【高考突破方案】必修二 专题6 第2讲　DNA的结构 复制和基因的本质 -讲义（教师版） 高考生物一轮复习

第2讲　DNA的结构、复制和基因的本质
　　1.概述DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码了遗传信息 2.概述DNA分子通过半保留方式进行复制 生命观念 1.依据DNA分子的结构及特点，说明DNA具有储存遗传信息的功能，理解DNA和基因的关系，从分子水平上理解生命的本质 2.理解DNA分子的复制过程，认同生命是可延续和发展的
科学思维 1.搜集DNA分子结构模型建立过程的资料并进行讨论和交流 2.基于DNA分子复制特点的相关实验证据，进行观察、提问、实验设计和评价讨论
科学探究 开展DNA分子半保留复制方式的探究活动，培养实验设计与结果分析能力
一、DNA的结构
1.DNA双螺旋结构模型构建者
DNA双螺旋结构模型构建者：__沃森和克里克__。
2.DNA的双螺旋结构和特点
(1)DNA的基本组成单位——__脱氧核糖核苷酸(简称脱氧核苷酸)__。
①结构模式图
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种类：腺嘌呤脱氧核苷酸、__鸟嘌呤脱氧核苷酸、胸腺嘧啶脱氧核苷酸__和胞嘧啶脱氧核苷酸，共4种。
(2)DNA双螺旋结构的主要特点
①DNA是由两条单链组成的，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。这两条链按__反向平行__方式盘旋成双螺旋结构。
②DNA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。
3.DNA分子的结构特性
(1)__多样__性：具有n个碱基对的DNA具有__4n__种碱基对排列顺序。
(2)__特异__性：每种DNA分子都有其特定的__碱基排列顺序__。
(3)__稳定__性：两条主链中__磷酸与脱氧核糖__交替连接的顺序不变，碱基配对方式不变。
【易错易混自纠】
(1)DNA分子中两个互补碱基之和是DNA分子总碱基数的一半。( × )
提示：DNA分子中任意两个不互补的碱基之和是DNA分子总碱基数的一半。
(2)DNA分子中的每个磷酸均连接着两个脱氧核糖和一个碱基。( × )
提示：DNA分子每条单链均有一个游离的磷酸基团只连接一个脱氧核糖，其余的磷酸都连接两个脱氧核糖。
(3)维持DNA结构稳定的键主要是磷酸二酯键和氢键。( √ )
(4)某个DNA分子中的嘌呤数等于嘧啶数，则该DNA分子一定为双链。( × )
提示：单链DNA分子中嘌呤数和嘧啶数也可能相等。
(5)每个DNA分子上的碱基排列顺序是一定的，其中蕴含了遗传信息，从而保持了物种的遗传特性。( √ )
二、DNA的复制
1.对DNA复制的推测
(1)沃森和克里克的半保留复制假说
由于新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，因此这种复制方式称作__半保留复制__。
(2)遗传物质自我复制的其他假说
全保留复制：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
(1)实验方法：__同位素标记技术和离心技术__。
(2)实验原理：__含15N的双链DNA密度大，含14N的双链DNA密度小，一条链含14N、一条链含15N的双链DNA密度居中__。
(3)实验假设：__DNA以半保留的方式复制__。
(4)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。
(5)实验过程
(6)过程分析
①培养后立即取出：提取DNA→离心→结果：__全部重带__。
②细胞分裂一次(即细菌繁殖一代)取出：提取DNA→离心→结果：__全部中带__。
③细胞再分裂一次(即细菌繁殖两代)取出：提取DNA→离心→结果：__1/2轻带、1/2中带__。
(7)实验结论：__DNA的复制是以半保留的方式进行的__。
