内容正文:
第19讲 DNA分子的结构、复制及基因的本质
课标
要求
1.概述DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成,通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构,碱基的排列顺序编码了遗传信息
2.概述DNA分子通过半保留方式进行复制
3.教学活动:制作DNA分子双螺旋结构模型
考点一 DNA分子的结构及相关计算(迁移·提能类)
1.DNA双螺旋结构模型的构建
(1)构建者: 。
(2)构建过程
2.DNA分子的结构
3.DNA分子的特性
(1)稳定性:磷酸和脱氧核糖交替连接,排列在外侧,构成基本骨架,两条链互补的碱基之间通过 相连。
(2) 性:遗传信息蕴藏在 之中。碱基排列顺序千变万化,如由n个碱基对组成的DNA分子,碱基排列顺序有 种(其中n代表碱基对数)。
(3) 性:每种DNA分子都有 。
(4) 是生物体多样性和特异性的物质基础。
深挖教材·拓思维
1. RNA病毒比DNA病毒更容易发生突变,从结构差异角度思考,原因是
。
2.在基因启动子的位置常存在多个C—G序列成簇分布的现象,该部分稳定性较高,原因是
。
1.DNA分子结构中的两种关系、连接方式及方向性
2.DNA分子结构中氢键、磷酸二酯键的打开与形成
(1)如图为DNA双螺旋结构的简化形式,其中①表示磷酸二酯键,②表示氢键。
(2)氢键、磷酸二酯键的打开与形成
3.碱基互补配对原则及相关计算
根据碱基互补配对原则:在双链DNA分子中,A=T(A1=T2,A2=T1)
推理1:双链DNA分子中四种碱基,两两相等,两两互补。即:A=T,C=G。A+C=T+G=50%;A+G=T+C=50%(嘌呤数=嘧啶数)。
推理2:已知DNA一条链中的碱基比例,可求另一条链中的碱基比例。
若1链中=a,则2链中=a,双链中=a。
若1链中=b,则2链中=,双链中=1。
推理3:双链DNA分子中某种碱基的比例为两条单链相应碱基比例的平均值。
若A1=a%,A2=b%,则A=%。
1.关于双链DNA分子的结构,下列说法正确的是 。
A.沃森和克里克用DNA衍射图谱得出碱基配对方式[2022·广东卷]
B.沃森和克里克用建构物理模型的方法研究DNA的结构
C.嘌呤是细胞合成DNA和RNA的原料[2024·江苏卷]
D.DNA每条链的5'端是羟基末端[2021·辽宁卷]
E.双螺旋DNA中互补配对的碱基所对应的核苷酸方向相反[2023·河北卷]
F.研究发现真核生物基因组DNA普遍存在5⁃甲基胞嘧啶和N6⁃甲基腺嘌呤,分别被称为DNA的第5、6个碱基,这两个碱基均含有脱氧核糖[2024·广西卷]
G.科学家证明“尼安德特人”是现代人的近亲,依据的是DNA的核苷酸种类[2024·北京卷]
H.DNA分子的多样性、特异性及稳定性是DNA鉴定技术的基础[2022·河北卷]
I.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]
J.在双链DNA分子中,若一条链的G+C占47%,则另一条链的A+T也占47%
[2024·浙江6月选考]
2.[2024·湖南衡阳模拟] 下图是制作DNA双螺旋结构模型的过程图,下列叙述错误的是 ( )
A.图甲中②③交替连接构成DNA基本骨架
B.若一条链的下端是磷酸,则另一条链的上端也是磷酸
C.任取两位同学制作的单链即可连接成DNA双链
D.丙到丁过程体现了DNA分子双螺旋的特点
3.[2025·天津河西区二模] 现已知基因M含有碱基共N个,腺嘌呤n个,具有类似如图所示的平面结构,下列说法正确的是 ( )
A.M基因的单链中含有A的比例最多为2n/N
B.基因M共有4个游离的磷酸基团,有1.5N-n个氢键
C.图中a可以代表基因M,基因M的等位基因m可以用b表示
