09 第9讲 DNA复制与细胞分裂相关计算-备战2022年高考生物二轮复习三板斧之三——生物计算

《备战生物高考三板斧之三——生物计算》教学讲义

第9讲　DNA复制与细胞分裂相关计算

必会知识 考点梳理拓展延伸易错警示

必会知识一  DNA复制

1．DNA分子的结构

(1)DNA双螺旋模型构建者：沃森和克里克。

(2)DNA双螺旋结构的形成

(3)DNA的双螺旋结构内容

①DNA由两条脱氧核苷酸链组成，这些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：A＝T(两个氢键)、G≡C(三个氢键)。

(4)DNA分子结构特点

①多样性，具n个碱基对的DNA具有4n种碱基对排列顺序。

②特异性，如每个DNA分子都有其特定的碱基对排列顺序。

③稳定性，如两条主链磷酸与脱氧核糖交替排列的顺序不变，碱基对构成方式不变等。

2．DNA分子的复制

(1)概念、时间和场所

(2)过程

(3)特点：过程，边解旋边复制；方式，半保留复制。

(4)准确复制的原因和意义

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，保证了复制能准确进行。

意义：DNA分子通过复制，将遗传信息从亲代传给了子代，保持了遗传信息的连续性。

3．关于碱基互补配对的四大规律总结

规律一：DNA双链中的A＝T，G＝C，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：A＋G＝T＋C＝A＋C＝T＋G。

规律二：非互补碱基之和的比例在整个DNA分子中为1，在两条互补链中互为倒数。如在一条链中＝a，则在互补链中＝，而在整个DNA分子中＝1。

规律三：互补碱基之和的比例在整个DNA分子中以及任何一条链中都相等。如在一条链中＝m，则在互补链及整个DNA分子中＝m。

规律四：在双链DNA及其转录的RNA之间有下列关系，设双链DNA中a链的碱基为A1、T1、C1、G1，b链的碱基为A2、T2、C2、G2，则A1＋T1＝A2＋T2＝RNA分子中A＋U＝1/2×DNA双链中的A＋T；G1＋C1＝G2＋C2＝RNA分子中G＋C＝1/2×DNA双链中的G＋C。

4．DNA分子的复制为半保留复制，一个DNA分子复制n次，则有：

(1)DNA分子数

①子代DNA分子数＝2n个；

②含有亲代DNA链的子代DNA分子数＝2个；

③不含亲代DNA链的子代DNA分子数＝(2n－2)个。

(2)脱氧核苷酸链数

①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数＝2n＋1条；

②亲代脱氧核苷酸链数＝2条；

③新合成的脱氧核苷酸链数＝(2n＋1－2)条。

(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，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为m·(2n－1)个；

②第n次复制需该脱氧核苷酸数＝2n个DNA分子中该脱氧核苷酸数－2n－1个DNA分子中该脱氧核苷酸数＝2n·m－m·2n－1＝m·(2n－2n－1)＝m·2n－1。

(4)与染色体、细胞数目相关的计算

研究DNA分子的半保留复制时，常涉及计算后代带放射性标记的DNA、染色体或细胞所占比例的问题，此时要注意：

①一个DNA分子含两条DNA链，只要有一条DNA链带标记该DNA分子便带标记。

②每条染色体含一个或两个DNA分子，只要有一条DNA链带标记，该染色体便带标记。

③每个细胞含多条染色体，每条染色体的情况是一样的，只需分析一条染色体(减数分裂时只需分析一对同源染色体)即可。

例：以2n=20为例分别计算有丝两次和减数分裂结束后子细胞中被标记的染色体数？

[答案]①有丝分裂一次子细胞中被标记的染色体数为20条，有丝分裂二次子细胞中被标记的染色体数为0～20条。

②减数分裂一次子细胞中被标记的染色体数为10条(DNA分子数20条)，减数第二次分裂子细胞中被标记的染色体数为10条。

必会知识二  基因的表达

1．遗传信息的转录和翻译

2．密码子

(1)位置：mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。

(2)作用：决定氨基酸。

(3)种类：64种。其中决定氨基酸的密码子有61种(2种起始密码子)，终止密码子有3种。

3．DNA(基因)、mRNA中碱基与肽链中氨基酸个数关系

(1)DNA碱基数∶mRNA碱基数∶氨基酸数＝6∶3∶1

(2)计算中“最多”和“最少”的分析

①mRNA上碱基数目与蛋白质中氨基酸的数目关系：

翻译时，mRNA上的终止密码子不决定氨基酸，因此准确地说，mRNA上的碱基数目是蛋白质中氨基酸数目的3倍还要多一些。

②DNA上的碱基数目与蛋白质中氨基酸的数目关系：基因或DNA上的碱基数目比对应的蛋白质中氨基酸数目的6倍还要多一些。

③注意“最多”或“最少”：在回答有关问题时，应加上“最多”或“最少”等字，如mRNA上有n个碱基，转录产生它的基因中至少有2n个碱基，该mRNA指导合成的蛋白质中最多有n/3个氨基酸。

