2023版高考生物一轮总复习第6单元基因的本质和表达第18课DNA的结构复制和基因的本质教师用书

第18课　DNA的结构、复制和基因的本质

►学业质量水平要求◄

1．通过讨论分析DNA的结构和复制，形成结构与功能观。(生命观念)

2．通过构建DNA双螺旋结构模型，强化模型与建模。(科学思维)

3．通过DNA复制方式的探究，培养实验设计及结果分析的能力。(科学探究)

4．通过构建模型，了解现代遗传学的研究方法，形成科学态度和方法。(社会责任)

考点一　DNA的结构及碱基计算

1．DNA双螺旋结构模型的建立者及DNA的组成

(1)DNA双螺旋结构模型构建者：沃森和克里克。

(2)图解DNA双螺旋结构。

①DNA由两条脱氧核苷酸链组成，这两条单链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。

②外侧：DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接构成主链基本骨架。

③内侧：两条链上的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)、C≡G(三个氢键)。

2．DNA的结构特点

(1)多样性：若DNA含有n个碱基对，则其可能有4n种碱基对排列顺序。

(2)特异性：每个DNA分子都有其特定的碱基对排列顺序。

(3)稳定性：两条单链磷酸与脱氧核糖交替排列的顺序不变，碱基对配对方式不变等。

1．双链DNA中一条链上的磷酸和脱氧核糖是通过氢键连接的。 (　×　)

2．分子大小相同，碱基含量相同的DNA所携带的遗传信息一定相同。 (　×　)

3．双链DNA同时含有2个游离的磷酸基团，其中嘌呤碱基数等于嘧啶碱基数。 (　√　)

4．DNA一条链上的相邻碱基通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相连。 (　√　)

1．DNA的结构

(1)DNA的双螺旋结构中各组分之间的关系。

(2)利用数字“五、四、三、二、一”巧记DNA的结构。

2．DNA分子中碱基数量的计算规律

(1)若已知A1/单链＝b%，因为双链碱基数是单链的2倍，所以A1/双链＝b%/2。DNA单链中某一碱基所占比例是其在双链中所占比例的2倍。

(2)若已知A/双链＝c%，A1/单链的比例无法确定，但可求出A1/单链的最大值为2c%，最小值为0(当一条单链中有A，另一条单链中无A时，可取最值)。

考向1| 考查DNA的结构及特点

1．(2021·安徽合肥模拟)模型构建是一种研究问题的科学思维方法，在制作一个DNA分子双螺旋结构模型活动中，错误的是(　　)

A．需要准备制作磷酸、脱氧核糖和碱基等材料

B．A、T、G、C四种碱基的大小和形状应该相同

C．需要制作两条碱基互补的脱氧核苷酸链

D．末端的磷酸基团可以体现DNA双链的反向平行

B　解析：DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，由磷酸基团、脱氧核糖和含氮碱基组成，所以需要准备制作磷酸、脱氧核糖和碱基等材料，A正确；A、T、G、C四种碱基的大小和形状不相同，但A和T的总长度与C和G的总长度应相同，B错误；DNA是由两条碱基互补配对且反向平行的脱氧核苷酸链构成的，C正确；末端的磷酸基团可以体现DNA双链的反向平行，D正确。

2．判断下列关于DNA分子结构的说法错误的是(　　)

A．①和②相间排列，构成DNA分子的基本骨架

B．所有的DNA分子中都有游离的磷酸基团

C．同一条链上碱基⑤⑥之间通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相连

D．图中④不能表示胞嘧啶脱氧核苷酸

B　解析：①磷酸基团和②脱氧核糖交替连接，排列在外侧，构成DNA分子的基本骨架，A正确；细胞质中环状的DNA分子如质粒，无游离的磷酸基团，B错误；DNA分子一条链上相邻的两个碱基通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相连，C正确；④中的①磷酸基团属于另一个核苷酸，故图中④不能表示胞嘧啶脱氧核苷酸，D正确。

