2024届人教版高中生物一轮复习DNA的结构、复制及基因的本质学案（多项版）

这是一份2024届人教版高中生物一轮复习DNA的结构、复制及基因的本质学案（多项版），共16页。
第2课　DNA的结构、复制及基因的本质
[复习目标]　1.通过掌握DNA的结构和功能，理解生命的延续和发展。(生命观念)　2.通过DNA中的碱基数量和DNA复制的计算规律，培养归纳与概括、逻辑分析和计算能力。(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)
考点一　DNA的结构

1．DNA双螺旋结构模型的构建
(1)构建者：美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。
(2)过程

2．DNA分子的结构层次

[教材深挖]
　(必修2 P51探究·实践)DNA只含有4种脱氧核苷酸，能够储存足够量遗传信息的原因是构成DNA的4种脱氧核苷酸的数目成千上万，脱氧核苷酸的排列顺序千差万别。
[易错辨析]
1．威尔金斯和富兰克林通过对DNA衍射图谱的有关数据进行分析，得出DNA分子呈螺旋结构。(×)
2．DNA分子一条链上的相邻碱基通过“磷酸—脱氧核糖—磷酸”相连。(×)
3．双链DNA分子同时含有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分子是由两条核糖核苷酸长链反向平行盘旋成双螺旋结构。(×)
5．DNA分子中(A＋T)/(C＋G)的值越大，该分子结构稳定性越低。(√)

1．理清DNA分子结构中两种关系与两类化学键及方向性


2．DNA分子中碱基数量的计算规律



命题点1　围绕DNA分子的结构和特性考查生命观念及科学思维
1．(2022·浙江6月选考)某同学欲制作DNA双螺旋结构模型，已准备了足够的相关材料。下列叙述正确的是(　　)
A．在制作脱氧核苷酸时，需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基
B．制作模型时，鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连
C．制成的模型中，腺嘌呤与胞嘧啶之和等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶之和
D．制成的模型中，磷酸和脱氧核糖交替连接位于主链的内侧
解析：选C。在制作脱氧核苷酸时，需在脱氧核糖上连接磷酸和碱基，A错误；鸟嘌呤和胞嘧啶之间由3个氢键连接，B错误；DNA的两条链之间遵循碱基互补配对原则，即A＝T、C＝G，故在制作的模型中A＋C＝G＋T，C正确；DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架，碱基在内侧，D错误。
2．(2021·山东卷)我国考古学家利用现代人的DNA序列设计并合成了一种类似磁铁的“引子”，成功将极其微量的古人类DNA从提取自土壤沉积物中的多种生物的DNA中识别并分离出来，用于研究人类起源及进化。下列说法正确的是(　　)
A．“引子”的彻底水解产物有两种
B．设计“引子”的DNA序列信息只能来自核DNA
C．设计“引子”前不需要知道古人类的DNA序列
D．土壤沉积物中的古人类双链DNA可直接与“引子”结合从而被识别
解析：选C。根据分析“引子”是一段DNA序列，彻底水解产物有磷酸、脱氧核糖和四种含氮碱基，共6种产物，A错误；由于线粒体中也含有DNA，因此设计“引子”的DNA序列信息还可以来自线粒体DNA，B错误；根据题干信息“利用现代人的DNA序列设计并合成了引子”，说明设计“引子”前不需要知道古人类的DNA序列，C正确；土壤沉积物中的古人类双链DNA需要经过提取，且在体外经过加热解旋后，才能与“引子”结合，而不能直接与引子结合，D错误。
命题点2　围绕DNA结构的相关计算考查科学思维
3．已知某DNA分子中，G与C之和占全部碱基总数的35.8%，其中一条链中的T与C分别占该链碱基总数的32.9%和17.1%。则在它的互补链中，T和C分别占该链碱基总数的(　　)
A．32.9%，17.1%　　 B．31.3%，18.7%
C．18.7%，31.3% D．17.1%，32.9%
解析：选B。互补的碱基之和的比例在DNA的任何一条链中及整个DNA分子中都相等，由G与C之和占全部碱基总数的35.8%，T和C分别占一条链碱基总数的32.9%和17.1%，可知A占这条链碱基总数的1－35.8%－32.9%＝31.3%，G占这条链碱基总数的35.8%－17.1%＝18.7%，根据碱基互补配对原则，它的互补链中T、C的比例分别为31.3%、18.7%。
4.(2022·河南洛阳模拟)如图表示有关DNA分子中的部分关系，下列判断正确的是(　　)

