第第6 6讲讲 DNADNA分子的结构、复制及基因分子的结构、复制及基因是有遗传效应的是有遗传效应的DNADNA片段片段（有关DNA复制方式的实验探究） 一、 DNA分子结构 1. DNA分子结构模式图信息解读 (1)每个DNA片段中，游离的磷酸基团有2个。 (2) 之间的数量关系111。 (3)和之间的化学键为磷酸二酯键，用限制性核酸内切酶处理可切断，用DNA连接酶处理可连接。 (4)碱基对之间的化学键为氢键，可用解旋酶断裂，也可加热断裂。 (5)除链端外每个脱氧核糖连接着2个磷酸，分别在3号、5号碳原子上相连接。 (6)若碱基对为n，则氢键数为2n3n之间。 2DNA分子特性 (1)稳定性：磷酸和脱氧核糖交替连接，排列在外侧构成基本骨架。 (2)多样性：碱基对多种多样的排列次序。 【友情提醒】若某DNA分子中有n个碱基对，则排列顺序有4n种，其中n代表碱基对数。 (3)特异性：每种DNA分子都有特定的碱基对排列顺序，代表了特定的遗传信息。 【例1】有关DNA分子结构的叙述，正确的是()ADNA分子由4种核糖核苷酸组成BDNA单链上相邻碱基以氢键连接C碱基与磷酸基相连接D磷酸与脱氧核糖交替连接构成DNA链的基本骨架【解析】DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。DNA双链上相对应的碱基以氢键连接，单链上相邻碱基之间通过脱氧核糖磷酸脱氧核糖相连，脱氧核糖和磷酸交替排列在外侧，构成DNA链的基本骨架。碱基排列在内侧，与脱氧核糖直接相连。D 二、DNA中碱基数量的计算 解题时先画出简图，根据碱基互补配对原则推知规律 规律一：DNA双链中的AT，GC，两条互补链的碱基总数相等，任意两个不互补的碱基之和恒等，占碱基总数的50%，即：AGTCACTG。 【例2】从某生物组织提取DNA进行分析，其四种碱基数的比例为鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基数的46%，又知该DNA的一条链(H链)所含的碱基中28%是腺嘌呤，问与H链相对应的另一条链中腺嘌呤占该链全部碱基数的() A26% B24% C14% D11% 【解析】过分析题干条件可知，GC占DNA中全部碱基数的46%，这一比例关系在一条链上也是存在的。因此H链中GCA46%28%74%，T占26%，该比例与另一条链中腺嘌呤的比例相等。 A 三、DNA复制的研究方法、过程和条件 1研究DNA复制的常用方法 同位素标记法和离心法，常标记3H、15N、32P，通过离心在试管中形成不同位置。 2DNA复制的过程 (1)解旋：利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下，两条螺旋的双链解开。 (2)合成子链：以DNA分子的两条母链为模板，在DNA聚合酶的作用下，利用细胞中游离的4种脱氧核苷酸为原料，按碱基互补配对原则合成互补的子链。 (3)形成子代DNA：每条新链(子链)与其对应的模板链(母链)盘绕成双螺旋结构。 【友情提醒】子代DNA分子中模板链与另一DNA分子中新合成的子链碱基序列完全相同。 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，引起基因突变。 【例3】 蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸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B 【解析】由于DNA分子的复制方式为半保留复制，在有放射性标记的培养基中完成一个细胞周期后，每个DNA分子中有一条链含放射性。继续在无放射性的培养基中培养时，由于DNA的半保留复制，所以子代DNA分子一半含放射性，一半不含放射性。每条染色单体含一个DNA分子，所以一半的染色单体含放射性。 3关于DNA复制的相关计算归纳如下： (1)DNA分子复制前后某种碱基数量的计算： 若某DNA分子含某碱基x个，则该DNA分子进行n次复制，需提供含该碱基的脱氧核苷酸分子数互补的碱基的脱氧核苷酸分子数：x(2n1)个；第n次复制时需提供含该碱基的脱氧核苷酸分子数x2n1个。 (2)一个DNA分子连续复制n次后，DNA分子总数为2n。含原DNA母链的有2个，占1/2n1。 