版高考生物一轮复习第六单元遗传的分子基础第二讲DNA分子的结构复制以及基因的本质学案新人教版.docx
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版高考生物一轮复习第六单元遗传的分子基础第二讲DNA分子的结构复制以及基因的本质学案新人教版
第二讲 DNA分子的结构、复制以及基因的本质
[考纲展示]
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)
授课提示:
对应学生用书第124页
一、DNA分子结构
1.DNA双螺旋模型构建者:
沃森和克里克。
2.DNA的分子组成
3.DNA的双螺旋结构的内容
(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)。
4.DNA分子的结构特点
(1)多样性:
如n个碱基对构成的DNA具有4n种碱基对排列顺序。
(2)特异性:
如每个DNA分子都有其特定的碱基对排列顺序。
(3)稳定性:
如两条主链磷酸与脱氧核糖交替排列的顺序不变,碱基对构成方式不变等。
二、DNA复制
1.概念、时间和场所
2.条件:
模板:
解旋后的两条母链;原料:
游离的4种脱氧核苷酸;能量:
ATP;酶:
解旋酶、DNA聚合酶等。
3.过程
4.特点
(1)过程:
边解旋边复制。
(2)方式:
半保留复制。
5.准确复制的原因和意义
(1)原因:
DNA具有独特的双螺旋结构,为复制提供精确的模板;碱基互补配对原则,保证了复制能准确进行。
(2)意义:
DNA分子通过复制,将遗传信息从亲代传给了子代,保持了遗传信息的连续性。
三、基因是有遗传效应的DNA片段
1.基因的实质:
基因是有遗传效应的DNA片段。
2.基因与DNA的关系:
一个DNA分子上有许多基因。
构成基因的碱基数小于DNA分子的碱基总数。
3.基因与遗传信息:
基因的基本组成单位是脱氧核苷酸,每个基因中含有成百上千个脱氧核苷酸,基因中脱氧核苷酸的排列顺序称为遗传信息;DNA分子能够储存足够量的遗传信息。
4.基因与性状的关系:
基因是控制生物性状的基本单位。
5.基因与染色体的关系:
基因在染色体上呈线性排列。
6.生物多样性和特异性的物质基础:
DNA分子的多样性和特异性。
1.DNA的两条脱氧核苷酸链反向平行盘旋成规则的双螺旋结构。
2.DNA双螺旋结构的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成的。
3.DNA上的碱基对严格遵循碱基互补配对原则,通过氢键连接。
4.DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。
5.DNA复制具有边解旋边复制、半保留复制的特点。
6.DNA复制需要解旋酶和DNA聚合酶参与。
7.基因是具有遗传效应的DNA片段。
8.染色体是基因的主要载体,线粒体、叶绿体中也存在基因。
有关DNA结构及复制计算的3个易混易错点
(1)水解产物及氢键数目计算:
①DNA水解产物:
初步水解产物是脱氧核苷酸,彻底水解产物是磷酸、脱氧核糖和含氮碱基。
②氢键数目计算:
若碱基对数为n,则氢键数为2n~3n;若已知A有m个,则氢键数为3n-m。
(2)DNA复制计算:
在做DNA分子复制的计算题时,应看准是“含”还是“只含”,是“DNA分子数”还是“链数”。
(3)DNA复制与细胞分裂的放射性标记:
只要亲代细胞所有DNA均标记且只复制1次,产生子代DNA分子全带放射性,不管有丝分裂一次产生2个子细胞还是减数分裂连续分裂2次产生4个子细胞。
授课提示:
对应学生用书第125页
考点一 DNA的结构
[核心考点通关]
1.两种DNA结构模型解读
(1)由图1可解读以下信息:
(2)图2是图1的简化形式,其中①是磷酸二酯键,③是氢键。
解旋酶作用于③部位,限制性核酸内切酶和DNA连接酶作用于①部位。
2.由碱基种类及比例可分析判断核酸的种类
(1)若有U无T,则该核酸为RNA。
(2)若有T无U,且A=T,G=C,则该核酸一般为双链DNA。
(3)若有T无U,且A≠T,G≠C,则该核酸为单链DNA。
3.DNA分子中的碱基计算的常用方法
(1)互补的两个碱基数量相等,即A=T,C=G。
(2)任意两个不互补的碱基数量之和占总碱基数的50%,即A+G=T+C=A+C=T+G=(A+T+C+G)×50%,
=
=1。
