【备考2024】高考生物一轮专题知识梳理：第16讲 DNA是主要的遗传物质
文档属性
| 名称 | 【备考2024】高考生物一轮专题知识梳理：第16讲 DNA是主要的遗传物质 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 3.7MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 通用版 | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2023-07-11 23:47:50 | ||
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文档简介
高考生物一轮专题知识梳理
第16讲 DNA是主要的遗传物质
课标解读 核心素养
总结人类对遗传物质的探索过程 生命观念 DNA的结构与其作为遗传物质的功能相适应
科学思维 分析总结肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验的原理和过程
科学探究 分析人类对遗传物质探索的实验设计思路
考点一 肺炎链球菌的转化实验
1.实验材料:两种肺炎链球菌。
2.格里菲思的体内转化实验。
提醒 ①并非所有的R型细菌都能被转化,只是少部分R型细菌被转化成S型细菌。
②该实验仅能证明S型细菌中含有某种“转化因子”,但“转化因子”的本质不清楚。
3.艾弗里的体外转化实验。
提醒 ①涉及细菌培养技术、物质提纯和鉴定技术等。
②转化的实质是基因重组而非基因突变:肺炎链球菌转化实验是指S型细菌的DNA片段整合到R型细菌的DNA中,使受体细胞获得了新的遗传信息,即发生了基因重组(属于广义上的)。
③加热并没有使DNA完全失去活性:加热致死S型细菌的过程中,其蛋白质变性失活,但是其内部的DNA在加热结束后随着温度的降低又逐渐恢复活性。
正误判断
(1)从格里菲思实验中的病死小鼠体内分离得到的肺炎链球菌只有S型细菌而无R型细菌。 (×)
(2)格里菲思实验证明DNA可以改变生物体的遗传性状。 (×)
(3)在艾弗里的实验中,DNA酶将S型细菌的DNA分解为脱氧核苷酸,因此不能使R型细菌发生转化。 (√)
(4)艾弗里的体外转化实验采用了物质提纯、鉴定与细菌体外培养等技术。 (√)
(5)在生命科学发展过程中,肺炎链球菌转化实验证明了DNA是遗传物质。 (√)
(6)艾弗里的体外转化实验证明了DNA是主要的遗传物质。 (×)
(7)肺炎链球菌转化实验最关键的设计思路是将DNA和蛋白质分开,分别观察其遗传作用。 (√)
教材微点
1.(必修2 P43“图3-2”)若将加热致死的R型细菌与S型活细菌混合后注射到小鼠体内,不能(填“能”或“不能”)从小鼠体内分离出R型活细菌,原因是S型细菌不能转化为R型细菌。
2.(必修2 P43“图3-2”)格里菲思第四组实验中,小鼠体内S型细菌、R型细菌含量的变化情况如图所示,则:
(1)ab段R型细菌数量减少的原因是小鼠体内形成大量的抗R型细菌的抗体,致使R型细菌数量减少。
(2)bc段R型细菌数量增多的原因是b之前,已有少量R型细菌转化为S型细菌,S型细菌能降低小鼠的免疫力,造成R型细菌大量繁殖。
(3)后期出现的大量S型细菌是由R型细菌转化成的S型细菌繁殖而来的。
长句突破
1.(科学思维)[2017·全国卷Ⅰ,T38(5)改编]艾弗里等人的肺炎链球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么,这一启示是DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体。
2.在体内转化实验中,如果没有第三组实验(注射加热致死的S型细菌,小鼠不死亡),不能得出格里菲思的结论,因为无对照实验,不能说明加热致死的S型细菌中含有促使R型活细菌转化成S型活细菌的转化因子。
肺炎链球菌体内和体外转化实验的比较
角度 围绕肺炎链球菌转化实验,考查科学探究能力
1.(2021·全国乙卷)在格里菲思所做的肺炎链球菌转化实验中,无毒性的R型活细菌与被加热致死的S型细菌混合后注射到小鼠体内,从小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌。某同学根据上述实验,结合现有生物学知识所做的下列推测中,不合理的是 ( )
A.与R型细菌相比,S型细菌的毒性可能与荚膜多糖有关
B.S型细菌的DNA能够进入R型细菌细胞指导蛋白质的合成
C.加热致死S型细菌使其蛋白质功能丧失而DNA功能可能不受影响
D.将S型细菌的DNA经DNA酶处理后与R型细菌混合,可以得到S型细菌
解析 在格里菲思所做的肺炎链球菌转化实验中,无毒性的R型活细菌与被加热致死的S型细菌混合后注射到小鼠体内,从小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌,S型细菌与R型细菌最主要的区别是前者具有多糖类的荚膜,后者不具有多糖类的荚膜,故S型细菌的毒性可能与荚膜多糖有关,A项合理;加热致死的S型细菌其蛋白质已经被破坏,而分离出的S型细菌有毒性,即具备活性蛋白,可推出S型细菌的DNA能够进入R型细菌细胞中指导蛋白质的合成,B项合理;加热可使蛋白质变性,由实验结果R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌可知,S型细菌的遗传物质未受影响,即加热致死S型细菌使其蛋白质功能丧失而其DNA功能可能不受影响,C项合理;S型细菌的DNA经DNA酶处理后,无法完成DNA的复制、转录及翻译等过程,故与R型细菌混合后,无法得到S型细菌,D项不合理。
答案 D
2.(2023·朝阳区模拟) 为研究使R型细菌转化为S型细菌的转化因子的化学本质,某科研小组进行了肺炎链球菌的体外转化实验,其基本过程如图所示。下列有关叙述正确的是 ( )
甲组
乙组 丙组
A.甲组培养基上长出的菌落种类与乙组不同
B.S型细菌提取物经甲、丙两组处理后转化因子活性基本相同
C.R型细菌转化为S型细菌的变异原理是基因突变
D.若增加RNA酶处理提取物的对照实验,会更有说服力
解析 甲组培养基上长出的菌落种类与乙组相同,都是S型细菌和R型细菌,A项错误;甲组S型细菌提取物经高温处理后,不耐高温的物质失活,而DNA未失活,丙中酶具有专一性,加入DNA酶,使DNA失活,B项错误;R型细菌转化成S型细菌的原理是基因重组,C项错误;若增加RNA酶处理提取物的对照实验,能涉及更多S型细菌的物质,会更有说服力,D项正确。
答案 D
(1)肺炎链球菌的转化实验除能证明DNA是遗传物质,而蛋白质不是遗传物质外,还能说明遗传物质能发生可遗传的变异。
(2)体内转化实验不能简单地说成S型细菌的DNA可使小鼠致死,而是具有毒性的S型细菌可使小鼠致死。
考点二 噬菌体侵染细菌的实验
1.实验材料:T2噬菌体和大肠杆菌。
(1)T2噬菌体的结构及生活方式。
(2)T2噬菌体的复制式增殖。
2.实验方法:同位素标记法。该实验中用35S、32P分别标记蛋白质和DNA。
3.实验过程。
标记噬菌体。
噬菌体侵染细菌。
提醒 ①分别用含35S、32P的噬菌体侵染细菌的实验采用的是对比(相互对照)实验。
②搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体和细菌分离;离心的目的是让上清液中析出质量较轻的T2噬菌体颗粒,而离心管的沉淀物中留下被侵染的大肠杆菌。
4.实验结果分析。
(1)噬菌体侵染细菌时,其DNA进入细菌细胞中,而蛋白质外壳留在外面。
(2)子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传的。
5.结论。
DNA是噬菌体的遗传物质。
正误判断
(1)噬菌体侵染细菌的实验不如肺炎链球菌转化实验具有说服力。 (×)
(2)赫尔希和蔡斯分别用35S和32P标记T2噬菌体的蛋白质和DNA,下列被标记的部位组合为①②。 (√)
(3)分别用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基培养噬菌体。 (×)
(4)噬菌体侵染细菌的实验获得成功的原因之一是噬菌体只将DNA注入大肠杆菌细胞中。 (√)
(5)用1个含35S标记的T2噬菌体去侵染大肠杆菌,裂解释放的子代噬菌体中只有2个含35S。 (×)
(6)32P、35S标记的噬菌体侵染细菌的实验分别说明DNA是遗传物质、蛋白质不是遗传物质。 (×)
教材微点
1.(必修2 P46“思考·讨论T1”)选用细菌或病毒作为探索遗传物质的实验材料的优点有①②(填序号)。
①个体很小,结构简单,容易看出因遗传物质改变导致的结构和功能的变化 ②繁殖快
2.(必修2 P47“拓展应用T2”)结合肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验,分析DNA作为遗传物质所具备的特点是①②③④(填序号)。
①具有相对的稳定性 ②能够精确地自我复制,使亲代与子代间保持遗传的连续性
③能够指导蛋白质合成,控制新陈代谢过程和性状发育 ④在特定条件下产生可遗传的变异
长句突破
1.(科学思维)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2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。
2.(科学思维)如图为T4噬菌体感染大肠杆菌后,大肠杆菌内放射性RNA与T4噬菌体DNA及大肠杆菌DNA的杂交结果,曲线b(填“a”或“b”)最可能表示放射性RNA与大肠杆菌DNA杂交的结果,出现该趋势的原因可能是随感染时间延长,以大肠杆菌DNA为模板合成的放射性RNA减少。
1.“二看法”判断子代噬菌体标记情况。
2.噬菌体侵染细菌实验中上清液和沉淀物放射性分析。
(1)32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌。
(2)35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌。
3.比较肺炎链球菌体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验。
角度一 围绕噬菌体侵染细菌的实验过程,考查实验探究能力
1.(2020·浙江1月选考)某研究小组用放射性同位素32P、35S分别标记T2噬菌体,然后将大肠杆菌和被标记的噬菌体置于培养液中培养,如图所示。一段时间后,分别进行搅拌、离心,并检测沉淀物和悬浮液中的放射性。下列分析错误的是 ( )
A.甲组的悬浮液含极少量32P标记的噬菌体DNA,但不产生含32P的子代噬菌体
B.甲组被感染的细菌内含有32P标记的噬菌体DNA,也可产生不含32P的子代噬菌体
C.乙组的悬浮液含极少量35S标记的噬菌体蛋白质,也可产生含35S的子代噬菌体
D.乙组被感染的细菌内不含35S标记的噬菌体蛋白质,也不产生含35S的子代噬菌体
解析 甲组离心后,放射性主要在沉淀物中,由于部分噬菌体未来得及侵染大肠杆菌,所以悬浮液中含有少量放射性,由于甲组的悬浮液中不存在大肠杆菌,所以噬菌体无法繁殖产生含32P标记的子代噬菌体,A项正确;甲组被感染的细菌内含有32P标记的噬菌体DNA,由于DNA进行半保留复制,故可产生不含32P的噬菌体,B项正确;35S标记的是噬菌体的蛋白质,噬菌体侵染细菌的时候,蛋白质外壳留在外面,只有DNA注入到细菌中,因此乙组的悬浮液含大量35S标记的噬菌体蛋白质,不会产生含35S的子代噬菌体,C项错误;乙组被感染的细菌内不含35S标记的噬菌体蛋白质,由于细菌提供的原料中不含35S,所以也不产生含35S的子代噬菌体,D项正确。
答案 C
2.(不定项)用DNA双链均被32P标记的一个T2噬菌体侵染被35S标记的大肠杆菌,一段时间后释放出了M个子代T2噬菌体。下列有关叙述正确的是 ( )
A.用32P标记T2噬菌体的方法与用35S标记大肠杆菌的方法相同
B.这M个子代T2噬菌体中,含32P的T2噬菌体所占的比例为
C.若子代T2噬菌体均同时含32P和35S,则该T2噬菌体只繁殖了一代
D.经过培养,得到的M个子代T2噬菌体中都含有35S
解析 T2噬菌体为病毒,没有细胞结构,不能用培养基直接培养,而大肠杆菌属于原核生物,能用培养基直接培养,A项错误;这M个子代T2噬菌体中,含32P的T2噬菌体占2/M,B项错误;由于DNA的复制为半保留复制,若子代T2噬菌体均同时含32P和35S,则该T2噬菌体只繁殖了一代,C项正确;培养过程中原料都来自大肠杆菌,所以得到的M个子代T2噬菌体中都有35S,D项正确。
答案 CD
角度二 结合两大经典实验,考查科学思维能力
3.(2023·福建厦门模拟)下列关于肺炎链球菌的体内、体外转化实验,以及T2噬菌体侵染大肠杆菌实验的叙述,正确的是 ( )
A.三个实验的设计思路是一致的
B.三个实验都用到了同位素标记法
C.三个实验都不能得出蛋白质不是遗传物质的结论
D.三个实验所涉及生物的遗传物质都是DNA
解析 三个实验的设计思路不一样,A项错误;肺炎链球菌的体内和体外转化实验都没有用到同位素标记法,B项错误;肺炎链球菌的体外转化实验可证明蛋白质不是遗传物质,C项错误;题述三个实验所涉及的生物有T2噬菌体、小鼠、大肠杆菌、肺炎链球菌,它们的遗传物质都是DNA,D项正确。
答案 D
4.下列有关人类对遗传物质探索过程中相关实验的叙述,正确的是 ( )
A.肺炎链球菌体内转化实验中,S型细菌利用宿主细胞的核糖体合成自身的蛋白质
B.肺炎链球菌体外转化实验中,经DNA酶处理的S型细菌提取物不能使R型细菌转化成S型细菌
C.32P标记的噬菌体侵染细菌实验中,细菌体内含有32P标记的噬菌体DNA,但不能产生不含32P的子代噬菌体
D.35S标记的噬菌体侵染细菌实验中,细菌体内不含有35S标记的噬菌体蛋白质,但可产生含35S的子代噬菌体
解析 S型细菌属于原核生物,利用自身的核糖体合成自身的蛋白质,A项错误;DNA酶能够分解DNA,故肺炎链球菌体外转化实验中,经DNA酶处理的S型细菌DNA不能使R型细菌转化成S型细菌,B项正确;32P标记的噬菌体侵染细菌实验中,细菌体内含有32P标记的噬菌体DNA,利用细菌体内的原料,经DNA半保留复制后,能产生不含32P的子代噬菌体,C项错误;35S标记的噬菌体侵染细菌实验中,35S标记的蛋白质不能进入细菌体内,细菌体内不含有35S标记的噬菌体蛋白质,也不可能产生含35S的子代噬菌体,D项错误。
