2021新高考生物选择性考试B方案一轮复习学案第6单元第20讲DNA分子的结构和复制基因的本质

第20讲DNA分子的结构和复制、基因的本质[考纲明细]1.DNA分子结构的主要特点(Ⅱ)2.DNA分子的复制(Ⅱ)3.基因的概念(Ⅱ)课前自主检测判断正误并找到课本原文1．沃森和克里克以威尔金斯和富兰克林提供的DNA衍射图谱的有关数据为基础，推算出DNA分子呈螺旋结构。(必修2P48—模型构建过程)(√)2．沃森和克里克提出腺嘌呤的量等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量等于胞嘧啶的量。(必修2P48—模型构建过程)(×)3．DNA分子两条链通过磷酸二酯键相连。(必修2P49—正文)(×)4．沃森和克里克提出了遗传物质自我复制的假说。(必修2P52—正文)(√)5．1958年，科学家以大肠杆菌为实验材料，运用同位素示踪技术，证实了DNA的确是以半保留的方式复制的。(必修2P52—正文)(√)6．对提取的DNA进行密度梯度离心，记录离心后试管中DNA的位置。(必修2P53—正文)(√)7．DNA分子复制过程包括(1)解旋，(2)以母链为模板进行碱基配对，(3)形成两个新的DNA分子。(必修2P54—图3－13)(√)8．DNA分子通过复制，将遗传信息从亲代传给了子代，从而保持了遗传信息的连续性。(必修2P54—正文)(√)9．大肠杆菌细胞的拟核有1个DNA分子，长度约为4700000个碱基对，在DNA分子上分布着4400个基因。(必修2P55—资料分析)(√)10．生物体内所有基因的碱基总数与DNA分子的碱基总数相同。(必修2P56—资料分析中讨论)(×)11．第一个把遗传物质设定为一种信息分子，提出遗传是遗传信息的复制、传递与表达的科学家是量子物理学的奠基人薛定谔。(必修2P56—相关信息)(√)12．每个人的DNA都不完全相同，因此DNA也可以像指纹一样用来识别身份。(必修2P58—科学·技术·社会)(√)13．碱基序列的多样性构成DNA分子的多样性，DNA分子因而能够储存大量的遗传信息。(必修2P59—本章小结)(√)14．基因位于染色体上，基因是有遗传效应的DNA片段。(必修2P59—本章小结)(√)15．DNA分子杂交技术可以用来比较不同种生物DNA分子的差异。形成杂合双链区的部位越多，说明这两种生物的亲缘关系越近。(必修2P60—思维拓展)(√)真题重组判断正误(1)(2017·海南高考，23C)细胞中DNA分子的碱基对数等于所有基因的碱基对数之和。(×)(2)(2015·全国卷Ⅰ，1D)控制细菌性状的基因位于拟核和线粒体中的DNA上。(×)(3)(2015·重庆高考，5D)编码蛋白质的基因含遗传信息相同的两条单链。(×)(4)(2014·全国卷Ⅱ，5C)双链DNA分子中一条链上的磷酸和核糖是通过氢键连接的。(×)(5)(全国卷Ⅰ)线粒体中的DNA能控制某些蛋白质的合成。(√)知识自主梳理一DNA分子的结构及特点1．DNA双螺旋模型构建者：eq\x(\s\up1(01))沃森和克里克。2．DNA双螺旋结构的形成3．DNA的双螺旋结构(1)DNA由eq\x(\s\up1(07))两条脱氧核苷酸链组成，这两条链按eq\x(\s\up1(08))反向平行的方式盘旋成双螺旋结构。(2)外侧：eq\x(\s\up1(09))脱氧核糖和eq\x(\s\up1(10))磷酸交替连接，构成基本骨架。(3)内侧：两条链上的碱基通过氢键连接成eq\x(\s\up1(11))碱基对。碱基互补配对遵循以下原则：eq\x(\s\up1(12))A=eq\x(\s\up1(13))T(两个氢键)、eq\x(\s\up1(14))G≡eq\x(\s\up1(15))C(三个氢键)。4．DNA分子结构特点类型决定因素eq\x(\s\up1(16))多样性具n个碱基对的DNA具有4n种碱基的排列顺序eq\x(\s\up1(17))特异性如每种DNA分子都有其特定的碱基的排列顺序eq\x(\s\up1(18))稳定性磷酸与脱氧核糖交替连接形成的基本骨架不变，碱基之间互补配对形成氢键方式不变等二DNA分子的复制1．DNA半保留复制的推测和实验证据(1)方式推测：沃森和克里克提出假说：DNA分子复制方式为eq\x(\s\up1(01))半保留复制。