(3)一条链中互补的两种碱基的和等于另一条链中这两种碱基的和,即A1+T1=A2+T2,G1+C1=G2+C2(1、2分别代表DNA分子的两条链,下同)。
(4)一条链中互补的两种碱基数量之和占该单链碱基数的比例等于DNA分子两条链中这两种碱基数量之和占总碱基数的比例,即
=
=
,
=
=
。
(5)一条链中两种不互补碱基之和的比值,与另一条链中该比值互为倒数,即若一条链中
(或
)=K,则另一条链中
(或
)=
。
[特别提醒]
DNA分子的共性与特异性
(1)共性:
、
、
或
在不同DNA分子中无特异性(均相同);
[特别提醒]
(2)特异性:
在不同DNA中可不相同,代表DNA分子特异性(但DNA分子特异性还有碱基排列顺序)。
注:
即使两个DNA分子中
数量相同,其碱基对排列顺序也可能是不同的,只有同1个DNA分子复制得到的子代之间才会拥有种类、数量、排列顺序均相同的碱基对。
[题组突破演练]
题组一 DNA结构及特点分析判断
1.如图表示某DNA片段,有关该图的叙述中,不正确的是( )
A.②③④可形成DNA的基本组成单位
B.②③和不同的④构成的结构在DNA中的特定排列顺序可代表遗传信息
C.⑤的形成需要DNA聚合酶
D.⑤的分开需要DNA解旋酶
解析:
选项A正确,①表示磷酸二酯键,②表示磷酸,③表示脱氧核糖,④表示胞嘧啶,⑤表示氢键。
②③④可以构成胞嘧啶脱氧核苷酸,是DNA的1种基本组成单位;选项B正确,4种脱氧核苷酸的排列顺序可代表遗传信息;选项C不正确,⑤表示氢键,其形成不需要酶的作用;选项D正确,氢键的分开需要DNA解旋酶,通过DNA解旋酶的解旋作用才能使两条单链分开。
答案:
C
2.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
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。
答案:
C
题组二 DNA中有关碱基的计算
3.(2017·山东齐鲁名校调研)某种烷化剂芥子气能使鸟嘌呤转变为烷基化鸟嘌呤(mG),mG不与胞嘧啶配对而与胸腺嘧啶配对。
某双链DNA分子中T占碱基总数的20%,用芥子气使DNA分子中所有鸟嘌呤成为mG后进行复制一次,其中一个DNA分子中T占碱基总数的30%,则另一个DNA分子中T占碱基总数的比例是( )
A.15% B.20%
C.30%D.40%
解析:
芥子气能使鸟嘌呤转变为烷基化鸟嘌呤(mG),进行复制得甲、乙两个DNA分子,亲代DNA分子中T占0.2,假设甲中T占0.3,则甲中mG=0.3-0.2=0.1,由于亲代DNA分子中mG+C=0.6,故亲代中mG=C=0.3,则乙中mG=0.2,T=0.2+0.2=0.4。
答案:
D
4.下列是一组有关双链DNA分子中含氮碱基的问题,请回答:
(1)若A占20%,则G占________。
(2)若双链DNA中A占20%,且一条链中的A占20%,则此链中C所占比例的最大值是________。
(3)—条链中(A+C)/(T+G)=0.4,互补链中的此值是________。
(4)一条链中(A+T)/(C+G)=0.4,互补链中的此值是________。
(5)若A有P个,占全部碱基数的20%,则该DNA分子中的G有________个。
解析:
(1)由双链DNA分子的嘌呤碱基数占总碱基数的一半可知:
A+G=50%,因而G占30%。
(2)由双链DNA分子中A占20%可知:
该DNA分子中(A+T)占40%,(C+G)占60%,对任一条链而言,某种碱基所占比例的最大值即该对碱基所占的比例,因而,C最多时占该链的60%。
(3)由双链DNA中,一条链中的(A+C)/(T+G)与另一条链中的该比值互为倒数可知:
其互补链中的(A+C)/(T+G)=1/0.4=2.5。
(4)由于双链DNA及任一条链中的(A+T)/(C+G)为一定值,可知其互补链中的(A+T)/(C+G)=0.4。
(5)若A有P个,占全部碱基数的20%,则DNA分子的总碱基数为P/20%=5P(个),而由双链DNA分子的嘌呤碱基数占总碱基数的一半可知:
G占总碱基数的50%-20%=30%,则G有5P×30%=1.5P(个)。
答案:
(1)30%
(2)60% (3)2.5 (4)0.4
(5)1.5P
考点二 DNA的复制
[核心考点通关]
1.有关DNA复制的几个问题
(1)复制的场所:
主要场所是细胞核,但在拟核、线粒体、叶绿体、细胞质基质(如质粒)中也可进行DNA复制。