D.基因M和它的等位基因m含有的碱基数一定相等
DNA分子结构的5点提醒
(1)并非所有的DNA均具“双链”。
(2)DNA分子中氢键的形成不需要酶,而断裂需解旋酶或加热处理。
(3)DNA在DNA酶作用下能够水解生成4种脱氧核苷酸;DNA彻底水解产物是磷酸、脱氧核糖和4种含氮碱基。
(4)不是所有的脱氧核糖都连接着2个磷酸基团,DNA的2条链各有一个3'端的脱氧核糖只连接着一个磷酸基团。
(5)一个双链DNA分子具有2个游离的磷酸基团,而环状DNA分子不存在游离的磷酸基团。
考点二 DNA的复制及基因的本质(迁移·提能类)
1.DNA半保留复制的实验证据(假说—演绎法)
[提醒]DNA半保留复制方式假说的提出者是沃森和克里克,证明DNA半保留复制方式的实验者是梅塞尔森和斯塔尔。
2.DNA复制
(1)概念、时间、场所
①概念:以 为模板合成 的过程。
②时间: 。
③场所:主要是 ,线粒体和叶绿体中也存在。
[注意]病毒遗传物质的复制是在宿主细胞内进行的。
(2)过程
(3)过程特点: 。
(4)结果:一个DNA分子形成了两个 的DNA分子。
(5)DNA能准确复制的原因及意义
3.基因和染色体、DNA、脱氧核苷酸的关系
深挖教材·拓思维
1.果蝇的DNA有多个复制起点。果蝇DNA复制的这一特点有利于
。
2.DNA分子杂交技术可以用来比较不同种生物DNA分子的差异。两种生物的DNA分子的单链形成杂合双链区的部位越多,说明这两种生物的亲缘关系越近,原因是
。[必修2 P62“复习与提高”]
1.DNA复制的拓展
(1)DNA的复制需要引物:DNA聚合酶不能从头合成DNA,而只能从已存在的DNA链的3'端延伸DNA,因此DNA复制需要引物(在细胞中是一段与模板DNA互补配对的短链RNA,PCR中的引物通常是 DNA)。
(2)半不连续复制
①据图可知,连续复制链(前导链)延伸方向与解旋方向相同,不连续复制链(后随链)延伸方向与解旋方向相反。
②后随链合成过程中,先合成的小片段的引物被切除,切除引物留下的空隙由后合成的相邻片段继续延长来补充。各个片段由DNA连接酶将其连成一条完整的DNA子链。
(3)真核生物染色体DNA的复制特点
2.DNA复制相关计算的分析
(1)将两条链均含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基中培养,复制n次,则:
①子代DNA共2n个
②脱氧核苷酸链
脱氧核苷酸链共2n+1条
(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m·(2n-1)个。
②第n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·2n-1个。
命题角度一 DNA复制的过程
1.关于DNA复制的过程,下列说法正确的是 。
A.甲基是DNA半保留复制的原料之一[2024·黑吉辽卷]
B.DNA复制时,脱氧核苷酸通过氢键连接成子链[2024·河北卷]
C.复制时,解旋酶使DNA双链由5'端向3'端解旋[2024·河北卷]
D.噬菌体的DNA复制需要DNA聚合酶和4种脱氧核糖核苷酸[2023·海南卷]
E.DNA分子复制时,子链的合成过程需要引物参与[2021·辽宁卷]
F.DNA中氢键全部断裂后,以两条母链为模板各合成一条子链
G.某单链RNA病毒的基因以半保留复制的方式传递给子代[2021·浙江6月选考]
2.[2025·江苏南京二模] 图甲表示大肠杆菌的DNA分子复制,图乙表示哺乳动物的DNA分子复制。下列叙述正确的是 ( )
A.图甲和图乙中复制起点部位的A—T碱基对比例较高,易于解旋
B.图甲和图乙表示的过程都具有多起点、双向、边解旋边复制的特点
C.图甲和图乙复制过程中,形成的两条子链一条连续,一条不连续