(2)实验证据①实验方法：eq\x(\s\up1(02))同位素示踪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：eq\x(\s\up1(03))DNA以半保留方式复制。④实验预期：离心后应出现3条DNA带。重带：两条链都为15N标记的亲代双链DNA密度最大，最靠近试管底部；中带：一条链为14N标记，另一条链为15N标记的子代双链DNA密度居中，位置也居中；轻带：两条链都为14N标记的子代双链DNA密度最小，离试管底部最远。⑤实验过程⑥过程分析亲代取出，提取DNA→离心→eq\x(\s\up1(04))全部重带。繁殖一代后取出，提取DNA→离心→eq\x(\s\up1(05))全部中带。繁殖两代后取出，提取DNA→离心→eq\x(\s\up1(06))1/2轻带、1/2中带。⑦实验结论：eq\x(\s\up1(07))DNA的复制是以半保留方式进行的。2．DNA复制的过程(1)概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。(2)时期：eq\x(\s\up1(08))有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期。(3)场所：真核细胞中主要是eq\x(\s\up1(09))细胞核，线粒体和叶绿体中也存在。原核细胞中主要是拟核区，质粒中也存在。(4)过程图解(5)结果：1个DNA复制形成2个eq\x(\s\up1(18))完全相同的DNA。(6)特点：边eq\x(\s\up1(19))解旋边复制，半保留复制。(7)精确复制的原因①独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板。②eq\x(\s\up1(20))通过碱基互补配对原则，保证了复制能够准确地进行。(8)意义：将eq\x(\s\up1(21))遗传信息从亲代传给子代，从而保持了eq\x(\s\up1(22))遗传信息的连续性。三基因的本质1．本质：基因是具有eq\x(\s\up1(01))遗传效应的eq\x(\s\up1(02))DNA片段。2．基因与染色体、DNA、脱氧核苷酸的关系涉及到的基本骨架或基本支架有哪些？提示(1)有机大分子：碳链。(2)细胞骨架：蛋白质纤维。(3)细胞膜基本支架：磷脂双分子层。(4)DNA双螺旋结构基本骨架：脱氧核糖和磷酸交替连接。1．活细胞均可发生DNA复制。(×)2．无丝分裂和原核细胞的分裂过程中也存在DNA复制。(√)3．原核细胞DNA复制场所是拟核。(×)4．复制时，两条链均作为模板。(√)5．DNA复制时，双螺旋结构全部解旋后开始进行复制。(×)1．遗传效应是指基因能够转录成mRNA，进而翻译成蛋白质，能够控制一定的性状。2．原核细胞基因结构示意图非编码区：不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质。编码区：能转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成，即能够编码蛋白质。3．真核细胞基因结构示意图能够编码蛋白质的序列叫做外显子，能转录进而指导蛋白质合成；不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，能转录为RNA，但相应RNA会被修饰掉，不能翻译出蛋白质。4．所有生物的基因并不都是具有遗传效应的DNA片段。如RNA病毒的基因就是有遗传效应的RNA片段。考点题型突破考点1DNA分子的结构及相关计算题型一DNA分子结构及特点1．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C解析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错误。2．如图为DNA分子结构示意图，对该图的叙述正确的是()a．②和③相间排列，构成了DNA分子的基本骨架b．④的名称是胞嘧啶脱氧核苷酸c．⑨是氢键，C、G之间形成三个氢键，A、T之间形成两个氢键d．