第二讲 DNA分子的结构和复制 基因是有遗传效应的DNA片段1.DNA的两条脱氧核苷酸链反向平行盘旋成规则的双螺旋结构。2．DNA双螺旋结构的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成的。3．DNA上的碱基对严格遵循碱基互补配对原则，通过氢键连接。4．DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。5．DNA复制具有边解旋边复制、半保留复制的特点。6．DNA复制需要解旋酶和DNA聚合酶参与。7．基因是具有遗传效应的DNA片段，基因在染色体上呈线性排列。8．染色体是基因的主要载体。线粒体、叶绿体中也存在基因。一、DNA分子的结构(1)元素组成：C、H、O、N、P。(2)基本单位：4种脱氧核苷酸。①磷酸基团；②脱氧核糖；③腺嘌呤；④腺嘌呤脱氧核苷酸。(3)平面结构：①基本骨架：磷酸、脱氧核糖交替连接而成的反向平行长链。②碱基对：(4)空间结构：规则的双螺旋结构。脱氧核苷酸种类不同决定于哪一结构？提示：决定于碱基不同。二、DNA的复制13\n(1)概念：以DNA两条链为模板，合成子代DNA的过程。(2)时间：上述过程发生在有丝分裂间期、减数第一次分裂前的间期。(3)条件及过程：①A过程是解旋，需要解旋酶和消耗能量。②B过程是合成子链，需要DNA聚合酶、4种脱氧核苷酸为原料，解旋的DNA双链为模板，消耗能量。③C过程是形成子代DNA。(4)特点：①由图示C过程形成的子代DNA两条链组成可看出，DNA复制具有半保留复制特点。②边解旋边复制。(5)意义：使遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。不同生物的DNA复制场所都相同吗？提示：不相同。原核生物，如细菌——拟核；真核生物——细胞核、线粒体、叶绿体；病毒——宿主细胞内。三、基因——有遗传效应的DNA片段1．据图甲写出基因与染色体的关系(1)位置关系：基因在染色体上呈线性排列。(2)数目关系：一条染色体上含有多个基因。2．写出图乙中字母所代表的内容a．染色体；b.DNA；c.基因；d.脱氧核苷酸。3．基因的本质是具有遗传效应的DNA片段。[知识体系构建]13\n①双螺旋 ②两条反向平行长链 ③磷酸、脱氧核糖交替连接 ④碱基互补配对形成碱基对 ⑤稳定性,⑥多样性 ⑦特异性 ⑧边解旋边复制、半保留复制,⑨解旋→合成子链→形成子代DNA ⑩基因DNA分子的结构、复制(1)(2022·广东卷T24A)DNA分子由4种脱氧核苷酸组成。(√)(2)(2022·广东卷T24B)DNA单链上相邻碱基以氢键连接。(×)(3)(2022·江苏卷T1D)双链DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数。(√)(4)(2022·海南卷T25A)真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶和能量。(√)(5)(2022·上海卷T16A)在一个细胞周期中，DNA复制过程中的解旋发生在两条DNA母链之间。(√)(6)(2022·广东卷T4C)DNA复制就是基因表达的过程。(×)DNA的结构模式图解读(1)基本组成单位——脱氧核苷酸：每分子含有磷酸、脱氧核糖和含氮碱基各1个。①磷酸：每个DNA片段中，游离的磷酸基团有2个。②碱基：共有4种，分别是A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)。③脱氧核糖：属于五碳糖。(2)结构中的化学键：13\n①氢键：配对的碱基间形成碱基对，通过氢键相连，可用DNA解旋酶断裂，也可用高温断裂。②磷酸二酯键：连接磷酸和相邻脱氧核苷酸的脱氧核糖的化学键，可用限制酶切断，可用DNA连接酶或DNA聚合酶连接。(3)结构特点：①稳定性：DNA中脱氧核糖和磷酸交替连接的方式不变；两条链间碱基互补配对的方式不变。②多样性：DNA分子中碱基对排列顺序多种多样。③特异性：每种DNA有别于其他DNA的特定的碱基排列顺序。(4)水解产物及氢键数目计算：①DNA水解产物：初步水解产物是脱氧核苷酸，彻底水解产物是磷酸、脱氧核糖和含氮碱基。②氢键数目计算：若碱基对为n，则氢键数为2n～3n，若已知A有m个，则氢键数为3n－m。高考地位本考点知识难度不大，重在理解识记，在高考命题中属常考点之一命题角度以DNA分子结构图示为信息载体，考查其结构、复制的相关知识及识图分析能力，如典例1。[典例1] 如图为DNA分子的结构示意图，对该图的正确描述是( )A．