资源简介 中小学教育资源及组卷应用平台【备考2023】高中生物新教材一轮复习学案第18讲 DNA的结构、复制及基因的本质[素养目标]1.通过掌握DNA分子的结构和功能,理解生命的延续和发展。(生命观念)2.通过DNA分子中的碱基数量和DNA复制的计算规律,培养归纳与概括、逻辑分析和计算能力。(科学思维)3.通过DNA复制方式的探究,培养实验设计及结果分析的能力。(科学探究) DNA的结构及相关计算1.DNA双螺旋结构模型的构建者:沃森和克里克。2.图解DNA分子双螺旋结构(1)DNA由两条脱氧核苷酸链组成,这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。(2)外侧:脱氧核糖和磷酸交替连接构成基本骨架。(3)内侧:两链上碱基通过氢键连接成碱基对。碱基互补配对遵循以下原则:A===T(两个氢键)、G≡C(三个氢键)。[巧记] 利用数字“五、四、三、二、一”巧记DNA分子的结构1.(必修2 P48“思考·讨论”)威尔金斯和富兰克林通过对DNA衍射图谱的有关数据进行分析,得出DNA分子呈螺旋结构。(×)2.(必修2 P50图3 8)DNA分子一条链上的相邻碱基通过“—磷酸—脱氧核糖—磷酸—”相连。(×)3.(必修2 P50图3 8)双链DNA分子同时含有2个游离的磷酸基团,其中嘌呤碱基数等于嘧啶碱基数。(√)4.(必修2 P50图3 8)DNA分子是由两条核糖核苷酸长链反向平行盘旋成双螺旋结构。(×)5.(必修2 P50图3 8)DNA分子中(A+T)/(C+G)的值越大,该分子结构稳定性越低。(√)1.必修2 P48~49“思考·讨论”节选:沃森和克里克默契配合,揭示了DNA的双螺旋结构,是科学家合作研究的典范,在科学界传为佳话。他们的这种工作方式给予你哪些启示?提示:要善于利用他人的研究成果和经验;要善于与他人交流、合作,闪光的思想是在交流与碰撞中获得的;研究小组成员在知识背景上最好是互补的,对所从事的研究要有兴趣和激情。2.必修2 P51“探究·实践”节选:DNA只含有4种脱氧核苷酸,它为什么能够储存足够量的遗传信息?提示:DNA虽然只含有4种脱氧核苷酸,但是碱基的排列顺序却是千变万化的。碱基排列顺序的千变万化,使DNA储存了大量的遗传信息。3.必修2 P52“科学·技术·社会”:通过DNA指纹技术可获得嫌疑人的信息,根本原因是什么?提示:每个人DNA的脱氧核苷酸序列不同。1.DNA分子结构中两种关系与两类化学键的比较[科学思维]2.DNA中的碱基数量的计算规律[科学思维]设DNA一条链为1链,互补链为2链。根据碱基互补配对原则可知,A1=T2,A2=T1,G1=C2,G2=C1。(1)A1+A2=T1+T2;G1+G2=C1+C2。即:双链中A=T,G=C,A+G=T+C=A+C=T+G=(A+G+T+C)。规律一:双链DNA中嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数,任意两个不互补碱基之和为碱基总数的一半。(2)A1+T1=A2+T2;G1+C1=G2+C2。==(N为相应的碱基总数),==。规律二: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,简记为“补则等”。(3)与的关系是互为倒数。规律三:非互补碱基之和的比值在两条互补链中互为倒数,简记为“不补则倒”。(4)若=a,=b,则=(a+b)。规律四:某种碱基在双链中所占的比例等于它在每一条单链中所占比例和的一半。[探究意图:以DNA分子结构图示为情境信息考查理解能力]根据DNA分子结构图回答下列问题:(1)DNA初步水解的产物和彻底水解的产物分别是什么?提示:初步水解的产物是4种脱氧核苷酸,彻底水解的产物是磷酸、脱氧核糖和4种含氮碱基。(2)图中的氢键、磷酸二酯键在细胞内可用什么酶断裂或切割?提示:DNA分子中碱基对之间的氢键,可用解旋酶断裂,磷酸二酯键用限制酶处理切割。(3)DNA分子中若碱基对数为n,A有m个,则氢键数为多少?提示:3n-m。突破点1 1.(2022·辽宁大连模拟)如图为某链状DNA分子部分结构示意图,以下叙述正确的是( )A.④是一个鸟嘌呤脱氧核苷酸B.DNA聚合酶可催化⑥或⑦的形成C.解旋酶可断开⑤,因此DNA的稳定性与⑤无关D.A链和B链的方向相反,该DNA分子共具有2个游离的磷酸基团解析:①是胸腺嘧啶脱氧核苷酸中的磷酸,①②③不是一个鸟嘌呤脱氧核苷酸的组成部分,A错误;DNA聚合酶催化⑥的形成,不催化⑦的形成,B错误;⑤是氢键,氢键是维持DNA结构稳定的因素之一,C错误;链状DNA分子两条链的末端各有一个游离的磷酸基团,所以该DNA中共具有2个游离的磷酸基团,D正确。答案:D2.核苷酸链的一端称为5′ 端,另一端称为3′ 端。按照惯例,应该从5′→3′书写核苷酸链中的碱基序列。下列能够形成双螺旋结构的是( )A.GGAATTCGACTTGA和CCTTAAGCTGAACTB.GGAATTCGACTTGA和TCAAGTCGAATTCCC.GGAATTCGACTTGA和GGAATTCGACTTGAD.上述选项中的核苷酸链之间均能形成双螺旋结构解析:该选项中两条脱氧核苷酸链如果形成双螺旋结构,则应为5′GGAATTCGACTTGA3′和3′TCAAGTCG AATTCC5′,B正确。答案:B(1)一个双链DNA分子具有2个游离的磷酸基团,而环状DNA不存在。(2)并非所有的DNA均具“双链”。(3)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。突破点2 3.在一个DNA分子中,腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基总数的54%。若其中一条链的胞嘧啶占该链碱基总数的22%,胸腺嘧啶占28%,则另一条链上,胞嘧啶、胸腺嘧啶分别占该链碱基总数的( )A.24%、26% B.22%、28%C.27%、23% D.20%、30%解析:已知双链DNA分子中,腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的54%,即A+T=54%,则A=T=27%,C=G=50%-27%=23%。又已知一条链上的胞嘧啶占该链碱基总数的22%、胸腺嘧啶占28%,即C1=22%,T1=28%,根据碱基互补配对原则,C=(C1+C2)÷2,所以C2=24%,同理T2=26%。答案:A4.(多选)下列有关双链DNA分子的叙述,正确的是( )A.若DNA分子一条链中的碱基A所占比例为a,则另一条链的碱基C所占比例为B.如果一条链上(A+T)∶(G+C)=m,则另一条链上该比值也为mC.如果一条链上的A∶T∶G∶C=2∶2∶3∶3,则另一条链上该比值为3∶3∶2∶2D.由50个碱基对组成的DNA分子片段中至少含有氢键的数量为100个解析:若DNA分子一条链中的碱基A所占比例为a,据此无法计算出另一条链的碱基C所占比例,A错误;如果一条链上的A∶T∶G∶C=2∶2∶3∶3,则另一条链上该比值为2∶2∶3∶3,C错误;由50个碱基对组成的DNA分子片段中至少含有氢键的数量为50×2=100(个),最多含有氢键的数量为50×3=150(个),D正确。答案:BD DNA的复制及基因的概念1.对DNA复制的推测(1)提出者:沃森和克里克。(2)假说:半保留复制。2.实验证据(1)实验者:美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔。(2)研究方法:假说—演绎法。(3)实验材料:大肠杆菌。(4)实验技术:同位素标记技术和离心技术。(5)实验原理:含15N的双链DNA密度大,含14N的双链DNA密度小,一条链含14N、一条链含15N的双链DNA密度居中。(6)实验过程与结果:(7)实验结论:DNA的复制是以半保留方式进行的。3.DNA复制(1)概念、时间、场所(2)过程(3)特点:边解旋边复制(过程上)、半保留复制(结果上)。(4)准确复制的原因和意义①DNA具有独特的双螺旋结构,为复制提供精确的模板;通过碱基互补配对,保证了复制能够准确地进行。②DNA通过复制,将遗传信息从亲代传给了子代,保持了遗传信息的连续性。[巧记] 利用数字“二、二、三、四”巧记DNA的复制4.基因与DNA(1)遗传信息:遗传信息是指基因中的脱氧核苷酸的排列顺序。不同基因的脱氧核苷酸的排列顺序不同,含有的遗传信息不同。(2)DNA的特性①多样性:具有n个碱基对的DNA具有4n种碱基对排列顺序。②特异性:每种DNA分子都有其特定的碱基排列顺序。③稳定性:两条主链中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。(3)基因通常是有遗传效应的DNA片段。1.(必修2 P55正文)单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链。(×)2.(必修2 P55正文)DNA复制时,严格遵循A-U、C-G的碱基互补配对原则。(×)3.(必修2 P55正文)DNA分子复制时解旋酶与DNA聚合酶不能同时发挥作用。(×)4.(必修2 P56“概念检测”)DNA分子复制与染色体复制是分别独立进行的。(×)5.(必修2 P59黑体)基因就是具有遗传效应的DNA片段。(×)1.必修2 P55“旁栏思考”:第一代只出现一条居中的DNA条带,这个结果排除了哪种复制方式?提示:第一代只出现一条居中的DNA条带,这个结果排除了全保留复制的方式。2.必修2 P58“相关信息”:如何理解遗传物质是信息分子?提示:量子物理学奠基人薛定谔认为遗传是遗传信息的复制、传递与表达,遗传物质是一种信息分子。1.“图解法”分析DNA复制过程中的数量关系[科学思维]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。2.基因、DNA、染色体之间的关系[生命观念][探究意图:以DNA复制图示为情境信息考查理解及问题解决能力]下图是DNA复制的有关图示,A→B→C表示大肠杆菌的DNA复制。D→G表示哺乳动物的DNA分子复制。图中黑点表示复制起始点,“→”表示复制方向:(1)若A中含48 502个碱基对,而子链延伸速度是105个碱基对/min,则此DNA分子复制完成约需30 s,而实际上只需约16 s。根据A→C图分析,是什么原因?提示:复制是双向进行的。(2)哺乳动物的DNA分子展开可达2 m之长,若按A→C的方式复制,至少8 h,而实际上约6 h左右。根据D→G图分析,是什么原因?提示:从多个起始点同时进行复制。(3)C与A相同,G与D相同,C、G能被如此准确地复制出来,原因是什么?提示:DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供精确的模板;DNA分子的碱基互补配对原则。突破点1 1.(2022·广东茂名模拟)复制叉是复制时双链打开,分开成两股,各自作为模板,子链沿模板延长所形成的Y字型结构(如图),复制叉从复制起始点开始沿着DNA链有序移动。DNA甲基化会引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变。下列叙述正确的是( )A.解旋酶能使DNA两条螺旋的双链完全打开后再复制B.DNA聚合酶作用对象是氢键C.甲基化修饰DNA链不会影响复制叉的有序移动D.多起点双向复制可提高复制速率解析:DNA分子的复制特点是边解旋边复制,解旋酶能使DNA两条螺旋的双链打开,A错误;DNA聚合酶的作用对象是磷酸二酯键,B错误;由于DNA甲基化引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式发生了改变,甲基化修饰DNA链会直接停顿复制叉,C错误;多起点双向复制可以提高复制的速率,能在短时间内得到较多的DNA分子,D正确。答案:D2.(2022·山东淄博模拟)14N和15N是N元素的两种稳定同位素,含15N的DNA比含14N的DNA密度大。为探究DNA复制的方式,科学家先用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌,繁殖若干代得到的大肠杆菌,其DNA几乎都被15N标记;再将大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的普通培养液中培养。收集不同时期的大肠杆菌,提取DNA并进行离心处理,离心后试管中DNA的位置如图所示。下列推测不合理的是( )A.子代DNA的两条链可能都含有15NB.1号带中的DNA的氮元素都是14NC.2号带证明DNA复制方式为半保留复制D.3号带的DNA为亲代大肠杆菌的DNA解析:因为DNA的半保留复制,被15N标记的大肠杆菌在14N内培养,所以子代DNA的两条链不可能都含有15N,A符合题意;1号带重量最轻,其DNA的氮元素都是14N,B不符合题意;2号带DNA为杂交带,既含有14N,也含有15N,证明了DNA分子的两条链一条来自亲本,一条是新合成的,可以证明复制为半保留复制,C不符合题意;3号带两条链均为15N,是亲代大肠杆菌的DNA,D不符合题意。答案:A1.将一个带有某种噬菌体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________________________________________________________________________________________________________________________________________________。提示: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2.通常DNA分子复制从一个复制起始点开始,有单向复制和双向复制,如图所示:放射性越高的3H 胸腺嘧啶脱氧核糖核苷(3H 脱氧胸苷),在放射自显影技术的图像上,感光还原的银颗粒密度越高。请利用放射性自显影技术、低放射性3H 脱氧胸苷和高放射性3H 脱氧胸苷,设计实验以确定大肠杆菌DNA复制的方向,简要写出①实验思路;②预测实验结果和得出结论。提示:实验思路:复制开始时,首先用含低放射性3H 脱氧胸苷培养基培养大肠杆菌,一段时间后转移到含有高放射性3H 脱氧胸苷的培养基中继续培养,用放射自显影技术观察复制起点和复制起点两侧银颗粒密度情况。预测实验结果及结论:若复制起点处银颗粒密度低,一侧银颗粒密度高,则DNA分子复制为单向复制;若复制起点处银颗粒密度低,复制起点的两侧银颗粒密度高,则DNA分子复制为双向复制。突破点2 3.用15N标记含有100个碱基对的DNA分子(其中有腺嘌呤60个),该DNA分子在含14N的培养基中连续复制4次。下列有关判断错误的是( )A.含有15N的DNA分子有两个B.含有14N的DNA分子占总数的7/8C.第4次复制消耗胞嘧啶脱氧核苷酸320个D.复制共产生16个DNA分子解析:由于DNA分子的复制是半保留复制,亲代DNA分子的两条链始终存在于子代的两个DNA分子中,因此含有15N的DNA分子有两个;该DNA分子是在含14N的培养基中复制的,新形成的子链均含有14N,故所有DNA分子都含14N;根据碱基互补配对原则,DNA分子含有100个碱基对,其中腺嘌呤有60个,则胞嘧啶有40个,第4次复制需消耗胞嘧啶脱氧核苷酸数=24-1×40=320(个);1个DNA分子经过4次复制,共产生DNA分子数=24=16(个)。答案:B4.(多选)将一个没有被放射性同位素32P标记的大肠杆菌(拟核DNA呈环状,共含有m个碱基,其中有a个胸腺嘧啶)放在含有32P 胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中培养一段时间,检测到如图Ⅰ、Ⅱ两种类型的DNA(虚线表示含有放射性的脱氧核苷酸链)。下列有关该实验的结果预测与分析,不正确的是( )A.DNA第二次复制产生的子代DNA有Ⅰ、Ⅱ两种类型,比例为1∶3B.DNA复制后分配到两个子细胞时,其上的基因遵循基因分离定律C.复制n次需要胞嘧啶的数目是(2n-1)(m-a)×0.5D.复制n次形成的放射性脱氧核苷酸单链数为2n+1-2解析:出现Ⅰ、Ⅱ两种类型的DNA表明至少复制了2次,DNA第二次复制产生的子代DNA共4个,有Ⅰ、Ⅱ两种类型,比例为1∶1,A错误;大肠杆菌是原核生物,不遵循基因分离定律,B错误;根据试题分析,拟核DNA中共含有C=,复制n次需要胞嘧啶的数目是(2n-1)·,C错误;DNA分子是双链结构,一个不含放射性同位素32P标记的大肠杆菌拟核DNA共2条链,所以复制n次形成的放射性脱氧核苷酸单链数为2n+1-2,D正确。答案:ABCDNA复制相关计算的4个易错点(1)复制次数:“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)碱基数目:注意碱基的数目单位是“对”还是“个”。(3)复制模板:在DNA复制过程中,无论复制了几次,含有亲代脱氧核苷酸单链的DNA分子都只有两个。(4)关键词语:看清是“DNA分子数”还是“链数”,“含”还是“只含”等关键词。[构建知识网络][强化生命观念]1.A(腺嘌呤)一定与T(胸腺嘧啶)配对,G(鸟嘌呤)一定与C(胞嘧啶)配对,碱基之间的这种一一对应关系,叫作碱基互补配对原则。2.DNA复制是一个边解旋边复制的过程,需要模板、原料、能量和酶等基本条件。3.DNA通过复制,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。4.遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中;碱基排列顺序的千变万化,构成了DNA的多样性,而碱基特定的排列顺序,又构成了每个DNA分子的特异性。真题再现 感悟考情1.(2021·广东卷)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.②③C.③④ D.①④解析:赫尔希和蔡斯通过噬菌体侵染大肠杆菌的实验,证明了DNA是遗传物质,与构建DNA双螺旋结构模型无关,①错误;沃森和克里克根据富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱,推算出DNA分子呈螺旋结构,②正确;查哥夫发现的DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等,沃森和克里克据此推出碱基的配对方式,③正确;沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制,是在DNA双螺旋结构模型之后提出的,④错误。故选B。答案:B2.(2021·山东卷)我国考古学家利用现代人的DNA序列设计并合成了一种类似磁铁的“引子”,成功将极其微量的古人类DNA从提取自土壤沉积物的多种生物的DNA中识别并分离出来,用于研究人类起源及进化。下列说法正确的是( )A.“引子”的彻底水解产物有两种B.设计“引子”的DNA序列信息只能来自核DNAC.设计“引子”前不需要知道古人类的DNA序列D.土壤沉积物中的古人类双链DNA可直接与“引子”结合从而被识别解析:根据题意,“引子”是利用现代人的DNA序列设计并合成的,其本质是DNA或RNA,DNA的彻底水解产物有磷酸基团、脱氧核糖、四种碱基,RNA的彻底水解产物有磷酸基团、核糖、四种碱基,A错误;人的细胞核、线粒体中均有DNA,故设计“引子”的DNA序列信息可以来自核DNA或线粒体DNA,B错误;设计“引子”前不需要知道古人类DNA序列,“引子”是利用现代人的DNA序列设计的,C正确;双链DNA解旋成单链后才能与“引子”序列发生碱基互补配对,从而被识别,D错误。答案:C3.(2016·全国Ⅱ卷)某种物质可插入DNA分子两条链的碱基对之间,使DNA双链不能解开。若在细胞正常生长的培养液中加入适量的该物质,下列相关叙述错误的是( )A.随后细胞中的DNA复制发生障碍B.随后细胞中的RNA转录发生障碍C.该物质可将细胞周期阻断在分裂中期D.可推测该物质对癌细胞的增殖有抑制作用解析:在DNA分子的复制过程中,DNA分子需要先经过解旋,即DNA双链解开,加入该物质后DNA分子双链不能解开,故细胞中DNA的复制会发生障碍,A项正确;DNA分子转录产生RNA的过程中,DNA分子也需要在RNA聚合酶作用下先将双链解开,再以DNA的一条链为模板进行转录,加入该物质后DNA分子双链不能解开,故细胞中的RNA转录会发生障碍,B项正确;因DNA复制发生在细胞分裂间期,故该物质阻断的是分裂间期DNA分子的复制过程,从而将细胞周期阻断在分裂间期,C项错误;癌细胞的增殖方式是有丝分裂,其分裂过程中可发生DNA复制和转录,加入该物质会阻碍这两个过程,从而抑制癌细胞的增殖,D项正确。答案:C4.(2021·全国甲卷)用一段由放射性同位素标记的DNA片段可以确定基因在染色体上的位置。某研究人员使用放射性同位素32P标记的脱氧腺苷三磷酸(dATP,dA-Pα~Pβ~Pγ)等材料制备了DNA片段甲(单链),对W基因在染色体上的位置进行了研究,实验流程的示意图如下。回答下列问题:(1)该研究人员在制备32P标记的DNA片段甲时,所用dATP的α位磷酸基团中的磷必须是32P,原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)该研究人员以细胞为材料制备了染色体样品,在混合操作之前去除了样品中的RNA分子,去除RNA分子的目的是_____________________________________________________________________________________________________________________。(3)为了使片段甲能够通过碱基互补配对与染色体样品中的W基因结合,需要通过某种处理使样品中的染色体DNA________________________。(4)该研究人员在完成上述实验的基础上,又对动物细胞内某基因的mRNA进行了检测,在实验过程中用某种酶去除了样品中的DNA,这种酶是________________________________________________________________________。解析:(1)合成DNA时,dATP先水解成腺嘌呤脱氧核苷酸,β位和γ位的磷酸基团脱离形成游离的磷酸,只有α位的磷酸基团会参与形成DNA,因此要制备32P标记的DNA片段甲,所用dATP的α位的磷酸基团中的磷必须是32P。(2)RNA是以染色体DNA为模板转录出来的,可能会与DNA片段甲发生碱基互补配对形成杂交分子,从而对基因在染色体上的定位造成干扰。(3)染色体中的基因片段是DNA双链,所以需先通过某种处理使DNA解链为单链。(4)DNA酶(或DNA水解酶)能够催化DNA水解为脱氧核苷酸。若用某种酶去除了样品中的DNA,则该酶是DNA酶(或DNA水解酶)。答案:(1)合成DNA时,dATP先水解成腺嘌呤脱氧核苷酸,β位和γ位的磷酸基团脱离形成游离的磷酸,只有α位的磷酸基团会参与形成DNA (2)避免RNA与DNA片段甲形成杂交分子,对基因在染色体上的定位造成干扰 (3)变性解链为单链 (4)DNA酶(或答DNA水解酶) 展开更多...... 收起↑ 资源预览