A．若x、y分别表示DNA两条互补链中(A＋G)/(T＋C)的量，则符合甲曲线变化
B．若x、y分别表示DNA两条互补链中(G＋T)/(A＋C)的量，则符合甲曲线变化
C．若x、y分别表示DNA两条互补链中(A＋T)/(G＋C)的量，则符合乙曲线变化
D．若x、y分别表示DNA一条链和整个DNA中嘌呤/嘧啶的量，则符合乙曲线变化
解析：选C。DNA两条互补链中(A＋G)/(T＋C)的量是互为倒数的关系，此情况不符合甲曲线变化，A错误；DNA两条互补链中(G＋T)/(A＋C)的量互为倒数，此情况不符合甲曲线变化，B错误；根据碱基互补配对原则，DNA两条互补链中(A＋T)/(G＋C)的量是相等的，此情况符合乙曲线变化，C正确；由于DNA中A＝T、G＝C，A＋G＝T＋C，嘌呤数＝嘧啶数，整个的量始终等于1，但DNA一条链中嘌呤/嘧啶的量不确定，D错误。
[技法提炼]　解答有关碱基计算题的“三步曲”

考点二　DNA分子的复制及基因的概念

1．证明DNA半保留复制的实验
(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。
①重带(密度最大)：两条链都为15N标记的亲代双链DNA。
②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。
③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)实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的。
[教材深挖]
(必修2 P55旁栏思考)第一代只出现一条居中的DNA条带，这个结果排除了哪种复制方式？
提示：第一代只出现一条居中的DNA条带，这个结果排除了全保留复制的方式。
2．DNA的复制
(1)概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
(2)发生时期：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)过程

(4)场所：真核生物的细胞核、线粒体和叶绿体；原核生物的拟核和细胞质。
(5)特点：边解旋边复制、半保留复制。
(6)方向：5′→3′。
(7)意义：DNA分子通过复制，将遗传信息从亲代传给了子代，从而保持了遗传信息的连续性。
(8)DNA分子精确复制的原因
①DNA分子的双螺旋结构提供精确的模板。
②碱基互补配对原则保证复制准确进行。
3．DNA分子的特性与基因的概念
(1)DNA分子的特性

(2)基因的概念
基因通常是具有遗传效应的DNA片段；有些病毒的遗传物质是RNA，对这类病毒而言，基因就是有遗传效应的RNA片段。
[易错辨析]
1．单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链。(×)
2．DNA分子复制时解旋酶催化磷酸二酯键的断裂。(×)
3．DNA分子复制时解旋酶与DNA聚合酶不能同时发挥作用。(×)
4．DNA分子复制与染色体复制是分别独立进行的。(×)
5．基因就是具有遗传效应的DNA片段。(×)

1．明辨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的链上。
(2)DNA连接酶：将多个复制起点所复制出的“DNA片段”“缝合”起来形成磷酸二酯键，即连接“片段”。
(3)限制性内切核酸酶：用于切断DNA双链中主链上的磷酸二酯键。
(4)DNA水解酶：用于将DNA分子水解为脱氧核苷酸。
2．“图解法”分析DNA复制过程中的数量关系
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；
②一个DNA分子复制n次后，得到的DNA分子数为2n个，复制(n－1)次后得到的DNA分子数为2n－1个。第n次复制增加的DNA分子数为2n－2n－1＝ 2n－1(个)，需要含该碱基的脱氧核苷酸数为m·2n－1个。
3．理清基因、DNA、染色体之间的关系


命题点1　围绕DNA复制过程与特点考查生命观念及科学探究
1．如图所示为某DNA复制过程的部分图解，其中rep蛋白具有解旋的功能。下列相关叙述错误的是(　　)