DNA分子中特定的脱氧核苷酸序列代表了遗传信息A．b、c、d B．c、dC．a、b、c D．b、c答案B解析DNA分子是双螺旋结构，①磷酸与②脱氧核糖交替连接排列在外侧，构成了DNA分子的基本骨架；④中的③②与②下方的磷酸基团组成胞嘧啶脱氧核苷酸；碱基互补配对，形成碱基对时通过氢键相连，A、T之间形成两个氢键，C、G之间形成三个氢键；DNA分子中特定的脱氧核苷酸序列代表了遗传信息。DNA分子中的数量关系(1)DNA分子中，脱氧核苷酸数∶脱氧核糖数∶磷酸数∶含氮碱基数＝1∶1∶1∶1。(2)配对的碱基，A与T之间形成2个氢键，G与C之间形成3个氢键，C—G所占比例越大，氢键数目越多，DNA结构越稳定。(3)每条脱氧核苷酸链上都只有一个游离的磷酸基团，因此DNA分子中含有2个游离的磷酸基团。(4)对于真核细胞来说，染色体是基因的主要载体；线粒体和叶绿体中也存在基因。(5)对于原核细胞来说，拟核中的DNA分子或者质粒DNA均是裸露的，并不与蛋白质一起构成染色体。题型二DNA分子结构相关计算3．某双链DNA分子含有200个碱基对，其中一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，则有关该DNA分子的叙述，正确的是()A．含有4个游离的磷酸基团B．含有腺嘌呤脱氧核苷酸30个C．4种含氮碱基A∶T∶G∶C＝3∶3∶7∶7D．碱基排列方式共有4100种答案C解析一个双链DNA分子中含有2个游离的磷酸基团，A错误；由一条链上A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，计算得一条链上200个碱基中含A、T、G、C依次是20、40、60、80，另一条链上含A、T、G、C则依次是40、20、80、60，故该DNA中含腺嘌呤脱氧核苷酸数为20＋40＝60(个)，B错误；四种含氮碱基的比例是A∶T∶G∶C＝(20＋40)∶(40＋20)∶(60＋80)∶(80＋60)＝3∶3∶7∶7，C正确；含200个碱基对的DNA不考虑每种碱基比例关系的情况下，可能的碱基排列方式共有4200种，但因碱基数量比例已确定，故碱基排列方式肯定少于4200种，且一个DNA分子只有一种特定的碱基排列顺序，D错误。4．(2019·临川模拟)从某生物组织中提取DNA进行分析，其中鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基数的46%，又知该DNA分子的一条链(H链)所含的碱基中28%是腺嘌呤，24%是胞嘧啶，则与H链相对应的另一条链中，腺嘌呤、胞嘧啶分别占该链全部碱基数的()A．26%、22% B．24%、28%C．14%、11% D．11%、14%答案A解析已知DNA分子中，鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基总数的46%，即C＋G＝46%，则C＝G＝23%、A＝T＝50%－23%＝27%。又已知该DNA的一条链所含的碱基中28%是腺嘌呤，24%是胞嘧啶，即A1＝28%、C1＝24%，根据碱基互补配对原则，A＝(A1＋A2)÷2，C＝(C1＋C2)÷2，则A2＝26%，C2＝22%。DNA中碱基的相关计算规律1．规律一：一个双链DNA分子中，A＝T、C＝G，则A＋G＝C＋T，即嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。2．规律二：在双链DNA分子中，eq\f(A＋T,A＋T＋C＋G)＝eq\f(A1＋T1,A1＋T1＋C1＋G1)＝eq\f(A2＋T2,A2＋T2＋C2＋G2)。3．规律三：在DNA双链中，一条单链的eq\f(A1＋G1,T1＋C1)的值与其互补单链的eq\f(A2＋G2,T2＋C2)的值互为倒数关系。(不配对的碱基之和比例在两条单链中互为倒数)提醒：在整个DNA分子中该比值等于1。4．规律四：在DNA双链中，一条单链的eq\f(A1＋T1,G1＋C1)的值，与该互补链的eq\f(A2＋T2,G2＋C2)的值是相等的，也与整个DNA分子中的eq\f(A＋T,G＋C)的值是相等的。提醒：综合规律三、四可简记为“补则等，不补则倒”。