内容正文:
反向平行
脱氧核糖和磷酸
氢键
两
三
相等
倒数
1
半保留复制
边解旋边复制和半保留复制
有遗传效应
4
数目
排列顺序
碱基排列顺序
遗传信息
第26讲
DNA分子的结构、复制、基因的本质
考点一 DNA分子的结构及相关计算
考点二 DNA分子的复制、相关计算
考点三 基因的本质
考情分析
考点 由高考知核心知识点 预测
DNA分子的结构、复制与基因的本质 考点一:DNA分子的结构 (2025.四川)DNA分子结构
(2025.湖北)DNA分子结构
(2024·湖北)DNA分子结构
(2024·湖南)DNA分子结构
(2024.北京)DNA分子结构
(2025.北京)DNA分子的复制
(2024·浙江)DNA分子的复制
(2023·辽宁)DNA分子的复制
(2024·北京)基因的结构
(2023·重庆)基因的结构 题型:选择题、解答题
内容:本专题知识难度较低、较高的两级分化,要求基础要扎实。考查学生对相关实验的整体性的认识,或结合一些情景信息或表格信息设置题目,考查学生的应变能力、获取信息和综合分析能力。
考点二:DNA分子的复制
考点三:基因通常是有遗传效应的DNA片段
世纪金榜版权所有
一、DNA双螺旋结构模型的构建
已知DNA的组成
不知DNA的结构
沃森
克里克
衍射图谱
A
C
螺旋
A=T,G=C
T
C
T
G
X意味着DNA是螺旋的
构建的方法:
物理模型法
1.(2021·广东高考)DNA双螺旋结构模型的提出是二十世纪自然科学的伟大成就之一。下列研究成果中,为该模型构建提供主要依据的是( )
①赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质的实验
②富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱
③查哥夫发现的DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等
④沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制
A.①② B.②③ C.③④ D.①④
B
二、有关DNA分子常考的知识点:
1.每个DNA片段中,游离的磷酸基团有 个。
2
2.DNA分子中绝大部分脱氧核糖都连接 个磷酸基团
2
3.DNA初步水解产物?彻底水解产物?分别是?
脱氧核苷酸(4种)
磷酸(1)、脱氧核糖(1)、含氮碱基(4)
4.一个双链DNA中,脱氧核糖、碱基、磷酸的比为?
1:1:1
5.在DNA一条链中,相邻碱基是如何连接的?
通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”
质粒:环状的DNA没有游离的磷酸,并且每个磷酸都连接2个脱氧核糖,每个脱氧核糖都连接2个磷酸
6.氢键:AT之间两个氢键,GC之间三个氢键,故 越多 DNA分子结构越稳定,氢键可用 断裂,也可用 断裂
GC
高温
解旋酶
DNA分子的分布
一个磷酸可与1或2个脱氧核糖相连
磷酸二酯键
限制性核酸内切酶
DNA连接酶
DNA聚合酶
1.解旋酶:
2.DNA酶:
3.限制酶:
4.DNA聚合酶:
5.DNA连接酶:
打开氢键,使DNA双链解开
打开磷酸二酯键,水解DNA
识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列,并使每条 链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开
形成磷酸二酯键,使子链延伸
形成磷酸二酯键,连接DNA片段
易混淆的几种酶
项目种类 作用底物 作用部位 作用结果
限制酶
DNA连接酶
DNA聚合酶
DNA(水解)酶
解旋酶
RNA聚合酶
逆转录酶
DNA分子
磷酸二酯键
形成黏性末端或平末端
磷酸二酯键
DNA分子片段
磷酸二酯键
磷酸二酯键
形成重组DNA分子
形成新的DNA分子
DNA分子
DNA分子
碱基对间的氢键
脱氧核苷酸
形成脱氧核苷酸
形成单链DNA分子
DNA分子、
核糖核苷酸
氢键和磷酸二酯健
形成单链RNA
脱氧核苷酸
磷酸二酯健
形成DNA
根据DNA分子结构图像分析回答下列问题:
(1)图中④能表示胞嘧啶脱氧核苷酸吗?
不能。①磷酸基团属于胸腺嘧啶脱氧核苷酸。
(2)图中的碱基如何连接?一条链上的脱氧核苷酸如何连接?
两条链之间的碱基通过 连接成碱基对,而同一条链上碱基之间是通过 相连的;一条链上的脱氧核苷酸之间通过 连接。
氢键
脱氧核糖一磷酸一脱氧核糖
磷酸二酯键
(3)解旋酶作用于图中哪个部位?限制酶和DNA连接酶作用于图中哪个部位?
