生物步步高第六单元 第19讲.docx
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生物步步高第六单元第19讲
第19讲 DNA分子的结构、复制及基因是有遗传效应的DNA片段
[考纲要求] 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)。
一、DNA分子的结构
[巧记] 借图记忆
“3”→三种物质:
○、
、▭;“4”→四种碱基对应四种脱氧核苷酸;“5”→五种元素:
含C、H、O;○一定含P;▭一定含N。
[判一判]
1.DNA的两条核糖核苷酸链反向平行盘旋成双螺旋结构( × )
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( √ )
3.两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对( √ )
4.DNA上碱基对的形成遵循碱基互补配对原则,即A=U,G=C( × )
[解惑] 碱基A与T之间形成两个氢键,G与C之间形成三个氢键。
含氢键越多,结构越稳定,即含G—C(或C—G)碱基对的比例越大,结构越稳定。
二、DNA分子的复制
1.概念:
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
2.时间:
有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期。
3.条件
4.过程:
DNA
两条母链
形成子链→新DNA分子。
5.方式:
半保留复制。
6.特点:
边解旋边复制。
7.意义:
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——具有遗传效应的DNA片段
1.据图①写出基因与染色体的关系:
基因在染色体上呈线性排列。
2.将代表下列结构的字母填入图②中的相应横线上:
a.染色体、b.DNA、c.基因、d.脱氧核苷酸。
3.基因的本质:
具有遗传效应的DNA片段。
[判一判]
1.构成基因的碱基总数与DNA分子的碱基总数相等( × )
2.某DNA片段中有100个脱氧核苷酸,则可能的排列顺序为2100种( × )
提示 排列顺序应为4n,n指碱基对数,100个=50对,即应为450种,其中“4”有特定含义,代表4种碱基,不能写成2100。
3.不同DNA分子携带的遗传信息不同的根本原因在于碱基排列顺序不同( √ )
[解惑]
(1)基因是遗传的基本结构和功能单位,其主要载体是染色体。
线粒体和叶绿体中也存在基因。
(2)原核生物体内也存在基因,但不与蛋白质结合。
考点一 聚焦DNA分子的结构及碱基计算
1.观察DNA分子结构模型,分析其空间结构
(1)空间结构分析
分类
主链
内侧
构成方式
磷酸和脱氧核糖交替连接,两条主链呈反向平行,有规则盘旋成双螺旋
主链上对应碱基以氢键连接成对,对应碱基之间互补(A—T,G—C)配对,碱基平面之间平行
动态变化
相对稳定
碱基比率和碱基序列可变
(2)说出DNA三个结构特点的含义
①稳定性:
DNA中脱氧核糖和磷酸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:
DNA分子中碱基对排列顺序多种多样。
③特异性:
每种DNA都有区别于其他DNA的特定的碱基排列顺序。
2.DNA碱基互补配对原则的有关计算
规律1:
互补的两个碱基数量相等,即A=T,C=G。
规律2:
任意两个不互补的碱基和占总碱基的50%。
规律3:
一条链中互补碱基的和等于另一条链中这两种碱基的和。
规律4:
若一条链中,
=n,则另一条链中
=n,
=n。
规律5:
若一条链中
=K,则另一条链中
=
。
易错警示 有关水解产物、氢键及碱基计算的易错点
(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:
若碱基对为n,则氢键数为2n~3n;若已知A有m个,则氢键数为3n-m。
(2)碱基计算
①不同生物的DNA分子中互补配对的碱基之和的比值不同,即(A+T)/(C+G)的值不同。
该比值体现了不同生物DNA分子的特异性。
②若已知A占双链的比例=c%,则A1/单链的比例无法确定,但最大值可求出为2c%,最小值为0。
1.如图为核苷酸链结构图,有关叙述不正确的是( )
A.能构成一个完整核苷酸的是图中的a和b
B.各核苷酸之间是通过化学键③连接起来的
C.DNA连接酶可连接断裂的化学键③
D.若该链为脱氧核苷酸链,从碱基组成上看,缺少的碱基是T
答案 A
