1、第16讲 DNA分子的结构、复制 与基因的本质 1.概述DNA分子结构的主要特点。2.概述DNA分子通过半保留方式进行复制。3.概述多数生物的基因是DNA分子功能片段,有些病毒的基因在RNA分子上。4.活动:制作DNA分子双螺旋结构模型。-3-必备知识梳理 关键能力突破 DNA半保留复制与基因的本质 1.DNA双螺旋结构的形成-4-必备知识梳理 关键能力突破-5-必备知识梳理 关键能力突破 2.DNA的双螺旋结构(1)DNA由 两 条脱氧核苷酸链组成,这些链按 反向平行 的方式盘旋成双螺旋结构。(2)外侧:脱氧核糖 和 磷酸交替连接构成主链基本骨架。(3)内侧:两条链上的碱基通过氢键连接成 碱
2、基对 。碱基互补配对遵循以下原则:A=T(两个氢键)、GC(三个氢键)。巧记 利用数字“五、四、三、二、一”巧记DNA分子结构-6-必备知识梳理 关键能力突破 3.DNA分子的特性(1)相对稳定性:DNA分子中 磷酸和脱氧核糖 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:不同的DNA分子中 脱氧核苷酸 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 4n 种。(3)特异性:每种DNA分子都有区别于其他DNA的特定的 碱基对排列顺序 ,代表了特定的遗传信息。-7-必备知识梳理 关键能力突破 凝练核心素养 1.生命观念通过掌握DNA分子的结构与功能
3、,形成结构与功能相适应的观念。2.科学思维运用模型建构的方法,逐步认识DNA分子的空间结构、平面结构以及化学组成,培养空间想象能力。3.科学探究通过分析沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型的研究过程,感悟两位科学家所运用的多种研究方法,获得科学研究的思想和科学研究的精神。-8-必备知识梳理 关键能力突破(生命观念、科学思维)下图为DNA分子结构图像,据图分析下列问题。-9-必备知识梳理 关键能力突破(1)图中 不能(填“能”或“不能”)表示胞嘧啶脱氧核苷酸,一个DNA分子片段中有 2 个游离的磷酸基团。(2)双链DNA中,反向平行的两条链之间的碱基通过 氢键 连接成碱基对,而同一条链上核苷酸之
4、间是通过 磷酸二酯键 相连的。(3)解旋酶作用的部位是 (填数字),限制性核酸内切酶和DNA连接酶作用的部位是 (填数字)。(4)DNA初步水解的产物是 4种脱氧核苷酸 ,DNA彻底水解的产物是 磷酸、脱氧核糖和4种含氮碱基 。(5)根据碱基的种类确定是DNA还是RNA,若含有碱基 U 则是RNA,若含有碱基 T 而不含有碱基 U,则是DNA;根据碱基的比例确定是单链还是双链,若嘌呤数/嘧啶数=(填“=”或“”)1,则一般是双链,若嘌呤数/嘧啶数 (填“=”或“”)1,则是单链。答案 解析 关闭D-10-必备知识梳理 关键能力突破 考向1 DNA分子的结构 1.(2018陕西故城一中月考)20
5、世纪50年代初,查哥夫对多种生物DNA做了碱基定量分析,发现(A+T)/(C+G)的比值如下表。结合所学知识,你认为能得出的结论是()A.猪的DNA结构比大肠杆菌的DNA结构更稳定一些 B.小麦和鼠的DNA所携带的遗传信息相同 C.小麦DNA中(A+T)的数量是鼠DNA中(C+G)数量的1.21倍 D.同一生物不同组织的DNA碱基组成相同 DNA 来源 大肠杆菌 小麦 鼠 猪肝 猪胸腺 猪脾(A+T)/(C+G)1.01 1.21 1.21 1.43 1.43 1.43 答案 解析 解析 关闭由于碱基A与T之间有两个氢键,而G与C之间有三个氢键,DNA分子中氢键的数量越多,即(A+T)/(C+
6、G)比值越小,DNA分子的结构越稳定,因此大肠杆菌的DNA分子结构最稳定,A项错误;小麦和鼠的DNA分子中(A+T)/(C+G)的比值相同,但所携带的遗传信息不同,B项错误;小麦DNA中(A+T)/(C+G)的比值为1.21,说明小麦DNA中A+T的数量是C+G数量的1.21倍,但不一定是鼠DNA中C+G数量的1.21倍,C项错误;同一生物不同组织的DNA相同,故碱基组成相同,D项正确。-11-必备知识梳理 关键能力突破“三看法”判断DNA分子结构的正误 答案 解析 关闭D-12-必备知识梳理 关键能力突破 考向2 DNA分子结构的相关计算 2.(2018山东淄博万杰朝阳学校月考)下列关于双链