答案 B
考点三 DNA是主要的遗传物质
1.RNA是遗传物质的实验。
2.生物体内的核酸种类及遗传物质。
提醒 ①病毒的遗传物质是DNA或RNA,由细胞构成的生物的遗传物质是DNA。
②绝大多数生物的遗传物质是DNA,因此DNA是主要的遗传物质。
正误判断
(1)只有细胞内的核酸才是携带遗传信息的物质。 (×)
(2)真核生物、原核生物、大部分病毒的遗传物质是DNA,少部分病毒的遗传物质是RNA。 (√)
(3)生物的遗传物质的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。 (√)
(4)细胞核内的遗传物质是DNA,细胞质内的遗传物质是RNA。 (×)
(5)小麦的遗传物质主要是DNA。 (×)
长句突破
(科学探究)若某研究小组计划利用放射性同位素标记法探究新冠病毒——2019 nCoV的遗传物质是DNA还是RNA,请简述该实验的设计思路:以含同位素标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸为原料分别培养活细胞,再用上述标记的两种细胞培养该病毒,一段时间后分别检测子代病毒中是否出现放射性。
角度 结合探究遗传物质的思路与方法,考查科学探究能力
1.(2023·黑龙江牡丹江模拟)如图表示科研人员探究“烟草花叶病毒(TMV)的遗传物质”的实验过程,下列说法正确的是 ( )
A.水和苯酚的作用是分离病毒的蛋白质和RNA
B.TMV的蛋白质不能进入烟草细胞中
C.侵入烟草细胞的RNA进行了逆转录过程
D.RNA是TMV的主要遗传物质
解析 由图示分析可知,TMV放在水和苯酚中振荡后,RNA和蛋白质分离,A项正确;通过接种的方式,TMV的蛋白质可以进入烟草细胞中,B项错误;从此实验中看不出TMV的RNA在烟草细胞中进行了逆转录过程,C项错误;此实验说明TMV的遗传物质是RNA,而不是蛋白质,一种生物的遗传物质只有一种,没有主次之分,D项错误。
答案 A
2.根据遗传物质的化学组成,可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常,一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。
假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换。请利用放射性同位素标记的方法,以体外培养的宿主细胞等为材料,设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出(1)实验思路,(2)预期实验结果及结论即可。(要求:实验包含可相互印证的甲、乙两个组)
解析 (1)在用放射性同位素标记法对新病毒进行鉴定时,要找出DNA和RNA在化学组成上的区别。题中假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换,就是引导考生从DNA和RNA的碱基组成上进行分析。因此,使病毒中的DNA或RNA的特殊碱基(DNA为胸腺嘧啶,RNA为尿嘧啶)带上标记,根据病毒中放射性标记的检测结果就可做出判断。由于病毒不能在培养基上独立生活,其增殖时的原料只能来自宿主细胞,所以实验中需配制两种培养基,记为甲组和乙组,甲组含有放射性标记的尿嘧啶,乙组含有放射性标记的胸腺嘧啶,分别加入等量的宿主细胞使宿主细胞带上相应标记,之后接种新病毒,培养一段时间后,收集病毒并检测其放射性。(2)本实验有两种不同的结果:一种是甲组有放射性,乙组无,则该新病毒为RNA病毒;另一种为乙组有放射性,甲组无,则该新病毒为DNA病毒。
答案 (1)实验思路:
甲组:将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中,之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。
乙组:将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中,之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。
(2)预期实验结果及结论:
若甲组收集的病毒有放射性,乙组无,则为RNA病毒;反之为DNA病毒。
探究“遗传物质”种类的4种方法
1.经典重组 判断正误
(1)T2噬菌体可感染肺炎链球菌导致其裂解。(2018·全国卷Ⅱ,5B) (×)
(2)艾弗里实验证明从S 型肺炎链球菌中提取的DNA 可以使小鼠死亡。(江苏卷,2B) (×)
(3)T2噬菌体的核酸和蛋白质中含硫元素。(海南卷) (×)
(4)格里菲思实验证明了DNA是肺炎链球菌的遗传物质。(江苏卷) (×)
2.(2022·浙江6月选考)下列关于“噬菌体侵染细菌的实验”的叙述,正确的是 ( )
A.需用同时含有32P和35S的噬菌体侵染大肠杆菌
B.搅拌是为了使大肠杆菌内的噬菌体释放出来
C.离心是为了沉淀培养液中的大肠杆菌
D.该实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA
解析 实验过程中需单独用32P标记噬菌体的DNA和35S标记噬菌体的蛋白质,A项错误;实验过程中搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体外壳与细菌分离,B项错误;大肠杆菌的质量大于噬菌体,离心的目的是沉淀培养液中的大肠杆菌,C项正确;该实验证明噬菌体的遗传物质是DNA,D项错误。
答案 C
3.(2019·江苏卷)赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌实验证实了DNA是遗传物质,下列关于该实验的叙述正确的是 ( )
A.实验中可用15N代替32P标记DNA
B.噬菌体外壳蛋白是大肠杆菌编码的
C.噬菌体DNA的合成原料来自大肠杆菌
D.实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA
解析 N在噬菌体外壳蛋白与DNA中都存在,故不能用15N代替32P标记DNA,A项错误;噬菌体外壳蛋白是由噬菌体的遗传物质编码的,B项错误;噬菌体侵染大肠杆菌后,以自身DNA为模板,以大肠杆菌中的4种脱氧核苷酸为原料,合成子代DNA,C项正确;本实验证明噬菌体的遗传物质是DNA,D项错误。
答案 C
4.(2019·海南卷)下列实验及结果中,能作为直接证据说明“核糖核酸是遗传物质”的是 ( )
A.红花植株与白花植株杂交,F1为红花,F2中红花∶白花=3∶1
B.病毒甲的RNA与病毒乙的蛋白质混合后感染烟草只能得到病毒甲
C.加热致死的S型肺炎链球菌与R型活菌混合培养后可分离出S型活菌
D.用放射性同位素标记T2噬菌体外壳蛋白,在子代噬菌体中检测不到放射性
解析 红花植株与白花植株杂交,F1为红花,F2中红花∶白花=3∶1,这是性状分离现象,不能说明RNA是遗传物质,A项错误;病毒甲的RNA与病毒乙的蛋白质混合后感染烟草只能得到病毒甲,说明病毒甲的RNA是遗传物质,B项正确;加热致死的S型肺炎链球菌与R型活菌混合培养后可分离出S型活菌,只能说明加热致死的S型细菌中存在转化因子,不能说明RNA是遗传物质,C项错误;用放射性同位素标记T2噬菌体外壳蛋白,在子代噬菌体中检测不到放射性,说明蛋白质未进入大肠杆菌,不能证明RNA是遗传物质,D项错误。
答案 B
5.(经典高考题)在证明DNA是遗传物质的过程中,T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验发挥了重要作用。下列与该噬菌体相关的叙述,正确的是 ( )
A.T2噬菌体也可以在肺炎链球菌中复制和增殖
B.T2噬菌体病毒颗粒内可以合成mRNA和蛋白质
C.培养基中的32P经宿主摄取后可出现在T2噬菌体的核酸中
D.人类免疫缺陷病毒与T2噬菌体的核酸类型和增殖过程相同
解析 T2噬菌体的核酸是DNA,DNA的元素组成为C、H、O、N、P,培养基中的32P经宿主(大肠杆菌)摄取后可出现在T2噬菌体的核酸中。T2噬菌体专门寄生在大肠杆菌中,不能寄生在肺炎链球菌中;T2噬菌体的mRNA和蛋白质的合成只能发生在其宿主细胞中,不能发生于病毒颗粒中;人类免疫缺陷病毒(HIV)的核酸是RNA,T2噬菌体的核酸是DNA,且二者的增殖过程不同。
答案 C
科学探究
(五) 自变量控制中的"加法原理"和“减法原理”
【典例】 人体对冷、热和触觉的感知能力对人类的生存及其与周围环境的互动交流至关重要。2021年诺贝尔生理学或医学奖授予了发现温度和触觉受体的两位科学家David Julius和Ardem Patapoutain发现辣椒素激活TRPV1通道是痛热感觉形成的基础。Ardem Patapoutain发现触觉的产生源于机械力激活了PIEZO1通道。多项研究表明,除参与冷、热和触觉的感知外,TRPV1通道和PIEZO1通道还参与了其他众多的生理过程。
(1)在研究触觉产生的分子机制时,科学家首先确定了一种细胞系,当用微量移液管戳单个细胞时,该细胞能发出可测量的电信号。据此科学家提出机械力激活的受体是某种离子通道的假说,并且确定了细胞中可能参与编码该离子通道的72个候选基因,并利用上述细胞系作为实验材料,采用“减法原理”控制自变量,最终成功找到了一个参与编码机械力敏感离子通道(PIEZO1通道)的基因。试根据上述实验原理简要描述实验思路,预测实验结果并得出实验结论。
(2)研究表明,PIEZO1通道还参与骨骼的形成和维护。与野生型小鼠相比,敲除小鼠成骨细胞中的PIEZO1通道基因后,小鼠体格瘦小且支撑体重的长骨轻薄乏力。被悬空(不必支撑自己全部体重)养殖的野生型小鼠也表现出长骨轻薄的现象。由此推测在空间站工作的宇航员骨量相对较少、易患骨质疏松的根本原因最可能是 。
解析 (1)由题意可知,该实验是利用“减法原理”进行的实验,且实验中涉及了72个候选基因,所以想要找到72个候选基因中哪些参与了编码机械力敏感离子通道,那就需要一个基因一个基因的沉默,然后检测细胞能否发出可测量的电信号,若能,这说明不是参与编码机械力敏感离子通道的基因,反之则是,所以实验思路是将细胞系分组,每组灭活(或沉默)72个基因中的一个,用微量移液器戳单个细胞,检测其能否发出可测量的电信号;实验结果及结论:当去除某个基因后,细胞不能发出可测量的电信号,则该基因为参与编码 PIEZO1通道的基因。(2)由题意可知,敲除小鼠成骨细胞中的PIEZO1通道基因后,小鼠体格瘦小且支撑体重的长骨轻薄乏力,且被悬空(不必支撑自己全部体重)养殖的野生型小鼠也表现出长骨轻薄的现象,推测悬空小鼠出现长骨轻薄的现象是由于成骨细胞中的PIEZO1通道基因表达被抑制了,由此推测在空间站工作的宇航员骨量相对较少、易患骨质疏松的根本原因最可能是空间站的失重环境导致PIEZO1通道基因的表达水平降低。
答案 (1)实验思路:将细胞系分组,每组灭活(或沉默)72个基因中的一个,用微量移液器戳单个细胞,检测其能否发出可测量的电信号。
实验结果及结论:当去除某个基因后,细胞不能发出可测量的电信号,则该基因为参与编码 PIEZO1通道的基因。
(2)空间站的失重环境导致PIEZO1通道基因的表达水平降低
在对照实验中,控制自变量可以采用“加法原理”或“减法原理”。
1.“加法原理”
与常态比较,人为增加某种影响因素的称为“加法原理”。例如,在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验中,与对照组相比,实验组分别作加温、滴加FeCl3、滴加肝脏研磨液的处理,就利用了“加法原理”。
2.“减法原理”
与常态比较,人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。例如在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,每个实验组特异性地去除了一种物质,从而鉴定出DNA是遗传物质,就利用了“减法原理”。
1.(2023·广东珠海模拟)艾弗里及其同事用R型和S型肺炎链球菌进行培养实验,结果如表。下列叙述正确的是 ( )
实验 组号 接种 菌型 对要加入的S型细菌的细胞提取物所进行的处理 培养基长 菌情况
一 R型 — R型、S型
二 R型 蛋白酶 R型、S型
三 R型 RNA酶 R型、S型
四 R型 酯酶 R型、S型
五 R型 DNA酶 R型
①实验采用了自变量控制中的“加法原理” ②第一、第二组说明蛋白质不是转化因子 ③加入DNA酶后细胞提取物失去转化活性 ④该实验说明DNA是生物主要的遗传物质
A.①② B.③④
C.①④ D.②③
解析 实验的不同组中加入不同的酶是为了特异性地去除某种物质,采用的是自变量控制中的“减法原理”,①错误;第二组中加入蛋白酶后,培养基中仍出现S型细菌,所以与第一组对照,能说明S型细菌的蛋白质不是转化因子,②正确;第五组加入DNA酶后,R型细菌不能转化为S型细菌,即细胞提取物失去转化活性,③正确;该实验能说明DNA是遗传物质,不能说明DNA是主要的遗传物质,④错误。
答案 D
2.一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型,研究表明,新冠病毒是一种RNA病毒,请设计实验验证这一结论。要求:简要写出实验思路和实验结果及结论。
(实验材料:体外培养的肺部细胞、新冠病毒、RNA水解酶等。)
(1)实验思路: 。
(2)实验结果及结论: 。
(3)该实验控制自变量采用了 (填“加法原理”或“减法原理”)。
解析 (1)新冠病毒是一种RNA病毒,其遗传物质是RNA,若用RNA水解酶处理其RNA,病毒将不能增殖,所以实验思路为将体外培养的肺部细胞均分为A、B两组,新冠病毒均分为C、D两组;C组用适量的RNA水解酶处理,D组不做处理;一定时间后,将C、D分别加入A、B混合均匀;在相同且适宜的条件下培养一段时间后,观察各组细胞的感染情况。(2)结果及结论:A组细胞未被感染,B组细胞被感染,证明新冠病毒是RNA病毒。(3)该实验控制自变量采用了“减法原理”,因为C组中加入了RNA水解酶,特异性地去除了相应的物质。
答案 (1)将体外培养的肺部细胞均分为A、B两组,新冠病毒均分为C、D两组;C组用适量的RNA水解酶处理,D组不做处理;一定时间后,将C、D分别加入A、B混合均匀;在相同且适宜的条件下培养一段时间后,观察各组细胞的感染情况 (2)A组细胞未被感染,B组细胞被感染,证明新冠病毒是RNA病毒 (3)减法原理
