第3章 基因的本质
第1节 DNA是主要的遗传物质
素养目标：1.生命观念：从分子水平上，利用结构与功能观，分析DNA适合作为遗传物质应具备的特点。2.科学思维：运用比较法、归纳法分析肺炎链球菌体外转化实验、噬菌体侵染大肠杆菌实验的异同。3.科学探究：分析肺炎链球菌转化实验，学会自变量控制中的加法原理和减法原理。4.科学思维：分析肺炎链球菌体外转化实验、噬菌体侵染大肠杆菌实验和烟草花叶病毒重建实验的实验结论，归纳概括出DNA是主要的遗传物质。
@研习任务一 肺炎链球菌的转化实验
梳理 教材
1.对遗传物质的早期推测
（1）20世纪20年代，大多数科学家认为 蛋白质 是生物体的遗传物质。
（2）20世纪30年代，人们认识到 DNA 的重要性，但是认为 蛋白质 是遗传物质的观点仍占主导地位。
2.两种肺炎链球菌的比较
项目 图示 菌落（光滑、 粗糙） 有无 荚膜 有无 毒性
S型 细菌 光滑 有 有
R型 细菌 粗糙 无 无
3.格里菲思的肺炎链球菌体内转化实验
组别 实验过程及结果 结论
第一组 R型活细菌小鼠 不死亡 已经加热致死的S型细菌，含有某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的活性物质—— 转化因子
第二组 S型活细菌小鼠 死亡 S型活细菌
第三组 加热致死的S型细菌小鼠 不死亡
第四组 小鼠 死亡 S型活细菌
4.艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验
[自查自纠]
（1）（2021·全国乙卷）将S型菌的DNA经DNA酶处理后与R型菌混合，可以得到S型菌。（ × ）
（2）艾弗里实验中自变量的控制采取了减法原理。（ √ ）
（3）（2021·全国乙卷）加热杀死S型菌使其蛋白质功能丧失而DNA功能可能不受影响。（ √ ）
（4）（2021·全国乙卷）与R型细菌相比，S型菌的毒性可能与荚膜多糖有关。（ √ ）
互动 探究
1.加热杀死的S型细菌与R型细菌混合后注入小鼠体内，小鼠死亡，这是否能说明全部R型细菌都转化成了S型细菌？为什么？
提示：不能。被转化的R型细菌只有一小部分，但这种转化可以遗传，转化成的有毒的S型活细菌繁殖后导致小鼠死亡。
2.格里菲思的肺炎链球菌转化实验能说明DNA是遗传物质吗？为什么？
提示：不能。该实验所用的实验材料是活的细菌或杀死的细菌，实验中没有单独地直接观察DNA的作用，因此不能说明DNA是遗传物质。
3.加热杀死的S型细菌为什么不能导致小鼠死亡？
提示：导致小鼠死亡的是S型细菌产生的蛋白质，加热会导致蛋白质变性，失去导致小鼠死亡的功能。
4.艾弗里的第五组实验目的是什么？
提示：验证DNA分解后的产物不能使R型活细菌转化为S型活细菌，从而证实了只有完整的DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
5.转化产生的S型活细菌的后代也是有致病性的S型细菌，这说明什么？
提示：转化的性状可以遗传。
重点 理解
1.肺炎链球菌体内与体外转化实验的比较
比较项目 体内转化实验 体外转化实验
实验者 格里菲思 艾弗里及其同事
培养细菌 在小鼠体内 体外培养基
实验原则 R型细菌与S型细菌的毒性对照 S型细菌各成分的作用进行对照
实验结果 加热杀死的S型细菌能使R型活细菌转化为S型活细菌 S型细菌的DNA能使R型活细菌转化为S型活细菌
实验结论 S型细菌体内有“转化因子” DNA是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质
巧妙构思 用加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内作为对照实验来说明确实发生了转化 将物质提纯、分离后，直接、单独地观察某种物质在实验中所起的作用
联系 ①所用材料相同 ②体内转化实验是体外转化实验的基础，体外转化实验是体内转化实验的延伸 ③两实验都遵循对照原则、单一变量原则
2.肺炎链球菌转化实验中的相互对照
S型细菌＋R型细菌
相互对照时每组既是实验组又是对照组，每个实验组除要探究的因素不相同外，其他条件均相同且适宜，最终结论必须由几组实验结果对比得出。
（1）DNA和蛋白质在加热的情况下都会变性，但是蛋白质变性后，会永久性失活，而DNA变性后，降低温度后会恢复活性。
（2）在肺炎链球菌的转化实验中，使小鼠致死的是S型细菌，不是S型细菌的DNA。
（3）在肺炎链球菌的转化实验中，只有少数的R型细菌转化为S型细菌，并非全部的R型细菌都发生转化。
（4）转化的实质：肺炎链球菌转化的实质是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，从而使R型细菌转化为S型细菌。
随堂 练习
1.下列有关肺炎链球菌体外转化实验的叙述，正确的是（ D ）
A.该实验提取出的S型细菌的DNA的纯度为100％
B.该实验中R型细菌的DNA能使S型细菌转化
C.加入DNA酶的目的主要是证明核苷酸不是遗传物质
D.R型细菌被转化为S型细菌后，其增殖产生的子代菌为S型细菌
解析：该实验是通过酶解法除去相应化合物而实现各种化合物的“分离”，A项错误；艾弗里的体外转化实验中S型细菌的DNA引起R型细菌转化成S型细菌，B项错误；加入DNA酶的目的是从另一方面证明DNA是遗传物质，C项错误；R型细菌被转化为S型细菌后，其遗传物质发生了稳定性改变，故其增殖产生的子代菌为S型细菌，D项正确。
2.下列关于艾弗里的肺炎链球菌转化实验的说法，正确的是（ A ）
A.该实验的自变量控制利用了“减法原理”
B.该实验证明了DNA是主要的遗传物质
C.艾弗里完全摒弃了格里菲思的实验思路
D.加入RNA酶的实验组，其培养结果中无S型细菌
解析：艾弗里肺炎链球菌体外转化实验中，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，其自变量的控制利用了“减法原理”，A项正确；艾弗里证明了DNA是遗传物质，但没有证明DNA是主要的遗传物质，B项错误；艾弗里继承了格里菲思实验的对照思路，C项错误；在提取物中加入RNA酶后，只能将RNA水解，其中的DNA与R型细菌混合培养，仍会出现S型菌落，D项错误。
@研习任务二 噬菌体侵染细菌的实验
梳理 教材
1.T2噬菌体的结构和增殖
2.实验方法
同位素标记法 、离心法等。
3.噬菌体侵染细菌实验过程及结果分析
实验过程
实验组别
一 二
标记大 肠杆菌 含35S的培养基＋无标记的大肠杆菌→含35S的大肠杆菌 含32P的培养基＋无标记的大肠杆菌→含32P的大肠杆菌
标记噬 菌体 无标记的噬菌体→侵染含35S的大肠杆菌→含35S的噬菌体 无标记的噬菌体→侵染含32P的大肠杆菌→含32P的噬菌体
噬菌体侵 染细菌 含35S的噬菌体＋无标记的大肠杆菌→混合培养→搅拌后离心 含32P的噬菌体＋无标记的大肠杆菌→混合培养→搅拌后离心
实验结果 上清液放射性很高，沉淀物放射性很低 上清液放射性很低，沉淀物放射性很高
实验分析 噬菌体侵染细菌时，含32P的噬菌体DNA进入了细菌体内，而含35S的噬菌体蛋白质外壳并未进入细菌体内
结论 DNA是噬菌体的遗传物质
[自查自纠]
（1）T2噬菌体可以在肺炎链球菌中复制和增殖。（ ×）
（2）（2023·浙江6月选考）需要同时含有32P和35S的噬菌体侵染大肠杆菌。（ ×）
（3）肺炎链球菌体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验均采用了能区分DNA和蛋白质的技术。（ √ ）
（4）（2022·浙江6月选考）搅拌是为了使大肠杆菌内的噬菌体释放出来。（ ×）
互动 探究
1.为什么不能直接用含35S和32P的普通培养基来培养T2噬菌体？能否用14C和18O标记噬菌体？
提示：因为噬菌体营寄生生活，只有在细菌体内才能进行增殖，故应先培养细菌，再用细菌培养噬菌体，而不能直接用培养基培养噬菌体。不能，因为DNA和蛋白质都含C和O。
2.若保温时间过短，对第一组实验和第二组实验的结果会产生什么影响？为什么？
提示：对第一组实验无影响，但会导致第二组实验的上清液中出现较高的放射性。因为保温时间过短，会有大量亲代噬菌体尚未将DNA注入大肠杆菌，搅拌离心后这部分完整的噬菌体一并出现在上清液中。
3.若保温时间过长，对以上两组实验的结果又会产生什么影响？为什么？