D.图甲中按照③②①的先后顺序合成子链,子链延伸方向为5'→3'
命题角度二 DNA半保留复制的实验证据及相关计算
3.[2025·北京卷] 1958年,Meselson和Stahl通过15N标记DNA的实验,证明了DNA的半保留复制。关于这一经典实验的叙述正确的是 ( )
A.因为15N有放射性,所以能够区分DNA的母链和子链
B.得到的DNA带的位置有三个,证明了DNA的半保留复制
C.将DNA变成单链后再进行离心也能得到相同的实验结果
D.选择大肠杆菌作为实验材料是因为它有环状质粒DNA
4.[2025·四川巴中二模] 某双链DNA分子含有3000个碱基对,其中一条链上A+T的比例为40%。将该DNA分子放在含32P的培养基中连续复制3次,下列叙述错误的是 ( )
A.该DNA分子中A+T的比例为40%,则G+C的比例为60%,其中G的数量为1800个
B.复制3次后,含有32P的DNA分子占全部DNA分子的7/8,含有31P的DNA分子占全部DNA分子的1/8
C.复制过程中,需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的数量为原DNA分子中A数量的7倍,即8400个
D.该DNA分子的另一条链上A+T的比例也为40%,两条链中A+T的比例相等,是因为碱基互补配对原则
DNA复制相关计算的3个易错点
(1)“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别,前者包括所有的复制,但后者只包括最后一次复制。
(2)碱基的数目单位是“对”还是“个”。
(3)在DNA复制过程中,无论复制了几次,含有亲代脱氧核苷酸链的DNA分子都只有两个。
命题角度三 综合考查DNA复制与细胞分裂
5.[2025·安徽黄山一模] 利用农杆菌转化法,将含有基因修饰系统的T⁃DNA插入水稻细胞M的某条染色体上。在该修饰系统的作用下,一个DNA分子单链上的一个碱基C脱去氨基变为U,脱氨基过程在细胞M中只发生一次。将细胞M培育成植株的过程中,下列叙述正确的是 ( )
A.M经3次有丝分裂后,含有T⁃DNA的细胞占1/2
B.M经n(n≥1)次有丝分裂后,含有T⁃DNA的细胞占1/2n-1
C.M经3次有丝分裂后,含T⁃DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占3/16
D.M经n(n≥1)次有丝分裂后,含T⁃DNA且脱氨基位点为A—U的细胞占1/2n
6.[2024·浙江6月选考] 假定某二倍体动物(2n=4)精原细胞DNA中的P均为32P,精原细胞在不含32P的培养液中培养,其中1个精原细胞进行一次有丝分裂和减数第一次分裂后,产生甲~丁4个细胞。这些细胞的染色体和染色单体情况如下图所示。
不考虑染色体变异的情况下,下列叙述正确的是 ( )
A.该精原细胞经历了2次DNA复制和2次着丝粒分裂
B.4个细胞均处于减数第二次分裂前期,且均含有一个染色体组
C.形成细胞乙的过程发生了同源染色体的配对和交叉互换
D.4个细胞完成分裂形成8个细胞,可能有4个细胞不含32P
(1)有丝分裂中染色体标记情况分析
过程
图解
有丝分裂一般选取一条染色体为研究对象,复制一次(所有DNA的母链均带标记,培养液不含标记同位素):
转至不含标记的培养液中再培养一个细胞周期:
规律
总结
若只复制一次,产生的子染色体全部带有标记;若复制两次,产生的子染色体中只有一半带有标记
(2)减数分裂中染色体标记情况分析
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(所有DNA的母链均带标记,培养液不含标记同位素):
规律
总结
由于减数分裂没有细胞周期,减数分裂前的间期DNA只复制一次,因此产生的子染色体都带有标记
命题角度四 基因的本质
