1、第17课DNA的结构、复制和基因的本质课程标准要求学业质量水平3.1.1概述多数生物的基因是DNA 分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA 分子上3.1.2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3.1.3概述DNA 分子通过半保留方式进行复制1.通过搜集DNA结构模型构建过程的资料并进行交流和讨论，运用结构与功能观，分析DNA的结构与其蕴藏遗传信息的功能是相适应的。(生命观念)2.通过模型构建，理解DNA的化学组成、平面结构以及立体结构。(科学思维)3.结合DNA双螺旋结构模型，运用结构与功能观和物质与能量观，阐
2、明DNA分子通过复制，传递遗传信息。(生命观念)4.分析DNA复制过程，归纳DNA复制过程中相关数量计算，提高逻辑分析和计算能力。(科学思维)一、DNA的结构1DNA双螺旋结构模型的构建者：沃森和克里克。2DNA双螺旋结构的形成3DNA的双螺旋结构(1)空间结构：DNA由两条脱氧核苷酸链组成，这两条链按反向平行的方式盘旋成双螺旋结构。(2)整体骨架：脱氧核糖和磷酸交替连接构成。(3)碱基互补配对：两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。4DNA的结构特点(1)多样性：具有n个碱基对的DNA共有4n种碱基对排列顺序。(2)特异性：如每种DNA分子都有其特定的碱基对排列顺序。(3)稳定性：DNA分子中
3、磷酸与脱氧核糖交替连接顺序不变，碱基之间严格按照碱基互补配对的原则进行。二、DNA的复制1方式推测：DNA分子复制方式为半保留复制。2实验证据(1)实验方法：同位素标记技术和密度梯度离心技术。(2)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。(3)实验假设：DNA以半保留的方式复制。(4)实验预期：离心后应出现3条DNA带。重带(密度最大)：两条链都为15N标记的亲代双链DNA；中带(密度居中)：一条链为14N标记，另一条链为15N标记的子代双链DNA；轻带(密度最小)：两条链都为14N标记的子代双链DNA。(5)实验过
4、程(6)过程分析立即取出，提取DNA离心全部重带。繁殖一代后取出，提取DNA离心全部中带。繁殖两代后取出，提取DNA离心1/2轻带、1/2中带。(7)实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的。3复制过程(1)概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。(2)时间：细胞分裂前的间期。(3)图解(4)场所：真核生物在细胞核、线粒体和叶绿体；原核生物在拟核和细胞质。(5)特点：边解旋边复制。(6)方式：半保留复制。(7)结果：形成两个完全相同的DNA分子。(8)意义：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。(9)保障：DNA独特的双螺旋结构，为复制提供了
5、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。三、基因的本质1对于绝大多数生物，基因是有遗传效应的DNA片段；对于极少数生物，基因是有遗传效应的RNA片段。2染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系3基因与碱基的关系遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中，构成基因的碱基数小于(填“大于”“小于”或“等于”)DNA分子的碱基总数。1DNA具有双螺旋结构(1)沃森和克里克研究DNA分子的结构时，运用了构建物理模型的方法。()(2)双链DNA分子中一条链上的磷酸和核糖是通过氢键连接的。()(3)DNA分子的多样性和特异性主要与它的空间结构密切相关。()2DNA的复制是以半保留的方式进行的(1)
6、DNA复制时，严格遵循AU、CG的碱基互补配对原则，并且新合成的DNA分子中两条链均是新合成的。()(2)DNA复制时，解旋酶与DNA聚合酶不能同时发挥作用。()(3)DNA分子复制过程中的解旋在细胞核中进行，复制在细胞质中进行。()3基因通常是有遗传效应的DNA片段(1)真核细胞的基因只存在于细胞核中，而核酸并非仅存在于细胞核中。()(2)等位基因位于同一个DNA分子的两条脱氧核苷酸链上。()(3)细胞中组成一个基因的嘌呤碱基与嘧啶碱基数量不一定相等。()DNA的结构及相关计算某小组在搭建DNA分子模型的实验中，预备了如下实验材料：4种碱基塑料片共20个，其中4个C，6个G，3个A，7个T，