(3)“三步曲法”解答关于基因表达中的计算题

第一步：做图。通常只需画出下图甲，但当涉及转录、逆转录、翻译时还要画出图乙。

①上述图甲代表的是一个DNA分子，α、β代表它的两条脱氧核苷酸链；图乙代表的是以该DNA分子的α链为模板转录出的一个RNA分子。

②上述图甲中的A、G、C、T代表4种脱氧核苷酸(或碱基)，x、y、z、w代表数量；图乙中的U、C、G、A代表4种核糖核苷酸(或碱基)，x、y、z、w代表数量。

第二步：转换。即根据第一步做出的图，把题干给出的条件转换成数学等式。

第三步：计算。即根据题干的要求，结合第二步中的数学等式，求出相应的数值。

必备技能 典例精讲模型秒杀巧思妙解

必备技能一 碱基互补配对相关计算

[例1]某研究小组测定了多个不同双链DNA分子的碱基组成，根据测定结果绘制了DNA分子的一条单链与其互补链、一条单链与其所在DNA分子中碱基数目比值的关系图，下列正确的是(　　)

[答案]C [解析]　本题考查DNA分子结构中的碱基互补配对关系及相关计算。整个DNA分子中，＝1，A项错误；一条单链中，的值等于其互补链中的值，即与其互补链中的的值互为倒数，B项错误；一条单链中的＝互补链中的＝整个DNA分子中的，C项正确，D项错误。

必备技能二 DNA复制与细胞分裂相关计算

[例2]若N个双链DNA分子在第i轮复制结束后，某一复制产物分子一条链上的某个C突变为T，这样在随后的各轮复制结束时，突变位点为A＝T碱基对的双链DNA分子数与总DNA分子数的比例始终为(　　)

A．        B．        C．        D．

[答案]C [解析]N个DNA分子第i轮复制结束后，得到的DNA分子数为N×2i，在此基础上复制一次得到的DNA分子的总数为N×2i＋1，其中以变异的DNA分子为模板复制一次，得到一个变异DNA分子和一个正常的DNA分子，由此可推知突变位点为A＝T碱基对的双链DNA分子数与总DNA分子数的比例＝1/(N×2i＋1)，若再复制两次，得到的变异的DNA分子为2，总DNA分子数为N×2i＋2，则比例为2/(N×2i＋2)＝1/(N×2i＋1)，因此可推知答案选C。

[例3]胰岛素的A、B两条肽链是由一个基因编码的，其中A链中的氨基酸有m个，B链中的氨基酸有n个。下列有关叙述中不正确的是(　　)

A．胰岛素基因中至少有碱基数是6(m＋n)

B．胰岛素基因的两条DNA单链分别编码A、B两条肽链

C．胰岛素mRNA中至少含有的密码子为(m＋n)个

D．A、B两条肽链可能是经蛋白酶的作用后形成

[答案]B [解析]胰岛素基因编码的两条多肽链中氨基酸总数是(m＋n)，所以DNA中对应碱基数至少为6(m＋n)；一个基因在编码蛋白质的过程中，只有一条链作为模板链；胰岛素基因转录的mRNA是一条，而形成的两条肽链中氨基酸共有(m＋n)个，根据密码子和氨基酸的一一对应关系(不考虑终止密码子)可知，与之对应的胰岛素mRNA中至少含有的密码子应该为(m＋n)个；A、B两条肽链可能是形成一条肽链之后，经蛋白酶作用使肽键断裂，然后再组装成胰岛素的。

[例4]下列关于“碱基互补配对原则”和“DNA复制特点”具体应用的叙述，不正确的是(    )

A．某双链DNA分子中，G占总数的38%，其中一条链中的T占该DNA分子全部总数的5%，那么另一条链中T在该DNA分子中的碱基比例为7%

B．已知一段mRNA有30个碱基，其中A＋U有12个，那么转录成mRNA的一段DNA分子中就有30个C＋G

C．将含有1对同源染色体的精原细胞的2个DNA都用15N标记，只提供含14N的原料，该细胞进行1次有丝分裂后再进行1次减数分裂，产生的8个精细胞中(无交叉互换现象)含15N 、14N 标记的DNA的精子所占比例依次是50%、100%