解析 核苷酸是核酸的基本组成单位,每个核苷酸由一分子的磷酸、一分子的五碳糖、一分子的含氮碱基组成;DNA中有A、T、C、G四种碱基,RNA中有A、U、C、G四种碱基;核苷酸分子通过磷酸二酯键连接组成核苷酸链。
2.下图为真核细胞内某基因(15N标记)的结构示意图,该基因全部碱基中A占20%。
下列说法正确的是( )
A.该基因一定存在于细胞核内的染色体DNA上
B.该基因的一条核苷酸链中(C+G)/(A+T)为3∶2
C.DNA解旋酶只作用于①部位,限制性核酸内切酶只作用于②部位
D.将该基因置于14N培养液中复制3次后,含15N的DNA分子占1/8
答案 B
解析 真核细胞中的DNA主要存在于细胞核内的染色体中,少量存在于线粒体、叶绿体中。
由双链DNA中A(腺嘌呤)占20%,且DNA中A=T、C=G可知,C+G=100%-(A+T)=60%,故该基因中(C+G)/(A+T)=3∶2=该基因一条核苷酸链中(C+G)/(A+T)。
DNA解旋酶破坏的是碱基对之间的氢键(即②),而限制性核酸内切酶以及DNA连接酶作用于DNA分子中磷酸与脱氧核糖之间的共价键。
15N标记的DNA在14N培养液中培养,复制3次后,含15N的DNA占2/23=1/4。
1.DNA结构中化学键的形成与断裂
(1)氢键:
配对的碱基间形成碱基对,通过氢键相连,可用DNA解旋酶断裂,也可用高温断裂。
(2)磷酸二酯键:
连接磷酸和相邻脱氧核苷酸的脱氧核糖的化学键,可用限制酶切断,可用DNA连接酶或DNA聚合酶连接。
2.核酸种类的判断方法
(1)DNA和RNA的判断:
含有碱基T或脱氧核糖⇒DNA
含有碱基U或核糖⇒RNA
(2)单链DNA和双链DNA的判断:
若:
⇒双链DNA
若:
嘌呤≠嘧啶⇒单链DNA
(3)DNA和RNA合成的判断:
用放射性同位素标记T或U可判断DNA和RNA的合成。
若大量消耗T,可推断正发生DNA的合成;若大量利用U,可推断正进行RNA的合成。
考点二 探究DNA分子的复制和相关计算
1.DNA复制方式的探究
关于DNA复制方式的探究,充分体现了假说—演绎法,即在克里克假说的基础上,通过演绎推理,最终通过实验得以验证。
根据下面实验过程,回答相关问题。
(1)实验材料:
大肠杆菌。
(2)实验方法:
放射性同位素标记技术和离心技术。
(3)实验假设:
DNA以半保留的方式复制。
(4)实验过程(如图)
(5)实验预期:
离心后应出现3条DNA带(如上图)。
(根据标记情况作答)
①重带(密度最大):
15N标记的亲代双链DNA(15N/15N)。
②中带(密度居中):
一条链为15N,另一条链为14N标记的子代双链DNA(15N/14N)。
③轻带(密度最小):
两条链都为14N标记的子代双链DNA(14N/14N)。
(6)实验结果:
与预期的相符。
2.DNA分子复制中的相关计算
(1)某DNA分子中含某种碱基a个,则复制n次需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a×(2n-1);第n次复制,需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a×2n-1。
(2)若以被同位素标记的DNA分子的两条链为模板,复制n次后,标记的DNA分子占2/2n,标记的DNA单链占所有单链的1/2n;若用同位素标记原料,则复制n次后,标记的DNA分子占100%,标记的单链占1-1/2n。
易错警示 关于DNA复制的2个易错点
(1)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”。
(2)在分析细胞分裂问题时,常以染色体或DNA分子为研究对象,而在分析DNA分子复制问题时,一定要从DNA分子两条单链的角度考虑,所以复制后的一条染色体上的两个DNA分子中都含有原来的单链。
3.如图为DNA复制的图解,请据图回答下列问题:
(1)DNA复制发生在______________________________________。
(2)②过程称为________。
(3)③中的子链是________。
(4)③过程必须遵循______________________原则。
(5)子代DNA分子中只有一条链来自亲代DNA分子,由此说明DNA复制具有__________________的特点。
(6)用15N标记含有100个碱基对的DNA分子,其中有胞嘧啶60个,若该DNA分子在14N的培养基中连续复制四次,则结果不可能是( )
A.含有15N的DNA分子占1/8
B.含有14N的DNA分子占7/8
C.复制过程中需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸600个