(8)假设DNA以全保留的方式复制，则实验预期结果应为：__第一代离心结果为1/2的14N/14N－DNA(轻带)和1/2的15N/15N－DNA(重带)，第二代离心结果为1/4的15N_/15N－DNA(重带)和3/4的14N/14N－DNA(轻带)__。
3.DNA复制的过程
(1)概念：以__亲代DNA__为模板合成__子代DNA__的过程。
(2)时间：在真核生物中，这一过程是在__细胞分裂前的间__期，随着染色体的复制而完成的。
(3)场所：真核生物主要在细胞核，还在__线粒体__和__叶绿体__；原核生物在__拟核__和细胞质。
(4)过程
(5)结果：一个DNA分子形成了两个__完全相同__的DNA分子。
(6)特点：①半保留复制；②边解旋边复制。
(7)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。
【易错易混自纠】
(1)真核细胞中，DNA的复制和染色体的复制是同时进行的。( √ )
(2)DNA分子复制时解旋酶与DNA聚合酶不能同时发挥作用。( × )
提示：DNA复制的特点是边解旋边复制，所以解旋酶和DNA聚合酶能同时发挥作用。
(3)DNA复制时，严格遵循A—T、C—G的碱基互补配对原则，并且新合成的DNA分子中两条链均是新合成的。( × )
提示：DNA复制方式为半保留复制，因此子代DNA分子中有一条链是母链，有一条链是新合成的。
(4)1个DNA分子复制n次后所产生的DNA分子中只有两个子DNA含第一代DNA的母链。( √ )
(5)DNA分子复制的原料是A、G、C、T。( × )
提示：DNA分子复制的原料是分别含有A、G、C、T的四种脱氧核苷酸。
三、基因与DNA的关系
【易错易混自纠】
(1)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。( × )
提示：遗传信息主要是指DNA分子中碱基的排列顺序，相对分子质量大小相同、碱基含量相同的核酸分子中的碱基排列顺序也可能不同。
(2)复制的单位是基因，复制过程需要解旋，但不需要解旋酶。( × )
提示：复制是以DNA分子的两条链为模板的，转录的单位才是基因。复制过程需要解旋酶。
(3)基因通常是有遗传效应的DNA片段。某些病毒的基因是有遗传效应的RNA片段。( √ )
1.(必修2 P51探究·实践)DNA只有4种脱氧核苷酸，却能够储存足够量的遗传信息，原因是__DNA虽然只含有4种脱氧核苷酸，但是成千上万的脱氧核苷酸的排列顺序却是千变万化、千差万别，这样就使DNA可以储存大量的遗传信息__。
2.(必修2 P52拓展应用)碱基互补配对原则对遗传信息的传递的意义是__根据碱基互补配对原则，DNA两条链的碱基之间有准确的一一对应关系，保证了遗传信息传递的准确性__。
3.(必修2 P56拓展应用)DNA复制时可能产生错误，这些错误可能产生什么影响？
__当DNA复制发生错误出现基因突变时，结合基因跟性状的关系，有可能不会对生物体性状造成任何改变，则这样的突变对生物体没有影响；当突变改变了生物体的性状，因为原有性状是经过长期自然选择的结果，是能适应环境的，所以改变后的性状大多对生物体而言是不利的。另外，新性状能为自然选择提供原材料，所以DNA复制出错对于整个物种的进化也有积极意义__。
教材拾遗
1.(必修2 p50)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。
2.(必修2 p52)应用DNA指纹技术时，首先需要用合适的__酶__将待检测的样品DNA切成片段，然后用__电泳__的方法将这些片段按大小分开，再经过一系列步骤，最后形成DNA指纹图。
3.(必修2 p59)有些病毒的遗传物质是 RNA，如人类免疫缺陷病毒(艾滋病病毒)、__流感__病毒等。对这类病毒而言，基因就是有遗传效应的__RNA片段__。
考点1　DNA分子的结构特点
及碱基数量计算规律
1.DNA分子的结构特点
2.DNA分子中碱基数量的计算规律
(1)在DNA双链中，嘌呤碱基总数与嘧啶碱基总数相等，即A＋G＝T＋C。
(2)“互补碱基之和”的比例在任意一条链及整个DNA分子中都相等，即若在一条链中(A＋T)/(G＋C)＝n，则在互补链及整个DNA分子中(A＋T)/(G＋C)＝n。(注：不同DNA分子中n的值可能不同，显示特异性。)
(3)非互补碱基之和的比值在两条互补链中互为倒数，在整个DNA分子中为1，即若在DNA一条链中(A＋G)/(T＋C)＝m，则在其互补链中(A＋G)/(T＋C)＝1/m，而在整个DNA分子中(A＋G)/(T＋C)＝1。(注：不同双链DNA分子中非互补碱基之和的比值均为1，无特异性。)
(4)某种碱基在双链中所占的比例等于它在每一条单链中所占比例和的一半。
结合DNA分子的结构及特点，考查结构与功能观
1.(2024·河南期末)短串联重复序列(STR)是DNA序列中核心序列为2～6个碱基的短串联重复结构。20世纪90年代初，STR基因座首次作为一种重要的遗传标记在人类亲子鉴定中被使用，不同人体内STR序列中A—T碱基对所占的比例各不相同，但均大于同一DNA分子中C—G碱基对所占的比例。下列相关叙述错误的是(　　)
A.DNA分子彻底水解，得到6种小分子物质
B.相对于其他同长度的DNA序列，STR片段结构稳定性更强
C.不同个体短串联重复次数可能不同，是人群中STR多样性的原因之一
D.STR中碱基排列顺序简单，一般不包含遗传信息
【解析】B　 A—T碱基对含有2个氢键，C—G碱基对含有3个氢键，STR的A—T碱基对所占的比例较多，相对于其他同长度DNA，STR的稳定性可能较差，B错误。
借助DNA碱基相关计算，考查科学思维
2.(2024·沈阳月考)对DNA分子的碱基进行数量分析，可以通过检测其中某种碱基的数目及其比例来推断其他碱基数目及其比例。假如检测某DNA分子得知碱基A的数目为x，其所占比例为y，以下推断正确的是(　　)
A.碱基总数量为x/y
B.碱基C的数目为x(0.5y－1)
C.嘌呤数与嘧啶数之比为x/(1－y)
D.碱基G的比例为(1－y)/2
【解析】A　根据题意知，A＝x，则T＝x，它们所占比例均为y，则碱基总数量为x/y，C＋G＝x/y－A－T＝x/y－2x，则C＝G＝x(1/2y－1)；嘌呤数与嘧啶数之比为1；碱基G的比例为(1－2y)/2。综上，A正确。
考点2　有关DNA半保留复制的计算方法
(1)1个DNA分子连续复制n代，共产生2n个子代DNA分子，子代DNA分子中共有单链2n+1条；其中，母链2条，新链(2n+1－2)条。无论复制多少次，含15N的DNA分子始终是2个；含14N的DNA分子有2n个，只含14N的DNA分子有(2n－2)个。无论复制多少次，含15N的链始终是2条；含14N的链是(2n+1－2)条。
(2)若一个亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，则：①经过连续n次复制，需消耗游离的该脱氧核苷酸数目为m·(2n－1)个。②第n次复制时，需消耗游离的该脱氧核苷酸数目为m·2n-1个。
围绕DNA复制过程与特点，考查科学思维和科学探究
1.(2024·吉林模拟)DNA复制时两条子链的合成方式存在一定差异，其中一条新链可以连续合成，这条链称为前导链，而另一条不能连续合成的新链称为滞后链，具体过程如下图所示。下列相关叙述错误的是(　　)
A.前导链和由冈崎片段连接形成的滞后链的合成方向都为5′→3′
B.前导链连续复制时需要的酶①为解旋酶、酶②为DNA聚合酶
C.引物酶、DNA聚合酶和DNA连接酶均催化磷酸二酯键形成
D.两个新合成的子链碱基序列相同
【答案】D
　　 明确DNA复制、“剪接”与“水解”中的四种酶
(1)DNA聚合酶：需借助母链模板，依据碱基互补配对原则，将单个脱氧核苷酸连接到已有链的3′端上。
(2)DNA连接酶：催化相邻DNA片段间磷酸二酯键的形成，即连接“片段”。
(3)限制性内切酶：用于切断DNA双链中的磷酸二酯键。
(4)DNA水解酶：用于将DNA分子水解为脱氧核苷酸。
2.科学家曾提出DNA复制方式的三种假说：全保留复制、半保留复制和分散复制(图1)。对此假说，科学家以大肠杆菌为实验材料，进行了如下实验(图2)。下列有关叙述正确的是(　　)
A.第一代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带，说明DNA复制方式一定是半保留复制
B.第二代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带和1条轻带，说明DNA复制方式一定是全保留复制
C.结合第一代和第二代细菌DNA的离心结果，说明DNA复制方式一定是分散复制
D.若DNA复制方式是半保留复制，继续培养至第三代，细菌DNA离心后试管中会出现1条中带和1条轻带
【解析】D　第一代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带，则可以排除全保留复制，但不能确定是半保留复制或分散复制，继续做第二代DNA密度鉴定，若第二代可以分出一条中带和一条轻带，则可以排除分散复制，同时肯定是半保留复制。
围绕DNA分子复制的相关计算，考查科学思维
3.7－乙基鸟嘌呤不与胞嘧啶(C)配对而与胸腺嘧啶(T)配对。某DNA分子中腺嘌呤(A)占碱基总数的30%，其中的鸟嘌呤(G)全部被7－乙基化，该DNA分子正常复制产生两个DNA分子，其中一个DNA分子中胸腺嘧啶(T)占碱基总数的45%，另一个DNA分子中胸腺嘧啶(T)所占比例为(　　)
A.10%　　　　　　　B.20%
C.35% D.45%
【解析】C　该DNA分子中A＝T＝30%，G＝C＝20%，若鸟嘌呤(G)全部被7－乙基化，则G不与C配对而是与胸腺嘧啶T配对，一个DNA分子中胸腺嘧啶(T)占碱基总数的45%，因此与乙基化G配对的T的比例是45%－30%＝15%，则另一个DNA分子中胸腺嘧啶(T)所占比例为30%＋20%－15%＝35%。
有关DNA复制的几点“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.含有100个碱基对的—个DNA分子片段，其中一条链的A＋T占40%，它的互补链中G与T分别占22%和18%，如果连续复制2 次，则需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数量为(　　)
A.240个 B.180个
C.114个 D.90个
【解析】B　分析题意可知：该DNA片段含有100个碱基对，即每条链含有100个碱基，其中一条链(设为1链)的A＋T占40%，即A1＋T1＝40(个)，则C1＋G1＝60个；互补链(设为2链)中G与T分别占22%和18%，即G2＝22，T2＝18，可知C1＝22，则G1＝60－22＝38＝C2，故该DNA片段中C＝22＋38＝60。已知DNA复制了2次，则DNA的个数为22＝4，4个DNA中共有胞嘧啶脱氧核苷酸的数量为4×60＝240，原DNA片段中有60个胞嘧啶脱氧核苷酸，则需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数量为240－60＝180，B正确。
1.(2024·北京卷)科学家证明“尼安德特人”是现代人的近亲，依据的是DNA的(　　)
A.元素组成　　　　B.核苷酸种类
C.碱基序列 D.空间结构
【答案】C
2.(2024·河北卷)某病毒具有蛋白质外壳，其遗传物质的碱基含量如表所示，下列叙述正确的是(　　)
碱基种类 A C G T U
含量/% 31.2 20.8 28.0 0 20.0
A.该病毒复制合成的互补链中G＋C含量为51.2%
B.病毒的遗传物质可能会引起宿主DNA变异
C.病毒增殖需要的蛋白质在自身核糖体上合成
D.病毒基因的遗传符合分离定律
【解析】B　由表可知，该病毒为RNA病毒，根据碱基互补配对原则可知，该病毒复制合成的互补链中G＋C含量与原RNA含量一致，为48.8%，A错误。