7、DNA分子结构的叙述,正确的是()A.某DNA分子含有500个碱基,可能的排列方式有4500种 B.若质粒含有2 000个碱基,则该分子同时含有2个游离的磷酸基团 C.某DNA分子内胞嘧啶占25%,则每条单链上的胞嘧啶占25%50%D.某DNA分子上有胸腺嘧啶312个,占总碱基比例为26%,则该DNA分子上有鸟嘌呤288个 答案 解析 解析 关闭某DNA分子含有500个碱基,该DNA分子中碱基比例已确定,可能的排列方式小于4250种,A项错误;质粒是环状DNA分子,不含游离的磷酸基团,B项错误;某DNA分子内胞嘧啶占25%,则每条单链上的胞嘧啶占0%50%,C项错误;某DNA分子上有胸腺嘧啶3
8、12个,占总碱基比例为26%,则该DNA分子上碱基总数为31226%=1 200个,根据碱基互补配对原则,该DNA分子中有鸟嘌呤1 200(50%-26%)=288个,D项正确。-13-必备知识梳理 关键能力突破 1.“归纳法”求解 DNA 分子中的碱基数量的计算规律(1)在 DNA 双链中嘌呤总数与嘧啶总数相同,即 A+G=T+C。(2)互补碱基之和的比例在任意一条链及整个 DNA 分子中都相同,即若在一条链中A+TG+C=m,则在互补链及整个 DNA 分子中都有A+TG+C=m。(3)非互补碱基之和的比例在两条互补链中互为倒数,在整个 DNA分子中为 1,即若在 DNA 一条链中A+GT+
9、C=a,则在其互补链中A+GT+C=1,而在整个 DNA 分子中A+GT+C=1。-14-必备知识梳理 关键能力突破 2.DNA分子中有关碱基比例计算的解题步骤(1)搞清题中已知的和所求的碱基比例是占整个DNA分子碱基的比例,还是占DNA分子一条链上碱基的比例。(2)画一个DNA分子模式图,并在图中标出已知和所求的碱基:(3)根据碱基互补配对原则及其规律进行计算。-15-必备知识梳理 关键能力突破 DNA半保留复制及相关实验 1.DNA复制的假说与证据(1)沃森和克里克的假说:半保留 复制。(2)实验材料及方法 材料:大肠杆菌方法:放射性同位素 标记法、离心技术-16-必备知识梳理 关键能力突
10、破 以上实验证明DNA分子复制的特点是 半保留复制 。-17-必备知识梳理 关键能力突破 2.DNA的复制过程 概念 以亲代 DNA 为模板合成子代 DNA 的过程 时期 有丝分裂的间期 和减数第一次分裂前的间期 过程 解旋合成子链子链延伸亲子链复旋 条件 模板:亲代 DNA 的每一条链;原料:4 种游离的 脱氧核苷酸 ;能量:ATP 释放的能量;酶:解旋酶 和 DNA 聚合酶 结果 1 个 DNA 复制形成 2 个 完全相同 的 DNA 特点 边解旋边复制,半保留 复制 精确复制 独特的 双螺旋结构 提供模板;碱基互补配对 原则 意义 将 遗传信息 从亲代 DNA 传给子代 DNA,从而保持
11、了 遗传信息 的连续性 -18-必备知识梳理 关键能力突破 3.基因的概念 基因是有遗传效应的遗传物质的片段。在绝大多数生物中,基因是有遗传效应的DNA片段;在RNA病毒中,基因是有遗传效应的RNA片段。(1)绝大多数生物的基因是有遗传效应的DNA片段。(2)RNA病毒的基因是有遗传效应的RNA片段。研究证明,遗传物质除了DNA以外,还有RNA。有些病毒不含有DNA,只含有蛋白质和RNA,如烟草花叶病毒。从烟草花叶病毒中提取出来的蛋白质,不能使烟草感染病毒,但是,从这些病毒中提取出来的RNA,却能使烟草感染病毒。因此,在这些病毒中,RNA是遗传物质。引起传染性非典型肺炎(SARS)的病原体是一
12、种冠状病毒(corona virus),该病毒就属于RNA病毒。除了冠状病毒之外,造成人类疾病的RNA病毒还有小儿麻痹病毒(polio virus)、脑炎病毒(cerebritis virus)和流感病毒(influenza virus)等,其中的遗传物质都是RNA。-19-必备知识梳理 关键能力突破 基因是有遗传效应的遗传物质的片段,是遗传物质的结构和功能单位。在绝大多数生物中,基因是有遗传效应的DNA片段,在RNA病毒中,基因是有遗传效应的RNA片段。一个或两个有遗传效应许多线性许多脱氧核苷酸排列顺序-20-必备知识梳理 关键能力突破 凝练核心素养 1.生命观念通过对DNA复制过程的分析,
