2022版高考生物一轮复习第6单元基因的本质和表达第17课DNA的结构复制和基因的本质学案新人教版

这是一份2022版高考生物一轮复习第6单元基因的本质和表达第17课DNA的结构复制和基因的本质学案新人教版，共12页。学案主要包含了DNA的结构，DNA的复制，基因的本质等内容，欢迎下载使用。

一、DNA的结构
1．DNA双螺旋结构模型的构建者：沃森和克里克。
2．DNA双螺旋结构的形成
3．DNA的双螺旋结构
(1)空间结构：DNA由两条脱氧核苷酸链组成，这两条链按反向平行的方式盘旋成双螺旋结构。
(2)整体骨架：脱氧核糖和磷酸交替连接构成。
(3)碱基互补配对：两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。
4．DNA的结构特点
(1)多样性：具有n个碱基对的DNA共有4n种碱基对排列顺序。
(2)特异性：如每种DNA分子都有其特定的碱基对排列顺序。
(3)稳定性：DNA分子中磷酸与脱氧核糖交替连接顺序不变，碱基之间严格按照碱基互补配对的原则进行。
二、DNA的复制
1．方式推测：DNA分子复制方式为半保留复制。
2．实验证据
(1)实验方法：同位素标记技术和密度梯度离心技术。
(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立即取出，提取DNA→离心→全部重带。
②繁殖一代后取出，提取DNA→离心→全部中带。
③繁殖两代后取出，提取DNA→离心→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。
3．复制过程
(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。
(3)图解
(4)场所：真核生物在细胞核、线粒体和叶绿体；原核生物在拟核和细胞质。
(5)特点：边解旋边复制。
(6)方式：半保留复制。
(7)结果：形成两个完全相同的DNA分子。
(8)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。
(9)保障：DNA独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板；通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。
三、基因的本质
1．对于绝大多数生物，基因是有遗传效应的DNA片段；对于极少数生物，基因是有遗传效应的RNA片段。
2．染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系
3．基因与碱基的关系
遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中，构成基因的碱基数小于(填“大于”“小于”或“等于”)DNA分子的碱基总数。
1．DNA具有双螺旋结构
(1)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。(√)
(2)双链DNA分子中一条链上的磷酸和核糖是通过氢键连接的。(×)
(3)DNA分子的多样性和特异性主要与它的空间结构密切相关。(×)
2．DNA的复制是以半保留的方式进行的
(1)DNA复制时，严格遵循A—U、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。(×)
(2)DNA复制时，解旋酶与DNA聚合酶不能同时发挥作用。(×)
(3)DNA分子复制过程中的解旋在细胞核中进行，复制在细胞质中进行。(×)
3．基因通常是有遗传效应的DNA片段
(1)真核细胞的基因只存在于细胞核中，而核酸并非仅存在于细胞核中。(×)
(2)等位基因位于同一个DNA分子的两条脱氧核苷酸链上。(×)
(3)细胞中组成一个基因的嘌呤碱基与嘧啶碱基数量不一定相等。(×)
DNA的结构及相关计算
某小组在搭建DNA分子模型的实验中，预备了如下实验材料：4种碱基塑料片共20个，其中4个C，6个G，3个A，7个T，脱氧核糖塑料片30个，磷酸塑料片50个，脱氧核糖和磷酸之间的连接物若干，代表氢键的连接物若干，脱氧核糖和碱基之间的连接物若干。
(1)用这些实验材料可搭建多长的DNA序列？
答案：含7个碱基对长度的DNA序列。
(2)需要氢键连接物多少个？
答案：A和T之间需要2个连接物，C和G之间需要3个连接物，共需要氢键连接物为3×2＋4×3＝18个。
(3)需要脱氧核糖和磷酸之间的连接物多少个？一个磷酸或脱氧核糖连接几个连接物？
答案：26个。一个磷酸连接1或2个连接物；一个脱氧核糖连接2或3个连接物。
1．解读两种DNA结构模型
(1)由图1可解读以下信息
(2)图2是图1的简化形式，其中①是磷酸二酯键，②是氢键。解旋酶作用于②部位，限制性内切核酸酶和DNA连接酶作用于①部位。
(3)利用数字“五、四、三、二、一”巧记DNA结构
2．“归纳法”求解DNA分子中的碱基数量的计算规律