D.共产生16个DNA分子
(7)具有N个碱基对的一个DNA分子片段中,含有m个腺嘌呤脱氧核苷酸。
①该片段完成n次复制需要________个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸。
②该片段完成第n次复制需要________个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸。
A.(2n-1)(N-m)B.2n-1(N-m)
C.2n-1(N/2-m)D.2n(N/2-m)
(8)若用32P标记了玉米体细胞(含20条染色体)的DNA分子双链。
再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养,在第二次细胞分裂的中期、后期,一个细胞中的染色体总条数和被32P标记的染色体条数分别是( )
A.中期20和20、后期40和20
B.中期20和10、后期40和20
C.中期20和20、后期40和10
D.中期20和10、后期40和10
答案
(1)有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期
(2)解旋 (3)Ⅱ、Ⅲ (4)碱基互补配对 (5)半保留复制 (6)B (7)①A ②B (8)A
解析 DNA的复制方式为半保留复制,子代DNA分子中有一条母链和一条与母链互补的子链。
(6)由于DNA的复制是半保留复制,经过四次复制形成的16个DNA分子中,有2个DNA分子的一条链上含有15N,另一条链上含有14N,其余14个DNA分子的两条链上全部含有14N。
该DNA分子中含有胞嘧啶60个,由此计算出含有鸟嘌呤60个,腺嘌呤和胸腺嘧啶各有40个,复制四次需要腺嘌呤脱氧核苷酸的数量为40×(16-1)=600(个),选项A、C、D正确,B错误。
(7)根据题意,该DNA分子片段含有胞嘧啶脱氧核苷酸
的个数为(2N-2m)/2=N-m。
①该片段完成n次复制,共产生DNA分子片段数为2n个,新增DNA分子片段(2n-1)个。
故其完成n次复制需要的游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为(2n-1)(N-m)个,选A。
②该片段完成第n-1次复制时共产生DNA分子片段2n-1个,若再完成一次复制(也就是第n次复制),新增DNA分子片段数为2n-1个,故其完成第n次复制需要的游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为2n-1(N-m)个,选B。
(8)玉米体细胞有丝分裂中期和后期细胞中染色体的数量分别为20和40,DNA分子的数量分别为40和40。
DNA分子的复制具有半保留复制的特点,即新产生的DNA中有一条链是来自于母链,另一条链是新合成的子链。
所以,第一次复制后的所有DNA都是一条链含有32P,另一条链不含;第二次复制得到的DNA分子则有一半含有32P,另一半不含。
所以,第二次细胞分裂中期和后期的细胞中都有20个DNA分子含有32P,选A。
4.取1个含有1对同源染色体的精原细胞,用15N标记细胞核中的DNA,然后放在含14N的培养基中培养,让其连续进行两次有丝分裂,形成4个细胞,这4个细胞中含15N的细胞个数可能是( )
A.2B.3C.4D.前三项都对
答案 D
以上面第4题为例,利用图示法理解细胞分裂与DNA复制相结合的知识。
这样来看,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2种情况是2个细胞是
,1个细胞是
,1个细胞是
;第3种情况是2个细胞是
,另外2个细胞是
。
序号
错因分析
正确答案
序号
错因分析
正确答案
①
对“方式”与“特点”区分不清
半保留复制
②
审题不清,该题是考查解旋的条件
能量(ATP)
③
答非所问,没有注意题干中的“还需要”
DNA连接
④
忽视题干中的“方向”
相反
⑤
考虑问题不全面
细胞核、线粒体和叶绿体
⑦
对减数分裂与DNA复制的关系理解不清
1/4
⑥
答案不全面
有丝分裂后期、减数第二次分裂后期
题组一 DNA分子的结构及相关计算
1.判断正误
(1)双链DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数(2010·江苏,1D)( )
(2)DNA单链上相邻碱基以氢键连接(2009·广东,24B)( )
(3)DNA单链上相邻碱基与磷酸基相连接(2009·广东,24C)( )
(4)DNA分子中两条脱氧核苷酸链之间的碱基一定是通过氢键连接的
(2011·海南,16B)
( )