【方法规律】DNA结构的两个热点考向

(1)相邻的碱基在DNA分子的一条单链中通过磷酸二酯键按“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”顺序相连接，在DNA的双链之间通过氢键相连接。

(2)不是所有的脱氧核糖都连接着两个磷酸基团，两条链各有一个3′端的脱氧核糖连接着一个磷酸基团；DNA链的方向是从磷酸基团到脱氧核糖，两条链反向平行，故一个DNA中有2个游离的磷酸基团。

考向2| 考查DNA结构的相关计算

3．(2021·北京卷)酵母菌的DNA中碱基A约占32%，关于酵母菌核酸的叙述错误的是(　　)

A．DNA复制后A约占32%

B．DNA中C约占18%

C．DNA中(A＋G)/(T＋C)＝1

D．RNA中U约占32%

D　解析：DNA复制为半保留复制，复制时遵循A－T、G－C的配对原则，则DNA复制后A约占32%，A正确；酵母菌的DNA中碱基A约占32%，则A＝T＝32%，G＝C＝(1－2×32%)/2＝18%，B正确；DNA碱基之间遵循碱基互补配对原则，即A＝T、G＝C，则(A＋G)/(T＋C)＝1，C正确；由于RNA为单链结构，且RNA是以DNA的一条单链为模板进行转录而来，故RNA中U不一定占32%，D错误。

4．DNA分子的两条链通过碱基对之间的氢键相互连接。其中A—T之间有2个氢键、C—G之间有3个氢键。氢键数目越多，DNA分子越稳定。下列相关叙述正确的是(　　)

A．核苷酸数目相同的2个DNA分子，其氢键数目一定相同

B．某双链DNA分子的一条链中A占30%，另一条链中A占28%，则该DNA分子中A—T之间的氢键数目要多于C—G之间的氢键数目

C．长度相同的双链DNA分子，由于(A＋C)/(G＋T)的值不同，它们的稳定性也不同

D．亲代DNA经过准确复制得到两个子代DNA，则亲子代DNA之间的(A＋T)/(G＋C)的值相同，稳定性也相同

D　解析：A—T之间有2个氢键、C—G之间有3个氢键，因此核苷酸数目相同的2个DNA分子，其氢键数目不一定相同，A错误；某双链DNA分子的一条链中A占30%，则另一条链中T占30%，另一条链中A占28%，则整个DNA分子中A＋T的比例为30%＋28%＝58%，C＋G的比例为1－58%＝42%，由于A—T之间有2个氢键、C—G之间有3个氢键，因此该DNA分子中A—T之间的氢键数目(碱基对数×58%×2)要少于C—G之间的氢键数目(碱基对数×42%×3)，B错误；由于A＝T，C＝G，则A＋C＝G＋T，不同的双链DNA分子，(A＋C)/(G＋T)比值相等，都等于1，C错误；亲代DNA和经过准确复制得到的两个子代DNA碱基序列都相同，因此亲子代DNA之间的(A＋T)/(G＋C)比值相同，稳定性也相同，D正确。

【技法总结】解答有关碱基计算题的“三步曲”

考点二　DNA的复制

1．DNA半保留复制的实验证据

(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实验过程。

④过程分析。

Ⅰ．立即取出，提取DNA→离心→全部重带。

Ⅱ．繁殖一代后取出，提取DNA→离心→全部中带。

Ⅲ．繁殖两代后取出，提取DNA→离心→1/2轻带、1/2中带。

⑤实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的。

2．DNA的复制

(1)

(2)过程。

(3)特点：边解旋边复制、半保留复制。

(4)准确复制的原因和意义。

①DNA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，保证了复制能准确地进行。

②DNA通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给了子代细胞，保持了遗传信息的连续性。

3．染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系

1．蛋白质和DNA在体内合成时均需要模板、能量和酶。 (　√　)

2．用3H标记胸腺嘧啶后合成脱氧核苷酸，注入真核细胞，可用于研究DNA复制的场所。              (　√　)