考点2DNA复制及基因的概念题型一DNA分子复制过程及特点1．如图为某真核细胞中DNA复制过程模式图，下列分析错误的是()A．酶①和酶②均作用于氢键B．该过程可发生在细胞有丝分裂间期或减数第一次分裂前的间期C．该过程的模板链是a、b链D．DNA复制的特点是半保留复制答案A解析酶①是解旋酶，酶②是DNA聚合酶，前者作用于氢键，后者作用于磷酸二酯键，A错误。2．(2019·德州重点中学联考)真核细胞中DNA的复制如图所示，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答案C解析DNA复制过程中氢键的破坏需要解旋酶的催化，氢键的形成不需要酶的催化。DNA分子的多起点、双向复制一个DNA分子可以由多个复制起点同时(或先后)复制。下图中，从3个复制起点进行双向复制，明显提高了DNA分子复制的速率；图中的复制环大小不一，因此它们的复制时间有先后，右侧最早，左侧最晚。题型二DNA复制的相关计算3．(2019·陕西榆林一模)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的培养基中连续复制4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．含有14N的脱氧核苷酸单链为30条D．复制结果共产生16个DNA分子答案B解析1个被15N标记的DNA分子在14N的培养基中连续复制4次，共得到24＝16个DNA分子，D正确；根据DNA半保留复制特点可知：这16个DNA分子中有2个DNA分子的一条链是15N，另一条链是14N，其余14个DNA分子的两条链都是14N，故含有14N的脱氧核苷酸单链共30条，C正确；由此可见，16个DNA分子都含14N(比例是100%)，含有15N的DNA分子数为2(占1/8)，A正确，B错误。4．(2019·泰安期中)下列关于DNA的相关计算中，正确的是()A．具有1000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2n·m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－1·m个胸腺嘧啶D．无论是双链DNA还是单链DNA，A＋G所占的比例均是1/2答案C解析根据碱基互补配对原则，具有1000个碱基对的DNA，A＋T＋C＋G＝2000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－1·m个胸腺嘧啶，C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错误。DNA分子复制的有关计算DNA复制为半保留复制，若将亲代DNA分子复制n代，其结果分析如下：(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不含亲代链的DNA分子数为(2n－2)个。③含子代链的DNA有2n个。(2)子代中脱氧核苷酸链数为2n＋1条。①子代中亲代脱氧核苷酸链数为2条。②新合成的脱氧核苷酸链数为(2n＋1－2)条。(3)消耗的脱氧核苷酸数设亲代DNA分子中含有某种脱氧核苷酸m个，则：①经过n次复制，共需消耗游离的该种脱氧核苷酸m·(2n－1)个。②在第n次复制时，共需消耗游离的该脱氧核苷酸m·2n－1个。题型三DNA半保留复制的实验分析5．(2019·厦门高中毕业班第一次质量检查)下图表示利用大肠杆菌探究DNA复制方式的实验，下列叙述正确的是()A．可用噬菌体代替大肠杆菌进行上述实验B．可用(NH4)eq\o\al(35,2)SO4、(NH4)eq\o\al(32,2)SO4分别代替15NH4Cl、14NH4Cl进行上述实验C．试管③中b带的DNA的两条链均含有14ND．仅比较试管②和③的结果不能证明DNA复制为半保留复制答案D解析噬菌体是病毒，不能用普通培养基培养，因此不能用噬菌体代替大肠杆菌进行题中实验，A错误；S不是DNA的特征元素，因此不能用含有标记S的化合物代替15NH4Cl、14NH4Cl进行题中实验，B错误；试管③中a带的DNA的两条链均含有14N，而b带的DNA的一条链含有14N、一条链含有15N，C错误；试管①说明两条链均为15N的DNA离心后为重带，所以仅比较试管②和③的结果不能证明DNA复制为半保留复制，D正确。