(5)分子大小相同、碱基含量相同的核酸分子所携带的遗传信息一定相同
(2011·海南,16C)
( )
答案
(1)√
(2)× (3)× (4)√ (5)×
2.(2010·上海卷,4)细胞内某一DNA片段中有30%的碱基为A,则该片段中( )
A.G的含量为30%B.U的含量为30%
C.嘌呤含量为50%D.嘧啶含量为40%
答案 C
解析 根据DNA双螺旋结构中A=T、C=G可知,嘌呤之和等于嘧啶之和,故C正确。
其他碱基的含量分别为:
T=A=30%,C=G=[1-(30%+30%)]/2=20%。
题组二 DNA复制及基因的本质
3.(2012·山东卷,5)假设一个双链均被32P标记的噬菌体DNA由5000个碱基对组成,其中腺嘌呤占全部碱基的20%。
用这个噬菌体侵染只含31P的大肠杆菌,共释放出100个子代噬菌体。
下列叙述正确的是( )
A.该过程至少需要3×105个鸟嘌呤脱氧核苷酸
B.噬菌体增殖需要细菌提供模板、原料和酶等
C.含32P与只含31P的子代噬菌体的比例为1∶49
D.该DNA发生突变,其控制的性状即发生改变
答案 C
解析 根据题干信息可知,噬菌体的DNA含有5000个碱基对,即为10000个碱基,腺嘌呤(A)占全部碱基的20%,即A=T=2000个,则G=C=3000个。
在噬菌体增殖的过程中,DNA进行半保留复制,100个子代噬菌体含有100个DNA,相当于新合成了99个DNA,至少需要的鸟嘌呤(G)脱氧核苷酸数是99×3000=297000,A项错误。
噬菌体增殖的过程中需要自身的DNA作为模板,而原料和酶由细菌提供,B项错误。
根据半保留复制方式的特点可知,在子代噬菌体的100个DNA中,同时含32P和31P的只有2个,只含31P的为98个,C项正确。
DNA发生突变,其控制的性状不一定发生改变,如AA突变为Aa以及密码子的简并性等,D项错误。
4.(2010·山东卷,7)蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷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基中继续分裂至中期,其染色体的放射性标记分布情况是( )
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.只有半数的染色体中一条单体被标记
D.每条染色体的两条单体都不被标记
答案 B
解析 蚕豆的根尖细胞完成一个细胞周期后,根据DNA半保留复制的特点,形成的子细胞中染色体上的DNA都只有一条链具有放射性,另一条链不具有放射性,即每条染色体都具有放射性。
当在不具有放射性标记的培养基中接着进行下一个细胞周期时,完成DNA复制后,有丝分裂前期以及中期每条染色体都含有两条染色单体,每条染色单体含有一个DNA分子,这两个DNA分子一个具有放射性,一个没有放射性,即细胞中每条染色体含有的两条染色单体(两个DNA分子)都是一条染色单体(一个DNA分子)被标记,另一条染色单体(另一个DNA分子)不被标记。
题组三 DNA复制的实验探究
5.(2010·北京卷,30)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,实验内容及结果见下表。
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)
轻带(14N/14N)
中带(15N/14N)
请分析并回答:
(1)要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌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若子Ⅰ代DNA的离心结果为“轻”和“重”两条密度带,则“重带”DNA来自于________,据此可判断DNA分子的复制方式不是________复制。
②若将子Ⅰ代DNA双链分开后再离心,其结果________(选填“能”或“不能”)判断DNA的复制方式。
③若在同等条件下将子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________,放射性强度发生变化的是________带。
④若某次实验的结果中,子Ⅰ代DNA的“中带”比以往实验结果的“中带”略宽,可能的原因是新合成DNA单链中的N尚有少部分为________。
答案
(1)多 15NH4Cl
(2)3 1 2 半保留复制 (3)①B 半保留 ②不能 ③没有变化 轻 ④15N
【组题说明】
考 点
题 号
错题统计
错因分析
DNA分子的结构
1、2、3、13
有关碱基的计算
4、5、6