3．DNA复制时，严格遵循碱基互补配对原则。 (　√　)

4．DNA复制是边解旋边复制的。 (　√　)

1．图解法分析DNA复制的相关计算

(1)将含有15N的DNA放在含有14N的培养液中连续复制n次，则：

(2)DNA复制过程中消耗的脱氧核苷酸数。

①若亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n－1)。

②第n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·2n－1个。

2．DNA复制与细胞分裂中染色体标记问题

(1)有丝分裂中染色体标记情况。

①过程图解(一般只研究一条染色体)。

复制一次(母链标记，培养液不含标记同位素)：

转至不含标记同位素的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)减数分裂中染色体标记情况分析。

①过程图解：减数分裂一般选取一对同源染色体为研究对象，如下图：

②规律总结：由于减数分裂没有细胞周期，DNA只复制一次，因此产生的子染色体都带有标记。

(3)利用模型分析子细胞中染色体标记情况。

3．基因与遗传信息的关系

(1)基因是有遗传效应的DNA片段，是针对遗传物质为DNA的生物来讲的，对于少数RNA病毒，基因则是有遗传效应的RNA片段，其遗传信息则为核糖核苷酸的排列顺序。

(2)基因是核酸分子的功能片段。基因控制生物性状，是一个有机的化学实体，同时是控制生物性状的功能单位。但是基因与性状的关系并不是一对一的，即我们常说的“一因一效”，另外还有“一因多效”及“多因一效”。

(3)基因与染色体的关系：基因在染色体上呈线性排列。一条染色体上含有多个基因。

(4)有性别之分的生物，如果蝇体细胞中有8条染色体，其基因组需要测定的染色体为5条，即3条常染色体和2条性染色体；无性别之分的生物，如水稻体细胞中有24条染色体，其基因组需要测定的染色体则为12条。

考向1| DNA的复制过程

1．(2021·山东临沂模拟)科学家在研究DNA分子的复制方式时，进行了如图所示的实验(实验①②中培养多代，实验③④中各培养一代)。下列叙述错误的是(　　)

A．若DNA复制为全保留复制，则结果C、D中应均为一半重链DNA和一半轻链DNA

B．DNA复制过程中需要的原料、酶分别为脱氧核苷酸、解旋酶和DNA聚合酶

C．用15N标记的DNA作为模板，让其在含14N的培养基中复制三次，第三次复制后50%的DNA分子一条链含15N一条链含14N，50%的分子只含14N

D．DNA复制过程中遵循碱基互补配对原则，但可能发生配对差错

C　解析：分析实验③④可知，若DNA复制为全保留复制，则结果C中为一半14N/14N ­DNA(亲代DNA)和一半15N/15N­DNA(子代DNA)，结果D中为一半15N/15N­DNA(亲代DNA)和一半14N/14N­DNA(子代DNA)，A正确；DNA复制过程中需要的原料为脱氧核苷酸，酶为解旋酶和DNA聚合酶，B正确；用15N标记的DNA作为模板，让其在含14N的培养基中复制三次，根据DNA的半保留复制特点，以一个亲代DNA分子为例，第三次复制后得到8个DNA分子，其中有2个15N/14N­DNA分子(占25%)，6个14N/14N­DNA分子(占75%)，C错误；DNA复制过程中遵循碱基互补配对原则，由于DNA复制时双链解开，容易发生碱基配对差错，D正确。

2．真核细胞某生理过程如图所示，下列叙述正确的是(　　)