提示：对第一组实验无影响，但会导致第二组实验的上清液出现较高的放射性。因为保温时间过长，子代噬菌体已经从裂解的大肠杆菌中释放出来，经搅拌离心，这部分完整的子代噬菌体会一并出现在上清液中。
4.若搅拌不彻底，对以上两组实验的结果又会产生什么影响？为什么？
提示：会导致第一组实验的沉淀物中出现较高的放射性，对第二组实验无影响。因为如果搅拌不彻底，亲代噬菌体的蛋白质外壳无法与大肠杆菌细胞分离，经离心，会同大肠杆菌细胞一起出现在沉淀物中。
重点 理解
1.噬菌体侵染细菌的实验结果及误差分析
（1）用含32P的噬菌体侵染大肠杆菌
（2）用含35S的噬菌体侵染大肠杆菌
2.肺炎链球菌体外转化实验与噬菌体侵染细菌实验的比较
项目 肺炎链球菌体外 转化实验 噬菌体侵染 细菌实验
相同点 实验 原则 都遵循了对照原则
实验 结论 都能证明DNA是遗传物质，但不能证明DNA是主要的遗传物质
实验 思路 均使DNA和蛋白质分开，单独处理，观察它们各自的作用
项目 肺炎链球菌体外 转化实验 噬菌体侵染 细菌实验
不同点 方法 酶解法：对细胞提取物分别用蛋白酶、RNA酶、酯酶、DNA酶处理后，与R型细菌混合培养
结论 证明DNA是遗传物质 该实验只能证明DNA是遗传物质，不能证明蛋白质不是遗传物质，因为蛋白质没有进入大肠杆菌体内
有关噬菌体侵染细菌实验的两点提醒
（1）该实验中，只有DNA进入细菌体内，DNA复制和蛋白质合成所需要的原料、能量和场所等均由宿主细胞－－细菌提供。
（2）32P和35S不能同时标记噬菌体，因为用放射性同位素标记后只能检测到某一化合物是否带有放射性标记，并不能检测到是何种放射性同位素标记。
随堂 练习
（2024·浙江绍兴高二统考期末）将噬菌体用32P标记后，侵染未标记的大肠杆菌，短时间保温再进行搅拌离心，然后对离心管中的沉淀物、上清液及子代噬菌体进行放射性检测。下列叙述错误的是（ D ）
A.用含有32P的大肠杆菌培养噬菌体使其带上标记
B.沉淀物中的放射性不可能来自大肠杆菌中的RNA
C.保温时间过短上清液中的放射性就会明显增多
D.该实验用35S或15N进行标记可得到相同的实验结论
解析：噬菌体不能直接生活在培养液中，应先使大肠杆菌带上标记，然后用噬菌体侵染带标记的大肠杆菌，就能使噬菌体带有32P，A正确；32P存在于噬菌体的DNA中，该DNA在大肠杆菌中作为噬菌体复制的模板，而大肠杆菌中的RNA是以大肠杆菌中不带标记的核糖核苷酸为原料合成，故沉淀物中的放射性不可能来自大肠杆菌中的RNA，B正确；保温时间过短，会有一些亲代噬菌体的DNA尚未注入大肠杆菌，搅拌后离心，上清液的放射性会明显增多，C正确；用15N可以标记噬菌体的蛋白质外売和DNA，32P只能标记噬菌体的DNA，35S只能标记噬菌体的蛋白质外売，而噬菌体侵染细菌时，蛋白质外壳留在外面，DNA进入细菌内部，因此用15N标记不能得到相同的实验结论，D错误。
@研习任务三 DNA是主要的遗传物质
梳理 教材
1.RNA是遗传物质的证据
（1）实验材料
①烟草花叶病毒：组成为 RNA 和 蛋白质 。
②烟草。
（2）实验过程及现象
（3）实验结论：RNA是烟草花叶病毒的遗传物质，而蛋白质不是。
2.DNA是主要的遗传物质
生物 类型 细胞生物 非细胞生物
真核生物 原核生物 DNA病毒 RNA病毒
实例 真菌、原生生物、所有动植物 细菌、蓝细菌、放线菌等 噬菌体、乙肝病毒、天花病毒等 HIV、SARS 病毒、烟草花叶病毒等
核酸 种类 DNA和RNA DNA和 RNA DNA RNA
遗传 物质 DNA DNA DNA RNA
归纳：绝大多数生物的遗传物质是 DNA ，只有极少数病毒的遗传物质是 RNA
结论： DNA 是主要的遗传物质
[自查自纠]
（1）DNA是所有生物的遗传物质。（ ×）
（2）酵母菌的遗传物质主要是DNA。（ ×）
（3）病毒的遗传物质是DNA或RNA。（ √ ）
（4）艾滋病病毒的遗传物质是DNA或RNA。（ ×）
互动 探究
1.人们在探究哪种物质是遗传物质时，采用的共同设计思路是什么？
提示：设法将物质分开，单独看其作用。
2.怎样判断一种生物的遗传物质是DNA还是RNA？
提示：有细胞结构的生物，其遗传物质一定是DNA；无细胞结构的病毒，其遗传物质是DNA或RNA。
重点 理解
探究遗传物质的三种方法
1.有关遗传物质的三点提醒
（1）并不是所有的核酸都能作为遗传物质，如细胞生物中的RNA。
（2）DNA并不是所有生物的遗传物质，如烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。
（3）一种生物只能有一种遗传物质，在同一种生物体内，不存在“主要遗传物质”和“次要遗传物质”之分。
2.自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
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：与常态相比，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溶液、滴加肝脏研磨液的处理，就是利用了“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，就是利用了“减法原理”。
随堂 练习
（2024·浙江绍兴市稽山中学高一校考期中）烟草花叶病毒重建和感染的实验示意图如下。下列叙述正确的是（ D ）
A.烟草花叶病毒中的核苷酸有8种
B.图中A型后代的外壳是蛋白质B
C.若用DNA酶处理该病毒，会使其失去感染力
D.该实验证明RNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质
解析：烟草花叶病毒中的核酸是RNA，其中的核苷酸共有4种，A错误；图中A型后代的RNA来自A，故其蛋白质外壳是A，B错误；该病毒的遗传物质是RNA，酶具有专一性，故若用DNA酶处理该病毒，不会使其失去感染力，C错误；该实验的子代与提供RNA的亲本相同，证明RNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质，D正确。
[知识结构]
[主题要点]
1.肺炎链球菌体内转化实验的结论：已经加热致死的S型细菌，含有某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的活性物质——转化因子。
2.艾弗里通过对肺炎链球菌的体外转化实验的研究，提出DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
3.T2噬菌体侵染细菌的实验证明：DNA才是噬菌体的遗传物质。
4.绝大多数生物的遗传物质是DNA，所以说DNA是主要的遗传物质。
@课堂小测试
1.探索遗传物质的过程是漫长的，直到20世纪初期，人们仍普遍认为蛋白质是遗传物质。当时人们作出判断的理由不包括（ C ）
A.不同生物的蛋白质在结构上存在差异
B.蛋白质与生物的性状密切相关
C.蛋白质比DNA具有更高的热稳定性，并且能够自我复制
D.蛋白质中氨基酸的不同排列顺序可能蕴含大量遗传信息
解析：不同生物的蛋白质在结构上存在差异，蛋白质的不同结构可能对应不同的遗传信息，A项正确；作为遗传物质，要能控制生物的性状，而蛋白质与生物的性状密切相关，B项正确；蛋白质高温变性，DNA高温变性但温度降低后又能恢复原来的结构，DNA比蛋白质具有更高的热稳定性，C错误；作为遗传物质要能储存大量的遗传信息，而蛋白质中氨基酸的不同排列顺序可能蕴含大量遗传信息，D项正确。
2.某研究人员模拟肺炎链球菌转化实验，进行了以下4个实验，4个实验中小鼠最后死亡的是（ B ）
A.S型细菌的DNA＋DNA酶→加入R型细菌→注射入小鼠体内
B.R型细菌的DNA＋DNA酶→加入S型细菌→注射入小鼠体内
C.R型细菌＋DNA酶→高温加热后冷却→加入S型细菌DNA→注射入小鼠体内
D.S型细菌＋DNA酶→高温加热后冷却→加入R型细菌DNA→注射入小鼠体内
解析：S型细菌的DNA＋DNA酶，DNA被水解，失去了转化作用，对后面加入的R型细菌没有转化作用，R型细菌无毒，注射入小鼠体内，小鼠存活，A不符合题意；R型细菌的DNA＋DNA酶，DNA被水解，但后面加入的S型细菌有毒，注射入小鼠体内，小鼠死亡，B符合题意；R型细菌＋DNA酶→高温加热后冷却，R型细菌已经死亡，后面再加入S型细菌的DNA也不会发生转化作用，因此注射入小鼠体内，小鼠存活，C不符合题意；S型细菌＋DNA酶→高温加热后冷却，S型细菌已经死亡，后面再加入R型细菌的DNA也不会发生作用，因此注射入小鼠体内，小鼠存活，D不符合题意。