D．一个有2000个碱基的DNA分子，碱基对可能的排列方式有41000种

[答案]B[解析]某双链DNA分子中，G占总数的38%，根据碱基互补配对原则，T占总数的50%-38%=12%，若其中一条链中的T占该DNA分子全部碱基总数的5%，则另一条链中T在该DNA分子中的碱基比例为12%-5%=7%，A正确；已知一段信使RNA有30个碱基，其中A+U有12个，那么转录成信使RNA的一段DNA分子中共有碱基60个，其中A+T=12+12=24个，则C+G=60-24=36个，B错误；该细胞经一次有丝分裂后，形成的两个精原细胞中每条染色体均含15N和14N。精原细胞进行减数分裂，复制得到的染色体中一条染色单体含15N，一条染色单体不含15N，减Ⅰ后期同源染色体分离，形成两个次级精母细胞。减Ⅱ后期姐妹染色单体分离，形成的两个染色体一个含15N，一个不含15N，分别进入不同的子细胞，因此含15N、14N标记的DNA的精子所占比例依次是50%、100%，C正确；一个有2000个碱基的DNA分子，碱基对可能的排列方式有41000，D正确。

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1．如图为真核细胞内某基因(15N标记)的部分结构示意图，该基因全部碱基中A占20%。下

D．将该基因置于14N培养液中复制3次后，含15N的DNA分子占1/8

[答案]C．[解析]本题结合真核细胞内某基因结构示意图考查DNA分子结构的主要特点等知识，意在考查考生的理解能力。该基因的特异性表现在碱基对的排列顺序上，A错误；①处为氢键，DNA聚合酶不能催化氢键的形成，B错误；该基因中A占20 %，则T占20 %，G和C分别占30 %，该基因中＝，根据碱基互补配对原则，DNA分子的一条单链中的值等于其互补链和整个DNA分子中的值，因此该基因的一条脱氧核苷酸链中也为，C正确；将该基因置于14N培养液中复制3次后，含15N的DNA分子占=，D错误。

2．若一果蝇精原细胞中8条染色体上的全部DNA已被15N标记，其中一对同源染色体上有基因A和a，现给此精原细胞提供含14N的原料让其连续分裂两次，产生4个子细胞(不考虑突变和交叉互换)。下列叙述正确的是 (　　)

A．若4个子细胞均含8条染色体，则每个子细胞中均含被15N标记的核DNA

B．若4个子细胞均含4条染色体，则每个子细胞中各有一半核DNA含15N

C．若4个子细胞均含8条染色体，则每个子细胞中均含2个A基因

D．若4个子细胞均含4条染色体，则有一半子细胞含有a基因

[答案]B．[解析]真核细胞染色体和染色质主要由DNA和蛋白质组成，因此都存在DNA—蛋白质复合物，A正确；原核细胞的拟核含一个裸露的环状DNA分子，该DNA的复制及转录都需要酶催化，故拟核中存在由DNA和酶构成的DNA—蛋白质复合物，B错误；DNA复制需要DNA聚合酶的作用，DNA聚合酶的化学本质是蛋白质，故复合物中参与DNA复制的蛋白质可能是DNA聚合酶，C正确；如果复合物中正在进行RNA的合成，则复合物中必须含有RNA聚合酶，因为RNA中核糖核苷酸之间的连接需要RNA聚合酶的催化，D正确。

3．某双链DNA分子含有400个碱基对，其中胞嘧啶占25%，该分子进行3次正常复制得到n个子代DNA分子。下列有关叙述正确的是(　　)

A．一个DNA分子的碱基排列方式有4400种

B．n个子代DNA分子中不含亲代成分的占5/6

C．每个子代DNA分子的每条单链上的胞嘧啶有100个

D．3次复制共消耗胸腺嘧啶脱氧核苷酸1 400个

[答案]A．[解析]本题考查实验思路的设计等，要求考生识记DNA和RNA的异同，并能据此设计实验思路，同时预测实验结果和结论。DNA和RNA的化学组成存在差异，DNA中特有的碱基是T，而RNA中特有的碱基是U，因此可利用放射性同位素分别标记碱基T和碱基U，通过检测子代的放射性来判断该病毒的类型。因此，实验思路为：先将甲、乙两组螨虫细胞分别培养在含有放射性同位素标记的尿嘧啶或胸腺嘧啶的培养基中，再将病毒分别接种到含有甲、乙两组螨虫细胞的培养液中，培养一段时间后收集病毒并检测其放射性，以确定病毒的类型，用35S、32P分别标记该病毒的蛋白质和核酸不能确定核酸的类型。故选A。