第17讲 DNA的结构、复制及基因的本质
课标解读 核心素养
1.DNA结构的主要特点 2.DNA的复制 3.基因的概念,基因与遗传信息的关系 4.活动:(1)搜集DNA结构模型建立过程的资料,并进行讨论和交流 (2)制作DNA双螺旋结构模型 生命观念 DNA的结构决定其功能
科学思维 建立DNA双螺旋结构模型 阐明DNA复制过程
科学探究 探究DNA的半保留复制
考点一 DNA的结构
1.DNA结构模型的建立者及DNA的组成。
(1)DNA双螺旋模型构建者:沃森和克里克。
(2)图解DNA双螺旋结构。
①DNA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主链基本骨架。
③内侧:两链上碱基通过氢键连接成碱基对。碱基互补配对遵循以下原则:AT(两个氢键)、G≡C(三个氢键)。
2.DNA结构特点。
利用数字“五、四、三、二、一”巧记DNA的结构
正误判断
(1)DNA一条链上的相邻碱基通过“—磷酸—脱氧核糖—磷酸—”相连。 (×)
(2)DNA中的每个磷酸均连接着一个脱氧核糖和一个碱基。 (×)
(3)双链DNA同时含有2个游离的磷酸基团,其中嘌呤碱基数等于嘧啶碱基数。 (√)
(4)DNA是由两条核糖核苷酸长链反向平行盘旋成双螺旋结构。 (×)
(5)某双链DNA中一条链上A∶T=1∶2,则该DNA中A∶T=2∶1。 (×)
(6)DNA中(A+T)/(C+G)的值越大,该分子结构稳定性越低。 (√)
(7)相对分子质量大小相同、碱基含量相同的核酸分子所携带的遗传信息一定相同。 (×)
(8)DNA的多样性是指一个DNA分子上有许多个基因。 (×)
(9)人体内控制β 珠蛋白的基因由1 700个碱基对组成,其碱基对可能的排列方式有41 700种。 (×)
教材微点
1.(必修2 P50“图3-8”)DNA的一条单链具有两个末端,一端有一个游离的磷酸基团,称作5'-端,另一端有一个羟基(—OH),称作3'-端,两条单链走向相反,一条单链是从5'-端到3'-端的,另一条单链是从3'-端到5'-端的。
2.(必修2 P52 “科学·技术·社会”)DNA指纹图谱法的基本操作:从生物样品中提取DNA(DNA一般都有部分的降解),可运用PCR技术扩增出DNA片段或完整的基因组DNA,用限制酶可将扩增出的DNA切割成DNA片段。据下面的DNA指纹图谱判断,下列怀疑对象中3号是犯罪嫌疑人。
1.理清两种关系与两类化学键。
(1)
(2)
(3)
2.DNA中碱基数量的计算规律。
(1)
(2)
(3)
角度一 结合DNA分子的结构及特点,考查结构与功能观
1.(2021·广东卷)DNA双螺旋结构模型的提出是二十世纪自然科学的伟大成就之一。下列研究成果中,为该模型构建提供主要依据的是 ( )
①赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质的实验 ②富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱 ③查哥夫发现的DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等 ④沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制
A.①② B.②③
C.③④ D.①④
解析 赫尔希和蔡斯通过噬菌体侵染大肠杆菌的实验,证明了DNA是遗传物质,与构建DNA双螺旋结构模型无关,①不符合题意;沃森和克里克根据富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱,推算出DNA分子呈螺旋结构,②符合题意;查哥夫发现的DNA中腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量,为沃森和克里克构建正确的碱基配对方式提供了依据,③符合题意;沃森和克里克提出DNA半保留复制机制是在DNA双螺旋结构模型的构建之后,④不符合题意,故选B。
答案 B
2.(2023·漳州模拟)如图为某双链DNA(由甲链和乙链组成)的局部结构简图,图中数字①~⑥表示不同物质或化学键。下列叙述正确的是 ( )
A.图中⑤为氢键,且③与④可为A—T碱基对或G—C碱基对
B.图中①为腺嘌呤,②为胸腺嘧啶,①②通过氢键连接
C.图中⑥为磷酸基团,此DNA片段中含有2个游离的磷酸基团
D.图中甲链与乙链方向相反,但两条链碱基排列顺序相同
解析 图中⑤为氢键,③与④之间有3个氢键,只能为G—C碱基对,A项错误;图中①为腺嘌呤,②为胸腺嘧啶,①②通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接,B项错误;图中⑥为磷酸基团,此DNA片段中含有2个游离的磷酸基团,C项正确;图中甲链与乙链方向相反,两条链碱基排列顺序不相同,D项错误。
答案 C
角度二 借助DNA结构的相关计算,考查科学思维能力
3.(不定项)(2023·河北唐山期末)下列关于双链DNA的叙述,正确的是 ( )
A.一条链中A和T的数量相等,则互补链中A和T的数量也相等
B.一条链中G为C的2倍,则互补链中G为C的1/2
C.一条链中C∶T=1∶2,则互补链中G∶A=2∶1
D.一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则互补链中A∶T∶G∶C=2∶1∶4∶3
解析 根据碱基互补配对原则,双链DNA中,一条链中的A和T分别与互补链中的T和A配对,一条链中的G和C分别与互补链中的C和G配对,故一条链中A和T的数量相等,则互补链中A和T的数量也相等,一条链中G为C的2倍,则互补链中G为C的1/2,A、B两项正确;一条链中C∶T=1∶2,则互补链中G∶A=1∶2,C项错误;双链DNA分子中,一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则互补链中A∶T∶G∶C=2∶1∶4∶3,D项正确。
答案 ABD
4.下列关于双链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,占总碱基的26%,则该DNA分子上有鸟嘌呤288个
解析 某DNA分子含有500个碱基,则可能的排列方式有4250种,A项错误;质粒是环状DNA分子,其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312个,占总碱基的26%,则该DNA分子上碱基总数为312÷26%=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。
答案 D
解答有关碱基计算题的“三步曲”
考点二 DNA的复制
1.DNA复制方式的实验证据。
(1)实验者:美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔。
(2)研究方法:假说—演绎法。
(3)实验材料:大肠杆菌。
(4)实验技术:同位素标记技术和离心技术。
(5)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。
(6)实验假设:DNA以半保留的方式复制。
(7)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。
(8)实验过程及分析。
①实验过程。
②实验分析。
a.立即取出:提取DNA→离心→全部重带。
b.细胞分裂一次(即细菌繁殖一代)取出:提取DNA→离心→全部中带。
c.细胞再分裂一次(即细菌繁殖两代)取出:提取DNA→离心→轻带、中带。
(9)实验结论:DNA的复制是以半保留的方式进行的。
2.DNA的复制。
(1)概念、时间、场所。
(2)过程。
(3)结果:一个DNA分子形成了两个完全相同的DNA分子。
(4)特点
提醒 半保留复制为每个子代DNA分子都保留原DNA的一条链。
(5)DNA准确复制的原因: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,保证了复制能准确地进行。
(6)DNA复制的意义: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。
3.染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系。
正误判断
(1)DNA复制遵循碱基互补配对原则,新合成的DNA分子中两条链均是新合成的。 (×)
(2)DNA双螺旋结构全部解旋后,开始DNA的复制。 (×)
(3)单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链。 (×)
(4)在一个细胞周期中,DNA复制过程中的解旋发生在两条DNA母链之间。 (√)
(5)在人体内,成熟的红细胞、浆细胞中不发生DNA的复制。 (√)
长句突破
1.(科学思维)已知果蝇的基因组大小为1.8×108bp(bp表示碱基对),真核细胞中DNA复制的速率一般为50~100 bp/s。如图为果蝇DNA的电镜照片,图中的泡状结构叫作DNA复制泡,是DNA上正在复制的部分。请你推测果蝇DNA形成多个复制泡的原因。
果蝇DNA的电镜照片
提示 真核生物中DNA的复制是从多个起点开始的,这种复制方式提高了复制效率。
2.(事实概述)如图为DNA的复制过程。
若发生在细胞核内,形成的两个子DNA位置如何,其上面对应片段中基因是否相同,两个子DNA将于何时分开,分别表述为染色体复制后形成两条姐妹染色单体,刚复制产生的两个子DNA分子分别位于两条姐妹染色单体上,由着丝粒相连;其对应片段所含基因在无基因突变等变异情况下应完全相同;两个子DNA分子将于有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期着丝粒分裂时,随两条姐妹染色单体的分离而分开,分别进入两个子细胞中。
3.(科学探究)将发生癌变的小肠上皮细胞用含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液培养,一段时间后再移至普通培养液中培养,不同间隔时间取样,检测到被标记的癌细胞比例减少,出现上述结果的原因是依据DNA半保留复制特点,转移到普通培养液中的癌细胞,随着细胞增殖次数的增加,不被标记的癌细胞开始出现并不断增多,故被标记的癌细胞比例减少。
1.归纳概括DNA复制的五个问题。
(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,需要酶的催化和能量,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能准确地进行复制。原因是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.“图解法”分析DNA复制相关计算。
(1)将含有15N的DNA放在含有14N的培养基中连续复制n次,则:
①子代DNA共2n个
②脱氧核苷酸链共2n+1条
(2)DNA复制过程中消耗的脱氧核苷酸数。
①若亲代DNA含有某种脱氧核苷酸m个,经过n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n-1)。
②第n次复制需要该种脱氧核苷酸数为m·2n-1。
角度一 围绕DNA复制过程与特点,考查理解能力
1.(2021·辽宁卷)下列有关细胞内的DNA及其复制过程的叙述,正确的是 ( )
A.子链延伸时游离的脱氧核苷酸添加到3'端
B.子链的合成过程不需要引物参与
C.DNA每条链的5'端是羟基末端
D.DNA聚合酶的作用是打开DNA双链
解析 子链延伸时5'→3'合成,故游离的脱氧核苷酸添加到3'端,A项正确;子链的合成过程需要引物参与,B项错误;DNA每条链的5'端是磷酸基团末端,3'端是羟基末端,C项错误;解旋酶的作用是打开DNA双链,D项错误。
答案 A
2.(2023·山东德州期中)单分子荧光测序技术原理如图所示。某种脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)提供一个相应的脱氧核苷酸连接到DNA子链上的同时,会产生一分子的焦磷酸(PPi),一分子的PPi可以通过一系列反应使荧光素发出一次荧光,通过检测荧光的有无可推测模板链上相应位点的碱基种类。下列说法错误的是 ( )
A.测序过程中dNTP可以为反应提供能量
B.单分子荧光测序需要在DNA复制过程中进行
C.测序时需要在反应体系中同时加入4种dNTP
D.利用该技术测序时可能会连续多次出现荧光现象
解析 测序过程反应中的能量来自dNTP水解放出的能量,A项正确;单分子荧光测序时dNTP提供一个脱氧核苷酸用于DNA复制的原料,B项正确;每一轮测序中只加入1种dNTP,C项错误;在连续的位置可能出现相同碱基,则会连续多次出现荧光现象,D项正确。
答案 C
角度二 围绕DNA分子复制的相关计算,考查演绎推理能力
3.(2023·临沂模拟)现有DNA分子的两条单链均只含有14N(表示为14N/14N)的大肠杆菌,若将该大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖两代,再转到含有14N的培养基中繁殖一代,则理论上DNA分子的组成类型和比例分别是 ( )
A.有15N/14N和14N/14N两种,其比例为1∶3
B.有15N/15N和14N/14N两种,其比例为1∶1
C.有15N/15N和14N/14N两种,其比例为3∶1
D.有15N/14N和14N/14N两种,其比例为3∶1
解析 将只含有14N的大肠杆菌置于含有15N的培养基中繁殖两代后,由于DNA的半保留复制,得到的子代DNA为2个15N/15N DNA和2个15N/14N DNA,再将其转到含有14N的培养基中繁殖一代,会得到6个15NN DNA和2个14N/14N DNA,比例为3∶1。
答案 D
4.(2023·滨州模拟)用15N标记两条链含有100个碱基对的DNA分子,其中胞嘧啶有60个,该DNA分子在含14N的培养基中连续复制3次。下列有关说法不正确的是 ( )
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核苷酸320个
C.子代DNA分子中含15N的单链与含14N的单链之比为1∶7
D.子代DNA分子中含15N的DNA分子与含14N的DNA分子之比为1∶4