【例4】某DNA分子中胸腺嘧啶的数量为m，占该DNA分子总碱基数的比例为q，若此DNA分子连续复制n次，需游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸数为() A(2n1)m Bm(1/2q1) C(2n1)m/2nq D(2n1)m(12q)/2q D【解析】某DNA分子中胸腺嘧啶的数量为m，占该DNA分子总碱基数的比例为q，可得出鸟嘌呤脱氧核苷酸数目(m/q2m)/2；因此，此DNA分子连续复制n次，需游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸数为(2n1)m(12q)/2q。1遗传信息、基因、DNA、染色体的关系(1)特定的基因有特定的遗传信息(即特定的碱基排列顺序)。(2)基因是有遗传效应的DNA片段。(3)1个DNA分子上有许多个基因。(4)基因的主要载体是染色体，少量的DNA分布在线粒体、叶绿体等结构中。2染色体的行为变化决定基因的行为变化(1)在减数第一次分裂后期，同源染色体分离，其上的等位基因分离。(2)在减数第一次分裂后期，非同源染色体自由组合，其上的非等位基因自由组合。(3)在减数第一次分裂前期，同源染色体的非姐妹染色单体发生交叉互换，其上的等位基因交叉互换。3已知DNA分子中某碱基数，求复制n次与第n次复制所需某碱基的数目：某DNA分子中含某碱基a个，复制n次，则共需加入含该碱基的脱氧核苷酸为a(2n1)个；但第n次复制时所需的含该碱基的脱氧核苷酸为a(2n1) a(2n11) a2n1。 一、理论归纳关于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。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：(见图)(1)大肠杆菌在含15N标记的NH4Cl培养基中繁殖几代，使DNA双链充分标记15N。(2)将含15N的大肠杆菌转移到14N标记的普通培养基中培养。(3)在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA(间隔的时间为大肠杆菌繁殖一代所需时间)。(4)将提取的DNA进行离心，记录离心后试管中DNA位置。5实验预期：离心后应出现3条DNA带。(见图)(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。(见图)(1)立即取出提取DNA离心全部重带(15N/15N)。(2)繁殖一代后取出提取DNA离心全部中带(14N/15N)。(3)繁殖两代后取出提取DNA离心1/2轻带、1/2中带。实验结论：DNA的复制是以半保留方式进行的。二、演练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。续表请分析并回答：(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 组结果对得到的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：若子代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。多15NH4Cl312半保留复制B半保留若将子代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。若在同等条件下将子代继续培养，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。若某次实验的结果中，子代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的DNA单链中的N尚有少部分为 。不能没有变化轻15N【解析】本题考查DNA的半保留复制及学生推理能力。若在同等条件下将子代继续培养，子n代DNA的情况是有2个15N/14N DNA，其余全都是14N/14N DNA，所以子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置没有变化，放射性强度发生变化的是轻带。1.(2012山东卷)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3105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149D该DNA发生突变，其控制的性状即发生改变C【解析】本题考查噬菌体侵染细菌的实验、DNA的结构、复制及其与生物性状的关系。由5000个碱基对组成的双链DNA中，腺嘌呤占全部碱基的20%，则鸟嘌呤G占30%，即1个这样的DNA中，AT2000个，GC3000个，则100个子代噬菌体的DNA中共含有鸟嘌呤3105个。