13、建立起结构与功能相适应的观念;通过分析基因与DNA的关系,建立起基因是有遗传效应的DNA片段的观念。2.科学思维运用假说演绎的方法,根据DNA分子双螺旋结构模型,推测DNA分子的自我复制过程,并通过实验证实DNA半保留复制机制。-21-必备知识梳理 关键能力突破(生命观念、科学思维)下图为染色体上DNA分子的复制过程,据图分析下列问题。-22-必备知识梳理 关键能力突破(1)请完成图中填空。(2)蛙的红细胞进行无丝分裂,能(填“能”或“不能”)进行DNA分子的复制;哺乳动物成熟的红细胞无 细胞核,也无各种 细胞器,不能(填“能”或“不能”)进行DNA分子的复制。(3)染色体复制后形成两条 姐妹
14、染色单体,刚复制产生的两个子代DNA分子即位于两条 姐妹染色单体 中,由着丝点相连,其对应片段所含基因在无突变等特殊情况下应 完全相同,两个子代DNA分子将于有丝分裂后期或减数第二次分裂后期 着丝点 分裂时,随两条 姐妹染色单体 分离而分开,分别进入两个子细胞中。-23-必备知识梳理 关键能力突破 考向1 DNA复制过程分析 1.(2019广东深圳调研)正常情况下,DNA分子在细胞内复制时,双螺旋解开后会产生一段单链区,DNA结合蛋白(SSB)能很快地与单链结合,防止解旋的单链重新配对,而使DNA呈伸展状态,SSB在复制过程中可以重复利用,下列有关推理合理的是()A.SSB是一种解开DNA双螺
15、旋的解旋酶 B.SSB与单链的结合将不利于DNA复制 C.SSB与DNA单链既可结合也可分开 D.SSB与单链的结合遵循碱基互补配对原则 答案 解析 解析 关闭根据题干中“双螺旋解开后会产生一段单链区,DNA结合蛋白(SSB)能很快地与单链结合”,说明SSB不是一种解开DNA双螺旋的解旋酶,A项错误;SSB与单链的结合有利于DNA复制,B项错误;SSB与DNA单链既可结合也可分开,C项正确;SSB是一种DNA结合蛋白,故与单链的结合不遵循碱基互补配对原则,D项错误。答案 解析 关闭C-24-必备知识梳理 关键能力突破 1.生物体中DNA分子复制的场所(1)真核生物:细胞核(主要场所)、叶绿体、
16、线粒体。(2)原核生物:拟核、细胞质(如质粒中DNA的复制)。(3)DNA病毒:宿主细胞内。2.子代DNA随姐妹染色单体分开的时间(1)有丝分裂:后期。(2)减数分裂:减数第二次分裂后期。-25-必备知识梳理 关键能力突破 考向2 DNA分子复制的相关计算 2.(2018山东德州夏津一中月考)下列关于DNA的相关计算中,正确的是()A.具有1 000个碱基对的DNA,腺嘌呤有600个,则每一条链上都具有胞嘧啶200个 B.具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,复制n次后共需要2nm个胸腺嘧啶 C.具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,第n次复制需要2n-1m个胸腺嘧啶 D.无论是双链DNA还是单链DNA,A+
17、G所占的比例均是1/2 答案 解析 解析 关闭根据碱基互补配对原则,具有1 000个碱基对的DNA,A+T+C+G=2 000个,A=T=600个,C=G=400个,但在该DNA分子的每一条链上,所具有的胞嘧啶不一定是200个,A项错误;具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,复制n次后共需要(2n-1)m个胸腺嘧啶,B项错误;具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,第n次复制共需要(2n-1)m-(2n-1-1)m=2n-1m个胸腺嘧啶,C项正确;在双链DNA分子中,A+G所占的比例是1/2,在单链DNA分子中,A+G所占的比例不一定是1/2,D项错误。答案 解析 关闭C-26-必备知识梳理 关键能力突破 3.