7、脱氧核糖塑料片30个，磷酸塑料片50个，脱氧核糖和磷酸之间的连接物若干，代表氢键的连接物若干，脱氧核糖和碱基之间的连接物若干。(1)用这些实验材料可搭建多长的DNA序列？答案：含7个碱基对长度的DNA序列。(2)需要氢键连接物多少个？答案：A和T之间需要2个连接物，C和G之间需要3个连接物，共需要氢键连接物为324318个。(3)需要脱氧核糖和磷酸之间的连接物多少个？一个磷酸或脱氧核糖连接几个连接物？答案：26个。一个磷酸连接1或2个连接物；一个脱氧核糖连接2或3个连接物。1解读两种DNA结构模型(1)由图1可解读以下信息(2)图2是图1的简化形式，其中是磷酸二酯键，是氢键。解旋酶作用于部位，
8、限制性内切核酸酶和DNA连接酶作用于部位。(3)利用数字“五、四、三、二、一”巧记DNA结构2“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AGTC。(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m，在互补链及整个DNA分子中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，则在其互补链中，而在整个DNA分子中1。(4)某种碱基在DNA分子中所占比例，等于这种碱基在DNA每条链中所占比例和的平均数。考向1| DNA分子结构分析120世纪90年代，Cuenoud等发现D
9、NA也有酶催化活性，他们根据共有序列设计并合成了由47个核苷酸组成的单链DNAE47，它可以催化两个DNA片段之间的连接。下列有关叙述正确的是()A在DNAE47中，嘌呤碱基数一定等于嘧啶碱基数B在DNAE47中，碱基数脱氧核苷酸数脱氧核糖数CDNAE47作用的底物和DNA聚合酶作用的底物是相同的D在DNAE47中，每个脱氧核糖上均连有一个磷酸和一个含氮碱基B解析：单链DNA中嘌呤碱基数不一定等于嘧啶碱基数，A错误；DNAE47催化DNA片段间的连接，DNA聚合酶则催化单个脱氧核苷酸的连接，C错误；在脱氧核苷酸链中的脱氧核糖可连有两个(或一个)磷酸和一个含氮碱基，D错误。【易错提醒】DNA结构
10、的五点提醒(1)DNA分子中并不是所有的脱氧核糖都连接两个磷酸基团，在每条链的3端的脱氧核糖只连接了一个磷酸基团。(2)DNA分子的特异性是由碱基对的排列方式决定的，而不是由碱基配对方式决定的。(3)DNA分子中能体现特异性的碱基比例是两互补碱基的和(如AT)，而不是任意两不互补碱基的和(如AG)。(4)并不是所有的DNA分子都是双链结构，有少数的DNA分子是单链的，还有部分DNA是双链环状结构，如原核细胞的拟核DNA、质粒、真核细胞的线粒体DNA和叶绿体DNA等。(5)在单链DNA分子中嘌呤数不一定等于嘧啶数。考向2| DNA分子结构的相关计算2下列有关双链DNA分子的叙述，正确的是()A若
11、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1/(2a)B如果一条链上(AT)(GC)m，则另一条链上该比值也为mC如果一条链上的ATGC2233，则另一条链上该比值为3322D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150个B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(AT)(GC)m，根据碱基互补配对原则，则另一条链上该比值也为m，B正确；如果一条链上的ATGC2233，则另一条链上该比值为2233，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502100(个)，最
12、多含有氢键的数量为503150(个)，D错误。 DNA的复制及相关计算人体细胞中最长的DNA分子可达36 mm，已知DNA分子复制速度约为4 m/min，但此DNA分子复制过程仅需40 min左右即完成。(1)由上面信息可推出DNA复制还有什么特点？答案：根据题意知，长为36 mm的DNA分子进行复制，如果只从一个位点复制需要的时间是361 00049 000 (min)，而实际复制过程中只需要40 min左右即完成，由此可以推出该DNA分子复制时具有多个起点，多个起点同时分段复制。(2)已知放射性越高的3H胸腺嘧啶脱氧核糖核苷(3H脱氧胸苷)，在放射性自显影技术的图像上，感光还原的银颗粒密度