A．rep蛋白可破坏A与C、T与G之间形成的氢键
B．DNA结合蛋白可能具有防止DNA单链重新形成双链的作用
C．DNA复制具有边解旋边复制和半保留复制的特点
D．随从链之间的缺口需要DNA连接酶将其补齐
解析：选A。rep蛋白具有解旋功能，破坏的是A与T、G与C之间的氢键；从题图中可看出有了DNA结合蛋白后，碱基对之间不能再形成氢键，可以防止DNA单链重新形成双链；DNA复制具有边解旋边复制和半保留复制的特点；DNA连接酶可以将随从链之间的缺口通过磷酸二酯键连接，从而形成完整的单链。
2．(2022·河南部分学校开学考试)早期，科学家对DNA分子复制方式的预测如图甲所示。1958年，科学家以大肠杆菌为实验材料，设计了一个巧妙的实验(如图乙所示)，试管②③④⑤是模拟实验中可能出现的结果。下列相关叙述正确的是(　　)

甲

A．图乙实验运用的主要技术包括荧光标记和离心
B．图乙中Ⅰ的目的是标记DNA，至少需要60 min才会出现试管④的结果
C．若培养30 min后离心得到试管③的结果，则可以确定DNA复制的方式是半保留复制
D．若为全保留复制，则复制n代后15N/15N－DNA所占比例为1/2n，离心呈现结果②
解析：选B。图乙实验运用的主要技术为同位素标记和离心，A错误；图乙中Ⅰ的目的是标记大肠杆菌的DNA，每30 min复制一代，故至少需要60 min才会出现试管④的结果，B正确；若培养30 min后离心得到试管③的结果，只能排除全保留复制，还不能确定DNA复制的方式是分散复制还是半保留复制，C错误；若为全保留复制，则复制n代后只有1个15N/15N－DNA，其余全为14N/14N－DNA，故15N/15N－DNA所占比例为1/2n，离心呈现结果为最上边和最下边两种条带，不是结果②，D错误。
3．(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____________________。
解析：(1)因为dATP分子中的两个高能磷酸键断裂后形成的dAMP(脱氧核糖核苷酸)是组成DNA的基本单位之一，所以只有α位磷酸基团中的磷是32P，才能使DNA合成原料具有放射性，最终使合成的DNA具有32P的放射性。(2)由题意可知，本实验的目的是用一段由放射性同位素标记的DNA片段确定基因在染色体上的位置，在混合操作之前应去除样品中的RNA分子，若不去除RNA分子，则RNA会与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，导致无法确定基因在染色体上的位置。(3)DNA要先解开双链，片段甲才能通过碱基互补配对与染色体样品中的W基因结合，因此，需要通过某种处理使样品中的染色体DNA解旋。(4)因为酶具有专一性，故应用DNA水解酶去除样品中的DNA。
答案：(1) dATP分子中的两个高能磷酸键断裂后形成的dAMP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水解酶(或DNA酶)
命题点2　围绕DNA复制过程中的有关计算考查科学思维
4．(2022·滨州模拟)用15N标记两条链含有200个碱基的DNA分子，其中胞嘧啶有60个，该DNA分子在含14N的培养基中连续复制3次。下列有关说法不正确的是(　　)
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320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
解析：选B。该DNA分子有200个碱基，其中胞嘧啶有60个，则G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正确；该DNA分子含有腺嘌呤脱氧核苷酸(A)40个，则复制3次共需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为(23－1)×40＝280(个)，B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条链含15N，故含15N的单链与含14N的单链之比为2∶14，即1∶7，C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正确。
[归纳总结]　有关DNA复制和计算的3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问的是“DNA分子数”还是“链数”，是“含”还是“只含”。