解旋酶作用于⑨,限制性内切核酸酶和DNA连接酶作用于⑩。
(4)1个双链DNA含有游离的磷酸基团?
2个,环状DNA(线粒体、叶绿体、原核生物)不存在游离磷酸基团
(5)一个磷酸基团可以连接几个脱氧核糖?
1个或2个
【2025-四川-6-7】7. 为杀死蜜蜂寄生虫瓦螨,研究人员对蜜蜂肠道中的S菌进行改造,使其能释放特定的双链RNA(dsRNA)。进入瓦螨体内的dsRNA被加工成siRNA后,能与瓦螨目标基因的mRNA特异性结合使其降解,导致瓦螨死亡。下列叙述正确的是( )
A.siRNA的嘌呤与嘧啶之比和dsRNA相同
B.dsRNA加工成siRNA会发生氢键的断裂
C. 瓦螨死亡的原因是目标基因的转录被抑制
D. 用改造后的S菌来杀死瓦螨属于化学防治
B
U U
U U
三.DNA分子的特性
(1) :DNA分子中 交替连接的方式不变,两条链间 的方式不变。
(2) :不同的DNA分子中 数目不同,排列顺序多种多样。若某DNA分子中有n个碱基对,则排列顺序有 。
(3) :每种DNA分子都有区别于其他DNA的特定的 ,代表了特定的遗传信息。
碱基互补配对
磷酸和脱氧核糖
脱氧核苷酸
4n
碱基对排列顺序
(n代表碱基对数,并且不知道碱基比例)
稳定性
多样性
特异性
与DNA空间结构无关。
C C
G G
【教材隐性知识】源于必修2 P50模型建构:DNA只有4种脱氧核苷酸,能够储存足够量遗传信息的原因是________________________________________
______________________________________。
构成DNA的4种脱氧核苷酸的数目成千上万,脱氧核苷酸的排列顺序千差万别
思考:
1.若一个双链DNA分子含有100个碱基对,则其可能的碱基对排列顺序有 种。
2.若一个双链DNA分子含有100个碱基对,其中一条链上A:G:T:C=1:2:3:4,则其可能的碱基对排列顺序有 (填“大于”小于””等于“)4100种。
4100
小于
遗传信息储存在碱基(脱氧核苷酸)的排列顺序中
(2025·湖北卷,14)大数据时代,全球每天产生海量数据,预计2040年需一百万吨硅基芯片才能储存全球一年产生的数据。为解决这一难题,科学家尝试运用DNA来储存数据。我国科学家已经将汉代拓片、熊猫照片等文化数据写入DNA,实现数据长期保存。下列叙述中,DNA可以作为存储介质的优点不包括( )
A.DN渊袋A 粧具撈莲有可复制性,有利于数据的传播
B.可通过 DNA 转录和翻译传递相应数据信息
C.DNA 长链中碱基排列的多样化,为大量数据的存储提供可能D.DNA 作为存储介质体积小,为数据携带和保存节约了大量空间
B
p52
问:DNA指纹技术主要利用了DNA分子具有 的特点。组成DNA分子的基本组成单位只有4种,受害者和怀疑对象的DNA都不一样,这是因为: 。
组成受害者和怀疑对象DNA的脱氧核苷酸的数目和排列顺序不同
特异性
A1
T2
T1
A2
G1
C2
C1
G2
DNA双链
①A1=T2, T1=A2, C1=G2 , G1=C2
② A=T C = G
A1+T1
A1+T1+C1+G1
=
A2+T2
A2+T2+C2+G2
=
A+T
A+T+C+G
③
四、DNA分子中碱基的计算方法与规律
A1+G1
T1+C1
=
K
A2+G2
T2+C2
=
1/K
3.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
P52
C
A=T=a
A
A+T+C+G
=b
a
a+a+C+G(总)
=b
总=
a
b
C+G=总-(A+T)
b<0.5
B
P171
3、[2024河北高考]某病毒具有蛋白质外壳,其遗传物质的碱基含量如表所示,下列叙述正确的是( )
A、该病毒复制合成的互补链中G+C含量为51.2%
B、病毒的遗传物质可能会引起宿主DNA变异
C、病毒增殖需要的蛋白质在自身核糖体合成
D、病毒基因的遗传符合分离定律
B
碱基种类 A C G T U
含量(%) 31.2 20.8 28.0 0 20.0
五:基因通常是具有遗传效应的DNA片段
1.从物质组成上看:基因是由四种____________按一定顺序排列而成的。
2.从结构上看:
(1)基因是DNA上特定的片段,但DNA上的片段________(填“一定”或“不一定”)就是基因。
(2)基因也具有________结构。
(3)每个基因上脱氧核苷酸的________________是特定的。
脱氧核苷酸
不一定
双螺旋
数目及排列顺序
3.从功能上看:基因具有__________,即基因能控制生物的性状,基因是控制生物
______的基本单位,特定的基因决定特定的性状。
4.从位置上看:基因在染色体上有特定的位置,呈______排列。
5.从遗传信息的关系上看:基因中碱基的__________代表遗传信息。