(1)在DNA双链中嘌呤总数与嘧啶总数相同，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分子中都相同，即若在一条链中eq \f(A＋T,G＋C)＝m，在互补链及整个DNA分子中eq \f(A＋T,G＋C)＝m。
(3)非互补碱基之和的比例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eq \f(A＋G,T＋C)＝a，则在其互补链中eq \f(A＋G,T＋C)＝eq \f(1,a)，而在整个DNA分子中eq \f(A＋G,T＋C)＝1。
(4)某种碱基在DNA分子中所占比例，等于这种碱基在DNA每条链中所占比例和的平均数。
考向1| DNA分子结构分析
1．20世纪90年代，Cuenud等发现DNA也有酶催化活性，他们根据共有序列设计并合成了由47个核苷酸组成的单链DNA­E47，它可以催化两个DNA片段之间的连接。下列有关叙述正确的是( )
A．在DNA­E47中，嘌呤碱基数一定等于嘧啶碱基数
B．在DNA­E47中，碱基数＝脱氧核苷酸数＝脱氧核糖数
C．DNA­E47作用的底物和DNA聚合酶作用的底物是相同的
D．在DNA­E47中，每个脱氧核糖上均连有一个磷酸和一个含氮碱基
B 解析：单链DNA中嘌呤碱基数不一定等于嘧啶碱基数，A错误；DNA­E47催化DNA片段间的连接，DNA聚合酶则催化单个脱氧核苷酸的连接，C错误；在脱氧核苷酸链中的脱氧核糖可连有两个(或一个)磷酸和一个含氮碱基，D错误。
【易错提醒】DNA结构的五点提醒
(1)DNA分子中并不是所有的脱氧核糖都连接两个磷酸基团，在每条链的3′端的脱氧核糖只连接了一个磷酸基团。
(2)DNA分子的特异性是由碱基对的排列方式决定的，而不是由碱基配对方式决定的。
(3)DNA分子中能体现特异性的碱基比例是两互补碱基的和(如A＋T)，而不是任意两不互补碱基的和(如A＋G)。
(4)并不是所有的DNA分子都是双链结构，有少数的DNA分子是单链的，还有部分DNA是双链环状结构，如原核细胞的拟核DNA、质粒、真核细胞的线粒体DNA和叶绿体DNA等。
(5)在单链DNA分子中嘌呤数不一定等于嘧啶数。
考向2| DNA分子结构的相关计算
2．下列有关双链DNA分子的叙述，正确的是( )
A．若DNA分子一条链中的碱基A所占比例为a，则另一条链的碱基C所占比例为1/(2－a)
B．如果一条链上(A＋T)∶(G＋C)＝m，则另一条链上该比值也为m
C．如果一条链上的A∶T∶G∶C＝2∶2∶3∶3，则另一条链上该比值为3∶3∶2∶2
D．由50个碱基对组成的DNA分子片段中至少含有氢键的数量为150个
B 解析：若DNA分子一条链中的碱基A所占比例为a，据此无法计算出另一条链的碱基C所占比例，A错误；如果一条链上(A＋T)∶(G＋C)＝m，根据碱基互补配对原则，则另一条链上该比值也为m，B正确；如果一条链上的A∶T∶G∶C＝2∶2∶3∶3，则另一条链上该比值为2∶2∶3∶3，C错误；由50个碱基对组成的DNA分子片段中至少含有氢键的数量为50×2＝100(个)，最多含有氢键的数量为50×3＝150(个)，D错误。
DNA的复制及相关计算
人体细胞中最长的DNA分子可达36 mm，已知DNA分子复制速度约为4 μm/min，但此DNA分子复制过程仅需40 min左右即完成。
(1)由上面信息可推出DNA复制还有什么特点？
答案：根据题意知，长为36 mm的DNA分子进行复制，如果只从一个位点复制需要的时间是36×1 000÷4＝9 000 (min)，而实际复制过程中只需要40 min左右即完成，由此可以推出该DNA分子复制时具有多个起点，多个起点同时分段复制。
(2)已知放射性越高的3H－胸腺嘧啶脱氧核糖核苷(3H－脱氧胸苷)，在放射性自显影技术的图像上，感光还原的银颗粒密度越高。请利用放射性自显影技术，设计实验以证明DNA复制是多起点同时复制，简要写出实验思路并预测实验结果。
答案：实验思路：首先用不含放射性的脱氧胸苷培养基培养细胞，一段时间后转移到含有高放射性3H－脱氧胸苷的培养基中继续培养，用放射性自显影技术观察银颗粒密度情况。预期实验结果：在一条DNA中出现多处高密度感光还原的银颗粒区域。
1．利用数字“1、2、3、4”巧记DNA的复制
2．关于DNA复制的三点提醒
(1)DNA复制的场所并非只在细胞核，线粒体、叶绿体、原核细胞中都可以进行DNA复制，因而说DNA复制的主要场所是细胞核。
(2)DNA水解酶不参与DNA复制。DNA水解酶可以催化DNA分子水解成脱氧核苷酸。
(3)细胞内DNA复制时解旋酶催化解旋，PCR时高温使氢键断裂，导致解旋。
3．DNA分子复制中相关计算公式
若将一个被15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养(复制)若干代，其结果分析如下：
(1)子代DNA分子数：2n个。
①无论复制多少次，含15N的DNA分子始终是 2个。
②含14N的有2n个，只含14N的有(2n－2)个，做题时应看准是“含”还是“只含”。
(2)子代DNA分子的总链数：2n×2＝2n＋1条。
①无论复制多少次，含15N的链始终是2条。
②含14N的链数是(2n＋1－2)条。做题时应看准是“DNA分子数”还是“链数”。
