位于细胞核的染色体上，少数位于细胞质中，故染色体是基因的主要载体，基因在染色体上呈线性排列，C正确； D、同源染色体的相同位置上是等位基因或相同基因，D错误。 故选D。 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $$