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第30讲　DNA的结构和
复制
[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。
考点一
DNA的结构与基因的本质
1.DNA的结构及特点
(1)DNA双螺旋结构模型的构建者: 。
沃森和克里克
基础知识·整合
(2)DNA分子的结构层次。
C、H、O、N、P
脱氧核苷酸
(3)DNA的双螺旋结构内容。
①DNA由 组成,这两条链按 的方式盘旋成双螺旋结构。
②外侧: 和 交替连接,构成基本骨架。
③内侧:两条链上的碱基通过氢键连接成 。碱基互补配对遵循以下原则: 与 配对(两个氢键)、 与 配对(三个氢键)。
两条脱氧核苷酸链
反向平行
脱氧核糖
磷酸
碱基对
A
T
G
C
(4)DNA的结构特点。
磷酸与脱氧核糖
碱基互补
配对
脱氧核苷酸
4n
碱基排列顺序
2.基因的本质
(1)本质:基因通常是有 。有些病毒的遗传物质是RNA,对这类病毒而言,基因就是有遗传效应的RNA片段。
遗传效应的DNA片段
(2)基因与染色体、DNA、脱氧核苷酸的关系。
染色体
1个
或2个
很多个
遗传
效应
线性
遗传
信息
深挖教材
1.判断正误
【提示】 沃森和克里克以DNA衍射图谱为基础,推算出DNA分子呈螺旋结构。
(1)(必修2 P48～49思考·讨论)沃森和克里克用DNA衍射图谱得出碱基配对方式。(　　)
×
(2)(必修2 P50正文)DNA分子中每个脱氧核糖上均连接着一个磷酸和一个碱基。(　　)
×
【提示】 DNA分子中绝大多数脱氧核糖上均连着两个磷酸和一个碱基,但两条链的末端各有一个脱氧核糖上只连着一个磷酸和一个碱基。
(3)(必修2 P51探究·实践)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。(　　)
×
【提示】 在制作脱氧核苷酸时,需在磷酸上连接脱氧核糖,不能连接碱基。
(4)(必修2 P52概念检测1)某双链DNA分子中一条链上A∶T=1∶2,则该DNA分子中A∶T=2∶1。(　　)
×
【提示】 某双链DNA分子中A、T配对,故该DNA分子中A∶T=1∶1。
(5)(必修2 P58～59思考·讨论延伸)人体内控制β-珠蛋白合成的基因由
1 700个碱基对组成,其碱基对的排列方式有41 700种。(　　)
【提示】 β-珠蛋白基因已经是一个特定的基因,故β-珠蛋白基因碱基对的排列顺序是β-珠蛋白所特有的,只有1种排列方式。
×
(6)(必修2 P58正文)DNA分子的碱基对总数与所含有的基因的碱基对总数相等。(　　)
×
【提示】 基因通常是具有遗传效应的DNA片段,因此基因中所含的碱基对总数要少于DNA分子中的碱基对总数。
2.规范表达
(必修2 P51探究·实践)DNA只含有4种脱氧核苷酸,能够储存足够量的遗传信息的原因是
。
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
能力1　结合DNA的结构及其特点,考查理解能力
1.(2021·广东卷,5)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
关键能力·提升
【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不符合题意;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符合题意;查哥夫发现的DNA中腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量,为沃森和克里克构建正确的碱基配对方式提供了依据,③符合题意;沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制未能为DNA双螺旋结构模型的构建提供依据,④不符合题意。
2.(2022·广东卷,12)λ噬菌体的线性双链DNA两端各有一段单链序列。这种噬菌体在侵染大肠杆菌后其DNA会自连环化(如图所示),该线性分子两端能够相连的主要原因是(　　)
A.单链序列脱氧核苷酸数量相等
B.分子骨架同为脱氧核糖与磷酸
C.单链序列的碱基能够互补配对
D.自连环化后两条单链方向相同
C
【解析】 单链序列脱氧核苷酸数量相等和分子骨架同为脱氧核糖与磷酸都不是该线性DNA分子两端能够相连的原因;据图可知,单链序列的碱基能够互补配对,这是该线性DNA分子两端能够相连的主要原因;该线性DNA分子自连环化后两条单链方向相反。
能力2　结合DNA结构的相关计算,考查理解能力
3.(2025·深圳期中)若生物体内DNA分子中(G+C)/(A+T)=a,(A+C)/(G+T)=b,则下列有关两个比值的叙述错误的是(　　)
A.a值越大,双链DNA分子的稳定性越高
B.DNA分子一条单链及其互补链中,a值相同
C.碱基序列不同的双链DNA分子,b值不同
D.经半保留复制得到的DNA分子,b值等于1
C
【解析】 G与C之间通过三个氢键相连,A与T之间通过两个氢键相连,a值越大,G+C所占比例越大,双链DNA分子的稳定性越高;DNA分子中互补碱基之和的比值即(G+C)/(A+T)=a,则在每条单链中(G+C)/(A+T)=a;DNA分子中非互补碱基之和的比值等于1,(A+C)/(G+T)=b=1,碱基序列不同的双链DNA分子,b值相同。
考点二
DNA的复制
1.DNA半保留复制的实验证据
(1)实验者:美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔。
(2)研究方法: 。
(3)实验材料:大肠杆菌。
(4)实验技术: 技术和离心技术。
(5)实验原理:15N和14N是氮元素的两种 同位素,这两种同位素
,因此,利用离心技术可以在试管中分离开含有相对原子质量不同的氮元素的DNA。
(6)实验假设: 。
假说—演绎法
同位素标记
稳定
相对原子质量不同,含15N的DNA比含14N的DNA密度大
DNA以半保留的方式复制
基础知识·整合
(7)实验过程。
15NH4Cl
14NH4Cl
DNA
试管中DNA的位置
(8)实验预期(演绎推理)。
①图示分析:设亲代DNA分子完全被15N标记,若分别按照半保留复制、全保留复制和弥散复制,则15N标记的亲代DNA分子在含有14N的环境中连续复制所得子一代和子二代的DNA分子中的 15N 和14N的分布状态如图所示(实线表示15N标记,虚线表示14N标记):
②依据上述分析,预测离心后DNA在离心管中分布的位置(请绘制出DNA条带)。
【提示】 如图所示
(9)实验结果。
①立即取出,提取DNA→离心→ 。
②繁殖一代后取出,提取DNA→离心→ 。
③繁殖两代后取出,提取DNA→离心→ 。
(10)实验结论:DNA的复制是以 的方式进行的。
全部重带
全部中带
1/2轻带、1/2中带
半保留
2.DNA复制的过程
(1)DNA复制的概念、时间、场所(以真核细胞为例)。
①概念:以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
②时间:有丝分裂前的 和 分裂前的间期。
③场所:主要是细胞核,线粒体和叶绿体中也存在。
间期
减数第一次
(2)过程。
能量
解旋酶
脱氧核苷酸
DNA聚合酶
双螺旋结构
(3)特点: 。
(4)方向: 。
(5)意义:DNA通过复制,将 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。
(6)DNA分子精确复制的原因。
DNA分子独特的 结构,为复制提供了精确的模板,通过
,保证了复制能够准确地进行。
边解旋边复制、半保留复制
5′端→3′端
遗传信息
双螺旋
碱基互补配对
深挖教材
1.判断正误
【提示】 对第一代DNA解旋获得的DNA单链进行离心,无论是半保留复制还是全保留复制其结果是相同的,因此无法区分。
(1)(必修2 P54思考·讨论)在DNA复制方式的探究实验中,若通过对第一代DNA解旋获得的DNA单链进行离心,其结果也可确定DNA复制的方式是全保留复制还是半保留复制。(　　)
×
【提示】 DNA的复制是边解旋边复制的过程,DNA中部分氢键断裂后,即开始复制过程。
(2)(必修2 P55正文)DNA中氢键全部断裂后,以两条母链为模板各合成一条子链。(　　)
×
(3)(必修2 P55正文)生物体内的DNA常与蛋白质结合,以DNA-蛋白质复合物的形式存在。若复合物中的某蛋白质参与DNA复制,则该蛋白质一定是DNA聚合酶。(　　)
【提示】 DNA复制时所需要的酶是解旋酶、DNA聚合酶,故若复合物中的某蛋白质参与DNA复制,则该蛋白质可能是DNA聚合酶。
×
(4)(必修2 P56概念检测延伸)DNA双链被32P标记后,复制n次,子代DNA中有标记的占1/2n。(　　)
【提示】 DNA分子的双链被标记,复制n次,形成2n个DNA分子,其中有2个DNA分子被标记,子代DNA被标记的占2/2n。
×
(5)(必修2 P56概念检测延伸)一个含有m个腺嘌呤的DNA分子经过n次复制,共需要消耗游离的腺嘌呤脱氧核苷酸2n-1×m个。(　　)
【提示】 一个含有m个腺嘌呤的DNA分子经过n次复制,共需要消耗游离的腺嘌呤脱氧核苷酸(2n-1)×m个。
×
2.规范表达
(必修2 P56拓展应用2)真核细胞中DNA复制的速率一般为50～100 bp/s,果蝇DNA的电镜照片中有一些泡状结构,叫作DNA复制泡,是DNA上正在复制的部分,果蝇DNA上形成多个复制泡,这说明
。
果蝇的DNA有多个复制起点,
可同时从不同起点开始DNA复制
重难知识·透析