3.（2024·广东深圳高三统考期末）某探究小组进行了T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验。下列各个实验组中，子代噬菌体的蛋白质外壳带有放射性物质的是（ B ）
材料及标记 实验组 T2噬菌体 大肠杆菌
① 14C标记 未标记
② 35S标记 3H标记
③ 未标记 35S标记
④ 35S标记 32P标记
A.①和② B.②和③ C.②和④ D.①和③
解析：噬菌体利用大肠杆菌中的原料合成蛋白质，由于大肠杆菌没有被标记，则子代噬菌体的蛋白质外壳没有放射性物质，①不符合题意；3H标记的氨基酸合成的蛋白质构成子代噬菌体的蛋白质外壳，子代噬菌体蛋白质外壳能检测到放射性，②符合题意；亲代噬菌体利用大肠杆菌的原材料来生产子代噬菌体的蛋白质外壳，子代噬菌体蛋白质外壳会出现放射性，③符合题意；蛋白质中不含32P，用32P标记大肠杆菌，子代噬菌体蛋白质外壳不会出现放射性，④不符合题意。故选B。
4.（2024·河南高一校联考期中）关于DNA是主要的遗传物质的漫长探索历程，下列有关叙述正确的是（ C ）
A.孟德尔发现遗传因子并证实了其传递规律和化学本质
B.艾弗里对S型细菌进行加热处理，使蛋白质变性，而DNA相对稳定
C.烟草花叶病毒感染烟草实验说明部分病毒的遗传物质是RNA
D.在噬菌体侵染细菌实验中，若35S标记组的沉淀物中放射性较高，则可能原因是保温时间过长
解析：孟德尔并没有证实遗传因子的化学本质，A错误；对S型细菌进行加热处理的科学家是格里菲思，B错误；烟草花叶病毒感染烟草实验说明该病毒的遗传物质是RNA，说明部分病毒的遗传物质是RNA，C正确；在噬菌体侵染细菌实验中，若35S标记组的沉淀物中放射性较高，则可能原因是搅拌不充分，部分噬菌体的蛋白质外壳吸附在细菌上造成的，D错误。
5.DNA和蛋白质都是生物体内重要的大分子物质，究竟哪种物质是遗传物质的问题曾引起生物学界激烈的争论。1928年，格里菲思提出转化因子，转化因子究竟是什么物质呢？1944年艾弗里和他的同事完成了以下实验。他们将去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质的S型细菌提取物分别进行不同的处理后，加入到含有R型活细菌的培养基中，处理方法及实验结果如下表所示：
项目 处理条件 菌落生长情况
第一组 未处理 －
第二组 加蛋白酶
第三组 加RNA酶
第四组 加酯酶
第五组 加DNA酶
注：“”代表R型菌落，“”代表S型菌落。
（1）推测第一组培养基中活菌类型为R型和S型细菌，设置第一组实验的目的是对照；推测第五组菌落生长情况，并将结果绘制在上表第五组的培养皿中。
（2）实验表明细胞提取物中含有转化因子，而转化因子很可能就是DNA。艾弗里等人进一步分析了细胞提取物的理化特性，发现这些特性都与DNA的极为相似。请你推测艾弗里最终提出的结论DNA是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质（DNA是遗传物质）。
（3）从控制自变量的角度分析，艾弗里等人实验的基本思路是在每个实验组S型细菌提取物中特异性地去除了一种物质。
解析：（1）由于第一组未处理，作为对照组，则第一组培养基中活菌类型为R型和S型细菌。由于第五组加入了DNA酶，导致S型细菌DNA被分解，则R型细菌不能被转化，所以第五组培养皿中菌落都是R型细菌，如答案图中所示。（2）根据以上五组实验可以得出，DNA是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质（DNA是遗传物质）。（3）从控制自变量的角度，实验的基本思路是：依据自变量控制中的“减法原理”，在每个实验组S型细菌提取物中特异性地去除了一种物质。
第2节 DNA的结构
素养目标：1.生命观念：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。2.科学思维：通过模型构建，理解DNA的化学组成、平面结构以及立体结构。3.科学探究：通过制作DNA双螺旋结构模型，领悟模型构建在科学研究中的应用。
@研习任务一 DNA双螺旋结构模型的构建
梳理 教材
1.构建者： 沃森 和 克里克 。
2.构建过程
[自查自纠]
（1）查哥夫提出DNA分子中A＝G、C＝T。（ × ）
（2）沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型中，脱氧核糖－磷酸骨架排列在螺旋外部，碱基排列在螺旋内部。（ √ ）
（3）（2022·河北卷）双螺旋模型的碱基互补配对原则解释了DNA分子具有稳定的直径。（ √ ）
（4）（2022·广东卷）沃森和克里克用DNA衍射图谱得出碱基配对方式。（ ×）
互动 探究
沃森和克里克获得成功的原因有哪些？
提示：对问题的强烈兴趣是科学探索的开端；丰富的学科知识储备是科学发展的前提；多学科知识交叉渗透，是科学研究的重要手段；科学思维、探索求真的科学精神，以及善于利用前人的成果和与人合作的品质，是做出伟大发现的关键。
重点 理解
DNA双螺旋结构的特点
随堂 练习
下列关于DNA模型构建的叙述中，错误的是（ C ）
A.富兰克林的DNA衍射图谱为模型的构建提供了重要依据
B.根据DNA衍射图谱，沃森和克里克推算出DNA呈螺旋结构
C.沃森和克里克最初构建的双螺旋结构中，认为磷酸和脱氧核糖排列在外部，碱基排列在内部，且A与T配对，G与C配对
D.DNA是以四种脱氧核苷酸为单位形成的
解析：对于DNA结构认识经过的历程是：基本单位是四种脱氧核苷酸→构成脱氧核苷酸链→两条脱氧核苷酸链螺旋成DNA。在这个认识过程中，起初并不知道A一定与T配对，G一定与C配对。
@研习任务二 DNA的结构
梳理 教材
1.DNA双螺旋结构的主要特点
平面结构
空间结构
（1）DNA是由 两 条单链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成 双螺旋 结构。
（2）DNA中的 脱氧核糖和磷酸 交替连接，排列在外侧，构成基本骨架； 碱基 排列在内侧。
（3）两条链上的碱基通过 氢键 连接成碱基对，并且碱基配对具有一定的规律：A（腺嘌呤）一定与 T（胸腺嘧啶） 配对，G（鸟嘌呤）一定与 C（胞嘧啶） 配对。碱基之间的这种一一对应的关系，叫作 碱基互补配对 原则。
2.DNA的方向性
（1）脱氧核糖上与 碱基 相连的碳称作1'－C，与 磷酸基团 相连的碳称作5'－C。
（2）DNA的一条单链具有两个末端，一端有一个游离的磷酸基团，这一端称作5'端，另一端有一个羟基（－OH），称作3'端。
（3）DNA的两条单链走向 相反 ，从双链的一端起始，一条单链是从5'端到3'端的，另一条单链则是从3'端到5'端的。
3.DNA的结构
（1）平面结构
（2）空间结构
[自查自纠]
（1）DNA分子中的每个磷酸均与2个脱氧核糖连接。（ ×
（2）脱氧核苷酸中，碱基连接在核糖的1'－C原子上。（ ×
（3）（2021·辽宁卷）DNA每条链的5'端是羧基末端。（ ×
互动 探究
1.DNA分子中一条脱氧核苷酸链中相邻的两碱基通过什么结构连接？
提示：－脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖－。
2.在DNA结构稳定性的比较中，哪种碱基对的比例越高，DNA结构稳定性越高？
提示：G与C之间有3个氢键，其在DNA中所占比例越高，DNA就越稳定。
3.DNA的一条链中（G＋T）/（A＋C）＝0.5，（A＋T）/（C＋G）＝2，则该DNA中另一条链上同样的碱基比例为多少？
提示：根据碱基互补配对原则，另一条链上（G＋T）/（A＋C）＝2，（A＋T）/（C＋G）＝2。
重点 理解
1.准确辨析DNA结构中的数量、位置关系及连接方式
2.DNA分子中的碱基计算规律
（1）以DNA双链为研究对象时碱基数量的关系
①A、T、G、C的关系：A＝T、G＝C。
②非互补碱基和之比：（A＋G）/（T＋C）＝（A＋C）/（T＋G）＝1。
结论：DNA中非互补碱基之和相等。
③互补碱基和之比：（A＋T）/（G＋C）不是定值。
④碱基比例与DNA分子的共性和特异性
a.共性的体现是配对碱基相等，DNA中非互补碱基之和相等。
b.特异性的体现是互补碱基和的比值是不确定的。