4．下列关于DNA分子的结构与复制的叙述中，错误的是(　　)

A．含有m个腺嘌呤的DNA分子，第n次复制需要腺嘌呤脱氧核苷酸数为m×2n﹣1个

B．在一个双链DNA分子中，A+T占碱基总数的M%，那么该DNA分子的每条链中的A+T都占该链碱基总数的M%

C．在一个环状双链DNA分子中总是含有两个游离的磷酸基团

D．双链DNA分子中，磷酸和脱氧核糖交替连接，排列在外侧，构成基本骨架

[答案]C．[解析]第n次复制是针对n﹣1次来说的，其需要腺嘌呤脱氧核苷酸数为：2n×m﹣2n﹣1×m＝2n﹣1×m个，A正确；由于DNA分子两条链上的碱基数量关系是A1＝T2、T1＝A2，因此双链DNA分子中，A+T的比值与每一条链上的该比值相等，均为M%，B正确；对一个双螺旋的链状DNA来说，在一个DNA分子中总是含有两个游离的磷酸基团，但是对于环状DNA分子来说，并没有游离的磷酸基团，C错误；、DNA分子双螺旋结构的基本骨架是磷酸和脱氧核糖，交替排列在外侧，D正确。

5．关于DNA分子的结构与复制的叙述中，正确的有几项(    )

①一含有m个腺嘌吟的DNA分子复制n次，共消耗腺嘌呤脱氧核苷酸(2n-1)×m个

②双链DNA分子，G+C占碱基总数的M%，那么该DNA分子的每条链中G+C都占该链碱基总数的M%

③细胞内全部DNA被32P印标记后在不含32P的环境中进行连续有丝分裂，第2次分裂产生的每个子细胞染色体均有一半有32P标记

④DNA双链被32P标记后，在31P中复制n次，子代DNA中有32P标记的占1/2n

A．0项 B．1项 C．2项 D．3项

[答案]C．[解析]①含有m个腺嘌呤的DNA分子经n次复制，其实就是有2n-1个DNA分子在复制，每个需要m个腺嘌呤脱氧核苷酸，那么2n-1个DNA分子就需要(2n－1)×m个腺嘌呤脱氧核苷酸，①正确；②在一个双链DNA分子中，G+C占碱基总数的M%，由于两条链中G+C的数目是相等的，那么该DNA分子的每条链中G+C所占比例就相当于分子、分母各减半，其比例是不变的，②正确；③细胞内全部DNA被32P标记后，在不含32P的环境中进行连续有丝分裂，在有丝分裂后期，着丝点分开后形成的每条染色体随机分布到两极，第2次分裂产生的每个子细胞染色体不一定一半有32P标记，③错误；④DNA双链被32P标记后，不管复制多少次，都只有2个DNA带有标记，所以复制n次，子代DNA中有标记的占2/2n，④错误；综上所述，C正确，A、B、D错误。

6．将染色体条数为2N的二倍体细胞放在15N的培养基中培养若干代，再将细胞置于不含15N的环境中使其分裂两次，得到四个子细胞，下列有关两次分裂的说法中(不考虑细胞质中DNA)，正确的是(    )

A．若进行有丝分裂，第二次分裂中期细胞内含15N的染色体有2N条，含15N的DNA有4N个

B．若进行减数分裂，第二次分裂后期细胞内含N的染色体有N条，含15N的DNA有N个

C．若两次分裂后四个子细胞中含有15N的染色体和DNA都是2N，则细胞进行有丝分裂

D．若两次分裂后四个子细胞中含有15N的染色体和DNA都是N，则细胞进行减数分裂

[答案]D．[解析]由上分析可知，第一次复制之后每个DNA均为杂合链，若进行有丝分裂，第一次分裂产生的子细胞中每条染色体上的每个DNA均为杂合链，在14N的环境中经过第二次复制，每条染色体上含有2个DNA，其中1个为杂合链，一个双链均为14N14N，故第二次分裂中期细胞内含15N的染色体有2N条，含15N的DNA也是2N个，A错误；若进行减数分裂，第二次分裂后期细胞内共有2N条染色体，每条染色体上的每个DNA均含15N，故含15N的染色体有2N条，含15N的DNA也是2N个，B错误；、无论是有丝分裂，还是减数分裂，两次分裂后不可能出现四个子细胞中含有15N的染色体和DNA都是2N，C错误；若进行减数分裂，DNA只复制一次，细胞分裂两次，四个子细胞中含有15N的染色体和DNA都是N，D正确。