(2)外界条件对DNA复制的影响:
在DNA复制的过程中,需要酶的催化和ATP供能,凡是影响酶活性的因素和影响细胞呼吸的因素,都会影响DNA的复制。
(3)复制方式:
半保留复制。
新合成的每个DNA分子中,都保留了原来DNA分子中的一条链(模板链)。
(4)过程特点:
边解旋边复制;多点解旋和复制。
(5)DNA复制的准确性
①一般情况下,DNA分子能准确地进行复制。
原因:
DNA具有独特的双螺旋结构,能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。
②在特殊情况下,在外界因素和生物内部因素的作用下,可能造成碱基配对发生差错,引发基因突变。
2.DNA半保留复制的相关计算方法
(1)将用15N标记的DNA分子放入含14N的培养基中连续培养n代,其后代DNA分子的情况分析如下
复制
代数
DNA分子
分子数
只含15N
只含14N
含15N
含14N
亲代
1
1
0
1
0
1
2
0
0
2
2
2
4
0
2
2
4
n
2n
0
2n-2
2
2n
规
律
繁殖n代后,含15N的DNA分子只有2个;所有子代DNA分子中都有含14N的单链;含15N的DNA分子占全部DNA分子的比为2/2n=1/2n-1
分析表格可得:
①子代DNA分子中,含14N的有2n个,只含14N的有(2n-2)个,做题时应看准是“含”还是“只含”。
②无论复制多少次,含15N的子代DNA分子始终只有2个。
③子代DNA分子的总链数为2n×2=2n+1(条)。
无论复制多少次,含15N的链始终有2条,占总链数的比例为2/2n+1=1/2n。
做题时,应看准是“DNA分子数”还是“链数”。
(2)DNA复制过程中消耗的脱氧核苷酸数的计算
设某双链DNA分子中含某种碱基a个:
①复制n次需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a·(2n-1)个。
如图所示。
②第n次复制需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a·2n-1个。
由上图可以看出,复制的结果是形成两个一样的DNA分子,所以一个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a·2n-1个。
3.DNA复制与细胞分裂的模型构建
这样看来,最后形成的4个子细胞有3种情况:
第一种情况是4个细胞都是
;第二种情况是2个细胞是
,1个细胞是
,1个细胞是
;第三种情况是2个细胞是
,另外2个细胞是
。
[易混易错]
(1)运用DNA半保留复制特点,分析被标记DNA分子的比例时,应注意求的是DNA分子数,还是脱氧核苷酸链数;还应注意培养液中化学元素的转换。
(2)运用DNA半保留复制特点,解决消耗某种脱氧核苷酸数量问题时,应注意亲代DNA分子的两条母链被保留下来,不需消耗原料。
(3)在计算消耗游离的脱氧核苷酸数时要明确是“经过n次复制”还是“第n次复制”。
[题组突破演练]
题组一 DNA复制过程的分析判断
5.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
解析:
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错误。
答案:
C
6.图一是真核细胞DNA复制过程的模式图,图二是大肠杆菌DNA复制过程模式图,箭头表示复制方向。
对此描述错误的是( )
A.真核细胞DNA有多个复制起点,而大肠杆菌只有一个
B.两者均具有双向复制的特点
C.真核细胞DNA复制时,在起点处不都是同时开始的
D.两者的遗传物质均是环状的
解析:
题中图一显示,真核细胞DNA复制时至少有两个复制起点,而图二显示大肠杆菌只有一个复制起点;根据复制箭头的方向,可知两者的复制均为双向复制;图一显示在两个不同的起点处复制后形成的子链DNA片段长度不同,片段长的先开始复制;图中显示真核细胞的DNA是链状的,而大肠杆菌的DNA是环状的。
答案:
D
题组二 DNA复制的探究及相关计算
7.科学家以大肠杆菌为实验对象,运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验,实验内容及结果如表所示。
组别
1组
2组
3组
4组
培养液中
唯一氮源
14NH4Cl
15NH4Cl
14NH4Cl
14NH4Cl
繁殖代数