解析 该DNA分子有100个碱基对,其中胞嘧啶有60个,则G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60×3+40×2=260(个),A项正确;该DNA分子含有腺嘌呤脱氧核苷酸(A)40个,则复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为(23-1)×40=280(个),B项错误;该DNA分子复制3次共产生8个DNA分子、16条DNA单链,其中2条链含15N,故含15N的单链与含14N的单链之比为2∶14,即1∶7,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1∶4,D项正确。
答案 B
5.(不定项)(2023·山东滕州期中)1958年,科学家运用同位素标记技术设计了DNA复制的实验,实验的培养条件与方法:(1)在含15N的培养基中培养若干代,使DNA均被15N标记,离心结果如图中的甲;(2)转至14N的培养基培养,每20分钟繁殖一代;(3)取出每代大肠杆菌的DNA样本,离心。图中的乙、丙、丁是某学生画的结果示意图。下列有关推论,正确的是 ( )
A.出现丁的结果需要60分钟
B.乙是转入14N培养基中繁殖一代的结果
C.转入培养基中繁殖三代后全部DNA均含有14N
D.丙结果出现后,将此时的DNA热变性后离心分析可得出半保留复制的结论
解析 根据DNA半保留复制特点,转入14N培养基中繁殖两代后所得DNA分子中,有一半DNA分子只含14N,另一半DNA分子是一条链含有15N,一条链含有14N,离心后出现中带和轻带,即丁图所示结果,即出现丁的结果至少要复制两次,而大肠杆菌每20分钟繁殖一代,因此至少需要40分钟,A项错误;根据DNA半保留复制特点,转入14N培养基中繁殖一代后所得DNA分子都是一条链含有15N,另一条链含有14N,离心后只出现中带,即丙图所示结果,B项错误;因实验中DNA复制的原料均含14N,故转入培养基中繁殖三代后,所有的DNA都含有14N,C项正确;丙是转入14N培养基中繁殖一代的结果,DNA分子都是一条链含有15N,另一条链含有14N,因此将此时的DNA热变性后离心分析可得出半保留复制的结论,D项正确。
答案 CD
有关DNA复制和计算的4点“注意”
(1)DNA中氢键可由解旋酶催化断裂,同时需要ATP供能,也可加热断裂(体外);而氢键是自动形成的,不需要酶和能量。
(2)注意“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别,前者包括所有的复制,后者只包括第n次的复制。
(3)DNA复制计算时看清题中所给出的碱基的单位是“对”还是“个”;所问的是“DNA分子数”还是“链数”,是“含”还是“只含”。
(4)在真核生物中,DNA复制一般是多起点复制;在原核生物中,DNA复制一般是一个起点。无论是真核生物还是原核生物,DNA复制大多数都是双向进行的。
1.经典重组 判断正误
(1)细胞中DNA分子的碱基总数与所有基因的碱基数之和不相等。(2020·全国卷Ⅲ,1C) (√)
(2)细胞中DNA分子的碱基对数等于所有基因的碱基对数之和。(2017·海南卷,23C) (×)
(3)双链DNA分子中一条链上的磷酸和核糖是通过氢键连接的。(2014·全国卷Ⅱ,5C) (×)
(4)DNA有氢键,RNA没有氢键。(2013·全国卷Ⅱ,1A) (×)
2.(2022·广东卷)λ噬菌体的线性双链DNA两端各有一段单链序列。这种噬菌体在侵染大肠杆菌后其DNA会自连环化(如图),该线性分子两端能够相连的主要原因是 ( )
A.单链序列脱氧核苷酸数量相等
B.分子骨架同为脱氧核糖与磷酸
C.单链序列的碱基能够互补配对
D.自连环化后两条单链方向相同
解析 单链序列脱氧核苷酸数量相等、分子骨架同为脱氧核糖与磷酸交替连接,不能决定该线性DNA分子两端能够相连,A、B两项错误;据图可知,单链序列的碱基能够互补配对,决定该线性DNA分子两端能够相连,C项正确;DNA的两条链是反向的,因此自连环化后两条单链方向相反,D项错误。
答案 C
3.(2022·浙江6月选考)某同学欲制作DNA双螺旋结构模型,已准备了足够的相关材料,下列叙述正确的是 ( )
A.在制作脱氧核苷酸时,需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基
B.制作模型时,鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连
C.制成的模型中,腺嘌呤与胞嘧啶之和等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶之和
D.制成的模型中,磷酸和脱氧核糖交替连接位于主链的内侧
解析 在制作脱氧核苷酸时,需在脱氧核糖上连接磷酸和碱基,A项错误;鸟嘌呤和胞嘧啶之间由3个氢键连接,B项错误;DNA的两条链之间遵循碱基互补配对原则,即A=T、C=G,故在制作的模型中A+C=G+T,C项正确;DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接,排列在外侧,构成基本骨架,碱基在内侧,D项错误。
答案 C
4.(2021·山东卷)利用农杆菌转化法,将含有基因修饰系统的T DNA插入到水稻细胞M的某条染色体上,在该修饰系统的作用下,一个DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,脱氨基过程在细胞M中只发生一次。将细胞M培育成植株N。下列说法错误的是 ( )
A.N的每一个细胞中都含T DNA
B.N自交,子一代中含T DNA的植株占3/4
C.M经n(n≥1)次有丝分裂后,脱氨基位点为A—U的细胞占1/2n
D.M经3次有丝分裂后,含T DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占1/2
解析 在M培育成N的过程中,增殖方式为有丝分裂。根据题意M细胞中某条染色体上含有T DNA,有丝分裂过程中T DNA会随着水稻DNA的复制而复制,复制后精确分配到子细胞中去,所以细胞M培育成的植物N的每个子细胞中都含有T DNA,A项正确;N的原始生殖细胞中其中一条染色体含有T DNA(可记为T),其同源染色体不含T DNA(可记为O),那么N植株可表示为TO,根据分离定律N植物(TO)自交子一代中含T的植物占3/4,也就是含T DNA的植物占3/4,B项正确; 根据题意M细胞染色体一个DNA分子的单链中C变为U,由于DNA复制的原料是脱氧核苷酸不含碱基U,故复制n次后脱氨位点含有A—U的细胞只有一个,复制n次后细胞总数为2n个,所以脱氨位点为A—U的细胞占1/2n,C项正确;据A项解析知,M经3次有丝分裂后的细胞都含有T DNA。由于M细胞中一个DNA的单链的C变U,其互补链的对应位点正常为G,所以子代细胞1/2是正常的G—C,1/2是碱基对被替换的。M经3次复制后形成8个子DNA,其中4个脱氨位点为正常的(G—C或C—G);4个脱氨位点为替换的,其中一个DNA含有U—A(或A—U),三个DNA为A—T(或T—A),综上分析M经3次有丝分裂后,含T DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占3/8,D项错误。
答案 D
5.(2021·全国甲卷)用一段由放射性同位素标记的DNA片段可以确定基因在染色体上的位置。某研究人员使用放射性同位素32P标记的脱氧腺苷三磷酸(dATP,dA-Pα~Pβ~Pγ)等材料制备了DNA片段甲(单链),对W基因在染色体上的位置进行了研究,实验流程的示意图如下。
回答下列问题:
(1)该研究人员在制备32P标记的DNA片段甲时,所用dATP的α位磷酸基团中的磷必须是32P,原因是 。
(2)该研究人员以细胞为材料制备了染色体样品,在混合操作之前去除了样品中的RNA分子,去除RNA分子的目的是 。
(3)为了使片段甲能够通过碱基互补配对与染色体样品中的W基因结合,需要通过某种处理使样品中的染色体DNA 。
(4)该研究人员在完成上述实验的基础上,又对动物细胞内某基因的mRNA进行了检测,在实验过程中用某种酶去除了样品中的DNA,这种酶是 。
解析 (1)因为dATP分子中的两个特殊化学键断裂后形成的dA-P(腺嘌呤脱氧核糖核苷酸)是组成DNA的基本单位之一,所以只有α位磷酸基团中的磷是32P,才能使DNA合成原料具有放射性,最终使合成的DNA具有32P的放射性。(2)由题意可知,本实验的目的是用一段由放射性同位素标记的DNA片段确定W基因在染色体上的位置,在混合操作之前应去除样品中的RNA分子,若不去除RNA分子,则RNA分子会与DNA分子碱基互补配对结合,从而影响DNA与染色体对应位点的DNA结合,导致无法确定基因在染色体上的位置。(3)DNA要先解开双链,片段甲才能通过碱基互补配对与染色体样品中的W基因结合,因此,需要通过某种处理使样品中的染色体DNA解旋。(4)因为酶具有专一性,故应用DNA酶(或DNA水解酶)去除样品中的DNA。
答案 (1)dATP分子中的两个特殊的化学键断裂后形成的dA-P是组成DNA的基本单位之一,所以α位磷酸基团中的磷是32P,才能使DNA具有32P的放射性 (2)防止RNA分子与DNA分子碱基互补配对结合,从而影响DNA与染色体对应位点的DNA结合 (3)解旋 (4)DNA酶(DNA水解酶)
(十二) 标记DNA的去向分析
1.DNA分子半保留复制图像及解读。
2.进行有丝分裂的细胞在细胞增殖过程中核DNA和染色体的标记情况分析。
DNA复制一次细胞分裂一次。如图为连续分裂两次的过程图(以一条染色体为例)。
注:“”为亲代DNA链;“”为利用原料合成的子链。
由图可以看出,第一次有丝分裂形成的两个子细胞中所有核DNA分子均由一条亲代DNA链和一条子链组成;第二次有丝分裂后最终形成的子细胞中含亲代DNA链的染色体条数是0~2n(以体细胞染色体数为2n为例)。
3.进行减数分裂的细胞在分裂过程中核DNA和染色体的标记情况分析。
在进行减数分裂之前,DNA复制一次,减数分裂过程中细胞连续分裂两次。如图是一次减数分裂的结果(以一对同源染色体为例)。
注:“”为亲代DNA链;“”为利用原料合成的子链。
由图可以看出,减数分裂过程中细胞虽然连续分裂两次,但DNA只复制一次,所以四个子细胞中所有核DNA分子均由一条亲代DNA链和一条利用原料合成的子链组成。
1.(2021·浙江1月选考)现建立“动物精原细胞(2n=4)有丝分裂和减数分裂过程”模型。1个精原细胞(假定DNA中的P元素都为32P,其他分子不含32P)在不含32P的培养液中正常培养,分裂为2个子细胞,其中1个子细胞发育为细胞①。细胞①和②的染色体组成如图所示,H(h)、R(r)是其中的两对基因,细胞②和③处于相同的分裂时期。下列叙述正确的是 ( )
A.细胞①形成过程中没有发生基因重组
B.细胞②中最多有两条染色体含有32P
C.细胞②和细胞③中含有32P的染色体数相等
D.细胞④~⑦中含32P的核DNA分子数可能分别是2、1、1、1
解析 图中细胞①处于减数分裂Ⅰ前期,分析细胞①中基因组成可知,发生了同源染色体非姐妹染色单体的互换,即发生了基因重组,A项错误;根据DNA分子半保留复制,1个精原细胞(DNA中的P元素都为32P),在不含32P的培养液中正常培养,经过一次有丝分裂产生的子细胞中每条染色体中的DNA分子一条链含32P,另一条链不含32P。该子细胞经过减数分裂Ⅰ前的间期复制,形成的细胞①中每条染色体,只有一条单体的DNA分子一条链含有32P(共4条染色单体含有32P),细胞①形成细胞②会发生同源染色体分离,正常情况下,细胞②有两条染色体含有32P(分布在非同源染色体上),但根据图可知,H所在的染色体发生过互换,很有可能H和h所在染色体都含有32P,因此细胞②中最多有3条染色体含有32P,B项错误;根据B项分析可知,正常情况下,细胞②和③中各有两条染色体含有32P(分布在非同源染色体上),但由于细胞①中发生了H和h的互换,而发生互换的染色单体上不确定是否含有32P,故细胞②和细胞③中含有32P的染色体数可能相等也可能不相等,C项错误;如果细胞②的H和R所在染色体含有32P,且细胞②中h所在染色体含有32P,则r在染色体不含有32P,因此形成的细胞④含有32P的核DNA分子数为2个,形成的细胞⑤含有32P的核DNA分子数为1个,由于细胞③的基因型为Hhrr(h为互换的片段),h所在的染色体与其中一个r所在染色体含有32P(H和另一个r所在染色体不含32P),如果含有32P的2条染色体不在同一极,则形成的细胞⑥和⑦都含32P的核DNA分子数为1个,D项正确。
答案 D
2.(2023·天津和平区摸底)用32P标记某植物体细胞(含12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一个细胞中染色体携带32P标记的情况是 ( )
A.带有32P标记的DNA分子数与染色体数相同
B.带有32P标记的染色体有6条
C.每条染色体的两条姐妹染色单体均带有32P标记
D.每条染色体中带有32P标记的DNA单链为0条或1条
解析 依题意和DNA分子的半保留复制可知,在第一次有丝分裂结束后,每个子细胞中含有的12条染色体,每条染色体上所含有的双链DNA分子中只有一条链被32P标记;在第二次有丝分裂的间期DNA分子完成复制后,每条染色体含2个DNA分子,这2个DNA分子分别位于组成该染色体的2条姐妹染色单体上,其中只有一条染色单体上的DNA被32P标记,所以有丝分裂中期的细胞中有12条被标记的染色体,与带有32P标记的DNA分子数相同,A项正确;由A项分析可知,第二次细胞分裂中期一个细胞中,带有32P标记的染色体有12条,每条染色体的两条姐妹染色单体中只有一条带有32P标记,每条染色体中带有32P标记的DNA单链为1条,B、C、D三项错误。
答案 A
3.(不定项)(2023·滨州模拟)取小鼠(2n=40)的1个精原细胞,诱导其在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养基中完成减数分裂形成4个精子,取其中一个精子与卵细胞结合形成受精卵,然后转入无放射性的培养基中培养至早期胚胎。下列叙述正确的是 ( )
A.减数分裂Ⅰ前期形成10个四分体,每个四分体的DNA均被3H标记
B.减数分裂形成的每个精子中有10条染色体被3H标记,10条未被标记
C.受精卵第一次有丝分裂后期,细胞中被3H标记的染色体有20条