7.微卫星DNA(STR)是真核细胞基因组中含有高度重复序列的DNA。富含A—T碱基对,不同个体的STR具有明显的差异。下列有关STR的说法错误的是 ( )
A.不同生物STR序列不同体现了DNA具有多样性
B.STR序列彻底水解产物是磷酸、核糖和4种碱基
C.相对于其他同长度DNA序列,STR序列结构的稳定性可能较差
D.STR序列可作为遗传标记基因用于个体鉴定
经典真题·明考向
1.[2024·北京卷] 科学家证明“尼安德特人”是现代人的近亲,依据的是DNA的 ( )
A.元素组成 B.核苷酸种类
C.碱基序列 D.空间结构
2.[2024·河北卷] 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 ( )
碱基种类
A
C
G
T
U
含量/%
31.2
20.8
28.0
0
20.0
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
3.[2024·浙江1月选考] 大肠杆菌在含有3H⁃脱氧核苷培养液中培养,3H⁃脱氧核苷掺入新合成的 DNA链中,经特殊方法显色,可观察到双链都掺入3H⁃脱氧核苷的 DNA区段显深色,仅单链掺入的显浅色,未掺入的不显色。掺入培养中,大肠杆菌拟核DNA第2次复制时,局部示意图如图。DNA 双链区段①②③对应的显色情况可能是 ( )
A.深色、浅色、浅色
B.浅色、浅色、深色
C.浅色、深色、深色
D.深色、浅色、深色
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第19讲 DNA分子的结构、复制及基因的本质
考点一
● 必备知识
1.(1)沃森和克里克 (2)①-c ②-e ③-a ④-b、d
2.C、H、O、N、P 脱氧核糖 A、T、G、C 脱氧核苷酸 磷酸 脱氧核糖 碱基 氢键 A T G C 反向平行
3.(1)氢键 (2)多样 4种碱基的排列顺序 4n (3)特异 特定的碱基排列顺序 (4)DNA的多样性和特异性
【深挖教材】
1.DNA通常为双链,RNA一般为单链,DNA的双螺旋结构比RNA的单链结构更稳定
2.在DNA分子中,配对的C和G之间有三个氢键,A和T之间有两个氢键,G—C碱基对数量越多,含氢键数量越多,DNA分子越稳定
● 典型例题
1.BCEH [解析] 沃森和克里克以DNA衍射图谱为基础推算出DNA呈螺旋结构,A错误。DNA每条链的5'端是磷酸基团末端,3'端是羟基(—OH)末端,D错误。5⁃甲基胞嘧啶和N6⁃甲基腺嘌呤属于碱基,两者不含脱氧核糖,F错误。不同生物DNA中都含有相同的4种核苷酸,“尼安德特人”与现代人的DNA碱基序列有相似部分,证明“尼安德特人”与现代人是近亲,G错误。在制作脱氧核苷酸时,需在脱氧核糖上连接磷酸和碱基,I错误。在双链DNA分子中,若一条链的G+C占47%,则另一条链的G+C也占47%,另一条链的A+T占1-47%=53%,J错误。
2.C [解析] DNA分子两条链之间遵循碱基互补配对原则,故任取两位同学制作的单链不一定能连接成DNA双链,C错误。
3.A [解析] 当基因M中含有的A都在a链上时,a链含有A的比例最多,此种情况下A占a链的比例为n÷(N/2) =2n/N, A正确;基因M的每一条链有1个游离的磷酸基团,因此基因M含有2个游离的磷酸基团,由题意可知:基因M共含有A+T+G+C=N(个)碱基,其中A=T=n个,则C=G=(N-2n)/2个,由于A—T中有2个氢键,C—G中有3个氢键,因此该基因中含有的氢键数目为2n+3×(N-2n)/2=1.5N-n,B错误;基因是由两条脱氧核苷酸链组成的,图中a和b共同组成基因M,因此基因M的等位基因m不能用b表示,C错误;等位基因是由基因突变产生的,基因突变是基因中碱基对增添、替换或缺失造成的,故基因M和它的等位基因m含有的碱基数可以不相等,D错误。