13、越高。请利用放射性自显影技术，设计实验以证明DNA复制是多起点同时复制，简要写出实验思路并预测实验结果。答案：实验思路：首先用不含放射性的脱氧胸苷培养基培养细胞，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，用放射性自显影技术观察银颗粒密度情况。预期实验结果：在一条DNA中出现多处高密度感光还原的银颗粒区域。1利用数字“1、2、3、4”巧记DNA的复制2关于DNA复制的三点提醒(1)DNA复制的场所并非只在细胞核，线粒体、叶绿体、原核细胞中都可以进行DNA复制，因而说DNA复制的主要场所是细胞核。(2)DNA水解酶不参与DNA复制。DNA水解酶可以催化DNA分子水解成脱氧核苷酸。
14、(3)细胞内DNA复制时解旋酶催化解旋，PCR时高温使氢键断裂，导致解旋。3DNA分子复制中相关计算公式若将一个被15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养(复制)若干代，其结果分析如下：(1)子代DNA分子数：2n个。无论复制多少次，含15N的DNA分子始终是 2个。含14N的有2n个，只含14N的有(2n2)个，做题时应看准是“含”还是“只含”。(2)子代DNA分子的总链数：2n22n1条。无论复制多少次，含15N的链始终是2条。含14N的链数是(2n12)条。做题时应看准是“DNA分子数”还是“链数”。(3)消耗的脱氧核苷酸数若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，则经过n次复制需
15、要消耗游离的该脱氧核苷酸为m(2n1)个。若进行第n次复制，则需消耗该脱氧核苷酸数为m2n1个。考向1| DNA复制过程的分析1在DNA复制开始时，将大肠杆菌放在含低剂量3H标记的脱氧胸苷(3HdT)的培养基中，3HdT可掺入正在复制的DNA分子中，使其带有放射性标记。几分钟后，将大肠杆菌转移到含高剂量3HdT的培养基中培养一段时间。收集、裂解细胞，抽取其中的DNA进行放射性自显影检测，结果如图所示。据图可以作出的推测是()A复制起始区在高放射性区域BDNA复制为半保留复制CDNA复制从起始点向两个方向延伸DDNA复制的方向为acC解析：根据放射性自显影结果可知，中间低放射性区域是复制开始时在
16、含低剂量3H标记的脱氧胸苷(3HdT)的培养基中进行复制的结果，A错误；两侧高放射性区域是将大肠杆菌转移到含高剂量3HdT的培养基中进行复制的结果，因此可判断DNA复制从起始点(中间)向两个方向延伸，C正确，D错误；该实验不能证明DNA复制为半保留复制，B错误。考向2| DNA复制的相关计算2(2021安徽合肥模拟)下图为某DNA分子片段，假设该DNA分子中有5 000对碱基，AT占碱基总数的34%，若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制2次，下列叙述正确的是()A复制时作用于处的酶为DNA聚合酶BDNA分子复制2次需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸9 900个C处指的是腺嘌呤核糖核苷酸D子代中含1
17、5N的DNA分子占1/2B解析：复制时作用于处的酶为DNA解旋酶，A错误；由题意知，DNA分子中AT占碱基总数的34%，则CG占66%，DNA分子中GC5 000266%23 300(个)，该DNA分子复制2次增加3个DNA分子，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸3 30039 900(个)，B正确；DNA分子的基本单位是脱氧核糖核苷酸，所以处指的是腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，C错误；由题图可知，该DNA分子中的两条链一条含有15N，一条含有14N，若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制 2次，则形成的4个DNA分子中，只有一个含有15N，即占1/4，D错误。考向3| DNA分子的半保留复制3DNA的复
18、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、分散复制三种。究竟是哪种复制方式呢？下面设计实验来证明DNA的复制方式。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14NDNA(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15NDNA(亲代)。c将亲代含15N的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。实验预测：(1)如果与对照(14N/14N)相比，子代能分辨出两条DNA带：一条_带和一条_带，则可以排除_。(2)如果子代只有一条中密