D.受精卵第一次有丝分裂产生的每个子细胞中被3H标记的染色体有10条
解析 减数分裂Ⅰ前期形成20个四分体,每个四分体的DNA均被3H标记,A项错误;减数分裂形成的每个精子中20条染色体都被3H标记,B项错误;受精卵第一次有丝分裂后期,细胞中被3H标记的染色体只有20条,C项正确;受精卵第一次有丝分裂产生的每个子细胞中被3H标记的染色体有0~20条,D项错误。
答案 C
第16讲 DNA是主要的遗传物质
课标解读 核心素养
总结人类对遗传物质的探索过程 生命观念 DNA的结构与其作为遗传物质的功能相适应
科学思维 分析总结肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验的原理和过程
科学探究 分析人类对遗传物质探索的实验设计思路
考点一 肺炎链球菌的转化实验
1.实验材料:两种肺炎链球菌。
2.格里菲思的体内转化实验。
提醒 ①并非所有的R型细菌都能被转化,只是少部分R型细菌被转化成S型细菌。
②该实验仅能证明S型细菌中含有某种“转化因子”,但“转化因子”的本质不清楚。
3.艾弗里的体外转化实验。
提醒 ①涉及细菌培养技术、物质提纯和鉴定技术等。
②转化的实质是基因重组而非基因突变:肺炎链球菌转化实验是指S型细菌的DNA片段整合到R型细菌的DNA中,使受体细胞获得了新的遗传信息,即发生了基因重组(属于广义上的)。
③加热并没有使DNA完全失去活性:加热致死S型细菌的过程中,其蛋白质变性失活,但是其内部的DNA在加热结束后随着温度的降低又逐渐恢复活性。
正误判断
(1)从格里菲思实验中的病死小鼠体内分离得到的肺炎链球菌只有S型细菌而无R型细菌。 (×)
(2)格里菲思实验证明DNA可以改变生物体的遗传性状。 (×)
(3)在艾弗里的实验中,DNA酶将S型细菌的DNA分解为脱氧核苷酸,因此不能使R型细菌发生转化。 (√)
(4)艾弗里的体外转化实验采用了物质提纯、鉴定与细菌体外培养等技术。 (√)
(5)在生命科学发展过程中,肺炎链球菌转化实验证明了DNA是遗传物质。 (√)
(6)艾弗里的体外转化实验证明了DNA是主要的遗传物质。 (×)
(7)肺炎链球菌转化实验最关键的设计思路是将DNA和蛋白质分开,分别观察其遗传作用。 (√)
教材微点
1.(必修2 P43“图3-2”)若将加热致死的R型细菌与S型活细菌混合后注射到小鼠体内,不能(填“能”或“不能”)从小鼠体内分离出R型活细菌,原因是S型细菌不能转化为R型细菌。
2.(必修2 P43“图3-2”)格里菲思第四组实验中,小鼠体内S型细菌、R型细菌含量的变化情况如图所示,则:
(1)ab段R型细菌数量减少的原因是小鼠体内形成大量的抗R型细菌的抗体,致使R型细菌数量减少。
(2)bc段R型细菌数量增多的原因是b之前,已有少量R型细菌转化为S型细菌,S型细菌能降低小鼠的免疫力,造成R型细菌大量繁殖。
(3)后期出现的大量S型细菌是由R型细菌转化成的S型细菌繁殖而来的。
长句突破
1.(科学思维)[2017·全国卷Ⅰ,T38(5)改编]艾弗里等人的肺炎链球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么,这一启示是DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体。
2.在体内转化实验中,如果没有第三组实验(注射加热致死的S型细菌,小鼠不死亡),不能得出格里菲思的结论,因为无对照实验,不能说明加热致死的S型细菌中含有促使R型活细菌转化成S型活细菌的转化因子。
肺炎链球菌体内和体外转化实验的比较
角度 围绕肺炎链球菌转化实验,考查科学探究能力
1.(2021·全国乙卷)在格里菲思所做的肺炎链球菌转化实验中,无毒性的R型活细菌与被加热致死的S型细菌混合后注射到小鼠体内,从小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌。某同学根据上述实验,结合现有生物学知识所做的下列推测中,不合理的是 ( )
A.与R型细菌相比,S型细菌的毒性可能与荚膜多糖有关
B.S型细菌的DNA能够进入R型细菌细胞指导蛋白质的合成
C.加热致死S型细菌使其蛋白质功能丧失而DNA功能可能不受影响
D.将S型细菌的DNA经DNA酶处理后与R型细菌混合,可以得到S型细菌
解析 在格里菲思所做的肺炎链球菌转化实验中,无毒性的R型活细菌与被加热致死的S型细菌混合后注射到小鼠体内,从小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌,S型细菌与R型细菌最主要的区别是前者具有多糖类的荚膜,后者不具有多糖类的荚膜,故S型细菌的毒性可能与荚膜多糖有关,A项合理;加热致死的S型细菌其蛋白质已经被破坏,而分离出的S型细菌有毒性,即具备活性蛋白,可推出S型细菌的DNA能够进入R型细菌细胞中指导蛋白质的合成,B项合理;加热可使蛋白质变性,由实验结果R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌可知,S型细菌的遗传物质未受影响,即加热致死S型细菌使其蛋白质功能丧失而其DNA功能可能不受影响,C项合理;S型细菌的DNA经DNA酶处理后,无法完成DNA的复制、转录及翻译等过程,故与R型细菌混合后,无法得到S型细菌,D项不合理。
答案 D
2.(2023·朝阳区模拟) 为研究使R型细菌转化为S型细菌的转化因子的化学本质,某科研小组进行了肺炎链球菌的体外转化实验,其基本过程如图所示。下列有关叙述正确的是 ( )
甲组
乙组 丙组
A.甲组培养基上长出的菌落种类与乙组不同
B.S型细菌提取物经甲、丙两组处理后转化因子活性基本相同
C.R型细菌转化为S型细菌的变异原理是基因突变
D.若增加RNA酶处理提取物的对照实验,会更有说服力
解析 甲组培养基上长出的菌落种类与乙组相同,都是S型细菌和R型细菌,A项错误;甲组S型细菌提取物经高温处理后,不耐高温的物质失活,而DNA未失活,丙中酶具有专一性,加入DNA酶,使DNA失活,B项错误;R型细菌转化成S型细菌的原理是基因重组,C项错误;若增加RNA酶处理提取物的对照实验,能涉及更多S型细菌的物质,会更有说服力,D项正确。
答案 D
(1)肺炎链球菌的转化实验除能证明DNA是遗传物质,而蛋白质不是遗传物质外,还能说明遗传物质能发生可遗传的变异。
(2)体内转化实验不能简单地说成S型细菌的DNA可使小鼠致死,而是具有毒性的S型细菌可使小鼠致死。
考点二 噬菌体侵染细菌的实验
1.实验材料:T2噬菌体和大肠杆菌。
(1)T2噬菌体的结构及生活方式。
(2)T2噬菌体的复制式增殖。
2.实验方法:同位素标记法。该实验中用35S、32P分别标记蛋白质和DNA。
3.实验过程。
标记噬菌体。
噬菌体侵染细菌。
提醒 ①分别用含35S、32P的噬菌体侵染细菌的实验采用的是对比(相互对照)实验。
②搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体和细菌分离;离心的目的是让上清液中析出质量较轻的T2噬菌体颗粒,而离心管的沉淀物中留下被侵染的大肠杆菌。
4.实验结果分析。
(1)噬菌体侵染细菌时,其DNA进入细菌细胞中,而蛋白质外壳留在外面。
(2)子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传的。
5.结论。
DNA是噬菌体的遗传物质。
正误判断
(1)噬菌体侵染细菌的实验不如肺炎链球菌转化实验具有说服力。 (×)
(2)赫尔希和蔡斯分别用35S和32P标记T2噬菌体的蛋白质和DNA,下列被标记的部位组合为①②。 (√)
(3)分别用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基培养噬菌体。 (×)
(4)噬菌体侵染细菌的实验获得成功的原因之一是噬菌体只将DNA注入大肠杆菌细胞中。 (√)
(5)用1个含35S标记的T2噬菌体去侵染大肠杆菌,裂解释放的子代噬菌体中只有2个含35S。 (×)
(6)32P、35S标记的噬菌体侵染细菌的实验分别说明DNA是遗传物质、蛋白质不是遗传物质。 (×)
教材微点
1.(必修2 P46“思考·讨论T1”)选用细菌或病毒作为探索遗传物质的实验材料的优点有①②(填序号)。
①个体很小,结构简单,容易看出因遗传物质改变导致的结构和功能的变化 ②繁殖快
2.(必修2 P47“拓展应用T2”)结合肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验,分析DNA作为遗传物质所具备的特点是①②③④(填序号)。
①具有相对的稳定性 ②能够精确地自我复制,使亲代与子代间保持遗传的连续性
③能够指导蛋白质合成,控制新陈代谢过程和性状发育 ④在特定条件下产生可遗传的变异
长句突破
1.(科学思维)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2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。
2.(科学思维)如图为T4噬菌体感染大肠杆菌后,大肠杆菌内放射性RNA与T4噬菌体DNA及大肠杆菌DNA的杂交结果,曲线b(填“a”或“b”)最可能表示放射性RNA与大肠杆菌DNA杂交的结果,出现该趋势的原因可能是随感染时间延长,以大肠杆菌DNA为模板合成的放射性RNA减少。
1.“二看法”判断子代噬菌体标记情况。
2.噬菌体侵染细菌实验中上清液和沉淀物放射性分析。
(1)32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌。
(2)35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌。
3.比较肺炎链球菌体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验。
角度一 围绕噬菌体侵染细菌的实验过程,考查实验探究能力
1.(2020·浙江1月选考)某研究小组用放射性同位素32P、35S分别标记T2噬菌体,然后将大肠杆菌和被标记的噬菌体置于培养液中培养,如图所示。一段时间后,分别进行搅拌、离心,并检测沉淀物和悬浮液中的放射性。下列分析错误的是 ( )
A.甲组的悬浮液含极少量32P标记的噬菌体DNA,但不产生含32P的子代噬菌体
B.甲组被感染的细菌内含有32P标记的噬菌体DNA,也可产生不含32P的子代噬菌体
C.乙组的悬浮液含极少量35S标记的噬菌体蛋白质,也可产生含35S的子代噬菌体
D.乙组被感染的细菌内不含35S标记的噬菌体蛋白质,也不产生含35S的子代噬菌体
解析 甲组离心后,放射性主要在沉淀物中,由于部分噬菌体未来得及侵染大肠杆菌,所以悬浮液中含有少量放射性,由于甲组的悬浮液中不存在大肠杆菌,所以噬菌体无法繁殖产生含32P标记的子代噬菌体,A项正确;甲组被感染的细菌内含有32P标记的噬菌体DNA,由于DNA进行半保留复制,故可产生不含32P的噬菌体,B项正确;35S标记的是噬菌体的蛋白质,噬菌体侵染细菌的时候,蛋白质外壳留在外面,只有DNA注入到细菌中,因此乙组的悬浮液含大量35S标记的噬菌体蛋白质,不会产生含35S的子代噬菌体,C项错误;乙组被感染的细菌内不含35S标记的噬菌体蛋白质,由于细菌提供的原料中不含35S,所以也不产生含35S的子代噬菌体,D项正确。
答案 C
2.(不定项)用DNA双链均被32P标记的一个T2噬菌体侵染被35S标记的大肠杆菌,一段时间后释放出了M个子代T2噬菌体。下列有关叙述正确的是 ( )
A.用32P标记T2噬菌体的方法与用35S标记大肠杆菌的方法相同
B.这M个子代T2噬菌体中,含32P的T2噬菌体所占的比例为
C.若子代T2噬菌体均同时含32P和35S,则该T2噬菌体只繁殖了一代
D.经过培养,得到的M个子代T2噬菌体中都含有35S
解析 T2噬菌体为病毒,没有细胞结构,不能用培养基直接培养,而大肠杆菌属于原核生物,能用培养基直接培养,A项错误;这M个子代T2噬菌体中,含32P的T2噬菌体占2/M,B项错误;由于DNA的复制为半保留复制,若子代T2噬菌体均同时含32P和35S,则该T2噬菌体只繁殖了一代,C项正确;培养过程中原料都来自大肠杆菌,所以得到的M个子代T2噬菌体中都有35S,D项正确。
答案 CD
角度二 结合两大经典实验,考查科学思维能力
3.(2023·福建厦门模拟)下列关于肺炎链球菌的体内、体外转化实验,以及T2噬菌体侵染大肠杆菌实验的叙述,正确的是 ( )
A.三个实验的设计思路是一致的
B.三个实验都用到了同位素标记法
C.三个实验都不能得出蛋白质不是遗传物质的结论
D.三个实验所涉及生物的遗传物质都是DNA
解析 三个实验的设计思路不一样,A项错误;肺炎链球菌的体内和体外转化实验都没有用到同位素标记法,B项错误;肺炎链球菌的体外转化实验可证明蛋白质不是遗传物质,C项错误;题述三个实验所涉及的生物有T2噬菌体、小鼠、大肠杆菌、肺炎链球菌,它们的遗传物质都是DNA,D项正确。
答案 D
4.下列有关人类对遗传物质探索过程中相关实验的叙述,正确的是 ( )
A.肺炎链球菌体内转化实验中,S型细菌利用宿主细胞的核糖体合成自身的蛋白质
B.肺炎链球菌体外转化实验中,经DNA酶处理的S型细菌提取物不能使R型细菌转化成S型细菌
C.32P标记的噬菌体侵染细菌实验中,细菌体内含有32P标记的噬菌体DNA,但不能产生不含32P的子代噬菌体
D.35S标记的噬菌体侵染细菌实验中,细菌体内不含有35S标记的噬菌体蛋白质,但可产生含35S的子代噬菌体
解析 S型细菌属于原核生物,利用自身的核糖体合成自身的蛋白质,A项错误;DNA酶能够分解DNA,故肺炎链球菌体外转化实验中,经DNA酶处理的S型细菌DNA不能使R型细菌转化成S型细菌,B项正确;32P标记的噬菌体侵染细菌实验中,细菌体内含有32P标记的噬菌体DNA,利用细菌体内的原料,经DNA半保留复制后,能产生不含32P的子代噬菌体,C项错误;35S标记的噬菌体侵染细菌实验中,35S标记的蛋白质不能进入细菌体内,细菌体内不含有35S标记的噬菌体蛋白质,也不可能产生含35S的子代噬菌体,D项错误。
答案 B
考点三 DNA是主要的遗传物质
1.RNA是遗传物质的实验。
2.生物体内的核酸种类及遗传物质。
提醒 ①病毒的遗传物质是DNA或RNA,由细胞构成的生物的遗传物质是DNA。
②绝大多数生物的遗传物质是DNA,因此DNA是主要的遗传物质。
正误判断
(1)只有细胞内的核酸才是携带遗传信息的物质。 (×)