由1个噬菌体增殖到100个噬菌体的过程中，需要鸟嘌呤脱氧核苷酸的数目为31053000个，故选项A错误。噬菌体侵染细菌并增殖过程中，DNA复制、转录所需的模板为噬菌体DNA，转录和翻译所需要的核糖核苷酸、核糖体、氨基酸以及酶等皆来自宿主细胞(细菌)，故选项B错误。【解析】DNA进行半保留复制，1个双链都含32P的DNA复制后，子代中含有32P的DNA(一条链含32P，一条链含31P的DNA)共有2个，只含有31P的DNA共有98个，二者的比例为298即149，故选项C正确。由于DNA上有非基因序列，基因中有非编码序列以及密码子具有简并性等原因，DNA发生突变并不意味着性状一定会发生改变，选项D错误。2.(2012福建卷)双脱氧核苷酸常用于DNA测序，其结构与脱氧核苷酸相似，能参与DNA的合成，且遵循碱基互补配对原则。DNA合成时，在DNA聚合酶作用下，若连接上的是双脱氧核苷酸，子链延伸终止；若连接上的是脱氧核苷酸，子链延伸继续。在人工合成体系中，有适量的序列为GTACATACATG的单链模板、胸腺嘧啶双脱氧核苷酸和4种脱氧核苷酸。则以该链为模板合成出的不同长度的子链最多有( ) A2种 B3种 C4种 D5种D【解析】根据题意，胸腺嘧啶双脱氧核苷酸也可和单链模板上的腺嘌呤脱氧核苷酸进行配对。在该模板上共有4个腺嘌呤脱氧核苷酸，这样，可能有0、1、2、3、4个的胸腺嘧啶双脱氧核苷酸与模板上的腺嘌呤脱氧核苷酸进行配对，所以总共有5种不同长度的子链。3.(2011海南)关于核酸生物合成的叙述，错误的是( )ADNA的复制需要消耗能量BRNA分子可作为DNA合成的模板C真核生物的大部分核酸在细胞核中合成D真核细胞染色体DNA的复制发生在有丝分裂前期D4. 下列关于DNA分子的说法，正确的是( )A脱氧核苷酸的排列，构成了DNA分子的基本骨架BDNA分子的特异性表现在四种脱氧核苷酸的比例C若DNA分子中A有P个，占全部碱基的n/m，则G的个数为P(m/2n1)个D把DNA分子放在含15N的培养液中复制两代，子代中含15N的DNA分子占3/4C【解析】脱氧核苷酸的排列顺序代表的是遗传信息，而DNA分子的基本骨架是由磷酸和脱氧核糖交替连结形成的。DNA分子的特异性表现在不同生物有特定的脱氧核苷酸的排列顺序。把DNA分子放在含15N的培养液中复制两代，子代中含15N的DNA分子占100%。5.DNA分子经过诱变，某位点上的一个正常碱基(设为P)变成了尿嘧啶，该DNA连续复制两次，得到的4个子代DNA分子相应位点上的碱基对分别为UA、AT、GC、CG，推测“P”可能是( ) A胸腺嘧啶 B腺嘌呤 C胸腺嘧啶或腺嘌呤 D胞嘧啶 D【解析】相应位点上碱基对为UA、AT的两个子代DNA分子是由诱变后含有尿嘧啶的那条亲代DNA单链连续复制两次得到的；而相应位点上碱基对为GC、CG的两个子代DNA分子，则是由亲代DNA分子中另一条互补链连续复制两次得到的。由此可以推知，与正常碱基P配对的是鸟嘌呤(G)或胞嘧啶(C)，故选D。6.(2011上海卷)某双链DNA分子含有400个碱基，其中一条链上ATGC1234。下列表述错误的是( )A该DNA分子的一个碱基改变，不一定会引起子代性状的改变B该DNA分子连续复制两次，需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸120个C该DNA分子中4种碱基的比例为ATGC3377D该DNA分子中的碱基排列方式共有4200种 B7.下图为真核细胞DNA复制过程模式图，请根据图示过程，回答问题：(1)由图示得知，1个DNA分子复制出乙、丙2个DNA分子，其方式是 。(2)DNA解旋酶能使双链DNA解开，但需要细胞提供 。除了图中所示酶外，丙DNA分子的合成还需要 酶。半保留复制能量(ATP)DNA连接(3)从图中可以看出合成两条子链的方向 。(4)细胞中DNA复制的场所有 ；在复制完成后，乙、丙分开的时期为 。(5)若一个卵原细胞的一条染色体上的珠蛋白基因在复制时，一条脱氧核苷酸链中一个A替换成T，则由该卵原细胞产生的卵细胞携带该突变基因的概率是 。相反细胞核、线粒体和叶绿体有丝分裂后期、减数第二次分裂后期1/4【解析】图示能反映出DNA分子复制方式为半保留复制，复制过程是边解旋边复制。解旋是在酶的作用下，DNA双螺旋链间碱基对氢键断裂的过程，需要ATP供能。DNA的复制是多起点的，各片段的复制必须有小片段的RNA作为引物，在DNA聚合酶的作用下以四种脱氧核苷酸为原料进行，根据碱基互补配对原则进行。新合成的小片段DNA间需要DNA连接酶将其连接成一条DNA链。真核细胞的叶绿体和线粒体中的DNA也能独立进行复制和转录。子代DNA分子随姐妹染色单体分开而分开。