名师点睛 对“基因通常是有遗传效应的DNA片段”的理解
(1)基因不一定都是DNA片段,对于RNA病毒来说,基因也可以是有遗传效应的
RNA片段。
(2)基因可以是一段DNA,但一段DNA不一定是基因。
遗传效应
性状
线性
排列顺序
考向五 基因的本质
D
p175
(一)对DNA分子复制方式的推测
考点二、DNA分子的复制、相关计算
假说一:全保留复制
DNA复制以DNA双链为模板,子代DNA的双链都是新合成的。
DNA复制方式的三种假说:
假说二:半保留复制
沃森和克里克提出。以双链中的一条为模板合成子代DNA,子代DNA保留了原来DNA分子的一条链。
假说三:弥(分)散复制
以亲代DNA分子断裂成的短片段为模板,合成新的DNA片段,新旧片段混合连接成新的DNA分子。
Q1:若要探究复制方式,关键要观察什么结果?
通过实验区分母链和子链(区分亲代和子代DNA)
(二)DNA分子半保留复制方式实验证据
实验者:
材料:
技术:
原理:
梅塞尔森和斯塔尔
大肠杆菌(易饲养,繁殖快)
同位素示踪技术和密度梯度离心技术
若DNA两条链都为15N标记,其密度最大,离心后只出现一条带,位于试管底部(重带);若DNA一条链为14N标记,另一条链为15N标记,其密度居中,离心后也只有一条带,位置居中(中带);两条链都为14N标记的子代双链DNA,密度最小,位置更靠上(轻带)
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。
假说演绎法
按DNA复制三种假说演绎推理,将预测结果画(涂黑)在以下试管:
第一代
第二代
亲代
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
半保留复制
全保留复制
弥散复制
过程分析
实验分析方法 。
假说演绎法
分裂一次
(繁殖一代)
提取DNA
离心
15NH4CI
15N/ 15N-DNA
14NH4Cl
再分裂一次
繁殖若干代
上
中
下
上
中
下
提取DNA
离心
上
中
下
哪个位置?
哪个位置?
15NH4CI
提取DNA
离心
14NH4Cl
14NH4Cl
实验过程
使DNA双链充分标记
在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA,再离心,记录离心后试管中DNA的位置
中带
轻带
重带
分裂一次
再分裂一次
亲 代
子一代
子二代
15N/14N
14N/14N
15N/14N
15N/15N
15NH4CI
14NH4Cl
14NH4Cl
实验结果只与假说一相符合(半保留复制)
实验结果和结论
排除全保留复制
排除分(弥分)散复制
若为全保留复制,实验结果应出现轻带和重带
5.(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):
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
或分散复制
D
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
随着染色体的复制而完成的
减数第一次分裂前的间期
(1)DNA复制的概念:
(2)发生时期:
(3)场所:
真核生物
细胞质:线粒体、叶绿体
细胞核(主要)
原核生物
拟核
(质粒)
细胞质
病毒:
宿主细胞
有丝分裂间期
无丝分裂之前
(4)实质:
遗传信息的复制
(三)DNA复制的过程
每一条子链和一条母链(模板链)螺旋成为一个新的DNA分子
解旋
合成子链
重新螺旋
DNA聚合酶
碱基互补配对原则
解开后的每一条母链
游离的4种脱氧核苷酸
③结果:
①能量:
②酶:
①模版:
②原料:
③酶:
④原则:
⑤方向:
5'端→3'端
(5)DNA复制的过程:
细胞提供能量
解旋酶
DNA双螺旋两条链解开
模板链:3,-5,
子链:5,-3,
脱氧核糖核苷酸添加在子链的3,段
DNA聚合酶:将单个脱氧核苷酸连接在DNA片段上使子链得以延伸
使氢键打开,DNA双链解旋
催化形成磷酸二酯键,从而形成新的子链
DNA复制结果:形成两个 DNA
完全相同
A
3.如图所示为DNA分子进行半保留复制的部分过程示意图,甲、乙、丙、丁是4条脱氧核苷酸链,DNA聚合酶只能将游离的脱氧核苷酸连接到核苷酸链的3'端,不能将脱氧核苷酸片段进行连接,下列说法不正确的是( )
A.据图分析可知,DNA复制过程需要引物、DNA连接酶
B.若图中脱氧核苷酸甲链中(A+G)/(T+C)=m,则丙链中(T+C)/(A+G)=1/m
C.图示过程可以体现DNA复制具有边解旋边复制、半保留复制的特点
D.T2噬菌体、肺炎链球菌体内可进行图示过程和转录、翻译过程
D
1.双向复制的原因:
2.多起点复制的意义:
3.这几个起点是同时开始复制的吗?谁最先开始的呢?