(2)真核生物、原核生物、大部分病毒的遗传物质是DNA,少部分病毒的遗传物质是RNA。 (√)
(3)生物的遗传物质的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。 (√)
(4)细胞核内的遗传物质是DNA,细胞质内的遗传物质是RNA。 (×)
(5)小麦的遗传物质主要是DNA。 (×)
长句突破
(科学探究)若某研究小组计划利用放射性同位素标记法探究新冠病毒——2019 nCoV的遗传物质是DNA还是RNA,请简述该实验的设计思路:以含同位素标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸为原料分别培养活细胞,再用上述标记的两种细胞培养该病毒,一段时间后分别检测子代病毒中是否出现放射性。
角度 结合探究遗传物质的思路与方法,考查科学探究能力
1.(2023·黑龙江牡丹江模拟)如图表示科研人员探究“烟草花叶病毒(TMV)的遗传物质”的实验过程,下列说法正确的是 ( )
A.水和苯酚的作用是分离病毒的蛋白质和RNA
B.TMV的蛋白质不能进入烟草细胞中
C.侵入烟草细胞的RNA进行了逆转录过程
D.RNA是TMV的主要遗传物质
解析 由图示分析可知,TMV放在水和苯酚中振荡后,RNA和蛋白质分离,A项正确;通过接种的方式,TMV的蛋白质可以进入烟草细胞中,B项错误;从此实验中看不出TMV的RNA在烟草细胞中进行了逆转录过程,C项错误;此实验说明TMV的遗传物质是RNA,而不是蛋白质,一种生物的遗传物质只有一种,没有主次之分,D项错误。
答案 A
2.根据遗传物质的化学组成,可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常,一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。
假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换。请利用放射性同位素标记的方法,以体外培养的宿主细胞等为材料,设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出(1)实验思路,(2)预期实验结果及结论即可。(要求:实验包含可相互印证的甲、乙两个组)
解析 (1)在用放射性同位素标记法对新病毒进行鉴定时,要找出DNA和RNA在化学组成上的区别。题中假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换,就是引导考生从DNA和RNA的碱基组成上进行分析。因此,使病毒中的DNA或RNA的特殊碱基(DNA为胸腺嘧啶,RNA为尿嘧啶)带上标记,根据病毒中放射性标记的检测结果就可做出判断。由于病毒不能在培养基上独立生活,其增殖时的原料只能来自宿主细胞,所以实验中需配制两种培养基,记为甲组和乙组,甲组含有放射性标记的尿嘧啶,乙组含有放射性标记的胸腺嘧啶,分别加入等量的宿主细胞使宿主细胞带上相应标记,之后接种新病毒,培养一段时间后,收集病毒并检测其放射性。(2)本实验有两种不同的结果:一种是甲组有放射性,乙组无,则该新病毒为RNA病毒;另一种为乙组有放射性,甲组无,则该新病毒为DNA病毒。
答案 (1)实验思路:
甲组:将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中,之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。
乙组:将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中,之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。
(2)预期实验结果及结论:
若甲组收集的病毒有放射性,乙组无,则为RNA病毒;反之为DNA病毒。
探究“遗传物质”种类的4种方法
1.经典重组 判断正误
(1)T2噬菌体可感染肺炎链球菌导致其裂解。(2018·全国卷Ⅱ,5B) (×)
(2)艾弗里实验证明从S 型肺炎链球菌中提取的DNA 可以使小鼠死亡。(江苏卷,2B) (×)
(3)T2噬菌体的核酸和蛋白质中含硫元素。(海南卷) (×)
(4)格里菲思实验证明了DNA是肺炎链球菌的遗传物质。(江苏卷) (×)
2.(2022·浙江6月选考)下列关于“噬菌体侵染细菌的实验”的叙述,正确的是 ( )
A.需用同时含有32P和35S的噬菌体侵染大肠杆菌
B.搅拌是为了使大肠杆菌内的噬菌体释放出来
C.离心是为了沉淀培养液中的大肠杆菌
D.该实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA
解析 实验过程中需单独用32P标记噬菌体的DNA和35S标记噬菌体的蛋白质,A项错误;实验过程中搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体外壳与细菌分离,B项错误;大肠杆菌的质量大于噬菌体,离心的目的是沉淀培养液中的大肠杆菌,C项正确;该实验证明噬菌体的遗传物质是DNA,D项错误。
答案 C
3.(2019·江苏卷)赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌实验证实了DNA是遗传物质,下列关于该实验的叙述正确的是 ( )
A.实验中可用15N代替32P标记DNA
B.噬菌体外壳蛋白是大肠杆菌编码的
C.噬菌体DNA的合成原料来自大肠杆菌
D.实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA
解析 N在噬菌体外壳蛋白与DNA中都存在,故不能用15N代替32P标记DNA,A项错误;噬菌体外壳蛋白是由噬菌体的遗传物质编码的,B项错误;噬菌体侵染大肠杆菌后,以自身DNA为模板,以大肠杆菌中的4种脱氧核苷酸为原料,合成子代DNA,C项正确;本实验证明噬菌体的遗传物质是DNA,D项错误。
答案 C
4.(2019·海南卷)下列实验及结果中,能作为直接证据说明“核糖核酸是遗传物质”的是 ( )
A.红花植株与白花植株杂交,F1为红花,F2中红花∶白花=3∶1
B.病毒甲的RNA与病毒乙的蛋白质混合后感染烟草只能得到病毒甲
C.加热致死的S型肺炎链球菌与R型活菌混合培养后可分离出S型活菌
D.用放射性同位素标记T2噬菌体外壳蛋白,在子代噬菌体中检测不到放射性
解析 红花植株与白花植株杂交,F1为红花,F2中红花∶白花=3∶1,这是性状分离现象,不能说明RNA是遗传物质,A项错误;病毒甲的RNA与病毒乙的蛋白质混合后感染烟草只能得到病毒甲,说明病毒甲的RNA是遗传物质,B项正确;加热致死的S型肺炎链球菌与R型活菌混合培养后可分离出S型活菌,只能说明加热致死的S型细菌中存在转化因子,不能说明RNA是遗传物质,C项错误;用放射性同位素标记T2噬菌体外壳蛋白,在子代噬菌体中检测不到放射性,说明蛋白质未进入大肠杆菌,不能证明RNA是遗传物质,D项错误。
答案 B
5.(经典高考题)在证明DNA是遗传物质的过程中,T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验发挥了重要作用。下列与该噬菌体相关的叙述,正确的是 ( )
A.T2噬菌体也可以在肺炎链球菌中复制和增殖
B.T2噬菌体病毒颗粒内可以合成mRNA和蛋白质
C.培养基中的32P经宿主摄取后可出现在T2噬菌体的核酸中
D.人类免疫缺陷病毒与T2噬菌体的核酸类型和增殖过程相同
解析 T2噬菌体的核酸是DNA,DNA的元素组成为C、H、O、N、P,培养基中的32P经宿主(大肠杆菌)摄取后可出现在T2噬菌体的核酸中。T2噬菌体专门寄生在大肠杆菌中,不能寄生在肺炎链球菌中;T2噬菌体的mRNA和蛋白质的合成只能发生在其宿主细胞中,不能发生于病毒颗粒中;人类免疫缺陷病毒(HIV)的核酸是RNA,T2噬菌体的核酸是DNA,且二者的增殖过程不同。
答案 C
科学探究
(五) 自变量控制中的"加法原理"和“减法原理”
【典例】 人体对冷、热和触觉的感知能力对人类的生存及其与周围环境的互动交流至关重要。2021年诺贝尔生理学或医学奖授予了发现温度和触觉受体的两位科学家David Julius和Ardem Patapoutain发现辣椒素激活TRPV1通道是痛热感觉形成的基础。Ardem Patapoutain发现触觉的产生源于机械力激活了PIEZO1通道。多项研究表明,除参与冷、热和触觉的感知外,TRPV1通道和PIEZO1通道还参与了其他众多的生理过程。
(1)在研究触觉产生的分子机制时,科学家首先确定了一种细胞系,当用微量移液管戳单个细胞时,该细胞能发出可测量的电信号。据此科学家提出机械力激活的受体是某种离子通道的假说,并且确定了细胞中可能参与编码该离子通道的72个候选基因,并利用上述细胞系作为实验材料,采用“减法原理”控制自变量,最终成功找到了一个参与编码机械力敏感离子通道(PIEZO1通道)的基因。试根据上述实验原理简要描述实验思路,预测实验结果并得出实验结论。
(2)研究表明,PIEZO1通道还参与骨骼的形成和维护。与野生型小鼠相比,敲除小鼠成骨细胞中的PIEZO1通道基因后,小鼠体格瘦小且支撑体重的长骨轻薄乏力。被悬空(不必支撑自己全部体重)养殖的野生型小鼠也表现出长骨轻薄的现象。由此推测在空间站工作的宇航员骨量相对较少、易患骨质疏松的根本原因最可能是 。
解析 (1)由题意可知,该实验是利用“减法原理”进行的实验,且实验中涉及了72个候选基因,所以想要找到72个候选基因中哪些参与了编码机械力敏感离子通道,那就需要一个基因一个基因的沉默,然后检测细胞能否发出可测量的电信号,若能,这说明不是参与编码机械力敏感离子通道的基因,反之则是,所以实验思路是将细胞系分组,每组灭活(或沉默)72个基因中的一个,用微量移液器戳单个细胞,检测其能否发出可测量的电信号;实验结果及结论:当去除某个基因后,细胞不能发出可测量的电信号,则该基因为参与编码 PIEZO1通道的基因。(2)由题意可知,敲除小鼠成骨细胞中的PIEZO1通道基因后,小鼠体格瘦小且支撑体重的长骨轻薄乏力,且被悬空(不必支撑自己全部体重)养殖的野生型小鼠也表现出长骨轻薄的现象,推测悬空小鼠出现长骨轻薄的现象是由于成骨细胞中的PIEZO1通道基因表达被抑制了,由此推测在空间站工作的宇航员骨量相对较少、易患骨质疏松的根本原因最可能是空间站的失重环境导致PIEZO1通道基因的表达水平降低。
答案 (1)实验思路:将细胞系分组,每组灭活(或沉默)72个基因中的一个,用微量移液器戳单个细胞,检测其能否发出可测量的电信号。
实验结果及结论:当去除某个基因后,细胞不能发出可测量的电信号,则该基因为参与编码 PIEZO1通道的基因。
(2)空间站的失重环境导致PIEZO1通道基因的表达水平降低
在对照实验中,控制自变量可以采用“加法原理”或“减法原理”。
1.“加法原理”
与常态比较,人为增加某种影响因素的称为“加法原理”。例如,在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验中,与对照组相比,实验组分别作加温、滴加FeCl3、滴加肝脏研磨液的处理,就利用了“加法原理”。
2.“减法原理”
与常态比较,人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。例如在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,每个实验组特异性地去除了一种物质,从而鉴定出DNA是遗传物质,就利用了“减法原理”。
1.(2023·广东珠海模拟)艾弗里及其同事用R型和S型肺炎链球菌进行培养实验,结果如表。下列叙述正确的是 ( )
实验 组号 接种 菌型 对要加入的S型细菌的细胞提取物所进行的处理 培养基长 菌情况
一 R型 — R型、S型
二 R型 蛋白酶 R型、S型
三 R型 RNA酶 R型、S型
四 R型 酯酶 R型、S型
五 R型 DNA酶 R型
①实验采用了自变量控制中的“加法原理” ②第一、第二组说明蛋白质不是转化因子 ③加入DNA酶后细胞提取物失去转化活性 ④该实验说明DNA是生物主要的遗传物质
A.①② B.③④
C.①④ D.②③
解析 实验的不同组中加入不同的酶是为了特异性地去除某种物质,采用的是自变量控制中的“减法原理”,①错误;第二组中加入蛋白酶后,培养基中仍出现S型细菌,所以与第一组对照,能说明S型细菌的蛋白质不是转化因子,②正确;第五组加入DNA酶后,R型细菌不能转化为S型细菌,即细胞提取物失去转化活性,③正确;该实验能说明DNA是遗传物质,不能说明DNA是主要的遗传物质,④错误。
答案 D
2.一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型,研究表明,新冠病毒是一种RNA病毒,请设计实验验证这一结论。要求:简要写出实验思路和实验结果及结论。
(实验材料:体外培养的肺部细胞、新冠病毒、RNA水解酶等。)
(1)实验思路: 。
(2)实验结果及结论: 。
(3)该实验控制自变量采用了 (填“加法原理”或“减法原理”)。
解析 (1)新冠病毒是一种RNA病毒,其遗传物质是RNA,若用RNA水解酶处理其RNA,病毒将不能增殖,所以实验思路为将体外培养的肺部细胞均分为A、B两组,新冠病毒均分为C、D两组;C组用适量的RNA水解酶处理,D组不做处理;一定时间后,将C、D分别加入A、B混合均匀;在相同且适宜的条件下培养一段时间后,观察各组细胞的感染情况。(2)结果及结论:A组细胞未被感染,B组细胞被感染,证明新冠病毒是RNA病毒。(3)该实验控制自变量采用了“减法原理”,因为C组中加入了RNA水解酶,特异性地去除了相应的物质。
答案 (1)将体外培养的肺部细胞均分为A、B两组,新冠病毒均分为C、D两组;C组用适量的RNA水解酶处理,D组不做处理;一定时间后,将C、D分别加入A、B混合均匀;在相同且适宜的条件下培养一段时间后,观察各组细胞的感染情况 (2)A组细胞未被感染,B组细胞被感染,证明新冠病毒是RNA病毒 (3)减法原理
第17讲 DNA的结构、复制及基因的本质
课标解读 核心素养
1.DNA结构的主要特点 2.DNA的复制 3.基因的概念,基因与遗传信息的关系 4.活动:(1)搜集DNA结构模型建立过程的资料,并进行讨论和交流 (2)制作DNA双螺旋结构模型 生命观念 DNA的结构决定其功能
科学思维 建立DNA双螺旋结构模型 阐明DNA复制过程