3.(2024·浙江6月选考)下列关于双链DNA分子结构的叙述，正确的是(　　)
A.磷酸与脱氧核糖交替连接构成了DNA的基本骨架
B.双链DNA中T占比越高，DNA热变性温度越高
C.两条链之间的氢键形成由DNA聚合酶催化
D.若一条链的G＋C占47%，则另一条链的A＋T也占47%
【解析】A　双链DNA中G/C碱基对占比越高，DNA热变性温度越高，B错误；DNA聚合酶催化形成的是磷酸二酯键，C错误；互补的碱基在单链上所占的比例相等，若一条链的G＋C占47%，则另一条链的G＋C也占47%，A＋T占1－47%＝53%，D错误。
4.(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
【答案】C
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______________。
【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)
(2024·湖北月考)象鼻虫(2N＝22)主要危害花木果树，是经济作物上的大害虫。在恶劣条件下，象鼻虫通过孤雌生殖，产生大量后代。科学家针对其孤雌生殖机制提出了3种假说(不考虑基因突变)。
假说一：无融合生殖。卵原细胞未发生DNA 复制，直接采取单极成熟分裂，细胞质一分为二，染色体全进入一个细胞中，该细胞直接发育为个体。
假说二：产雄孤雌生殖。卵原细胞进行减数分裂产生单倍性的卵，未受精的卵发育成雄虫，与精子结合形成的受精卵发育成雌虫。
假说三：自融合生殖。卵原细胞能够进行减数分裂产单倍性的卵，但单倍性的卵不依靠精子来恢复成二倍体。对卵子二倍性的恢复有两种猜测：(A)卵子自体基因组通过复制来实现；(B)卵巢内某个极体发挥精子的作用与卵子融合。
科学家将象鼻虫置于恶劣条件下培养，并进行实验。
(1)利用流式细胞仪(根据细胞中核DNA 数的相对含量对细胞进行分选并计数)，检测孤雌生殖子代雄虫组织细胞的核DNA 含量，结果如图甲。由此可以排除假说____________，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(2)取昆虫多个卵原细胞分为两组，分别放置于无荧光标记培养基、脱氧核苷酸被蓝色荧光标记的培养液中培养出卵细胞。用荧光显微镜观察蓝光激发光下的细胞，有了新的发现(结果如图乙)。根据结果可排除假说__________，理由是_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(3)某雌性象鼻虫体细胞核基因中存在一对等位基因A/a，利用PCR 技术分别扩增亲本与子代的A/a基因，电泳结果如图丙所示，子代的基因型为____________，根据该子代基因型结果，不能判断出假说三孤雌自融合生殖的具体模式，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
【答案】(1)二　未受精的卵发育出的雄虫体细胞DNA 相对含量为11，经DNA复制后核DNA相对含量最多为22　(2)一　图乙中卵细胞含有蓝色荧光，说明卵原细胞分裂出卵细胞过程进行DNA复制，假说一生殖细胞不进行DNA 复制　(3)AA或aa　两种假说都可能出现AA或aa的后代
【解析】(1)假说一、假说三孤雌生殖后代体细胞核DNA数目与亲本相同，都为22，经DNA复制后DNA含量最多可以达到44，符合图甲。只有假说二未受精的卵发育出的雄虫核DNA为11，经DNA 复制后DNA最多为22, 不符合图甲。(2)用荧光显微镜观察发现图乙中卵细胞含有蓝色荧光，说明卵原细胞分裂出卵细胞过程进行DNA复制，假说一生殖细胞不进行DNA 复制，由此可以排除假说一。(3)电泳结果图中亲本为杂合子，两个条带分别代表A与a基因，但无法确定具体为哪条。子代有一个条带，说明是纯合子，基因型为AA或aa。亲本卵细胞类型有A、a，极体类型有A、a。假说三(A)(B)均可能产生基因型为AA和aa的子代，即两种假说都可能出现AA或aa的后代。