A．酶1可使磷酸二酯键断裂，酶2可催化磷酸二酯键的形成

B．a链和b链的方向相反，a链与c链的碱基序列互补配对

C．该图表示DNA半保留复制过程，遗传信息传递方向是DNA→RNA

D．c链和d链中G＋C所占比例相等，该比例越大，DNA 热稳定性越高

D　解析：酶1是解旋酶，作用是使氢键断裂，A错误；a链和c链均与b链的碱基互补配对，因此a链与c链的碱基序列相同，B错误；DNA复制过程中遗传信息的传递方向是DNA→DNA, C错误；c链和d链中的碱基是互补配对的，因此c链和d链中G＋C所占比例相等，A与T之间以两个氢键连接，G与C之间以三个氢键连接， 故G＋C所占比例越大，DNA分子的热稳定性越高，D正确。

考向2| DNA复制的相关计算

3．某个被15N标记的T2噬菌体(第一代)侵染未被标记的大肠杆菌后，共释放出n个子代噬菌体，整个过程中共消耗a个腺嘌呤。下列叙述正确的是(　　)

A．子代噬菌体中含15N的个体所占比例为1/(2n－1)

B．可用含15N的培养基直接培养出第一代噬菌体

C．噬菌体DNA复制过程需要的模板、酶、ATP和原料都来自大肠杆菌

D．第一代噬菌体的DNA中含有a/(n－1)个胸腺嘧啶

D　解析：用15N标记1个T2噬菌体的DNA，让该T2噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌后，释放出的n个子代噬菌体中，有2个被15N标记，因此子代噬菌体中含15N的个体所占的比例为2/n，A错误；噬菌体为病毒，不能用培养基直接培养噬菌体，B错误；T2噬菌体侵染大肠杆菌时，只将DNA注入大肠杆菌体内，噬菌体DNA复制过程所需的模板为噬菌体的DNA，所需的酶、ATP和原料都来自大肠杆菌，C错误；1个T2噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌后，其释放n个子代噬菌体，消耗a个腺嘌呤，则每个DNA分子中腺嘌呤的个数为a/(n－1)，由于噬菌体的遗传物质为DNA，根据碱基互补配对原则，一个双链DNA分子中的腺嘌呤数目与胸腺嘧啶数目相等，故第一代噬菌体的DNA中含有a/(n－1)个胸腺嘧啶，D正确。

【易错提醒】DNA复制解题时的四点“警示”

(1)“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别，前者包括所有的复制，但后者只包括第n次的复制。

(2)碱基的单位是“对”还是“个”。

(3)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分子都只有两个。

(4)看清试题中问的是“DNA分子数”还是“链数”，是“含”还是“只含”等关键词，以免掉进陷阱。

4．(2021·天津河西一模)用15N标记马蛔虫(2N＝8)的精原细胞核DNA双链，置于含14N的培养液中培养，让该精原细胞在特定的条件下进行一次有丝分裂或减数分裂。下列有关叙述正确的是(　　)

A．有丝分裂中期与减数分裂Ⅱ中期细胞核DNA数量相同

B．有丝分裂后期细胞中的核DNA分子均含有15N标记

C．减数分裂Ⅰ中期含14N的染色单体有8条

D．分别对减数分裂产生的四个精子的核DNA进行密度梯度离心，其结果不同

B　解析：有丝分裂中期细胞核DNA数量是减数分裂Ⅱ中期细胞核DNA数量的2倍，A错误；由于DNA分子的半保留复制，有丝分裂后期细胞中的核DNA分子均有一条链含15N标记，B正确；减数分裂Ⅰ中期染色体有8条，含14N的染色单体有16条，C错误；减数分裂产生的四个精子的每个核DNA中只有一条链含15N、另一条链含14N，对其分别进行密度梯度离心，其结果相同，D错误。

考向3| 基因与染色体的关系

5．下图为果蝇X染色体的部分基因，下列对此X染色体的叙述，错误的是(　　)

A．基因在染色体上呈线性排列

B．l、w、f和m为非等位基因

C．说明了各基因在染色体上的绝对位置

D．雄性X染色体上的基因来自其雌性亲本

C　解析：基因位于染色体上，且呈线性排列，A正确；等位基因是位于同源染色体上同一位置上控制相对性状的基因，而l、w、f和m在同一条染色体的不同位置，为非等位基因，B正确；题图说明了基因在染色体上的相对位置，C错误；雄性果蝇的X染色体来自其雌性亲本，因此雄性X染色体上的基因来自其雌性亲本，D正确。