[真题演练]
1．(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
解析：选B。威尔金斯和富兰克林提供了DNA衍射图谱；查哥夫提出碱基A的量总是等于T的量，C的量总是等于G的量；沃森和克里克在以上基础上提出了DNA分子的双螺旋结构模型。①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；②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分子呈螺旋结构，②符合题意；③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；④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。
2．(2021·辽宁卷)下列有关细胞内的DNA及其复制过程的叙述，正确的是(　　)
A．子链延伸时游离的脱氧核苷酸添加到3′端
B．子链的合成过程不需要引物参与
C．DNA每条链的5′端是羟基末端
D．DNA聚合酶的作用是打开DNA双链
解析：选A。子链延伸时由5′→3′合成，故游离的脱氧核苷酸添加到3′端，A正确；子链的合成过程需要引物参与，B错误；DNA每条链的5′端是磷酸基团末端，3′端是羟基末端，C错误；解旋酶的作用是打开DNA双链，D错误。
3．(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(如图所示)，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
解析：选C。单链序列脱氧核苷酸数量相等、分子骨架同为脱氧核糖与磷酸交替连接，不能决定线性DNA分子两端能够相连，A、B错误；据图可知，单链序列的碱基能够互补配对，决定线性DNA分子两端能够相连，C正确；DNA的两条链是反向的，因此自连环化后两条单链方向相反，D错误。
4．(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%
解析：选D。DNA分子为半保留复制，复制时遵循A－T、G－C的配对原则，则DNA复制后的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遵循碱基互补配对原则，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。
[长句特训]
(2022·山东济宁市模拟)如图是DNA复制示意图，E表示酶，α、β是新合成的子链。根据资料回答问题：

DNA复制示意图
资料1.所有已知DNA聚合酶的合成方向都是相同的，DNA复制时，以其中一条链为模板，连续合成一条子链(称为前导链)；以另一条链为模板，合成子链片段，在DNA连接酶的作用下将子链片段，连接成一条完整的子链(称为滞后链)。
资料2.所有已知的DNA聚合酶都不能发动新链的合成，而只能催化已有链的延长反应。然而RNA聚合酶则不同，它只需要DNA模板存在，就可以合成出新的RNA链。
资料3.DNA复制过程中，首先以DNA为模板合成几个至十几个核苷酸的RNA引物片段，然后DNA聚合酶Ⅲ继续在引物末端连接核苷酸使子链延伸。RNA引物的消除和缺口的填补是由DNA聚合酶Ⅰ来完成的。
设问形式1　概念表述类命题
(1)图中酶E是____________，作用于DNA分子的____________。
设问形式2　思维推断类命题
(2)图中________是滞后链，RNA引物在其____________端。
设问形式3　科学探究类命题
(3)据资料分析，DNA复制需要____________种酶。现有DNA连接酶变异的温度敏感型大肠杆菌，其DNA连接酶仅在适当温度范围内起作用。根据资料1提出一个证明细胞内合成滞后链DNA片段的思路。____________________。
解析：(1)从图上看，酶E是与DNA双链结合的酶，应该是解旋酶，作用于DNA分子的氢键，使DNA双链打开，分别作复制的模板。(2)从图中看，α链是从5′开始合成的，可以连续合成，是前导链；由于β链是以亲代模板的5′开始碱基互补配对，只能先合成子链片段，在DNA连接酶的作用下将子链片段连接成一条完整的子链，所以是滞后链，RNA引物在β链的5′端。(3)根据资料分析，DNA复制需要5种酶：①解旋酶催化DNA打开双链；②RNA聚合酶合成RNA引物；③DNA聚合酶Ⅲ继续在引物末端连接核苷酸使子链延伸；④DNA聚合酶Ⅰ会消除RNA引物和填补缺口；⑤DNA连接酶将子链片段连接成完整的子链。DNA连接酶主要起连接滞后链的作用，酶的活性受温度的影响，若酶的活性下降，酶促反应速率下降，滞后链不能连接，就会有DNA片段的积累，故设计思路如下：在DNA连接酶不起作用的温度下培养DNA连接酶变异的温度敏感型大肠杆菌，一段时间后，测其细胞内是否有DNA片段积累。
答案：(1)解旋酶　氢键　(2)β　5′　(3)5　在DNA连接酶不起作用的温度下培养DNA连接酶变异的温度敏感型大肠杆菌，一段时间后，测其细胞内是否有DNA片段积累
(4)8　(5)1500