多代
多代
一代
两代
培养产物
A
B
B的子Ⅰ代
B的子Ⅱ代
操作
提取DNA并离心
离心结果
仅为轻
带(14N
/14N)
仅为重
带(15N
/15N)
仅为中带
(15N/14N)
1/2轻带
(14N/14N)
1/2中带
(15N/14N)
请分析并回答问题。
(1)要得到DNA中的N全部被15N标记的大肠杆菌B,必须经过________代培养,且培养液中的________是唯一氮源。
(2)综合分析本实验的DNA离心结果,第________组结果对得到结论起到了关键作用,但需把它与第________组和第________组的结果进行比较,才能说明DNA分子的复制方式是________________。
(3)分析讨论:
①若B的子Ⅰ代DNA的离心结果为“轻带”和“重带”两条密度带,则“重带”DNA来自________,据此可判断DNA分子的复制方式不是________复制。
②若将B的子Ⅰ代DNA双链分开后再离心,其结果________(填“能”或“不能”)判断DNA的复制方式。
③若在同等条件下将B的子Ⅱ代继续培养,子n代DNA离心的结果是密度带的数量和位置________(填“有”或“没有”)变化。
解析:
(1)要得到DNA中的N全部被15N标记的大肠杆菌B,即第2组的结果,应培养多代,且培养液中唯一氮源为15NH4Cl。
(2)第3组实验结果最为重要,因为B的DNA为15N/15N型,B的子Ⅰ代的DNA为15N/14N型,这就说明DNA的复制方式为半保留复制。
但中带只有与轻带和重带进行比较才能得出,所以它要与第1组和第2组的结果进行比较。
(3)①若B的子Ⅰ代DNA的离心结果为“轻带”和“重带”两条密度带,说明DNA的复制方式不是半保留复制,而是全保留复制。
重带来自原来的B。
②若把DNA双链分开,就无法得知DNA的复制方式了。
③当对B的子Ⅱ代进行培养时,子n代的离心结果还是得到两个密度带,位置和原来相同,密度带的数量和位置没有变化。
答案:
(1)多 15N(或15NH4Cl)
(2)3 1 2 半保留复制 (3)①B 半保留 ②不能 ③没有
8.(2017·江西师大附中期中)5BrU(5溴尿嘧啶)既可以与A配对,又可以与C配对。
将一个正常的具有分裂能力的细胞,接种到含有A、G、C、T、5BrU五种核苷酸的适宜培养基上,至少需要经过几次复制后,才能实现细胞中某DNA分子某位点上碱基对从T—A到G—C的替换( )
A.2次 B.3次
C.4次D.5次
解析:
依题意,某DNA分子在含有A、G、C、T、5BrU五种核苷酸的适宜培养基上进行复制,某位点上碱基对从T—A到G—C的替换过程图解如下:
从以上图解中可以看出,至少需要经过3次复制,所以B项正确,A、C、D三项均错误。
答案:
B
授课提示:
对应学生用书第127页
练全国高考真题——知考查重点
1.(2016·高考全国卷Ⅱ)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:
因为该物质可使DNA双链不能解开,DNA复制时需要解旋,所以若在细胞培养液中加入该物质,会导致细胞中DNA复制发生障碍,A正确;由于RNA是在细胞核中以DNA一条链为模板合成的,因此,RNA转录前需要DNA解旋,B正确;因为该物质使DNA复制不能完成,所以可将细胞周期阻断在分裂间期,C错误;该物质能抑制DNA复制,因此,可抑制癌细胞增殖,D正确。
答案:
C
2.(2014·高考上海卷)某亲本DNA分子双链均以白色表示,以灰色表示第一次复制出的DNA子链,以黑色表示第二次复制出的DNA子链,该亲本双链DNA分子连续复制两次后的产物是( )
解析:
DNA分子的复制方式为半保留复制,所以亲本DNA分子的两条链进入不同的子代DNA分子中,A、B项错误;因为第二次复制时得到的4个DNA分子中,都有一条DNA子链是在第二次复制时形成的,而C项中只有两个DNA分子中含第二次复制出的子链(黑色表示),因此C项错误、D项正确。
答案:
D
3.(2016·高考全国卷Ⅰ)在有关DNA分子的研究中,常用32P来标记DNA分子。
用α、β和γ表示ATP或dATP(d表示脱氧)上三个磷酸基团所处的位置(A—Pα~Pβ~Pγ或dA-Pα~Pβ~Pγ)。
回答下列问题:
(1)某种酶可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上,同时产生ADP。