(3)消耗的脱氧核苷酸数
①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，则经过n次复制需要消耗游离的该脱氧核苷酸为m×(2n－1)个。
②若进行第n次复制，则需消耗该脱氧核苷酸数为m×2n－1个。
考向1| DNA复制过程的分析
1．在DNA复制开始时，将大肠杆菌放在含低剂量3H标记的脱氧胸苷(3H­dT)的培养基中，3H­dT可掺入正在复制的DNA分子中，使其带有放射性标记。几分钟后，将大肠杆菌转移到含高剂量3H­dT的培养基中培养一段时间。收集、裂解细胞，抽取其中的DNA进行放射性自显影检测，结果如图所示。据图可以作出的推测是( )
A．复制起始区在高放射性区域
B．DNA复制为半保留复制
C．DNA复制从起始点向两个方向延伸
D．DNA复制的方向为a→c
C 解析：根据放射性自显影结果可知，中间低放射性区域是复制开始时在含低剂量3H标记的脱氧胸苷(3H­dT)的培养基中进行复制的结果，A错误；两侧高放射性区域是将大肠杆菌转移到含高剂量3H­dT的培养基中进行复制的结果，因此可判断DNA复制从起始点(中间)向两个方向延伸，C正确，D错误；该实验不能证明DNA复制为半保留复制，B错误。
考向2| DNA复制的相关计算
2．(2021·安徽合肥模拟)下图为某DNA分子片段，假设该DNA分子中有5 000对碱基，A＋T占碱基总数的34%，若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制2次，下列叙述正确的是( )
A．复制时作用于③处的酶为DNA聚合酶
B．DNA分子复制2次需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸9 900个
C．④处指的是腺嘌呤核糖核苷酸
D．子代中含15N的DNA分子占1/2
B 解析：复制时作用于③处的酶为DNA解旋酶，A错误；由题意知，DNA分子中A＋T占碱基总数的34%，则C＋G占66%，DNA分子中G＝C＝5 000×2×66%÷2＝3 300(个)，该DNA分子复制2次增加3个DNA分子，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸3 300×3＝9 900(个)，B正确；DNA分子的基本单位是脱氧核糖核苷酸，所以④处指的是腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，C错误；由题图可知，该DNA分子中的两条链一条含有15N，一条含有14N，若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制 2次，则形成的4个DNA分子中，只有一个含有15N，即占1/4，D错误。
考向3| DNA分子的半保留复制
3．DNA的复制方式可以通过设想来进行预测，可能的情况是全保留复制、半保留复制、分散复制三种。究竟是哪种复制方式呢？下面设计实验来证明DNA的复制方式。
实验步骤：
a．在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N­DNA(对照)。
b．在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N­DNA(亲代)。
c．将亲代含15N的大肠杆菌转移到氮源为14N的培养基中，再连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ)，用密度梯度离心法分离，不同相对分子质量的DNA分子将分布在试管中的不同位置上。
实验预测：
(1)如果与对照(14N/14N)相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带：一条__________带和一条__________带，则可以排除____________________。
(2)如果子代Ⅰ只有一条中密度带，则可以排除__________，但不能肯定是________________。
(3)如果子代Ⅰ只有一条中密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定：若子代Ⅱ可以分出________和____________，则可以排除分散复制，同时肯定半保留复制；如果子代Ⅱ不能分出________密度两条带，则排除__________，同时确定为________。
解析：由题图可知，深色为亲代DNA的脱氧核苷酸链(母链)，浅色为新形成的子代DNA的脱氧核苷酸链(子链)。因此全保留复制后得到的两个DNA分子，一个是原来的两条母链重新形成的亲代DNA分子，一个是两条子链形成的子代DNA分子；半保留复制后得到的每个子代DNA分子的一条链为母链，一条链为子链；分散复制后得到的每个子代DNA分子的单链都是由母链片段和子链片段间隔连接而成的。
答案：(1)轻(14N/14N) 重(15N/15N) 半保留复制和分散复制 (2)全保留复制 半保留复制还是分散复制 (3)一条中密度带 一条轻密度带 中、轻 半保留复制 分散复制