DNA分子的复
制和相关计算
7、8、9、10、14、15
关于基因的探究
11、12
1.下列关于人类探究遗传奥秘历程中所用的实验方法的叙述,错误的是( )
A.孟德尔在以豌豆为实验材料研究遗传规律时,运用了统计学的方法
B.萨顿提出“基因位于染色体上”的假说时,运用了类比推理的方法
C.格里菲思进行肺炎双球菌转化实验时,运用了放射性同位素标记法
D.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
答案 C
解析 孟德尔在以豌豆为实验材料研究遗传规律时,运用了统计学的方法;萨顿提出“基因位于染色体上”的假说时,运用了类比推理法;格里菲思进行肺炎双球菌转化实验时,用不同类型的肺炎双球菌去感染小鼠,并未运用放射性同位素标记法;沃森和克里克通过构建物理模型来研究DNA分子的结构。
2.下列关于DNA分子结构的叙述中,错误的是( )
A.DNA分子由四种脱氧核苷酸组成
B.每个DNA分子中,碱基数=脱氧核苷酸数=脱氧核糖数
C.双链DNA分子中的一段,若含有30个胞嘧啶,就一定会同时含有30个鸟嘌呤
D.DNA分子中每个脱氧核糖上均连接着一个磷酸基和一个含氮碱基
答案 D
解析 DNA分子中除每条单链一端的脱氧核糖外,每个脱氧核糖连接两个磷酸基和一个含氮碱基。
3.下列有关DNA分子结构的叙述,错误的是( )
A.双链DNA分子中含有两个游离的磷酸基团
B.DNA的一条单链上相邻的碱基A与T之间通过氢键连接
C.嘌呤碱基与嘧啶碱基的结合保证了DNA分子空间结构的相对稳定
D.DNA分子两条链反向平行
答案 B
解析 DNA的一条单链上相邻的碱基A与T之间通过脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖连接。
4.经检测得知,一双链DNA分子中鸟嘌呤的数目为x,其占碱基总量的比例是y,以下推断正确的是( )
A.与鸟嘌呤互补的碱基所占的比例是(1-y)
B.该DNA分子的嘌呤碱基和嘧啶碱基的比值是x/y
C.该DNA分子的碱基之间的氢键数是x(1+2/y)
D.与鸟嘌呤不互补的碱基数目是x(1-2y)/y
答案 D
解析 由题意可知,G、C所占比例都为y,数量都为x;A、T所占比例都为(1/2-y),数量都为[(x/y)-2x]/2=[(x/2y)-x]。
与鸟嘌呤互补的碱基所占比例是y。
该DNA分子的嘌呤碱基和嘧啶碱基的比值是1。
G、C之间有三个氢键,A、T之间有两个氢键,该DNA分子的碱基之间的氢键数目是3x+2[(x/2y)-x]=(x+x/y)。
A、T与G不互补,其数目为[x(1-2y)/y]。
5.已知某DNA分子中,G与C之和占全部碱基总数的35.8%,其中一条链的T与C分别占该链碱基总数的32.9%和17.1%,则在它的互补链中,T和C分别占该链碱基总数的
( )
A.32.9%和17.l%B.31.3%和18.7%
C.18.7%和31.3%D.17.1%和32.9%
答案 B
解析 由题中G+C=35.8%,可推出C=G=17.9%,A=T=32.1%;设它的互补链中,T和C分别占该链碱基总数的比例为X、Y,则有1/2(X+32.9%)=32.1%,1/2(Y+17.1%)=17.9%,解得X=31.3%,Y=18.7%。
6.从某种生物中提取出核酸样品,经科学家检测和计算后,碱基之间的相互关系如下:
(A+T)/(G+C)=1,(A+G)/(T+C)=1。
据此结果,该样品( )
A.确定是双链DNAB.确定是单链DNA
C.无法确定单双链D.只存在于细胞核中
答案 C
解析 该核酸内含有“T”,说明该核酸是DNA,DNA主要存在于细胞核中,细胞质中也有少量DNA,如果该生物是病毒,则不存在细胞结构,故D错误;由所给等式能推导出A=C、G=T,单链和双链都有可能。
7.如图是在电子显微镜下拍摄的某生物细胞DNA复制过程中的图像。
下列有关叙述正确的是( )
A.此图反映出的DNA复制模式可作为DNA双向复制的证据
B.此过程遵循碱基互补配对原则,任一条链中A=T,G=C
C.若将该DNA彻底水解,产物是脱氧核苷酸和四种碱基
D.若该DNA分子的一条链中(A+T)/(G+C)=a,则互补链中该比值为1/a
答案 A
解析 在一条链中A与T不一定相等;DNA彻底水解是指将脱氧核苷酸也水解,产物是脱氧核糖、磷酸和四种碱基;DNA分子的一条链中两互补碱基之和的比值,与另一条链中该比值相等。
8.下列关于DNA复制的叙述,正确的是( )
A.DNA复制时,严格遵循A—U、C—G的碱基互补配对原则
B.DNA复
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