（2）以DNA单链为研究对象时碱基数量的关系（如上图）
①A1＝T2、G1＝C2、C1＝G2、T1＝A2。
②若1链中（A1＋G1）/（T1＋C1）＝m，由（1）中的碱基关系推断，则2链中（A2＋G2）/（T2＋C2）＝1/m。
结论：两链间非互补碱基和之比互为倒数。
（3）DNA双链和单链中碱基数量的联系
①若在双链中（A＋T）/（G＋C）＝n，则在1链中（A1＋T1）/（G1＋C1）＝n，2链中（A2＋T2）/（G2＋C2）＝n。
结论：在同一DNA分子中，双链和单链中互补碱基和之比相等。
②若1链中A1占的比例为X1，2链中A2占的比例为X2，则整个DNA分子中A占的比例为（X1＋X2）/2。
结论：某碱基占双链DNA碱基总数的百分比等于相应碱基占相应单链比值和的一半。
随堂 练习
某条双链DNA含有200个碱基对，其中一条链的A＋T有90个，下列关于该DNA分子的说法，正确的是（ C ）
A.另一条链的A＋T有10个
B.另一条链的C＋G有10个
C.该DNA分子中C占全部碱基的27.5％
D.该DNA分子一条链上的两个相邻碱基由氢键相连
解析：一条链的A＋T有90个，根据碱基互补配对原则，另一条链的A＋T也为90个，A错误；其中一条链的A＋T有90个，另一条的T＋A也为90个，由于双链DNA中含有200个碱基对，且C＝G，则另一条链的C＋G有110个，B错误；依照题意，可知一条链中C＋G＝110个，则双链中C的数量有110个，该DNA分子中C占全部碱基的比例＝110/400×100％＝27.5％，C正确；该DNA分子一条链上的两个相邻碱基由“－脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖－”相连，D错误。
@研习任务三 制作 DNA双螺旋结构模型
梳理 教材
1.目的要求
（1）通过制作DNA双螺旋结构模型，加深对DNA结构特点的认识和理解。
（2）进一步理解和掌握DNA的结构。
（3）理解碱基互补配对原则。
2.材料用具：曲别针、泡沫塑料、纸片、扭扭棒、牙签、橡皮泥、铁丝等常用物品，都可用作模型制作的材料。
3.实验原理
DNA的脱氧核苷酸双链反向平行，磷酸与脱氧核糖交替连接，排列在外侧，碱基排列在内侧，两条链的碱基互补配对，并通过氢键相连。
4.步骤
（1）组装“脱氧核苷酸模型”
利用材料制作若干个 脱氧核糖 、磷酸和碱基，组装成若干个脱氧核苷酸。
（2）制作“多核苷酸长链模型”
将若干个脱氧核苷酸依次穿起来，组成两条多核苷酸长链。注意两条长链的单核苷酸数目必须 相同 ，碱基之间能够 互补配对 。
（3）制作“DNA分子平面结构模型”
按照 碱基互补配对 的原则，将两条多核苷酸长链互相连接起来，注意两条链的方向 相反 。
（4）制作“DNA分子的立体结构（双螺旋结构）模型”
把DNA分子平面结构旋转一下，即可得到一个DNA分子的双螺旋结构模型。
[自查自纠]
（1）（2022·浙江6月选考）制作DNA双螺旋结构模型时，鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连。（ × ）
（2）（2022·河北卷）DNA分子的多样性、特异性及稳定性是DNA鉴定技术的基础。（ √ ）
（3）（2022·浙江6月选考）某同学制作DNA双螺旋结构模型，在制作脱氧核苷酸时，需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基。（ × ）
互动 探究
1.DNA只含有4种脱氧核苷酸，它为什么能够储存足够量的遗传信息？
提示：碱基排列顺序的千变万化，使DNA储存了大量的遗传信息。
2.DNA是如何维系它的遗传稳定性的？
提示：两条链上的碱基之间的氢键和每条链上的磷酸二酯键共同维持了双螺旋结构的稳定性。
3.为什么可以利用DNA指纹来识别身份？
提示：两个随机个体具有相同DNA序列的可能性微乎其微，因此可以利用DNA指纹来识别身份。
随堂 练习
（2024·山东淄博高一统考期末）某同学准备了足够的相关材料，制作由30个脱氧核苷酸构成的DNA双螺旋结构模型。下列说法正确的是（ D ）
A.制作模型时，每个脱氧核糖上都要连接2个磷酸基团和1个碱基
B.制作模型时，腺嘌呤和胸腺嘧啶之间用3个氢键连接物相连
C.制成的模型中，磷酸和脱氧核糖交替连接排列在内侧，构成基本骨架
D.制成的模型中，如果有腺嘌呤8个，则模型中有胞嘧啶7个
解析：DNA的每条链的3'端的脱氧核糖上都连接1个磷酸基团和1个碱基，A错误；制作模型时，腺嘌呤和胸腺嘧啶之间用2个氢键连接物相连，B错误；制成的模型中，磷酸和脱氧核糖交替连接排列在外侧，构成基本骨架，C错误；DNA的两条链之间遵循碱基互补配对原则，即A＝T、C＝G，腺嘌呤与鸟嘌呤之和等于胞嘧啶和胸腺嘧啶之和，30个脱氧核苷酸构成的DNA双螺旋结构模型中A＋C＝15，若腺嘌呤8个，则模型中有胞嘧啶7个，D正确。
[知识结构]
[主题要点]
1.DNA是由两条单链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
2.DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。
3.两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，A一定与T配对，G一定与C配对，碱基之间的这种一一对应的关系，叫作碱基互补配对原则。
@课堂小测试
1.如图表示DNA分子结构的片段，下列有关叙述正确的是（ D ）
A.双螺旋结构使DNA分子具有较强的特异性
B.DNA单链上相邻碱基之间以氢键连接
C.④结构可表示腺嘌呤脱氧核苷酸
D.生活在高温环境中的生物，其DNA中⑤的比例相对较高
解析：双螺旋结构使DNA分子具有较强的稳定性，每个DNA分子中特定的碱基排列顺序使DNA分子具有较强的特异性，A错误；DNA单链上相邻碱基之间以“－脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖－”连接，B错误；根据DNA分子中碱基互补配对原则，①为胸腺嘧啶，且④不是脱氧核苷酸，C错误；⑤为C－G碱基对，C－G之间有3个氢键，而A－T之间只有2个氢键，因此C－G碱基对的含量越高，DNA分子越稳定，即生活在高温环境中的生物，其DNA中⑤的比例相对较高，D正确。
2.下列有关DNA分子结构的叙述，错误的是（ B ）
A.DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构
B.DNA分子的基本单位由核糖、含氮碱基和磷酸组成
C.DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架
D.两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且遵循碱基互补配对原则
解析：DNA分子的基本单位是脱氧核糖核苷酸，脱氧核糖核苷酸由脱氧核糖、含氮碱基和磷酸组成，B错误。
3.（2024·宁夏石嘴山市第三中学高二校考期末）下列关于双链DNA分子结构的叙述，正确的是（ C ）
A.某DNA分子中胞嘧啶占25％，则每条单链上的胞嘧啶占25％～50％
B.某DNA含有500个碱基，可能的排列方式有4500种
C.某DNA分子上有胸腺嘧啶312个，占总碱基数的26％，则该DNA分子上有鸟嘌呤288个
D.若某环状DNA片段含有2 000个碱基，则该DNA同时含有2个游离的磷酸基团
解析：如果DNA分子中胞嘧啶占25％，胞嘧啶分布在两条DNA单链上，因此每一条单链上胞嘧啶占0～50％，A错误；某DNA分子含有500个碱基，碱基对数是250，因此可能的排列方式有4250种，B错误；由DNA分子的碱基互补配对原则可知，双链DNA中A＋C＝T＋G＝50％，因此如果DNA分子有胸腺嘧啶312个，占总碱基比为26％，则鸟嘌呤G占总数的24％，数量是312÷26％×24％＝288个，C正确；若小型环状DNA含有2 000个碱基，则其中没有游离的磷酸基团，D错误。
4.（2024·山东聊城高三统考期中）某双链（α链和β链）DNA分子中鸟嘌呤与胞嘧啶的数量之和占全部碱基总数的56％，α链中腺嘌呤占28％。下列关于该DNA分子的叙述，错误的是（ B ）
A.β链中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量之和占该链碱基总数的44％
B.α链中（G＋C）/（A＋T）＝11/14，β链中（G＋C）/（A＋T）＝14/11
C.α链中胸腺嘧啶所占的比例是16％，占双链DNA分子的8％
D.（A＋T）/（G＋C）的比值可体现不同生物DNA分子的特异性
解析：DNA分子中鸟嘌呤与胞嘧啶的数量之和占全部碱基总数的56％，则腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量之和占全部碱基总数的44％，互补碱基之和在单双链中比值相等，因此β链中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量之和也占该链碱基总数的44％，A正确；根据碱基互补配对原则，若α链中（G＋C）/（A＋T）＝14/11，则β链中（A＋T）/（G＋C）＝11/14，B错误；α链中胸腺嘧啶所占的比例是1－56％－28％＝16％，则占双链中的比例是16％÷2＝8％，C正确；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，D正确。
5.如图为大肠杆菌DNA分子结构图示（片段），请根据图示分析并回答下列问题：
（1）图中1表示磷酸，2表示脱氧核糖，1、2、3结合在一起的结构叫作脱氧（核糖）核苷酸。
（2）DNA分子的基本骨架是磷酸和脱氧核糖交替连接，T的中文名称是胸腺嘧啶。
（3）DNA分子中3与4是通过氢键连接起来的。
（4）DNA被彻底氧化分解后，能产生含氮废物的是（用序号表示）3和4。
（5）DNA分子具有多样性的原因是碱基排列顺序的千变万化。
（6）图中DNA分子片段中，游离的磷酸基团有2个，若大肠杆菌的DNA分子的碱基G为x个，占其碱基总量的比例是y，则该DNA分子中含腺嘌呤－x。
解析：（1）图中1是磷酸，2是脱氧核糖，3是碱基，1、2、3结合在一起的结构是由1分子磷酸、1分子脱氧核糖和1分子含氮碱基组成的脱氧（核糖）核苷酸。（2）DNA分子的基本骨架是磷酸和脱氧核糖交替连接，T的中文名称是胸腺嘧啶。（3）DNA分子中连接2条脱氧核苷酸链上的碱基的结构是氢键。（4）DNA分子的组成成分是磷酸、脱氧核糖和含氮碱基，因此DNA被彻底氧化分解后，能产生含氮废物的是碱基，即图中的3和4。（5）DNA分子具有多样性的原因是碱基排列顺序的千变万化。（6）由于每条DNA单链中含有1个游离的磷酸基团，故图中DNA分子片段中，游离的磷酸基团有2个。若大肠杆菌的DNA分子的碱基G为x个，占其碱基总量的比例是y，则碱基总数为，由于A＝T、G＝C，因此腺嘌呤占碱基总数的比例为－y，则该DNA分子中含腺嘌呤＝（－y）＝－x。
第3节 DNA的复制
素养目标：1.生命观念：理解DNA的准确复制是遗传信息稳定传递的基础，从而形成生命的物质观。2.科学思维：利用假说－演绎法，理解DNA的复制方式及特点。3.科学探究：分析DNA半保留复制的实验，认同在探究过程中开展合作的必要性。
@研习任务一 对DNA复制的推测和DNA半保留复制的实验证据
梳理 教材
1.对DNA复制的推测
（1）
（2）遗传物质自我复制的其他假说
全保留复制是指DNA复制以 DNA双链 为模板，子代DNA的双链都是新合成的。
2.DNA半保留复制的实验证据
[自查自纠]
（1）沃森和克里克证明了DNA分子的复制方式是半保留复制。（ × ）
（2）证明DNA半保留复制的实验运用了同位素标记技术和离心技术。（ √ ）
（3）DNA半保留复制的证明过程使用了假说－演绎法。（ √ ）
互动 探究
1.怎样测定子代DNA带有同位素的情况？
提示：对DNA进行离心，观察其在离心管中的分布。
2.若DNA复制的方式为全保留复制，上述实验结果是怎样的？
提示：①亲代大肠杆菌：提取DNA→离心→全部是重带。②繁殖一代后取出：提取DNA→离心→1/2重带、1/2轻带。③繁殖两代后取出：提取DNA→离心→1/4重带、3/4轻带。
3.教材中“证明DNA半保留复制的实验”中（1）第一代只出现了一条中带，这个结果排除了哪种复制方式？
（2）第二代出现了一条中带和一条轻带，这个结果又可以排除哪种复制方式？
提示：（1）排除了全保留复制的方式。
（2）排除弥散复制的方式。
重点 理解
1.关于DNA分子复制的早期推测
在DNA分子复制的早期研究中，科学家们提出了三个模型：全保留复制模型、弥散复制模型和半保留复制模型。
比较如下：
全保留复制：亲代DNA分子两条链不变，子代DNA分子的两条链都是新合成的。
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。
弥散复制：亲代DNA分子的两条链分散成短片段，与新合成的子代DNA分子的两条链分散成的短片段混杂在一起，不能分出亲代DNA单链。
如下图所示：
2.试管中三个条带分析
重带：两条链均只含15N。即此DNA中两条链均为亲代链。
中带：一条链中只含14N，另一条链中含15N。即此子代DNA中只含有一条初始亲代链。
轻带：两条链均只含14N。即此子代DNA中不含亲代链。
随堂 练习
细菌在15N培养基中繁殖数代后，使细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后再移入14N培养基中培养，提取其子代的DNA经高速离心分离，下图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是（ A ）
A.第一次分裂的子代DNA应为⑤
B.第二次分裂的子代DNA应为①
C.第三次分裂的子代DNA应为③
D.亲代的DNA应为⑤
解析：亲代DNA为15N15N，经第一次复制所形成的子代DNA应均为15N14N，即应如图②所示，A项错误。
@研习任务二 DNA的复制
梳理 教材
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 ，随着染色体的复制而完成。
3.场所：主要是细胞核。
4.过程
5.结果：一个DNA分子形成了 两个完全相同 的DNA分子，新复制出的两个子代DNA分子，通过细胞分裂分配到子细胞中。
6.特点：半保留复制；边解旋边复制。
7.准确复制的原因
（1）DNA独特的 双螺旋 结构，为复制提供了精确的模板。
（2）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 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 。
[助学巧记]
[自查自纠]
（1）DNA解旋后的每一条脱氧核苷酸链都可以作为DNA复制的模板。（ √ ）
（2）DNA双螺旋全部解开后，再开始进行DNA复制。（ ×）
（3）酵母菌的DNA中碱基A约占32％，DNA复制后A约占32％，DNA中（A＋G）/（T＋C）＝1。（ √ ）
（4）（2021·辽宁卷）DNA复制时，子链延伸时游离的脱氧核苷酸添加到3'端。（ √ ）
互动 探究
1.所有的真核细胞都存在核DNA复制吗？为什么？
提示：不一定，高度分化的细胞不再分裂，细胞内无DNA复制。
2.DNA复制的具体场所有哪些？
提示：DNA复制的主要场所是细胞核，还有线粒体、叶绿体及原核细胞的拟核等。
3.如图为真核细胞DNA复制过程的模式图，据图回答相关问题：
（1）据图可知DNA聚合酶使两条子链从5'端到3'端，还是从3'端到5'端进行合成？
（2）合成的两条子链间碱基排列顺序相同还是互补？
提示：（1）从5'端到3'端进行合成。
（2）互补。
重点 理解
1.有关DNA复制的理解
（1）DNA复制的场所：主要场所是细胞核，但在拟核、线粒体、叶绿体中也能进行DNA复制。
（2）能够进行DNA复制的生物：一切以DNA为遗传物质的生物。
（3）真核生物细胞核中DNA复制发生的时间：在体细胞中发生在有丝分裂前的间期；在性原细胞中发生在减数第一次分裂前的间期或有丝分裂前的间期。
（4）复制所需的酶是指一个酶系统，不仅仅是指解旋酶和DNA聚合酶，还包括DNA连接酶等。
①解旋酶的作用是破坏碱基间的氢键。
②DNA聚合酶的作用是连接游离的脱氧核苷酸。
③DNA连接酶的作用是连接DNA片段。
（5）两个子代DNA的位置及分开时间：复制产生的两个子代DNA分子位于一对姐妹染色单体上，由着丝粒连接在一起，在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期着丝粒分裂时分开，分别进入两个子细胞中。
（6）DNA分子的复制往往是从多个起点双向进行的，如下图：
2.DNA复制的有关计算
将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养，复制n次，则：
（1）子代DNA
共2n个
（2）脱氧核
苷酸链
共2n＋1条
解答此类问题时，应看准是“含”还是“只含”，是“DNA分子数”还是“脱氧核苷酸链数”。
（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，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸m×（2n－1）个；第n次复制，消耗该脱氧核苷酸数为m×2n－1。
随堂 练习
1.如图为真核细胞DNA复制过程的模式图，据图分析，下列相关叙述不正确的是（ D ）
A.由图示得知，DNA分子复制的方式是半保留复制
B.DNA解旋酶能使双链DNA解开，且需要消耗ATP
C.从图中可以看出合成两条子链的方向是相反的
D.DNA在复制过程中先全部解旋，后半保留复制
解析：DNA复制过程是边解旋边复制，并非是先全部解旋后再进行复制，所以D错误。
2.某个DNA片段由500对碱基组成，G＋C占碱基总数的34％，若该DNA片段连续复制3次，第三次复制时，需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸分子个数为（ B ）
A.1 155 B.1 320 C.2 310 D.2 640
解析：由于G＋C占总数的34％，所以A＋T占66％，A与T各占33％，整个DNA片段中含有500对碱基，该DNA片段中腺嘌呤脱氧核苷酸分子个数为33％×1 000＝330个，在第三次复制时需新合成8条DNA单链，相当于4个DNA分子，因此需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸分子个数为330×4＝1 320（个）。
[知识结构]
[主题要点]
1. DNA复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
2.DNA复制的过程可分为三步
（1）解旋：复制开始时，在细胞提供的能量的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开。
（2）合成子链：DNA聚合酶等以解开的每一条母链为模板，以细胞中游离的4种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一条子链。
（3）螺旋：每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
3.DNA复制的特点：边解旋边复制，半保留复制。
4.DNA复制需要的条件：模板、原料、能量、酶。
@课堂小测试
1.沃森和克里克在发表了DNA双螺旋结构的论文后，又提出了DNA自我复制的假说。下列有关该假说内容的叙述，不正确的是（ D ）
A.DNA复制时，双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂
B.以解开的两条单链为模板，以游离的脱氧核苷酸为原料，依据碱基互补配对原则，通过氢键结合到作为模板的单链上
C.形成的DNA分子包括一条模板单链和一条新链
D.形成的两个DNA分子是由两条母链、两条子链分别结合而成的
解析：沃森和克里克提出的DNA自我复制的假说为半保留复制，即形成的DNA分子包括一条母链和一条子链，D项错误。
2.把培养在含轻氮（14N）环境中的细菌，转移到含重氮（15N）环境中培养相当于复制一轮的时间，然后放回原环境中培养相当于连续复制两轮的时间后，分析表明细菌DNA组成为（ A ）
A.3/4轻氮型、1/4中间型
B.1/4轻氮型、3/4中间型
C.1/2中间型、1/2重氮型
D.1/2轻氮型、1/2中间型
解析：将含轻氮（14N）的细菌转移到含重氮（15N）环境中培养相当于复制一轮的时间，则得到的每个DNA分子都是一条链含14N、一条链含15N；再转回至含轻氮（14N）的环境中培养相当于连续复制两轮的时间后，由 1个DNA分子得到4个DNA分子，其中3个DNA分子只含14N，另外1个DNA分子一条链含14N、一条链含15N，即3/4轻氮型、1/4中间型，A项正确。
3.下列关于DNA复制过程的正确顺序是（ D ）
①互补碱基对之间氢键断裂 ②互补碱基对之间形成氢键 ③DNA分子在解旋酶的作用下解旋 ④以解旋后的母链为模板进行碱基互补配对 ⑤子链与母链盘绕成双螺旋结构
A.①③④②⑤ B.①④②⑤③ C.①③⑤④② D.③①④②⑤
4.（2024·浙江宁波宁海中学校联考期末）DNA在生物的遗传和变异中发挥着重要的作用，真核细胞内存在着游离于染色体基因组外的环状DNA（eccDNA）。某eccDNA分子中含有1 200个碱基对，其中一条链上C＋G所占的比例为60％。下列有关叙述错误的是（ C ）
A.DNA复制时，脱氧核苷酸在DNA聚合酶的作用下连接到脱氧核苷酸链的3'端
B.该eccDNA连续复制3次，会消耗3 360个腺嘌呤脱氧核苷酸
C.细胞缺水和营养不足将影响DNA的碱基组成
D.DNA的两条脱氧核苷酸链之间通过氢键连接
解析：DNA复制时，子链的延伸方向是5'端→3'端，在DNA聚合酶的作用下，脱氧核苷酸连接到脱氧核苷酸链的3'端，A正确；该eccDNA分子中含有1 200个碱基对，其中一条链上C＋G所占的比例为60％，由碱基互补配对原则可知，该eccDNA分子中C＋G所占的比例为60％，A＝T＝1 200×2×（1－60％）÷2＝480个，该eccDNA连续复制3次，会消耗（23－1）×480＝3 360个腺嘌呤脱氧核苷酸，B正确；细胞缺水和营养不足不会影响DNA的碱基组成，C错误；DNA的两条脱氧核苷酸链之间通过氢键连接，C与G之间存在3个氢键，A与T之间存在两个氢键，D正确。
5.如图为真核细胞DNA复制过程模式图，请根据图示过程回答问题：
（1）DNA解旋酶能使双链DNA解开，但需要细胞提供能量（ATP）。
（2）从图中可以看出合成的两条子链的方向是 相反 （填“相同”或“相反”）的。
（3）真核细胞中DNA复制发生的场所是 细胞核、线粒体和叶绿体 等；细胞分裂过程中，在复制完成后，乙、丙分开的时期为 有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期 。
（4）DNA分子通过复制，将 遗传信息 从亲代细胞传给子代细胞，从而保持了 遗传信息 的连续性。
解析：（1）解旋过程需要细胞提供能量（ATP）。（2）DNA的2条脱氧核苷酸链是反向平行的关系，那么以这两条链为模板合成的子链的方向也应该是相反的。（3）真核细胞内DNA复制发生的场所有细胞核、线粒体和叶绿体等；复制后的DNA分别存在于两条染色单体中，染色单体分开发生的时期是有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期。（4）DNA复制的意义是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。
微专题四 DNA复制与细胞分裂中的染色体标记问题
@微考点1 有丝分裂中染色体标记问题
1.研究一条染色体（母链标记，培养液不含标记同位素）：
（1）过程图解
转至不含标记培养液中再培养一个细胞周期：
（2）规律总结
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.研究1个含有1对同源染色体的细胞，用15N标记细胞核中的DNA，然后放在含14N的培养液中培养，让其连续进行2次有丝分裂，形成4个细胞。
如上图所示，最后形成的4个子细胞有三种情况：第一种情况是第一次分裂形成的2个子细胞都以第一种可能进行第二次分裂，即形成的2个细胞是，另外2个细胞是；第二种情况是第一次分裂形成的2个子细胞都以第二种可能进行第二次分裂，即形成的4个细胞都是；第三种情况是第一次分裂形成的2个子细胞分别以第一种可能和第二种可能进行第二次分裂，即形成的2个细胞是，1个细胞是，1个细胞是。
[典例1] 用32P标记了某玉米体细胞（正常体细胞含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，完成了两次细胞分裂。下列有关叙述错误的是（ B ）
A.在第一次细胞分裂的中期，一个细胞中的染色体总数和被32P标记的染色体数分别是20和20
B.在第二次细胞分裂的后期，一个细胞中的染色体总数和被32P标记的染色体数分别是40和40
C.在第一次分裂完成后，形成的两个子细胞中染色体上的DNA都是有一条链含32P，另一条链不含32P
D.在第二次分裂完成后，形成的四个子细胞中含32P的染色体数从0到20都有可能
解析：第二次分裂前的间期，DNA进行复制，形成的染色体中一个DNA的两条链均不含32P，另一个DNA中一条链含32P，另一条链不含32P。在第二次细胞分裂的后期，一个细胞中的染色体总数是40，被32P标记的染色体条数是20，B错误。
@微考点2 减数分裂中染色体的标记情况
用15N标记细胞的DNA分子，然后将其放到含14N的培养液中进行正常减数分裂，情况如图所示：
由图可以看出，在减数分裂过程中细胞连续分裂2次，DNA只复制一次，所以四个子细胞中所有的DNA分子都呈“杂合”状态，即15N/14N，子细胞的所有染色体都含15N。
综上分析可知，只要亲代细胞所有的DNA均被标记且只复制1次，产生的子代DNA分子全带标记，一次有丝分裂产生的2个子细胞和一次减数分裂产生的4个子细胞，均带标记。
[典例2] 假设某果蝇的一个精原细胞的全部染色体DNA分子均用15N标记，然后培养在含14N的培养基中，则该精原细胞经过减数分裂产生的4个精子中，含15N标记的精子数目为（ C ）
A.1 B.2 C.4 D.3
解析：根据DNA分子复制的过程可知，模板链是含15N的DNA链，原料是含14N的脱氧核苷酸，复制一次后，每个DNA分子都是一条链含有15N，另一条链含有14N，因此在减数分裂产生的4个精子中，每一个精子中的DNA组成都是一条链含15N，另一条链含14N，所以减数分裂产成的4个精子中所有的DNA均含有15N，C正确。
第4节 基因通常是有遗传效应的DNA片段
素养目标：1.科学思维：通过构建基因和DNA、染色体、脱氧核苷酸之间的关系，掌握分类、比较和归纳的科学方法。2.生命观念：通过实例归纳基因通常是有遗传效应的DNA片段，建立生命的物质观。3.社会责任：基于DNA的特异性，认同基因检测在刑侦领域中的作用。
@研习任务 说明基因与DNA关系的实例和DNA片段中的遗传信息
梳理 教材
1.说明基因与DNA关系的实例
2.遗传信息
遗传信息是指DNA分子中 4种碱基 的排列顺序。
3.DNA的多样性与特异性
（1）多样性：碱基 排列顺序 的千变万化，构成了DNA的多样性。若某个DNA分子有n个碱基对，则DNA分子可有 4n 种碱基对排列方式，从而构成了DNA分子的多样性。
（2）特异性：每一个特定的DNA分子都有特定的 碱基排列顺序 ，都储存着特定的遗传信息。
（3）意义：DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的 物质基础 。
4.基因
由于绝大多数生物的遗传物质都是 DNA ，只有极少数生物的遗传物质是 RNA ，因此，对于绝大多数生物，基因是具有 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，所以，基因通常是具有遗传效应的DNA片段。
[自查自纠]
（1）基因通常是DNA上有一定功能的特异性碱基排列顺序。（ √ ）
（2）（2020·全国Ⅲ卷）真核细胞中DNA分子的碱基总数与所有基因的碱基数之和不相等。（ √ ）
（3）基因具有多样性的原因是构成基因的碱基种类、数目和排列顺序不同。（ × ）
互动 探究
1.基因位于DNA上，DNA任意一个片段都是基因吗？为什么？
提示：不是。只有具有一定遗传效应的DNA片段才是基因。
2.DNA都位于染色体上吗？
提示：染色体是DNA的主要载体，但并不是所有DNA都在染色体上，如原核生物拟核中的DNA。
3.生物体内的DNA分子数目与基因的数目相同吗？说明了什么？
提示：生物体内的DNA分子数目小于基因数目，说明了一个DNA分子包含许多基因，基因是DNA中的部分片段。
4.生物体内所有基因的碱基总数与DNA分子的碱基总数相同吗？如果不同，说明了什么？
提示：生物体内所有基因的碱基总数小于DNA分子的碱基总数。这说明基因是DNA片段，基因不是连续分布在DNA上，而是由碱基序列将其分隔开的。
5.基因是碱基随机排列成的DNA片段吗？为什么？
提示：不是；基因的碱基排列顺序是特定的，具有特异性；如果碱基随机排列，不一定具有遗传效应，则构不成基因。
重点 理解
1.脱氧核苷酸、基因、DNA和染色体的关系图解
2.全方位理解“基因”
（1）本质上，基因通常是有遗传效应的DNA片段。
（2）结构上，基因是含有特定遗传信息的脱氧核苷酸序列。
（3）功能上，基因是遗传物质功能的基本单位。
（4）位置上，基因一般在染色体上呈线性排列。
3.基因的功能
（1）储存遗传信息：基因中脱氧核苷酸的排列顺序就代表着遗传信息。
（2）传递遗传信息：通过DNA复制把遗传信息传递给下一代。
（3）表达遗传信息：使遗传信息以一定的方式（转录和翻译）反映到蛋白质分子结构上，从而使后代表现出与亲代相似的性状。
随堂 练习
下列关于染色体、DNA、基因三者之间关系的叙述不正确的是（ B ）
A.都能复制、分离和传递，且三者行为一致
B.染色体的任一片段可称作基因
C.每条染色体上含有1个或2个DNA分子，DNA分子上含有多个基因
D.在生物的细胞核遗传中，染色体的行为决定着DNA的行为
解析：染色体主要由DNA和蛋白质组成，其中基因是有遗传效应的DNA片段，在细胞分裂增殖时，染色体复制，DNA复制，染色体分离，其上的DNA也分离，A正确；基因通常是有遗传效应的DNA片段，而不是染色体的任一片段，B错误；在DNA分子复制之前或着丝粒分裂之后，每条染色体含有1个DNA，而在DNA分子复制之后，着丝粒分裂之前，每条染色体含有2个DNA分子，1个DNA分子中有许多有遗传效应的片段（基因），C正确；在生物的细胞核遗传中，核DNA在染色体上，所以染色体的行为决定着DNA的行为，D正确。
[知识结构]
[主题要点]
1.基因中脱氧核苷酸的排列顺序代表遗传信息
（1）每条染色体上含有一个或两个（复制后）DNA分子，每个DNA分子上有许多个基因，每个基因通常都是特定的DNA片段，有着特定的遗传效应。
（2）遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中，而DNA片段并不都携带遗传信息。基因通常是有遗传效应的DNA片段。
2.脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性：碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA的多样性，而碱基特定的排列顺序，又构成了每个DNA分子的特异性。
3.DNA的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。
@课堂小测试
1.下列有关染色体、DNA、基因、脱氧核苷酸的说法，不正确的是（ B ）
A.基因与DNA是局部与整体的关系
B.基因是四种碱基的随机排列
C.一个基因含有许多个脱氧核苷酸，基因的特异性是由脱氧核苷酸特定的排列顺序决定的
D.基因能够存储遗传信息且可以准确复制
解析：基因通常是具有遗传效应的DNA片段，基因与DNA是局部与整体的关系，A正确；基因是含有特定遗传信息的特异序列，不是碱基对的随机排列，B错误；一个基因含多个脱氧核苷酸，其特异性是由脱氧核苷酸特定的排列顺序决定的，C正确；基因通常是具有遗传效应的DNA片段，遗传信息蕴含在DNA碱基对的排列顺序中，因此基因能够存储遗传信息且可以准确复制，D正确。
2.深圳某基因研究院在深圳第十届“高交会”上宣布：大熊猫“晶晶”的基因组框架图绘制完成。大熊猫有21对染色体，包含2万～3万个基因。下列叙述合理的是（ C ）
A.基因就是一个DNA片段
B.大熊猫的基因都位于染色体上
C.由1 000个碱基对组成的某基因只有一种碱基对排列顺序
D.大熊猫基因组计划测定的是21条染色体上DNA的碱基序列
解析：基因通常是具有遗传效应的DNA片段，任意一个DNA片段不一定是基因，A错误；大熊猫线粒体的DNA上也存在基因，B错误；一个基因只有一种碱基对排列顺序，C正确；大熊猫有20对常染色体加一对性染色体，基因组计划测定的是20条常染色体＋2条性染色体上DNA的碱基序列，D错误。