②和③相间排列，构成了DNA分子的基本骨架B．①②③构成胞嘧啶脱氧核苷酸C．当DNA复制时，DNA连接酶催化④的形成D．DNA分子中⑤⑥⑦⑧依次代表A、G、C、T13\n[解析] 选D 图中②是脱氧核糖，③是胞嘧啶碱基，①是磷酸基团，构成DNA分子基本骨架的是图中①与②交替连接而成的；构成图中胞嘧啶脱氧核苷酸是②③及连接在③脱氧核糖的5号碳原子上连着的磷酸基团；DNA复制时，碱基对之间氢键形成不需酶催化，通过碱基互补配对即可形成；根据碱基互补配对原则，与图中右侧链上碱基自上而下配对的碱基分别为A、G、C、T。DNA分子及复制过程中的相关计算1．(2022·山东高考)假设一个双链均被32P标记的噬菌体DNA由5000个碱基对组成，其中腺嘌呤占全部碱基的20%。用这个噬菌体侵染只含31P的大肠杆菌，共释放出100个子代噬菌体。下列叙述正确的是( )A．该过程至少需要3×105个鸟嘌呤脱氧核苷酸B．噬菌体增殖需要细菌提供模板、原料和酶等C．含32P与只含31P的子代噬菌体的比例为1∶49D．该DNA发生突变，其控制的性状即发生改变解析：选C 该DNA分子中鸟嘌呤个数为5000×2×(50%－20%)＝3000(个)，产生100个子代噬菌体至少需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸数为3×103×99＝2.97×105(个)；噬菌体以自身的DNA分子作为模板进行增殖；子代噬菌体中含32P的有2个，只含31P的有98个，其比例为1∶49；DNA分子发生突变，改变后的密码子所对应的氨基酸可能不变，故其性状可能不发生改变。2．(2022·上海高考)细胞内某一DNA片段中有30%的碱基为A，则该片段中( )A．G的含量为30% B．U的含量为30%C．嘌呤含量为50%D．嘧啶含量为40%解析：选C 根据DNA双螺旋结构中A＝T、C＝G可知，嘌呤之和等于嘧啶之和。其他碱基的含量分别为：T＝A＝30%，C＝G＝[1－(30%＋30%)]/2＝20%。1．有关DNA的碱基计算根据A＝T，G＝C，图示如下：α链 —A—G—C—T—T—C—C—…mβ链 —T—C—G—A—A—G—G—…m则：(1)⇒简记为“配对的两碱基之和在单、双链中所占比例相等”。(2)()α＝()β＝()RNA＝()双链(3)设()α＝n，则()β＝。13\n且以α链为模板合成的RNA中()RNA＝。简记为“DNA两互补链中，不配对两碱基和的比值乘积为1”。(4)在一个双链DNA分子中，某碱基占碱基总数的百分数等于每条链中该碱基所占比例的平均值。即＝(5)DNA分子中，脱氧核苷酸数＝脱氧核糖数＝磷酸数＝含氮碱基数。2．有关DNA复制的计算DNA的复制为半保留复制，一个DNA分子复制n次，则有：(1)子代DNA分子数为：2n个。①含有亲代链的DNA分子数为：2个。②不含有亲代链的DNA分子数为(2n－2)个。(2)子代脱氧核苷酸链数为：2n＋1条。①亲代脱氧核苷酸链为：2条。②新合成的脱氧核苷酸链为：(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第n次复制所需该脱氧核苷酸数为m·2n－1。高考地位本考点知识难度较大，重在知识理解应用，在高考命题中属于常考点之一命题角度以选择题形式考查DNA复制过程中相关计算及计算能力，如典例2。[典例2] (2022·威海模拟)用15N标记含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，该DNA分子在含14N的培养基中连续复制四次。其结果不可能是( )A．含有15N的DNA分子占1/8B．含有14N的DNA分子占7/8C．消耗游离的腺嘌呤脱氧核苷酸600个D．产生了16个DNA分子[解析] 选B 由于DNA复制是半保留复制，经过四次复制形成16个DNA分子，有2个DNA分子中一条链含有15N，另一条链含有14N，其余14个DNA分子两条链都含有1413\nN，该DNA分子中含胞嘧啶60个，根据碱基互补配对原则G＝C，因此鸟嘌呤有60个，腺嘌呤A＝T＝1/2(200－120)＝40个，复制四次需要腺嘌呤脱氧核苷酸的数量为40×(24－1)＝600个。实验平台—1．实验方法探究DNA复制的方式，采用的是同位素示踪技术和离心处理，根据试管中DNA的分布位置确定复制方式。2．有关DNA复制方式的推测(1)全保留复制模型：作为模板的DNA的两条母链分开，分别复制形成两条DNA子链，此后两条母链彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子。(2)弥散复制模型：亲代DNA双链被切成双链片段，而这些片段又可以作为新合成双链片段的模板，新、老双链又以某种方式聚集成“杂种链”。(3)半保留复制：在复制过程中，原来双螺旋的两条链并没有被破坏，它们分成单独的链，每一条旧链作为模板再合成一条新链，这样在新合成的两个双螺旋分子中，每个分子中都有一条旧链和一条新链。3．实验过程(见下图)第一步：将大肠杆菌放在含有15N的培养基中培养，获得实验用的亲代细菌，使亲代的DNA双链都标记上15N(两条链均为重链)，提取DNA进行CsCl梯度离心，结果只有一条重带。第二步：将双链均被15N标记的亲代DNA放在含14N的培养基中生长，让其再繁殖一代，取子代的DNA进行CsCl梯度离心，实验结果显示离心管中出现一条中带(一条链含15N，另一条链含14N)。第三步：将第二步所得到的大肠杆菌放入含14N的培养基中培养，得到子二代，然后提取DNA进行CsCl梯度离心，实验结果是离心管中有2条带，即一条轻带(两条链都含1413\nN)，另一条为中带。某校一个生物活动小组借助某大学的实验设备，对有关DNA复制的方式进行探究，有人认为DNA是全保留复制，也有人认为DNA是半保留复制。为了证明这两种假设，这个小组设计了下列实验程序，请完成实验并对结果进行预测。(1)实验步骤：第一步：在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N—14N；在氮源为15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N—15N。用某种离心方法分离得到的结果如上图所示，其DNA分别分布在轻带和重带上。第二步：将亲代大肠杆菌(含15N)转移到含14N的培养基上繁殖一代(Ⅰ)，请分析：如果DNA位于________带位置，则是全保留复制；如果DNA位于________带位置，则是半保留复制。第三步：为了进一步验证第二步的推测结果，将亲代大肠杆菌(含15N)转移到含14N的培养基上连续繁殖两代(Ⅱ)，请分析：如果DNA位于________带位置，则是全保留复制；如果DNA位于________带位置，则是半保留复制。(2)有人提出：第一代(Ⅰ)的DNA用解旋酶处理后再离心，就能直接判断DNA的复制方式，如果轻带和重带各占1/2，则一定为半保留复制。你认为此人说法是否正确？________。原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。[解析] 如果DNA的复制方式为全保留复制，则一个亲代(15N—15N)的大肠杆菌转移到含14N的培养基上繁殖一代，子代两个DNA分子是：一个15N—15N，一个14N—14N，其在离心管中分布的位置是一半在轻带、一半在重带；如果DNA的复制方式为半保留复制，则一个亲代(15N—15N)的大肠杆菌转移到含14N的培养基上繁殖一代，子代两个DNA分子都是15N—14N，其在离心管中分布的位置全部在中带。[答案] (1)1/2重和1/2轻 全中 1/4重和3/4轻 1/2中和1/2轻(2)不正确 无论是半保留复制还是全保留复制，离心后的结果是一致的，无法区分技法平台—13\n[典例] (2022·北京高考)科学家以大肠杆菌为实验对象，运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验，实验内容及结果见下表。组别1组2组3组4组培养液中唯一氮源14NH4Cl15NH4Cl14NH4Cl14NH4Cl繁殖代数多代多代一代两代培养产物ABB的子Ⅰ代B的子Ⅱ代操作提取DNA并离心离心结果仅为轻带(14N/14N)仅为重带(15N/15N)仅为中带(15N/14N)1/2轻带(14N/14N)1/2中带(15N/14N)请分析并回答：(1)要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌B，必须经过________代培养，且培养液中的________是唯一氮源。(2)综合分析本实验的DNA离心结果，第________组结果对得到结论起到了关键作用，但需把它与第________组和第________组的结果进行比较，才能说明DNA分子的复制方式是________。(3)分析讨论：①若子Ⅰ代DNA的离心结果为“轻”和“重”两条密度带，则“重带”DNA来自________，据此可判断DNA分子的复制方式不是________复制。②若将子Ⅰ代DNA双链分开后再离心，其结果________(选填“能”或“不能”)判断DNA的复制方式。③若在同等条件下将子Ⅱ代继续培养，子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置________，放射性强度发生变化的是________带。④若某次实验的结果中，子Ⅰ代DNA的“中带”比以往实验结果的“中带”略宽，可能的原因是新合成DNA单链中的N尚有少部分为________。[解析] 本题主要考查DNA分子复制的相关知识，意在考查学生对同位素示踪技术与密度梯度离心方法的掌握情况。经过一代培养后，只能是标记DNA分子的一条单链，所以要想对所有的DNA分子全部标记，要进行多代培养；在探究DNA分子的复制方式为半保留复制的实验中，“重带”应为两个单链均被15N标记，“轻带”为两个单链均被14N标记，“中带”为一个单链被14N标记，另一个单链被15N标记。[答案] (1)多 15N/15NH4Cl(2)3 1 2 半保留复制(3)①B 半保留 ②不能 ③没有变化 轻 ④15N13\n同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫示踪元素。用示踪元素标记的化合物，化学性质不变。人们可以根据这种化合物的放射性，对有关的一系列化学反应进行追踪。这种科学研究方法叫做同位素标记法。下面高中生物学教材中涉及的同位素标记类型。(1)标记某元素，追踪其转移过程。如在光合作用中，分别用18O标记H2O和用14C标记CO2，以追踪18O和14C的转移途径：①14CO2→14C3→(14CH2O)；②H218O→18O2。(2)标记特征元素，探究化合物的作用。如噬菌体侵染细菌实验：①用32P标记DNA，证明DNA是遗传物质。②用35S标记蛋白质，证明蛋白质外壳未进入细菌体内，推测蛋白质不是遗传物质。(3)标记特征化合物，探究详细生理过程。如：①3H标记亮氨酸，探究分泌蛋白的合成、加工、运输过程。②15N标记DNA，证明了DNA的半保留复制特点。③分别用3H标记胸腺嘧啶和尿嘧啶，可以用来探究DNA和RNA的复制、RNA的逆转录、基因的表达(转录和翻译)等。[高考随堂体验]1．(2022·福建高考)双脱氧核苷酸常用于DNA测序，其结构与脱氧核苷酸相似，能参与DNA的合成，且遵循碱基互补配对原则。DNA合成时，在DNA聚合酶作用下，若连接上的是双脱氧核苷酸，子链延伸终止；若连接上的是脱氧核苷酸，子链延伸继续。在人工合成体系中，有适量的序列为GTACATACATG的单链模板、胸腺嘧啶双脱氧核苷酸和4种脱氧核苷酸。则以该单链为模板合成出的不同长度的子链最多有( )A．2种 B．3种C．4种D．5种解析：选D 分析题干可知，题中所给的单链模板中含有4个“A”，其中每个“A”均可能与胸腺嘧啶双脱氧核苷酸配对，当单链模板上的“A”与胸腺嘧啶双脱氧核苷酸配对时子链延伸终止，因此当单链模板上的“A”与胸腺嘧啶双脱氧核苷酸配对会有4种不同长度的子链；若单链模板上的“A”只与脱氧核苷酸结合，以该单链为模板合成出的子链只有1种，综上所述，以该单链为模板合成出的不同长度的子链最多有5种。2．(2022·上海高考)在一个细胞周期中，DNA复制过程中的解旋发生在( )A．两条DNA母链之间B．DNA子链与其互补的母链之间13\nC．两条DNA子链之间D．DNA子链与其非互补母链之间解析：选A 在DNA复制时，首先是构成DNA的两条母链解旋，然后以分开的两条母链为模板，按照碱基互补配对原则合成子链。3．(2022·海南高考)关于核酸生物合成的叙述，错误的是( )A．DNA的复制需要消耗能量B．RNA分子可作为DNA合成的模板C．真核生物的大部分核酸在细胞核中合成D．真核细胞染色体DNA的复制发生在有丝分裂前期解析：选D 真核细胞染色体DNA的复制发生在有丝分裂间期，复制过程需消耗能量；逆转录是以RNA为模板合成DNA的过程；真核细胞核酸的合成主要是在细胞核中完成的。4．(2022·江苏高考)下列关于核酸的叙述中，正确的是( )A．DNA和RNA中的五碳糖相同B．组成DNA与ATP的元素种类不同C．T2噬菌体的遗传信息贮存在RNA中D．双链DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数解析：选D DNA含的五碳糖是脱氧核糖，RNA含的五碳糖是核糖；组成DNA和ATP的元素种类都是C、H、O、N、P；T2噬菌体的遗传信息贮存在DNA中；DNA中A与T配对、G与C配对，故双链DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数。5．(2022·山东高考)蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期，然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期，其染色体的放射性标记分布情况是( )A．每条染色体的两条单体都被标记B．每条染色体中都只有一条单体被标记C．只有半数的染色体中一条单体被标记D．每条染色体的两条单体都不被标记解析：选B 蚕豆根尖细胞的染色体上的DNA分子原来不含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷，在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期后，复制形成的所有DNA分子中一条链含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷，一条链不含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷；在不含放射性标记的培养基中继续培养至分裂中期，每条染色体上的两个DNA分子只有一个含有放射性。6．(2022·安徽高考)甲、乙图示真核细胞内两种物质的合成过程，下列叙述正确的是( )13\nA．甲、乙所示过程通过半保留方式进行，合成的产物是双链核酸分子B．甲所示过程在细胞核内进行，乙在细胞质基质中进行C．DNA分子解旋时，甲所示过程不需要解旋酶，乙需要解旋酶D．一个细胞周期中，甲所示过程在每个起点只起始一次，乙可起始多次解析：选D 甲过程表示多起点的DNA半保留复制，合成的产物是双链DNA分子，该过程主要发生在细胞核内，在一个细胞周期中，DNA只复制一次；乙过程为转录，合成的产物为单链RNA分子，该过程主要发生在细胞核内，在一个细胞周期中，该过程可起始多次；DNA复制和转录均需解旋酶。7．(2022·浙江高考)为了探究某物质(X)的作用，研究者提出了以下实验思路：(1)实验分组：甲组：培养液＋Y细胞＋3H－TdR(3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷)＋生理盐水乙组：培养液＋Y细胞＋3H－TdR＋X(用生理盐水配制)每组设置若干个重复样品。(2)分别测定两组的CRD(细胞内的放射性强度)，求每组的平均值。(3)将各样品在适宜条件下培养合适时间后，测定其CRD，求每组平均值并进行统计分析。(要求与说明：答题时用X、CRD、3H－TdR表示相关名词；Y细胞是能增殖的高等动物体细胞)请回答：(1)实验目的：_________________________________________________________。(2)预测实验结果及结论：_______________________________________________________________________________________________________________________。(3)实验中采用3H－TdR的原因：__________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)根据实验所给信息，培养液中含有3H－TdR，该物质为胸腺嘧啶脱氧核苷，用于细胞分裂过程中DNA分子的复制，由此判断，该实验的目的是探究X对动物细胞增殖的影响。(2)由于不清楚X物质的具体作用，其可能促进细胞增殖，也可能抑制细胞增殖或不影响细胞增殖，故在预测实验结果时，应罗列各种结果及对应的结论。若甲组CRD明显高于乙组，则X物质抑制动物细胞的增殖；若甲组CRD明显低于乙组，则X物质促进动物细胞的增殖；若甲组CRD与乙组基本相同，则X物质不影响动物细胞的增殖。(3)实验中采用313\nH－TdR，而不选择其他的碱基，原因在于该胸腺嘧啶脱氧核苷是DNA分子结构所特有的化学成分，不会出现在RNA分子中，且在DNA分子复制时需要3H－TdR作为原料。答案：(1)探究X对Y细胞增殖(DNA合成)的影响(2)如果乙组CRD明显高于甲组，说明X对Y细胞增殖(DNA合成)有促进作用；如果乙组CRD与甲组基本相同，说明X对Y细胞增殖(DNA合成)无影响；如果乙组CRD明显低于甲组，说明X对Y细胞增殖(DNA合成)有抑制作用(3)3H－TdR是DNA合成的原料之一，可根据CRD变化来判断细胞增殖(DNA合成)情况13