命题生长点1 DNA复制的相关计算
用15N标记了两条链含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，该DNA分子在含14N的培养基中连续复制3次。下列有关说法中错误的是(B)
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160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
B 解析：该DNA分子有100个碱基对，其中胞嘧啶有60个，则C和G各有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分子第一次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸(A)40个，第二次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸80个，第三次复制需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸160个，则复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为40＋80＋160＝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条单链含15N，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。
命题生长点2 DNA复制与细胞分裂中染色体标记的问题分析
(多选)蚕豆根尖细胞(2n＝12)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液中继续分裂至中期，其染色体的放射性标记分布情况是(BC)
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．每条染色体都被标记
D．每条染色体的两条单体都不被标记
解析：DNA复制是半保留复制，蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸(3H­T)培养基中完成一个细胞周期，每一个DNA分子都有一条脱氧核苷酸链含3H标记，然后在不含放射性标记的培养液中培养至中期，DNA分子复制后形成的两个DNA分子通过着丝粒连接，其中一个DNA分子的一条链含3H标记，如下图：
故每条染色体都被标记，且每条染色体都只有一条单体被标记。
准确把握DNA复制的相关计算问题
(1)复制次数：“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别：前者包括所有的复制，后者只包括最后一次复制。
(2)碱基数目：碱基的数目单位是“对”还是“个”。
(3)复制模板：在DNA复制过程中，无论复制了几次，含有亲代脱氧核苷酸单链的DNA分子都只有两条。
(4)关键词语：看清是“DNA分子数”还是“链数”，“含”还是“只含”等关键词。
课程标准要求
学业质量水平
3.1.1 概述多数生物的基因是DNA 分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA 分子上
3.1.2 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
3.1.3 概述DNA 分子通过半保留方式进行复制
1.通过搜集DNA结构模型构建过程的资料并进行交流和讨论，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。(生命观念)
2.通过模型构建，理解DNA的化学组成、平面结构以及立体结构。(科学思维)
3.结合DNA双螺旋结构模型，运用结构与功能观和物质与能量观，阐明DNA分子通过复制，传递遗传信息。(生命观念)
4.分析DNA复制过程，归纳DNA复制过程中相关数量计算，提高逻辑分析和计算能力。(科学思维)
学习探索情境
在沃森和克里克发表DNA双螺旋结构模型后，科学家曾提出三个用于解释DNA复制方式的模型，分别为半保留复制、全保留复制和分散复制模型。1958年，梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料，运用同位素标记技术，证明了DNA复制方式为半保留复制。1956年，美国生物学家亚瑟·科恩伯格首次分离出DNA聚合酶，并构建了DNA体外合成体系，并揭示参与DNA合成的4种必要成分：DNA聚合酶、DNA模板、RNA引物和dNTP前体物。
体外合成技术重要特点和优势：(1)没有宿主细胞的生理调控系统，反应条件更容易控制，可以方便地进行反应条件的优化；(2)不存在副反应和宿主细胞本身的代谢需求，能够达到更高的产品得率和产品纯度；(3)可以使用高负载量的酶，用于提高反应速率；(4)宽泛的反应条件(如高温、有机相催化体系)、底物的自由选择，解决了底物或中间产物的毒性问题；(5)具有相当大的工业化潜力。