1.真核生物DNA复制过程拓展
特点:多起点、双向复制;意义:提高复制效率。
2.图解法分析DNA复制的相关计算
一个亲代DNA连续复制n次后,则:
(1)子代DNA分子数:2n个。
①看准是“含”还是“只含”。
无论复制多少次,含15N的DNA分子始终是2个。
②看准是“DNA分子数”还是“链数”。
含14N的DNA分子有2n个,只含14N的DNA分子有(2n-2)个。
(2)子代DNA分子总链数:2n×2=2n+1(条)。
①无论复制多少次,含15N的链始终是2条。
②含14N的链数是(2n+1-2)条。
(3)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,则经过n次复制需要消耗游离的该脱氧核苷酸数为m×(2n-1)个。
②若进行第n次复制,则需消耗游离的该脱氧核苷酸数为m×2n-1个。
能力3　围绕DNA复制方式的实验探究,考查科学探究能力
4.(2025·北京卷,5)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
B
关键能力·提升
【解析】 15N没有放射性,它与14N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;在15N标记DNA的实验中,得到的DNA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在离心后出现的这些带的位置和比例,证明了DNA的半保留复制;若将DNA解聚为单链后再离心,无论是全保留复制还是半保留复制,都只有两条条带,不能证明DNA的半保留复制;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。
能力4　围绕DNA复制的过程,考查生命观念
5.(2025·广东月考)动物细胞的线粒体DNA分子上有两个复制起始区OH和OL。该DNA复制时,OH首先被启动,以L链为模板合成M链,当M链合成约2/3时,OL启动,以H链为模板合成N链,最终合成两个环状双螺旋DNA分子,该过程如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A.复制启动时OH区和OL区首先结合的酶是DNA聚合酶
B.合成M链和N链时方向相反是因为起始区解旋方向不同
C.复制完成后M链中的嘌呤数与N链中的嘌呤数一定相同
D.线粒体环状DNA分子中每个脱氧核糖都与两个磷酸相连
D
【解析】 DNA分子复制开始时,首先利用细胞提供的能量,在解旋酶的作用下进行解旋,可见,复制启动时OH区和OL区首先结合的酶是解旋酶;组成DNA分子的两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构,因此起始区解旋方向相同,由于两条DNA模板链方向相反,而DNA聚合酶只能从DNA的3′端延伸DNA链,所以合成M链和N链时方向相反;依据碱基互补配对原则和图示分析可知,复制完成后M链与N链中的碱基A=T、C=G,因此复制完成后M链中的嘌呤数与N链中的嘧啶数一定相同,但两条链中的嘌呤数不一定相同;线粒体环状DNA分子中没有游离的磷酸基团,每个脱氧核糖都与两个磷酸相连。
能力5　结合DNA复制与细胞分裂的关系,考查科学思维能力
6.(2025·江门模拟)在DNA复制时,5-溴尿嘧啶脱氧核苷(BrdU)可作为原料,与腺嘌呤配对,掺入新合成的子链。用Giemsa染料对复制后的染色体进行染色,DNA分子的双链都含有BrdU的染色单体呈浅蓝色,只有一条链含有BrdU的染色单体呈深蓝色。现将植物根尖放在含有BrdU的培养液中培养,取根尖用Giemsa染料染色
后,观察分生区细胞分裂中期染色体的着色情况。下列推测错误的是(　　)
A.第一个细胞周期的每条染色体的两条染色单体都呈深蓝色
B.第二个细胞周期的每条染色体的两条染色单体着色都不同
C.第三个细胞周期的细胞中染色单体着色不同的染色体均为1/4
D.根尖分生区细胞经过若干个细胞周期后,还能观察到深蓝色的染色单体
C
【解析】 DNA复制是半保留复制,第一个细胞周期的每条染色体的两条染色单体都是有一条DNA链含有BrdU,因此都呈深蓝色;第二个细胞周期,每个着丝粒上2条染色单体,其中一条染色单体上DNA一条链含有BrdU,染色后呈深蓝色,另一条染色单体上DNA两条链都含有BrdU,染色后呈浅蓝色;第二次分裂后期,染色体被纺锤丝牵引着移向细胞两极,形成的子细胞内的染色体深蓝色和浅蓝色的数目不确定,故第三个细胞周期的细胞中染色单体着色不同的染色体不一定为1/4;根尖分生区细胞经过若干个细胞周期后,
DNA由于半保留复制,后代中有一条链含有BrdU的DNA,所以还能观察到深蓝色的染色单体。

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