若要用该酶把32P标记到DNA末端上,那么带有32P的磷酸基团应在ATP的________(填“α”“β”或“γ”)位上。
(2)若用带有32P的dATP作为DNA生物合成的原料,将32P标记到新合成的DNA分子上,则带有32P的磷酸基团应在dATP的________(填“α”“β”或“γ”)位上。
(3)将一个某种噬菌体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_______________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:
(1)由题意知,该酶可催化ATP水解产生ADP,此过程中断裂的应是远离“A”的那个高能磷酸键,从而使ATP中γ位上的磷酸基团脱离,此磷酸基团可在该酶的作用下转移到DNA末端上。
(2)脱氧核苷酸中的磷酸应对应于dATP的α位上的磷酸基团,若用dATP作为DNA生物合成的原料,则dATP需脱去β位和γ位上的磷酸基团形成脱氧核苷酸,所以参与DNA分子组成的脱氧核苷酸中只有α位上的磷酸基团。
(3)1个噬菌体含有1个双链DNA分子,用DNA分子被32P标记的噬菌体感染大肠杆菌,由于DNA分子复制为半保留复制,即亲代DNA分子的两条链在复制中保留下来,且分别进入不同的DNA分子中,所以理论上不管增殖多少代,子代噬菌体中只有2个噬菌体含有32P。
答案:
(1)γ
(2)α (3)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
练各地市模拟——知命题热点
4.(2017·陕西西安质检)将玉米的一个根尖细胞放在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中完成一个细胞周期,然后将子代细胞转入不含放射性标记的培养基中继续培养。
下列关于细胞内染色体的放射性标记分布情况的描述,正确的是( )
A.第二次分裂结束只有一半的细胞具有放射性
B.第二次分裂结束具有放射性的细胞可能有4个
C.在第二次分裂的中期每条染色体的两条单体都被标记
D.在第二次分裂的中期只有半数的染色体中的一条单体被标记
解析:
根尖细胞进行有丝分裂,且DNA的复制方式为半保留复制,经过一个细胞周期后,产生的子代细胞均含有放射性,且一个DNA分子中只有一条链含有放射性。
第二次分裂结束后具有放射性的细胞可能有4个。
在第二次分裂的中期,每条染色体都被标记,且每条染色体的两条单体中只有一条被标记。
答案:
B
5.(2017·云南昆明统考)用3H标记蚕豆根尖分生区细胞的DNA分子双链,再将这些细胞转入含秋水仙素但不含3H的普通培养基中培养。
若秋水仙素对细胞连续发挥作用,则相关叙述不正确的是( )
A.秋水仙素可抑制纺锤体的形成,但不影响着丝点的正常分裂
B.通过对细胞中不含染色单体时的染色体计数,可推测DNA复制的次数
C.通过检测DNA链上3H标记出现的情况,可推测DNA的复制方式
D.细胞中DNA第二次复制完成时,每条染色体的姐妹染色单体均带有3H标记
解析:
秋水仙素可抑制纺锤体形成,使着丝点分裂后染色体不能移向细胞两极,从而使细胞染色体数目加倍,故A正确;1个DNA分子复制n次后的DNA数目为2n个,细胞中不含单体时的染色体数目等于DNA分子数目,所以通过对细胞中不含单体时的染色体计数,可推测DNA复制的次数,B正确;DNA复制一次,所有的DNA分子都有一条单链含3H标记,DNA第二次复制完成后,一半的DNA分子没有3H标记,由此可以推测DNA的复制方式为半保留复制,C正确;细胞中DNA第二次复制完成时,每条染色体的姐妹染色单体中只有一条带有3H标记,D错误。
答案:
D
6.(2017·北京朝阳模拟)下列关于DNA结构及复制的叙述正确的是( )
A.碱基对特定的排列顺序及空间结构决定DNA分子的特异性
B.减数分裂中DNA的两条链分别进入两个细胞导致等位基因分离
C.单链DNA分子中相邻碱基通过脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖连接
D.所有生物的DNA的复制均发生在细胞核、线粒体和叶绿体中
解析:
碱基对特定的排列顺序及数目决定DNA分子的特异性;同源染色体分离导致等位基因分离;单链DNA分子中碱基直接与脱氧核糖连接,相邻脱氧核糖连接在同一磷酸上;真核生物中DNA复制发生在细胞核、线粒体和叶绿体中,原核生物中DNA复制发生在拟核、细胞质中。
答案:
C