【命题动态】 利用论文或学科经典研究文献中的情境考查DNA的结构、DNA的半保留复制实验的过程及分析；结合有丝分裂、减数分裂的过程，利用同位素标记技术考查DNA的复制与细胞分裂相关知识的综合考查是高考命题的热点。该部分内容可以选择题、非选择题形式出现，难度中档。

(2021·广东卷)DNA双螺旋结构模型的提出是二十世纪自然科学的伟大成就之一。下列研究成果中，为该模型构建提供主要依据的是(　　)

①赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质的实验

②富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱

③查哥夫发现的DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等

④沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制

A．①②  B．②③  C．③④  D．①④

[思维培养]

B　解析：赫尔希和蔡斯通过噬菌体侵染大肠杆菌的实验，证明了DNA是遗传物质，与构建DNA双螺旋结构模型无关，①不符合题意；沃森和克里克根据富兰克林等拍摄的DNA分子X射线衍射图谱，推算出DNA呈螺旋结构，②符合题意；查哥夫发现的DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等，沃森和克里克据此推出碱基的配对方式，③符合题意；沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制，是在DNA双螺旋结构模型之后提出的，④不符合题意。

1．(生活、学习和实践情境)由一对氢键连接的脱氧核苷酸，已查明它的结构中有一个腺嘌呤，则它的其他组成应是(　　)

A．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胞嘧啶

B．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个尿嘧啶

C．三个磷酸、三个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶

D．两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶

D　解析：由一对氢键连接的脱氧核苷酸，结构中有一个腺嘌呤，则另一个碱基是胸腺嘧啶，1分子脱氧核苷酸由1分子脱氧核糖、1分子磷酸、1分子含氮碱基组成，因此该脱氧核苷酸对除了腺嘌呤，其他组成是两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶。

2．(生活、学习和实践情境)某硕士生招考公安特岗部门，其中一道笔试题：图1是某DNA片段测序结构图，其碱基序列为TCGCTATTCC。图2是另一DNA片段的碱基序列，则图2所示的另一DNA片段的碱基序列应该是(　　)

A．CCAGTGCGCC B．TGCGTATTGG

C．TCGCTATTCC D．GGACTCGCGG

D　解析：图1是某DNA片段测序结构图，其碱基序列为TCGCTATTCC，说明从左边数，第一列的碱基是A，第二列的碱基是G，第三列的碱基是C，第四列的碱基是T。因此，图2所示的另一DNA片段的碱基序列为GGACTCGCGG。

3．(科学实验和探究情境)研究人员将1个含14N­DNA的大肠杆菌转移到以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中，培养24 h后提取子代大肠杆菌的DNA。将DNA解开双螺旋，变成单链；然后进行密度梯度离心，试管中出现两种条带(如图)。下列说法正确的是(　　)

A．由结果可推知该大肠杆菌的细胞周期大约为6 h

B．根据条带的数目和位置可以确定DNA的复制方式

C．解开DNA双螺旋的实质是破坏核苷酸之间的磷酸二酯键

D．若直接将子代DNA进行密度梯度离心也能得到两条条带

D　解析：由于14N单链∶15N单链＝1∶7，说明DNA复制了3次，因此可推知该细菌繁殖一次的时间大约为24÷3＝8(h)，A错误；由于DNA经过热变性后解开了双螺旋变成单链，所以根据条带的数目和位置只能判断DNA单链的标记情况，无法判断DNA的复制方式，B错误；解开DNA双螺旋的实质是破坏核苷酸之间的氢键，C错误；经上述分析可知，DNA复制3次，有2个DNA分子含有15N和14N，为中带，有6个DNA分子只含15N，为重带，所以直接将子代DNA进行密度梯度离心也可以得到两条条带，D正确。