6．DNA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(Ⅰ和Ⅱ)，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Ⅰ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Ⅰ只有一条中密度带，则可以排除________，但不能肯定是________________________。(3)如果子代Ⅰ只有一条中密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定：若子代Ⅱ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Ⅱ不能分出________密度两条带，则排除________，同时确定为________。答案(1)轻(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解析由图示可知，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。题型四DNA复制与细胞分裂问题7．(2019·湖南岳阳高三质检)将DNA分子双链用3H标记的蚕豆(2n＝12)根尖移入普通培养液(不含放射性元素)中，再让细胞连续进行有丝分裂。根据如图所示判断在普通培养液中的第三次有丝分裂中期，细胞中染色体的标记情况依次是()A．12个bB．6个a,6个bC．6个b,6个cD．b＋c＝12个，但b和c数目不确定答案D解析在普通培养液中第一次有丝分裂产生的子细胞的DNA分子中仅有1条链被标记，故第二次有丝分裂中期时，每条染色体的2条染色单体中仅有1条染色单体具有放射性，在有丝分裂后期时姐妹染色单体分开形成两条子染色体，随机移向细胞两极，即第二次有丝分裂产生的子细胞中具体放射性的染色体数目不能确定，所以在第三次有丝分裂中期的细胞中有的染色体仅有1条染色单体具有放射性，有的染色体无放射性，但二者之和肯定为12，D正确，A、B、C错误。8．将某一核DNA被3H充分标记的雄性动物细胞(染色体数为2N)置于不含3H的培养液中培养，并经过连续两次细胞分裂。下列有关说法不正确的是()A．若进行有丝分裂，则子细胞中含3H的染色体数可能为2NB．若进行减数分裂，则子细胞中含3H的DNA分子数一定为NC．若子细胞中有的染色体不含3H，则不可能存在四分体D．若每个子细胞中染色体都含3H，则细胞分裂过程中一定发生了基因重组答案D解析若进行有丝分裂，两次分裂需要进行两次DNA复制，3H标记的DNA在不含3H的培养液中复制第一次，产生的DNA分子一条链有标记，一条链无标记，我们称为杂合DNA分子，第二次复制后，每个DNA分子复制而来的两个子代DNA分子，一个是杂合DNA分子，另外一个两条链皆无标记，在有丝分裂的G2期、前期和中期这两个DNA分子由一个着丝点连接，有丝分裂后期着丝点分裂时子染色体分配是随机的，故子细胞中含3H的染色体数可能为2N，A正确；若进行减数分裂，正常情况下，DNA分子复制一次，分裂后细胞中染色体数目减半，每个子细胞含3H的DNA分子数应该是N，B正确；若子细胞中有的染色体不含3H，则该细胞进行的是有丝分裂，不可能存在四分体，C正确；若子细胞中都含有3H，则该细胞可能进行的是减数分裂也可能是有丝分裂，而基因重组发生在减数分裂过程中，D错误。DNA复制与细胞分裂题的解答方法在解决这类问题时，从大到小再到大画出结构模型，先画出细胞分裂中染色体行为变化，再画DNA，再补全染色体，染色体中只要有一条脱氧核苷酸单链被标记，则认为该染色体含有放射性标记。规律总结：①有丝分裂：若只复制一次，产生的子染色体都带有标记；若复制两次，产生的子染色体只有一半带有标记。②减数分裂：由于减数分裂没有细胞周期，DNA只复制一次，因此产生的子染色体都带有标记。方向真题体验1．(2016·上海高考)在DNA分子模型的搭建实验中，若仅有订书钉将脱氧核糖、磷酸、碱基连为一体并构建一个含10对碱基(A有6个)的DNA双链片段，那