考点二
● 必备知识
1.同位素标记
2.(1)①亲代DNA 子代DNA ②细胞分裂前的间期 ③细胞核 (2)解旋 脱氧核苷酸 DNA聚合酶 碱基互补配对 (3)边解旋边复制 (4)完全相同 (5)双螺旋 碱基互补配对 遗传信息 遗传信息
3.①1个或2个 ②具有遗传效应的DNA片段 ③许多个基因 ④脱氧核苷酸排列顺序
【深挖教材】
1.加快DNA复制的速度,为细胞分裂做好物质准备
2.形成杂合双链区的部位越多,两种生物互补的碱基序列越多,DNA碱基序列的一致性越高,说明在生物进化过程中,这两种生物DNA碱基序列发生的变化越小,亲缘关系越近
● 典型例题
1.DE [解析] DNA半保留复制的原料为四种脱氧核糖核苷酸,A错误;DNA复制时,脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成子链,B错误;复制时,解旋酶使得DNA双链从复制起点开始,以双向进行的方式解旋,并不是从5'端到3'端解旋,C错误;DNA复制是边解旋边复制的,而不是氢键全部断裂后以两条母链为模板各合成一条子链,F错误;该病毒的基因位于单链RNA上,不是通过半保留复制传递给子代,G错误。
2.A [解析] DNA分子中A—T碱基对中有两个氢键,G—C碱基对中有三个氢键,因此在复制起点部位A—T碱基对比例较高,氢键数量相对较少,易于解旋,A正确。图甲中只有一个复制起点,不具有多起点特点;图乙有多个复制起点,B错误。结合图示可知,每一条子链合成时都有连续的部分,也有不连续的部分,C错误。DNA分子复制时,子链延伸方向都是5'→3',子链的合成都是从复制起点开始,故图甲中按照①②③的先后顺序合成子链,D错误。
3.B [解析] 15N和14N是氮元素的两种稳定同位素,不含放射性,它们的相对原子质量不同,可通过密度梯度离心技术区分含不同氮元素的DNA,进而区分DNA的母链和子链,A错误;在15N标记 DNA 的实验中,得到的 DNA条带的位置有轻带(两条链都含14N)、中带(一条链含14N,一条链含15N)、重带(两条链都含15N)三个,根据不同代 DNA 在离心后条带出现的位置和比例,证明了 DNA 的半保留复制,B正确;若将DNA解链为单链后再离心,无论是全保留复制还是半保留复制,结果都是只有两个条带,不能证明DNA的半保留复制,C错误;选择大肠杆菌作为实验材料是因为大肠杆菌繁殖快,容易培养,能在短时间内获得大量的子代,便于观察实验结果,而不是因为它有环状质粒DNA,D错误。
4.B [解析] 双链DNA中,互补链的A+T的比例相等,所以整个DNA分子中A+T占40%,则G+C占60%。总碱基数为3000×2=6000(个),G+C数目为6000×60%=3600(个),G的数目为3600÷2=1800(个),A正确。DNA复制为半保留复制,初始DNA两条链均含31P,复制3次后得到8个DNA分子,其中2个含31P(各含一条母链,另一条单链含32P),其余6个DNA分子两条链全含32P。因此,含32P的DNA分子占100%,含31P的占2/8=1/4,B错误。原DNA分子中A+T=40%,A=T,总A的数目为(3000×2×40%)÷2=1200(个)。复制3次相当于新合成7个DNA分子,所需A的数量为1200×7=8400(个),C正确。互补链的A+T的比例由碱基互补配对原则决定,与原链相同(40%),D正确。