3.请据图回答下列问题。
（1）若图中A为糖类，则A是 脱氧核糖 ，C是 磷酸 ，G是 蛋白质 。
（2）B有4种，即\[A\] 腺嘌呤 、\[T\] 胸腺嘧啶 、\[G\] 鸟嘌呤 、\[C\] 胞嘧啶 ；F的基本组成单位是图中的 D （填字母）。
（3）E和F的关系是 E是有遗传效应的F片段 ；F和H的关系是 H是F的主要载体 。
（4）一个H和一个F有两种比例关系： 1∶1 和 1∶2 ，一个F中含有 许多 个E，一个E中含 成百上千 个D。
（5）E的主要载体是图中的 H ，除此之外， 叶绿体 和 线粒体 也是E由亲代传递给子代的载体。
（6）遗传信息是E中 D 的排列顺序。
（7）“种瓜得瓜，种豆得豆”的遗传主要是通过H上的 F 传递给后代，实际上是通过 D 的排列顺序来传递遗传信息的。
章末整合
@体系构建 思想建模
@研究考题 有的放矢
1.（2023·山东高考）将一个双链DNA分子的一端固定于载玻片上，置于含有荧光标记的脱氧核苷酸的体系中进行复制。甲、乙和丙分别为复制过程中3个时间点的图像，①和②表示新合成的单链，①的5'端指向解旋方向，丙为复制结束时的图像。该DNA复制过程中可观察到单链延伸暂停现象，但延伸进行时2条链延伸速率相等。已知复制过程中严格遵守碱基互补配对原则，下列说法错误的是（ D ）
A.据图分析，①和②延伸时均存在暂停现象
B.甲时①中A、T之和与②中A、T之和可能相等
C.丙时①中A、T之和与②中A、T之和一定相等
D.②延伸方向为5'端至3'端，其模板链3'端指向解旋方向
解析：据图分析，图甲时新合成的单链①比②短，图乙时①比②长，因此可以说明①和②延伸时均存在暂停现象，A正确；①和②两条链中碱基是互补的，图甲时新合成的单链①比②短，但②中多出的部分可能不含有A、T，因此①中A、T之和与②中A、T之和可能相等，B正确；①和②两条链中碱基是互补的，丙为复制结束时的图像，新合成的单链①与②等长，图丙时①中A、T之和与②中A、T之和一定相等，C正确；①和②两条单链由一个双链DNA分子复制而来，其中一条母链合成子链时①的5'端指向解旋方向，那么另一条母链合成子链时②延伸方向为5'端至3'端，其模板链5'端指向解旋方向，D错误。
2.（2023·北京高考节选）变胖过程中，胰岛B细胞会增加。增加的B细胞可能源于自身分裂（途径Ⅰ），也可能来自胰岛中干细胞的增殖、分化（途径Ⅱ）。科学家采用胸腺嘧啶类似物标记的方法，研究了L基因缺失导致肥胖的模型小鼠IK中新增B细胞的来源。
（1）EdU和BrdU都是胸腺嘧啶类似物，能很快进入细胞并掺入正在复制的DNA中，掺入DNA的EdU和BrdU均能与 A（腺嘌呤） 互补配对，并可以被分别检测。未掺入的EdU和BrdU短时间内即被降解。
（2）将处于细胞周期不同阶段的细胞混合培养于多孔培养板中，各孔同时加入EdU，随后每隔一定时间向一组培养孔加入BrdU，再培养十几分钟后收集该组孔内全部细胞，检测双标记细胞占EdU标记细胞的百分比（如图）。图中反映DNA复制所需时长的是从 Q 点到 R 点。
（3）各种细胞DNA复制所需时间基本相同，但途径Ⅰ的细胞周期时长（t1）是途径Ⅱ细胞周期时长（t2）的三倍以上。据此，科学家先用EdU饲喂小鼠IK，t2时间后换用BrdU饲喂，再过t2时间后检测B细胞被标记的情况。研究表明，变胖过程中增加的B细胞大多数来源于自身分裂，与之相应的检测结果应是 大多数B细胞没有被BrdU标记 。
解析：（1）分析题意可知，EdU和BrdU都是胸腺嘧啶（T）类似物，根据碱基互补配对原则可知，掺入DNA的EdU和BrdU均能与A（腺嘌呤）互补配对，并可以被分别检测。
（2）DNA分子复制时会发生模板链与子链的碱基互补配对，据题可知，将处于细胞周期不同阶段的细胞混合培养于多孔培养板中，各孔同时加入EdU，则EdU会与A结合，导致子链出现放射性，随后每隔一定时间向一组培养孔加入BrdU，则BrdU也会与A结合，使放射性增强，最终实现双标记，随复制完成达到峰值，故结合题图可知，图中反映DNA复制所需时长的是从Q点到R点。
（3）据题可知，变胖过程中增加的B细胞可能源于自身分裂（途径Ⅰ），也可能来自胰岛中干细胞的增殖、分化（途径Ⅱ），由于途径Ⅰ的细胞周期时长（t1）是途径Ⅱ细胞周期时长（t2）的三倍以上，若先用EdU饲喂小鼠IK，t2时间已经经过一个细胞周期，所有的细胞应都含有EdU标记，实验假设是变胖过程中增加的B细胞大多数来源于自身分裂，即来源于途径Ⅱ，该过程已经复制的B细胞直接分裂，不会再有DNA复制过程，故t2时间后用BrdU饲喂则不起作用，即大多数B细胞没有被BrdU标记。
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第3章 基因的本质
章末整合
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体系构建 思想建模
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研究考题 有的放矢
A. 据图分析，①和②延伸时均存在暂停现象
B. 甲时①中A、T之和与②中A、T之和可能相等
C. 丙时①中A、T之和与②中A、T之和一定相等
D. ②延伸方向为5'端至3'端，其模板链3'端指向解旋方向
D
解析：据图分析，图甲时新合成的单链①比②短，图乙时①比②长，因此可以说明① 和②延伸时均存在暂停现象，A正确；①和②两条链中碱基是互补的，图甲时新合成 的单链①比②短，但②中多出的部分可能不含有A、T，因此①中A、T之和与②中 A、T之和可能相等，B正确；①和②两条链中碱基是互补的，丙为复制结束时的图 像，新合成的单链①与②等长，图丙时①中A、T之和与②中A、T之和一定相等，C 正确；①和②两条单链由一个双链DNA分子复制而来，其中一条母链合成子链时① 的5'端指向解旋方向，那么另一条母链合成子链时②延伸方向为5'端至3'端，其模板链 5'端指向解旋方向，D错误。
2. （2023·北京高考节选）变胖过程中，胰岛B细胞会增加。增加的B细胞可能源于自 身分裂（途径Ⅰ），也可能来自胰岛中干细胞的增殖、分化（途径Ⅱ）。科学家采用胸 腺嘧啶类似物标记的方法，研究了L基因缺失导致肥胖的模型小鼠IK中新增B细胞的 来源。
（1）EdU和BrdU都是胸腺嘧啶类似物，能很快进入细胞并掺入正在复制的DNA中， 掺入DNA的EdU和BrdU均能与 互补配对，并可以被分别检测。未掺 入的EdU和BrdU短时间内即被降解。
解析：（1）分析题意可知，EdU和BrdU都是胸腺嘧啶（T）类似物，根据碱基互补 配对原则可知，掺入DNA的EdU和BrdU均能与A（腺嘌呤）互补配对，并可以被分别 检测。
A（腺嘌呤）
（2）将处于细胞周期不同阶段的细胞混合培养于多孔培养板中，各孔同时加入 EdU，随后每隔一定时间向一组培养孔加入BrdU，再培养十几分钟后收集该组孔内全 部细胞，检测双标记细胞占EdU标记细胞的百分比（如图）。图中反映DNA复制所需 时长的是从 点到 点。
Q
R
解析：（2）DNA分子复制时会发生模板链与子链的碱基互补配对，据题可知，将处 于细胞周期不同阶段的细胞混合培养于多孔培养板中，各孔同时加入EdU，则EdU会 与A结合，导致子链出现放射性，随后每隔一定时间向一组培养孔加入BrdU，则 BrdU也会与A结合，使放射性增强，最终实现双标记，随复制完成达到峰值，故结合 题图可知，图中反映DNA复制所需时长的是从Q点到R点。
（3）各种细胞DNA复制所需时间基本相同，但途径Ⅰ的细胞周期时长（t1）是途径Ⅱ 细胞周期时长（t2）的三倍以上。据此，科学家先用EdU饲喂小鼠IK，t2时间后换用 BrdU饲喂，再过t2时间后检测B细胞被标记的情况。研究表明，变胖过程中增加的B 细胞大多数来源于自身分裂，与之相应的检测结果应是 。
大多数B细胞没有被BrdU标记
解析：（3）据题可知，变胖过程中增加的B细胞可能源于自身分裂（途径Ⅰ）， 也可能来自胰岛中干细胞的增殖、分化（途径Ⅱ），由于途径Ⅰ的细胞周期时长 （t1）是途径Ⅱ细胞周期时长（t2）的三倍以上，若先用EdU饲喂小鼠IK，t2时间 已经经过一个细胞周期，所有的细胞应都含有EdU标记，实验假设是变胖过程中 增加的B细胞大多数来源于自身分裂，即来源于途径Ⅱ，该过程已经复制的B细 胞直接分裂，不会再有DNA复制过程，故t2时间后用BrdU饲喂则不起作用，即 大多数B细胞没有被BrdU标记。