(6)特点:
边解旋边复制、半保留复制
① 多复制起点
②双向复制
双向复制的原因是DNA两条链是反向平行的
提高了复制速率,减少了变异的发生
图中的复制环大小不一,因此它们的复制时间有先后,右侧最早,左侧最晚。
思考:原核细胞在进行二分裂时DNA也要进行复制,
且原核细胞的DNA是呈环状的,那又是怎样复制的呢?
环状DNA只有一个复制原点(单一起点,双向复制)。
原核生物质粒的复制是单起点,而真核生物DNA复制是多起点( )
变式题
研究发现,DNA子链的延伸方向只能从5'向3'进行。DNA复制过程中一条子链是连续合成的,另一条子链是分段合成的。下图为一个复制泡,请完善图中子链DNA片段延伸的情况。
0
(7)DNA分子精确复制的原因
①DNA分子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准确进行。
(8)DNA分子复制的意义
DNA分子通过复制,将遗传信息从亲代传给子代,保持了遗传信息的连续性。
(9)DNA复制过程中可能发生的变异
基因突变
变异:复制出现差错-- ,新基因产生的唯一途径,生物进化的 。
基因突变
根本来源
(10)DNA复制的完整表述
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的进行
【典例】如图1、2分别为DNA分子结构及复制示意图。请据图回答下列问题:
(1)1953年沃森和克里克提出了DNA双螺旋结构模型。该模型认为:DNA分子中的________________________交替连接,排列在外侧,构成基本骨架;碱基排列在内侧。图1中由①②③构成的④称为__________________________。
脱氧核糖与磷酸
鸟嘌呤脱氧核苷酸
(2)从图2可以看出,DNA复制有多个起点,其意义在于___________________;
图中所示的A酶为________酶,作用于DNA结构中的氢键。DNA复制所需
基本条件主要包括__________________________(至少答出两点)等。
从图2还可以看出DNA复制时,一条子链是连续合成的,而另一条子链是_______
即先形成短链片段再通过______________酶相互连接。
提高了复制速率
解旋
模板、酶、原料和能量
不连续合成的
DNA连接
p165 冈崎片段科学家冈崎提出了DNA的半不连续复制模型,即DNA复制时一条子链是连续合成的,而另外一条子链是先合成短的DNA片段(称为冈崎片段),再连接形成较长DNA分子。端粒是位于染色体末端的一段特殊序列的DNA—蛋白质复合体,后来科学研究发现端粒的缩短可能与DNA的这种复制方式密切相关。如图展示了某DNA部分片段及复制过程:
基于核心素养的新考向:
1.(结构与功能观)DNA分子复制的方式是________________,DNA子链的延伸方向是__________(填“5'→3'”或“3'→5'”)。
2.(模型与建模)若图1中该段DNA分子控制合成一段含有120个氨基酸的多肽链,则该DNA分子上至少有________个碱基对。若α链中(A+G)/(T+C)=0.4,则在β链中(A+G)/(T+C)的值为________。
半保留复制
5'→3'
360
2.5
3.(推理)根据图2分析,DNA半不连续复制的原因是_________________________
_______________________________________________。
在复制过程中,引物最终会被酶切除,引物切除后的部分“空白”区域,可以通过新链合成修复。但子链最末端引物被切除后的“空白”区域无法修复,根据以上信息推测,端粒缩短的原因可能是____________________________________________
_____________________________________________________。
DNA在复制时边解旋边
复制,并且DNA聚合酶只能从5'→3'催化子链的形成
最末端的引物被切除后形成的“空白”区域无法修
复,从而造成端粒DNA序列的缩短,进而导致端粒的缩短
冈崎片段科学家冈崎提出了DNA的半不连续复制模型,即DNA复制时一条子链是连续合成的,而另外一条子链是先合成短的DNA片段(称为冈崎片段),再连接形成较长DNA分子。端粒是位于染色体末端的一段特殊序列的DNA—蛋白质复合体,后来科学研究发现端粒的缩短可能与DNA的这种复制方式密切相关。如图展示了某DNA部分片段及复制过程:
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2.(2023·山东等级考)将一个双链DNA分子的一端固定于载玻片上,置于含有荧光标记的脱氧核苷酸的体系中进行复制。甲、乙和丙分别为复制过程中3个时间点的图像,①和②表示新合成的单链,①的5'端指向解旋方向,丙为复制结束时的图像。该DNA复制过程中可观察到单链延伸暂停现象,但延伸进行时2条链延伸速率相等。已知复制过程中严格遵守碱基互补配对原则,下列说法错误的是( )
A.据图分析,①和②延伸时均存在暂停现象
B.甲时①中A、T之和与②中A、T之和可能相等
C.丙时①中A、T之和与②中A、T之和一定相等
D.②延伸方向为5'端至3'端,其模板链3'端指向解旋方向
D
解旋方向
p175
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)
三、DNA复制的相关计算
p174
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
“DNA复制了n次”PK“第n次复制”
碱基是“对”PK“个”
“DNA分子数”PK“链数”,
“含”PK“只含”
易错点拔
相对于2n-1次复制
考向二 DNA复制过程中的有关计算
B
p174
C
(1)一条染色体上有一个或两个DNA分子。
(2)复制特点:半保留,DNA分子总有一条链来自亲代DNA,另一条链是新链。
(3)2个子DNA位置:当一个DNA分子复制形成两个新DNA分子后,这两个子DNA恰位于两姐妹染色单体上。
(4)子DNA去向:在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期,当着丝点分裂时,两姐妹染色单体分开,分别移向细胞两极,此时子DNA随染色单体分开而分开。
延伸:DNA复制联系细胞分裂(有丝、减数)
细胞分裂过程中的同位素标记问题
(1)减数分裂图像及解读
第一次分裂
第二次分裂
个细胞都有标记,每个细胞中 DNA都有标记,只是每个DNA的 条链有标记
4
所有
1
细胞分裂过程中的同位素标记问题
(2)有丝分裂图像及解读
第一次分裂
第二次分裂
有标记的细胞是 个,每个细胞中含有标记的DNA是 个
0---2n
2----4
N同源染色体对
4.(2016•全国卷Ⅰ节选)在有关DNA分子的研究中,常用32P来标记DNA分子。回答下列问题:
将一个某种噬菌体DNA分子的两条链用32P进行标记,并使其感染大肠杆菌,在不含有32P的培养基中培养一段时间。若得到的所有噬菌体双链DNA分子都装配成噬菌体(n个)并释放,则其中含有32P的噬菌体所占比例为2/n,原因是___________________。
答案:一个含有32P标记的噬菌体双链DNA分子经半保留复制后,标记的两条单链只能分配到两个噬菌体的双链DNA分子中,因此在得到的n个噬菌体中只有2个带有标记
【高考真题】
21. 研究发现基因L能够通过脱落酸信号途径调控大豆的逆境响应。利用基因工程技术编辑基因L,可培育耐盐碱大豆品系。在载体上的限制酶Bsal切点处插入大豆基因L的向导DNA序列,将载体导入大豆细胞后,其转录产物可引导核酸酶特异性结合基因组上的目标序列并发挥作用。载体信息、目标基因L部分序列及相关结果等如图所示。
(1)用PCR扩增目的基因时,需要模板DNA、引物、__________、耐高温的DNA聚合酶,其中模板与引物在PCR的________阶段开始结合。所用的引物越_______(填“长”或“短”),引物特异性越低。
(2)限制酶在切开DNA双链时,形成的单链突出末端为__________,若用Bsa I酶切大豆基因组DNA,理论上可产生上述末端最多有______种。载体信息如图甲所示,经Bsa I酶切后,载体上保留的末端序列应为5 ' -________- 3 '和5 ' -________- 3 '。
(3)常利用_________(填方法)将重组载体导入大豆细胞,使用抗生素____________筛选到具有该抗生素抗性的植株①~④。为了鉴定基因编辑是否成功,以上述抗性植株的DNA为模板,通过PCR扩增目标基因L,部分序列信息及可选用的酶切位点如图乙所示,PCR产物完全酶切后的电泳结果如图丙所示。据图可判断选用的限制酶是________,其中纯合的突变植株是________(填序号)。
(1) 4种脱氧核苷酸 复性 短
(2) 黏性末端 256(44) GTTT CAAT
(3) 农杆菌转化法 卡那霉素 Sac I ④
Lavf57.62.100
Lavf58.20.100
$