5.D [解析] 结合题意可得,将含有基因修饰系统的T⁃DNA插入水稻细胞M的某条染色体上,M细胞在进行有丝分裂时,经复制后的染色体会平均分配到子细胞中,因此所有子细胞中都含有T⁃DNA,含有T⁃DNA的细胞的比例为100%,A、B错误;M经3次有丝分裂后,形成的子细胞有8个,由于M细胞一个DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,所以是G和U配对,复制三次后,有4个细胞中脱氨基位点为C—G,3个细胞中脱氨基位点为A—T,1个细胞中脱氨基位点为U—A,因此含T⁃DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占3/8,C错误;M中只有1个DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,所以复制n次后,产生的子细胞有2n个,但脱氨基位点为A—U的细胞只有1个,所以这种细胞所占的比例为1/2n,D正确。
6.C [解析] 图中的细胞是一个精原细胞进行一次有丝分裂和减数第一次分裂后产生的,这些细胞含有染色单体,说明着丝粒没有分裂,因此该精原细胞经历了2次DNA复制,1次着丝粒分裂,A错误;四个细胞还没有进入减数第二次分裂后期(着丝粒未分裂),因此可能处于减数第二次分裂前期或中期,且均含有一个染色体组,B错误;精原细胞进行一次有丝分裂后,产生的子细胞每个DNA上都有一条链含有32P,减数分裂前的间期完成DNA复制后,每条染色体上有1条染色单体含有32P,另一条染色单体不含32P,减数第一次分裂结束,每个细胞中应该含有2条染色体,四条染色单体,其中有两条染色单体含有32P,但乙细胞中有3条染色单体含有32P,原因是形成乙的过程中发生了同源染色体的配对和交叉互换,C正确;甲、丙、丁完成减数第二次分裂后至少产生3个含32P的细胞,乙细胞有3条染色单体含有32P,完成减数第二次分裂后产生的2个细胞都含有32P,因此4个细胞完成分裂形成8个细胞,至多有3个细胞不含32P,D错误。
7.B [解析] 由于碱基的排列顺序不同,不同生物的STR不同,体现了DNA具有多样性,A 正确; STR是DNA 分子,彻底水解后可以得到6种小分子物质,即磷酸、脱氧核糖和4种碱基,B 错误;STR中的A—T碱基对所占的比例较大,而 A 与 T 之间形成两个氢键, G 与 C 之间形成三个氢键,所以相对于其他同长度DNA序列,STR序列的稳定性可能较差,C正确; 由于不同个体的STR具有明显的差异,STR序列可作为遗传标记基因用于个体鉴定,D正确。
经典真题·明考向
1.C [解析] DNA的元素组成都是C、H、O、N、P,A不符合题意;DNA分子的核苷酸种类都只有4种,B不符合题意;每种DNA的碱基序列不同,“尼安德特人”与现代人的DNA 碱基序列相似度高,证明“尼安德特人”与现代人是近亲,C符合题意;DNA的空间结构都是规则的双螺旋结构,D不符合题意。
2.B [解析] 由表可知,碱基T的含量为0,则该病毒的遗传物质为RNA,由于A≠U,C≠G,故该RNA为单链。RNA中G+C的含量为48.8%,由碱基互补配对原则可知,其互补链中G+C的含量也为48.8%,A错误。该病毒的遗传物质为RNA,其可能会通过逆转录产生 DNA,然后整合到宿主DNA 上,导致宿主DNA 发生变异,B正确。病毒无细胞结构,没有核糖体,自身不能合成蛋白质,病毒基因的遗传不符合分离定律,C、D错误。
3.B [解析] 大肠杆菌在含有3H⁃脱氧核苷培养液中培养,DNA的复制方式为半保留复制,大肠杆菌拟核DNA第1次复制,3H⁃脱氧核苷掺入新合成的DNA链中,两条母链未掺入3H⁃脱氧核苷,仅子链掺入,故拟核DNA双链显浅色。拟核DNA在进行第2次复制时,区域①为暂未复制的区域,仅单链掺入,显浅色。区域②③,DNA两条模板链中一条掺入3H⁃脱氧核苷,另一条没有掺入,而新合成的子链都掺入3H⁃脱氧核苷。故双链都掺入3H⁃脱氧核苷的DNA双链区段显深色;仅单链掺入的DNA双链区段显浅色,B正确。
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