19、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，同时肯定半保留复制；如果子代不能分出_密度两条带，则排除_，同时确定为_。解析：由题图可知，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。答案：(1)轻(
20、14N/14N)重(15N/15N)半保留复制和分散复制(2)全保留复制半保留复制还是分散复制(3)一条中密度带一条轻密度带中、轻半保留复制分散复制学习探索情境在沃森和克里克发表DNA双螺旋结构模型后，科学家曾提出三个用于解释DNA复制方式的模型，分别为半保留复制、全保留复制和分散复制模型。1958年，梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料，运用同位素标记技术，证明了DNA复制方式为半保留复制。1956年，美国生物学家亚瑟科恩伯格首次分离出DNA聚合酶，并构建了DNA体外合成体系，并揭示参与DNA合成的4种必要成分：DNA聚合酶、DNA模板、RNA引物和dNTP前体物。体外合成技术重要特点和优势
21、：(1)没有宿主细胞的生理调控系统，反应条件更容易控制，可以方便地进行反应条件的优化；(2)不存在副反应和宿主细胞本身的代谢需求，能够达到更高的产品得率和产品纯度；(3)可以使用高负载量的酶，用于提高反应速率；(4)宽泛的反应条件(如高温、有机相催化体系)、底物的自由选择，解决了底物或中间产物的毒性问题；(5)具有相当大的工业化潜力。 命题生长点1 DNA复制的相关计算用15N标记了两条链含有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3次。下列有关说法中错误的是(B)A该DNA分子含有的氢键数目是260个B该DNA分子复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧
22、核苷酸160个C子代DNA分子中含15N的单链与含14N的单链之比为17D子代DNA分子中含15N的DNA分子与含14N的DNA分子之比为14B解析：该DNA分子有100个碱基对，其中胞嘧啶有60个，则C和G各有60个，A和T各有40个，又知C、G之间有3个氢键，A、T之间有2个氢键，因此氢键数目为603402260(个)，A项正确；该DNA分子第一次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸(A)40个，第二次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸80个，第三次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸160个，则复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为4080160280(个)，B项错误；该DNA分子复制3次共产生8
23、个DNA分子，16条DNA单链，其中2条单链含15N，含15N的单链与含14N的单链之比为214，即17，C项正确；该DNA分子复制3次共产生8个DNA分子，其中2个DNA分子含有15N，8个DNA分子都含有14N，故二者之比为14，D项正确。命题生长点2 DNA复制与细胞分裂中染色体标记的问题分析(多选)蚕豆根尖细胞(2n12)在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸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液中继续分裂至中期，其染色体的放射性标记分布情况是(BC)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每条染色体都被标记D每条染色体的两条单体都不被标记解析：DN
24、A复制是半保留复制，蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸(3HT)培养基中完成一个细胞周期，每一个DNA分子都有一条脱氧核苷酸链含3H标记，然后在不含放射性标记的培养液中培养至中期，DNA分子复制后形成的两个DNA分子通过着丝粒连接，其中一个DNA分子的一条链含3H标记，如下图：故每条染色体都被标记，且每条染色体都只有一条单体被标记。准确把握DNA复制的相关计算问题(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，后者只包括最后一次复制。(2)碱基数目：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分子都只有两条。(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。