科学探究 探究DNA的半保留复制
考点一 DNA的结构
1.DNA结构模型的建立者及DNA的组成。
(1)DNA双螺旋模型构建者:沃森和克里克。
(2)图解DNA双螺旋结构。
①DNA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主链基本骨架。
③内侧:两链上碱基通过氢键连接成碱基对。碱基互补配对遵循以下原则:AT(两个氢键)、G≡C(三个氢键)。
2.DNA结构特点。
利用数字“五、四、三、二、一”巧记DNA的结构
正误判断
(1)DNA一条链上的相邻碱基通过“—磷酸—脱氧核糖—磷酸—”相连。 (×)
(2)DNA中的每个磷酸均连接着一个脱氧核糖和一个碱基。 (×)
(3)双链DNA同时含有2个游离的磷酸基团,其中嘌呤碱基数等于嘧啶碱基数。 (√)
(4)DNA是由两条核糖核苷酸长链反向平行盘旋成双螺旋结构。 (×)
(5)某双链DNA中一条链上A∶T=1∶2,则该DNA中A∶T=2∶1。 (×)
(6)DNA中(A+T)/(C+G)的值越大,该分子结构稳定性越低。 (√)
(7)相对分子质量大小相同、碱基含量相同的核酸分子所携带的遗传信息一定相同。 (×)
(8)DNA的多样性是指一个DNA分子上有许多个基因。 (×)
(9)人体内控制β 珠蛋白的基因由1 700个碱基对组成,其碱基对可能的排列方式有41 700种。 (×)
教材微点
1.(必修2 P50“图3-8”)DNA的一条单链具有两个末端,一端有一个游离的磷酸基团,称作5'-端,另一端有一个羟基(—OH),称作3'-端,两条单链走向相反,一条单链是从5'-端到3'-端的,另一条单链是从3'-端到5'-端的。
2.(必修2 P52 “科学·技术·社会”)DNA指纹图谱法的基本操作:从生物样品中提取DNA(DNA一般都有部分的降解),可运用PCR技术扩增出DNA片段或完整的基因组DNA,用限制酶可将扩增出的DNA切割成DNA片段。据下面的DNA指纹图谱判断,下列怀疑对象中3号是犯罪嫌疑人。
1.理清两种关系与两类化学键。
(1)
(2)
(3)
2.DNA中碱基数量的计算规律。
(1)
(2)
(3)
角度一 结合DNA分子的结构及特点,考查结构与功能观
1.(2021·广东卷)DNA双螺旋结构模型的提出是二十世纪自然科学的伟大成就之一。下列研究成果中,为该模型构建提供主要依据的是 ( )
①赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质的实验 ②富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱 ③查哥夫发现的DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等 ④沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制
A.①② B.②③
C.③④ D.①④
解析 赫尔希和蔡斯通过噬菌体侵染大肠杆菌的实验,证明了DNA是遗传物质,与构建DNA双螺旋结构模型无关,①不符合题意;沃森和克里克根据富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱,推算出DNA分子呈螺旋结构,②符合题意;查哥夫发现的DNA中腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量,为沃森和克里克构建正确的碱基配对方式提供了依据,③符合题意;沃森和克里克提出DNA半保留复制机制是在DNA双螺旋结构模型的构建之后,④不符合题意,故选B。
答案 B
2.(2023·漳州模拟)如图为某双链DNA(由甲链和乙链组成)的局部结构简图,图中数字①~⑥表示不同物质或化学键。下列叙述正确的是 ( )
A.图中⑤为氢键,且③与④可为A—T碱基对或G—C碱基对
B.图中①为腺嘌呤,②为胸腺嘧啶,①②通过氢键连接
C.图中⑥为磷酸基团,此DNA片段中含有2个游离的磷酸基团
D.图中甲链与乙链方向相反,但两条链碱基排列顺序相同
解析 图中⑤为氢键,③与④之间有3个氢键,只能为G—C碱基对,A项错误;图中①为腺嘌呤,②为胸腺嘧啶,①②通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”连接,B项错误;图中⑥为磷酸基团,此DNA片段中含有2个游离的磷酸基团,C项正确;图中甲链与乙链方向相反,两条链碱基排列顺序不相同,D项错误。
答案 C
角度二 借助DNA结构的相关计算,考查科学思维能力
3.(不定项)(2023·河北唐山期末)下列关于双链DNA的叙述,正确的是 ( )
A.一条链中A和T的数量相等,则互补链中A和T的数量也相等
B.一条链中G为C的2倍,则互补链中G为C的1/2
C.一条链中C∶T=1∶2,则互补链中G∶A=2∶1
D.一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则互补链中A∶T∶G∶C=2∶1∶4∶3
解析 根据碱基互补配对原则,双链DNA中,一条链中的A和T分别与互补链中的T和A配对,一条链中的G和C分别与互补链中的C和G配对,故一条链中A和T的数量相等,则互补链中A和T的数量也相等,一条链中G为C的2倍,则互补链中G为C的1/2,A、B两项正确;一条链中C∶T=1∶2,则互补链中G∶A=1∶2,C项错误;双链DNA分子中,一条链中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则互补链中A∶T∶G∶C=2∶1∶4∶3,D项正确。
答案 ABD
4.下列关于双链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,占总碱基的26%,则该DNA分子上有鸟嘌呤288个
解析 某DNA分子含有500个碱基,则可能的排列方式有4250种,A项错误;质粒是环状DNA分子,其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312个,占总碱基的26%,则该DNA分子上碱基总数为312÷26%=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。
答案 D
解答有关碱基计算题的“三步曲”
考点二 DNA的复制
1.DNA复制方式的实验证据。
(1)实验者:美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔。
(2)研究方法:假说—演绎法。
(3)实验材料:大肠杆菌。
(4)实验技术:同位素标记技术和离心技术。
(5)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。
(6)实验假设:DNA以半保留的方式复制。
(7)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。
(8)实验过程及分析。
①实验过程。
②实验分析。
a.立即取出:提取DNA→离心→全部重带。
b.细胞分裂一次(即细菌繁殖一代)取出:提取DNA→离心→全部中带。
c.细胞再分裂一次(即细菌繁殖两代)取出:提取DNA→离心→轻带、中带。
(9)实验结论:DNA的复制是以半保留的方式进行的。
2.DNA的复制。
(1)概念、时间、场所。
(2)过程。
(3)结果:一个DNA分子形成了两个完全相同的DNA分子。
(4)特点
提醒 半保留复制为每个子代DNA分子都保留原DNA的一条链。
(5)DNA准确复制的原因: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,保证了复制能准确地进行。
(6)DNA复制的意义: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。
3.染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系。
正误判断
(1)DNA复制遵循碱基互补配对原则,新合成的DNA分子中两条链均是新合成的。 (×)
(2)DNA双螺旋结构全部解旋后,开始DNA的复制。 (×)
(3)单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链。 (×)
(4)在一个细胞周期中,DNA复制过程中的解旋发生在两条DNA母链之间。 (√)
(5)在人体内,成熟的红细胞、浆细胞中不发生DNA的复制。 (√)
长句突破
1.(科学思维)已知果蝇的基因组大小为1.8×108bp(bp表示碱基对),真核细胞中DNA复制的速率一般为50~100 bp/s。如图为果蝇DNA的电镜照片,图中的泡状结构叫作DNA复制泡,是DNA上正在复制的部分。请你推测果蝇DNA形成多个复制泡的原因。
果蝇DNA的电镜照片
提示 真核生物中DNA的复制是从多个起点开始的,这种复制方式提高了复制效率。
2.(事实概述)如图为DNA的复制过程。
若发生在细胞核内,形成的两个子DNA位置如何,其上面对应片段中基因是否相同,两个子DNA将于何时分开,分别表述为染色体复制后形成两条姐妹染色单体,刚复制产生的两个子DNA分子分别位于两条姐妹染色单体上,由着丝粒相连;其对应片段所含基因在无基因突变等变异情况下应完全相同;两个子DNA分子将于有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期着丝粒分裂时,随两条姐妹染色单体的分离而分开,分别进入两个子细胞中。
3.(科学探究)将发生癌变的小肠上皮细胞用含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液培养,一段时间后再移至普通培养液中培养,不同间隔时间取样,检测到被标记的癌细胞比例减少,出现上述结果的原因是依据DNA半保留复制特点,转移到普通培养液中的癌细胞,随着细胞增殖次数的增加,不被标记的癌细胞开始出现并不断增多,故被标记的癌细胞比例减少。
1.归纳概括DNA复制的五个问题。
(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,需要酶的催化和能量,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能准确地进行复制。原因是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.“图解法”分析DNA复制相关计算。
(1)将含有15N的DNA放在含有14N的培养基中连续复制n次,则:
①子代DNA共2n个
②脱氧核苷酸链共2n+1条
(2)DNA复制过程中消耗的脱氧核苷酸数。
①若亲代DNA含有某种脱氧核苷酸m个,经过n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n-1)。
②第n次复制需要该种脱氧核苷酸数为m·2n-1。
角度一 围绕DNA复制过程与特点,考查理解能力
1.(2021·辽宁卷)下列有关细胞内的DNA及其复制过程的叙述,正确的是 ( )
A.子链延伸时游离的脱氧核苷酸添加到3'端
B.子链的合成过程不需要引物参与
C.DNA每条链的5'端是羟基末端
D.DNA聚合酶的作用是打开DNA双链
解析 子链延伸时5'→3'合成,故游离的脱氧核苷酸添加到3'端,A项正确;子链的合成过程需要引物参与,B项错误;DNA每条链的5'端是磷酸基团末端,3'端是羟基末端,C项错误;解旋酶的作用是打开DNA双链,D项错误。
答案 A
2.(2023·山东德州期中)单分子荧光测序技术原理如图所示。某种脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)提供一个相应的脱氧核苷酸连接到DNA子链上的同时,会产生一分子的焦磷酸(PPi),一分子的PPi可以通过一系列反应使荧光素发出一次荧光,通过检测荧光的有无可推测模板链上相应位点的碱基种类。下列说法错误的是 ( )
A.测序过程中dNTP可以为反应提供能量
B.单分子荧光测序需要在DNA复制过程中进行
C.测序时需要在反应体系中同时加入4种dNTP
D.利用该技术测序时可能会连续多次出现荧光现象
解析 测序过程反应中的能量来自dNTP水解放出的能量,A项正确;单分子荧光测序时dNTP提供一个脱氧核苷酸用于DNA复制的原料,B项正确;每一轮测序中只加入1种dNTP,C项错误;在连续的位置可能出现相同碱基,则会连续多次出现荧光现象,D项正确。
答案 C
角度二 围绕DNA分子复制的相关计算,考查演绎推理能力
3.(2023·临沂模拟)现有DNA分子的两条单链均只含有14N(表示为14N/14N)的大肠杆菌,若将该大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖两代,再转到含有14N的培养基中繁殖一代,则理论上DNA分子的组成类型和比例分别是 ( )
A.有15N/14N和14N/14N两种,其比例为1∶3
B.有15N/15N和14N/14N两种,其比例为1∶1
C.有15N/15N和14N/14N两种,其比例为3∶1
D.有15N/14N和14N/14N两种,其比例为3∶1
解析 将只含有14N的大肠杆菌置于含有15N的培养基中繁殖两代后,由于DNA的半保留复制,得到的子代DNA为2个15N/15N DNA和2个15N/14N DNA,再将其转到含有14N的培养基中繁殖一代,会得到6个15NN DNA和2个14N/14N DNA,比例为3∶1。
答案 D
4.(2023·滨州模拟)用15N标记两条链含有100个碱基对的DNA分子,其中胞嘧啶有60个,该DNA分子在含14N的培养基中连续复制3次。下列有关说法不正确的是 ( )
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核苷酸320个
C.子代DNA分子中含15N的单链与含14N的单链之比为1∶7
D.子代DNA分子中含15N的DNA分子与含14N的DNA分子之比为1∶4
解析 该DNA分子有100个碱基对,其中胞嘧啶有60个,则G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60×3+40×2=260(个),A项正确;该DNA分子含有腺嘌呤脱氧核苷酸(A)40个,则复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为(23-1)×40=280(个),B项错误;该DNA分子复制3次共产生8个DNA分子、16条DNA单链,其中2条链含15N,故含15N的单链与含14N的单链之比为2∶14,即1∶7,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1∶4,D项正确。