18、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14N培养基中连续复制4次,其结果可能是()A.含有14N的DNA分子占100%B.复制过程中需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸640个 C.含15N的链占1/8 D.子代DNA中嘌呤与嘧啶之比是23 答案 解析 解析 关闭在 14N 培养基中连续复制 4 次,得到 24=16 个 DNA 分子,32 条链,其中含 14N 的DNA 分子占 100%,含 15N 的链有 2条,占 1/16,A 项正确、C 项错误;根据已知条件,每个 DNA 分子中腺嘌呤脱氧核苷酸有1002-6022=40(个),复制过程中消耗 A=40(2
19、4-1)=600(个),B 项错误;每个 DNA 分子中嘌呤和嘧啶互补相等,两者之比是 11,D 项错误。答案 解析 关闭A-27-必备知识梳理 关键能力突破 DNA分子复制中的相关计算 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。-28-必备知识梳理 关键能力突破 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
20、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)n次复制需该脱氧核苷酸数=m2n个,n-1次复制需该脱氧核苷酸数=m2n-1个,则第n次复制需该脱氧核苷酸数=2nm-m2n-1=m(2n-2n-1)=m2n-1个。-29-1 2 3 4 51.下列关于DNA分子结构的叙述,正确的是()A.DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的单链结构 B.DNA分子中的每个磷酸均连接着一个脱氧核糖和一个碱基 C.DNA分子两条链之间总是嘌呤与嘧啶形成碱基对 D.DNA分子一条链上的相邻碱基通过磷酸脱氧核糖磷酸相连 答案 解析 解析 关
21、闭DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的双链结构,A项错误;DNA分子中的绝大多数磷酸连接着两个脱氧核糖,且磷酸不与碱基直接相连,B项错误;DNA分子一条链上的相邻碱基通过脱氧核糖磷酸脱氧核糖相连,D项错误。答案 解析 关闭C-30-1 2 3 4 52.某双链DNA分子中,鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基的比率为a,其中一条链上鸟嘌呤占该链全部碱基的比例为b,则()A.互补链中含2个游离的磷酸基团 B.互补链中鸟嘌呤与胞嘧啶所占比例为a C.互补链中鸟嘌呤占该链碱基的比率为(a-b)/2 D.以互补链为模板转录产生的某mRNA中鸟嘌呤与胞嘧啶所占比率为a 答案 解析 解析 关闭双链DNA分
22、子的每条链含有1个游离的磷酸基团,A项错误;在双链DNA分子中,鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基的比率与每条链中鸟嘌呤与胞嘧啶所占的比率相等,B项正确;互补链中鸟嘌呤占该链的比率为a-b,C项错误;转录是以DNA上某基因的一条链为模板,所以转录产生的mRNA中鸟嘌呤与胞嘧啶所占比率是不确定的,D项错误。答案 解析 关闭B-31-1 2 3 4 53.真核细胞中DNA复制如下图所示,下列表述错误的是()A.多起点双向复制能保证DNA复制在短时间内完成 B.每个子代DNA都有一条脱氧核苷酸链来自亲代 C.复制过程中氢键的破坏和形成都需要DNA聚合酶的催化 D.DNA分子的准确复制依赖于碱基互补配对原则
23、 答案 解析 解析 关闭DNA复制过程中氢键的破坏需要解旋酶的催化,但氢键的形成不需要酶的催化,C项错误。答案 解析 关闭C-32-1 2 3 4 54.下列关于基因、DNA和染色体关系的叙述,错误的是()A.染色体主要由蛋白质和DNA组成 B.每条染色体上都有许多个DNA分子 C.一个DNA分子上有多个基因 D.基因是具有遗传效应的DNA片段 答案 解析 解析 关闭染色体主要由DNA和蛋白质两种物质组成,A项正确;每条染色体含有一个或2个DNA分子,B项错误;基因是DNA上决定生物性状的小片段,一个DNA分子上有多个基因,C、D两项正确。答案 解析 关闭B-33-1 2 3 4 55.DNA
24、的复制方式,可以通过设想来进行预测,可能的情况是全保留复制、半保留复制、分散(弥散)复制三种。究竟是哪种复制方式呢?用下面设计实验来证明DNA的复制方式。-34-1 2 3 4 5实验步骤:a.在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌,其DNA分子均为14N-DNA(对照);b.在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌,其DNA分子均为15N-DNA(亲代);c.将亲代15N大肠杆菌转移到氮源为14N的培养基中,再连续繁殖两代(和),用密度梯度离心法分离,不同相对分子质量的DNA分子将分布在试管中的不同位置上。-35-1 2 3 4 5实验预测:(1)如果与对照(14N/14N)相比,子代能分辨出
25、两条DNA带:一条 带和一条 带,则可以排除 和分散复制。(2)如果子代只有一条中密度带,则可以排除 ,但不能肯定是 。(3)如果子代只有一条中密度带,再继续做子代DNA密度鉴定:若子代可以分出 和 ,则可以排除分散复制,同时肯定是半保留复制;如果子代不能分出 两条密度带,则排除 ,同时确定为 。-36-1 2 3 4 5答案(1)轻(14N/14N)重(15N/15N)半保留复制(2)全保留复制 半保留复制或分散复制(3)一条中密度带 一条轻密度带 中、轻 半保留复制 分散复制 解析 从题目中的图示可知,深色为亲代DNA的脱氧核苷酸链(母链),浅色为新形成的子代DNA的脱氧核苷酸链(子链)。因此全保留复制后得到的两个DNA分子,一个是原来的两条母链重新形成的亲代DNA分子,一个是两条子链形成的子代DNA分子;半保留复制后得到的每个子代DNA分子的一条链为母链,一条链为子链;分散复制后得到的每个子代DNA分子的单链都是由母链片段和子链片段间隔连接而成的。