答案 B
5.(不定项)(2023·山东滕州期中)1958年,科学家运用同位素标记技术设计了DNA复制的实验,实验的培养条件与方法:(1)在含15N的培养基中培养若干代,使DNA均被15N标记,离心结果如图中的甲;(2)转至14N的培养基培养,每20分钟繁殖一代;(3)取出每代大肠杆菌的DNA样本,离心。图中的乙、丙、丁是某学生画的结果示意图。下列有关推论,正确的是 ( )
A.出现丁的结果需要60分钟
B.乙是转入14N培养基中繁殖一代的结果
C.转入培养基中繁殖三代后全部DNA均含有14N
D.丙结果出现后,将此时的DNA热变性后离心分析可得出半保留复制的结论
解析 根据DNA半保留复制特点,转入14N培养基中繁殖两代后所得DNA分子中,有一半DNA分子只含14N,另一半DNA分子是一条链含有15N,一条链含有14N,离心后出现中带和轻带,即丁图所示结果,即出现丁的结果至少要复制两次,而大肠杆菌每20分钟繁殖一代,因此至少需要40分钟,A项错误;根据DNA半保留复制特点,转入14N培养基中繁殖一代后所得DNA分子都是一条链含有15N,另一条链含有14N,离心后只出现中带,即丙图所示结果,B项错误;因实验中DNA复制的原料均含14N,故转入培养基中繁殖三代后,所有的DNA都含有14N,C项正确;丙是转入14N培养基中繁殖一代的结果,DNA分子都是一条链含有15N,另一条链含有14N,因此将此时的DNA热变性后离心分析可得出半保留复制的结论,D项正确。
答案 CD
有关DNA复制和计算的4点“注意”
(1)DNA中氢键可由解旋酶催化断裂,同时需要ATP供能,也可加热断裂(体外);而氢键是自动形成的,不需要酶和能量。
(2)注意“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别,前者包括所有的复制,后者只包括第n次的复制。
(3)DNA复制计算时看清题中所给出的碱基的单位是“对”还是“个”;所问的是“DNA分子数”还是“链数”,是“含”还是“只含”。
(4)在真核生物中,DNA复制一般是多起点复制;在原核生物中,DNA复制一般是一个起点。无论是真核生物还是原核生物,DNA复制大多数都是双向进行的。
1.经典重组 判断正误
(1)细胞中DNA分子的碱基总数与所有基因的碱基数之和不相等。(2020·全国卷Ⅲ,1C) (√)
(2)细胞中DNA分子的碱基对数等于所有基因的碱基对数之和。(2017·海南卷,23C) (×)
(3)双链DNA分子中一条链上的磷酸和核糖是通过氢键连接的。(2014·全国卷Ⅱ,5C) (×)
(4)DNA有氢键,RNA没有氢键。(2013·全国卷Ⅱ,1A) (×)
2.(2022·广东卷)λ噬菌体的线性双链DNA两端各有一段单链序列。这种噬菌体在侵染大肠杆菌后其DNA会自连环化(如图),该线性分子两端能够相连的主要原因是 ( )
A.单链序列脱氧核苷酸数量相等
B.分子骨架同为脱氧核糖与磷酸
C.单链序列的碱基能够互补配对
D.自连环化后两条单链方向相同
解析 单链序列脱氧核苷酸数量相等、分子骨架同为脱氧核糖与磷酸交替连接,不能决定该线性DNA分子两端能够相连,A、B两项错误;据图可知,单链序列的碱基能够互补配对,决定该线性DNA分子两端能够相连,C项正确;DNA的两条链是反向的,因此自连环化后两条单链方向相反,D项错误。
答案 C
3.(2022·浙江6月选考)某同学欲制作DNA双螺旋结构模型,已准备了足够的相关材料,下列叙述正确的是 ( )
A.在制作脱氧核苷酸时,需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基
B.制作模型时,鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连
C.制成的模型中,腺嘌呤与胞嘧啶之和等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶之和
D.制成的模型中,磷酸和脱氧核糖交替连接位于主链的内侧
解析 在制作脱氧核苷酸时,需在脱氧核糖上连接磷酸和碱基,A项错误;鸟嘌呤和胞嘧啶之间由3个氢键连接,B项错误;DNA的两条链之间遵循碱基互补配对原则,即A=T、C=G,故在制作的模型中A+C=G+T,C项正确;DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接,排列在外侧,构成基本骨架,碱基在内侧,D项错误。
答案 C
4.(2021·山东卷)利用农杆菌转化法,将含有基因修饰系统的T DNA插入到水稻细胞M的某条染色体上,在该修饰系统的作用下,一个DNA分子单链上的一个C脱去氨基变为U,脱氨基过程在细胞M中只发生一次。将细胞M培育成植株N。下列说法错误的是 ( )
A.N的每一个细胞中都含T DNA
B.N自交,子一代中含T DNA的植株占3/4
C.M经n(n≥1)次有丝分裂后,脱氨基位点为A—U的细胞占1/2n
D.M经3次有丝分裂后,含T DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占1/2
解析 在M培育成N的过程中,增殖方式为有丝分裂。根据题意M细胞中某条染色体上含有T DNA,有丝分裂过程中T DNA会随着水稻DNA的复制而复制,复制后精确分配到子细胞中去,所以细胞M培育成的植物N的每个子细胞中都含有T DNA,A项正确;N的原始生殖细胞中其中一条染色体含有T DNA(可记为T),其同源染色体不含T DNA(可记为O),那么N植株可表示为TO,根据分离定律N植物(TO)自交子一代中含T的植物占3/4,也就是含T DNA的植物占3/4,B项正确; 根据题意M细胞染色体一个DNA分子的单链中C变为U,由于DNA复制的原料是脱氧核苷酸不含碱基U,故复制n次后脱氨位点含有A—U的细胞只有一个,复制n次后细胞总数为2n个,所以脱氨位点为A—U的细胞占1/2n,C项正确;据A项解析知,M经3次有丝分裂后的细胞都含有T DNA。由于M细胞中一个DNA的单链的C变U,其互补链的对应位点正常为G,所以子代细胞1/2是正常的G—C,1/2是碱基对被替换的。M经3次复制后形成8个子DNA,其中4个脱氨位点为正常的(G—C或C—G);4个脱氨位点为替换的,其中一个DNA含有U—A(或A—U),三个DNA为A—T(或T—A),综上分析M经3次有丝分裂后,含T DNA且脱氨基位点为A—T的细胞占3/8,D项错误。
答案 D
5.(2021·全国甲卷)用一段由放射性同位素标记的DNA片段可以确定基因在染色体上的位置。某研究人员使用放射性同位素32P标记的脱氧腺苷三磷酸(dATP,dA-Pα~Pβ~Pγ)等材料制备了DNA片段甲(单链),对W基因在染色体上的位置进行了研究,实验流程的示意图如下。
回答下列问题:
(1)该研究人员在制备32P标记的DNA片段甲时,所用dATP的α位磷酸基团中的磷必须是32P,原因是 。
(2)该研究人员以细胞为材料制备了染色体样品,在混合操作之前去除了样品中的RNA分子,去除RNA分子的目的是 。
(3)为了使片段甲能够通过碱基互补配对与染色体样品中的W基因结合,需要通过某种处理使样品中的染色体DNA 。
(4)该研究人员在完成上述实验的基础上,又对动物细胞内某基因的mRNA进行了检测,在实验过程中用某种酶去除了样品中的DNA,这种酶是 。
解析 (1)因为dATP分子中的两个特殊化学键断裂后形成的dA-P(腺嘌呤脱氧核糖核苷酸)是组成DNA的基本单位之一,所以只有α位磷酸基团中的磷是32P,才能使DNA合成原料具有放射性,最终使合成的DNA具有32P的放射性。(2)由题意可知,本实验的目的是用一段由放射性同位素标记的DNA片段确定W基因在染色体上的位置,在混合操作之前应去除样品中的RNA分子,若不去除RNA分子,则RNA分子会与DNA分子碱基互补配对结合,从而影响DNA与染色体对应位点的DNA结合,导致无法确定基因在染色体上的位置。(3)DNA要先解开双链,片段甲才能通过碱基互补配对与染色体样品中的W基因结合,因此,需要通过某种处理使样品中的染色体DNA解旋。(4)因为酶具有专一性,故应用DNA酶(或DNA水解酶)去除样品中的DNA。
答案 (1)dATP分子中的两个特殊的化学键断裂后形成的dA-P是组成DNA的基本单位之一,所以α位磷酸基团中的磷是32P,才能使DNA具有32P的放射性 (2)防止RNA分子与DNA分子碱基互补配对结合,从而影响DNA与染色体对应位点的DNA结合 (3)解旋 (4)DNA酶(DNA水解酶)
(十二) 标记DNA的去向分析
1.DNA分子半保留复制图像及解读。
2.进行有丝分裂的细胞在细胞增殖过程中核DNA和染色体的标记情况分析。
DNA复制一次细胞分裂一次。如图为连续分裂两次的过程图(以一条染色体为例)。
注:“”为亲代DNA链;“”为利用原料合成的子链。
由图可以看出,第一次有丝分裂形成的两个子细胞中所有核DNA分子均由一条亲代DNA链和一条子链组成;第二次有丝分裂后最终形成的子细胞中含亲代DNA链的染色体条数是0~2n(以体细胞染色体数为2n为例)。
3.进行减数分裂的细胞在分裂过程中核DNA和染色体的标记情况分析。
在进行减数分裂之前,DNA复制一次,减数分裂过程中细胞连续分裂两次。如图是一次减数分裂的结果(以一对同源染色体为例)。
注:“”为亲代DNA链;“”为利用原料合成的子链。
由图可以看出,减数分裂过程中细胞虽然连续分裂两次,但DNA只复制一次,所以四个子细胞中所有核DNA分子均由一条亲代DNA链和一条利用原料合成的子链组成。
1.(2021·浙江1月选考)现建立“动物精原细胞(2n=4)有丝分裂和减数分裂过程”模型。1个精原细胞(假定DNA中的P元素都为32P,其他分子不含32P)在不含32P的培养液中正常培养,分裂为2个子细胞,其中1个子细胞发育为细胞①。细胞①和②的染色体组成如图所示,H(h)、R(r)是其中的两对基因,细胞②和③处于相同的分裂时期。下列叙述正确的是 ( )
A.细胞①形成过程中没有发生基因重组
B.细胞②中最多有两条染色体含有32P
C.细胞②和细胞③中含有32P的染色体数相等
D.细胞④~⑦中含32P的核DNA分子数可能分别是2、1、1、1
解析 图中细胞①处于减数分裂Ⅰ前期,分析细胞①中基因组成可知,发生了同源染色体非姐妹染色单体的互换,即发生了基因重组,A项错误;根据DNA分子半保留复制,1个精原细胞(DNA中的P元素都为32P),在不含32P的培养液中正常培养,经过一次有丝分裂产生的子细胞中每条染色体中的DNA分子一条链含32P,另一条链不含32P。该子细胞经过减数分裂Ⅰ前的间期复制,形成的细胞①中每条染色体,只有一条单体的DNA分子一条链含有32P(共4条染色单体含有32P),细胞①形成细胞②会发生同源染色体分离,正常情况下,细胞②有两条染色体含有32P(分布在非同源染色体上),但根据图可知,H所在的染色体发生过互换,很有可能H和h所在染色体都含有32P,因此细胞②中最多有3条染色体含有32P,B项错误;根据B项分析可知,正常情况下,细胞②和③中各有两条染色体含有32P(分布在非同源染色体上),但由于细胞①中发生了H和h的互换,而发生互换的染色单体上不确定是否含有32P,故细胞②和细胞③中含有32P的染色体数可能相等也可能不相等,C项错误;如果细胞②的H和R所在染色体含有32P,且细胞②中h所在染色体含有32P,则r在染色体不含有32P,因此形成的细胞④含有32P的核DNA分子数为2个,形成的细胞⑤含有32P的核DNA分子数为1个,由于细胞③的基因型为Hhrr(h为互换的片段),h所在的染色体与其中一个r所在染色体含有32P(H和另一个r所在染色体不含32P),如果含有32P的2条染色体不在同一极,则形成的细胞⑥和⑦都含32P的核DNA分子数为1个,D项正确。
答案 D
2.(2023·天津和平区摸底)用32P标记某植物体细胞(含12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一个细胞中染色体携带32P标记的情况是 ( )
A.带有32P标记的DNA分子数与染色体数相同
B.带有32P标记的染色体有6条
C.每条染色体的两条姐妹染色单体均带有32P标记
D.每条染色体中带有32P标记的DNA单链为0条或1条
解析 依题意和DNA分子的半保留复制可知,在第一次有丝分裂结束后,每个子细胞中含有的12条染色体,每条染色体上所含有的双链DNA分子中只有一条链被32P标记;在第二次有丝分裂的间期DNA分子完成复制后,每条染色体含2个DNA分子,这2个DNA分子分别位于组成该染色体的2条姐妹染色单体上,其中只有一条染色单体上的DNA被32P标记,所以有丝分裂中期的细胞中有12条被标记的染色体,与带有32P标记的DNA分子数相同,A项正确;由A项分析可知,第二次细胞分裂中期一个细胞中,带有32P标记的染色体有12条,每条染色体的两条姐妹染色单体中只有一条带有32P标记,每条染色体中带有32P标记的DNA单链为1条,B、C、D三项错误。
答案 A
3.(不定项)(2023·滨州模拟)取小鼠(2n=40)的1个精原细胞,诱导其在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养基中完成减数分裂形成4个精子,取其中一个精子与卵细胞结合形成受精卵,然后转入无放射性的培养基中培养至早期胚胎。下列叙述正确的是 ( )
A.减数分裂Ⅰ前期形成10个四分体,每个四分体的DNA均被3H标记
B.减数分裂形成的每个精子中有10条染色体被3H标记,10条未被标记
C.受精卵第一次有丝分裂后期,细胞中被3H标记的染色体有20条
D.受精卵第一次有丝分裂产生的每个子细胞中被3H标记的染色体有10条
解析 减数分裂Ⅰ前期形成20个四分体,每个四分体的DNA均被3H标记,A项错误;减数分裂形成的每个精子中20条染色体都被3H标记,B项错误;受精卵第一次有丝分裂后期,细胞中被3H标记的染色体只有20条,C项正确;受精卵第一次有丝分裂产生的每个子细胞中被3H标记的染色体有0~20条,D项错误。
答案 C
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