2025版高考生物一轮总复习教师用书必修2第6单元遗传的分子基础第2讲DNA分子的结构复制与基因的本质考点二DNA分子的复制及相关计算

考点二DNA分子的复制及相关计算必备知识·夯实基础知|识|巩|固1．DNA分子复制的研究(1)方式推测：沃森和克里克提出遗传物质自我复制的假说：DNA分子复制方式为半保留复制。(2)实验证据①实验方法：同位素示踪技术和离心技术。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。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过程分析立即取出，提取DNA→离心→全部重带。繁殖一代后取出，提取DNA→离心→全部中带。繁殖两代后取出，提取DNA→离心→eq\f(1,2)轻带、eq\f(1,2)中带。⑦实验结论：DNA的复制是以半保留方式进行的。2．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：细胞有丝分裂的间期和减数分裂Ⅰ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。3．DNA分子精确复制的原因(1)DNA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。4．DNA分子复制的意义使遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。思|维|辨|析易错整合，判断正误。(1)将已被15N标记了DNA的大肠杆菌在含14N的培养基中培养繁殖一代，若子代大肠杆菌的DNA分子中既含有14N，又含有15N，则可说明DNA的复制为半保留复制。(×)(2)DNA分子复制时，解旋酶与DNA聚合酶不能同时发挥作用。(×)(3)单个脱氧核苷酸在DNA聚合酶的作用下连接合成新的子链。(×)延|伸|探|究1．在细胞内，DNA的两条链都能作为模板，由于DNA分子的两条链是反向平行的，每条链都通过磷酸和脱氧核糖的3′、5′碳原子相连而成，因此每条链的两端是不同的，其中，一端是3′－端(3′羟基)，另一端是5′－端(5′磷酸基团)。在DNA复制中，DNA聚合酶催化合成的方向是5′→3′，而不是3′→5′。DNA复制又是边解旋边复制。请推测DNA聚合酶是如何催化DNA复制的？提示：DNA复制时，一条模板链是3′→5′走向，其互补链在5′→3′方向上连续合成，并称为前导链；另一条模板链是5′→3′走向，其互补链也是沿5′→3′方向合成，但是与前导链的合成方向正好相反，随着复制的进行会形成许多不连续的片段，最后不连续片段连成一条完整的DNA单链，称为后随链。如图所示：2．分析DNA复制过程(1)图示中的解旋酶和DNA聚合酶各有什么作用？提示：前者使氢键打开，DNA双链解旋；后者催化形成磷酸二酯键，从而形成新的子链。(2)蛙的红细胞和哺乳动物成熟的红细胞，是否都能进行图示过程？提示：蛙的红细胞进行无丝分裂，可进行DNA分子的复制；哺乳动物成熟的红细胞已丧失细胞核，也无各种细胞器，不能进行DNA分子的复制。(3)上图所示DNA复制过程若发生在细胞核内，形成的两个子DNA位置如何？其上面对应片段中基因是否相同？两个子DNA将于何时分开？提示：染色体复制后形成两条姐妹染色单体，刚复制产生的两个子DNA分子分别位于两条姐妹染色单体上，由着丝粒相连；其对应片段所含基因在无基因突变等特殊变异情况下应完全相同；两个子DNA分子将于有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期着丝粒分裂时，随两条姐妹染色单体的分离而分开，分别进入两个子细胞中。剖析难点·考点突破重|难|精|讲1．归纳概括DNA复制的五个问题(1)复制的场所：主要场所是细胞核，但在拟核、线粒体、叶绿体、细胞质基质(如质粒)中也可进行DNA复制。(2)外界条件对DNA复制的影响：在DNA复制的过程中，需要酶的催化和ATP供能，凡是影响酶活性的因素和影响细胞呼吸的因素，都会影响DNA的复制。(3)复制方式：半保留复制。新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链(模板链)。(4)过程特点：边解旋边复制；多起点解旋和复制。(5)DNA复制的准确性①一般情况下，DNA分子能准确地进行复制。原因是DNA具有独特的双螺旋结构，能为复制提供精确的模板；通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。②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，引发基因突变。2．“图解法”分析DNA复制相关计算(1)将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基中连续复制n次(如上图)，则：①子代DNA共2n个eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(含15N的DNA分子：2个,只含15N的DNA分子：0个,含14N的DNA分子：2n个,只含14N的DNA分子：2n－2个))②脱氧核苷酸链共2n＋1条eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(含15N的脱氧核苷酸链：2条,含14N的脱氧核苷酸链：2n＋1－2条))(2)DNA分子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)个。②第n次复制需要该种脱氧核苷酸数为m·2n－1个。精|准|命|题考向一结合DNA复制的过程及实验证据，考查科学思维》例1(2024·陕西咸阳模拟)在氮源为14N和15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子分别为14N—DNA(相对分子质量为a)和15N—DNA(相对分子质量为b)。将含15N的亲代大肠杆菌转移到含14N的培养基上，连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ)，用离心方法分离得到的结果如图所示。下列对此实验的叙述正确的是(C)A．Ⅰ代细菌DNA分子中两条链都是14NB．Ⅱ代细菌含15N的DNA分子占全部DNA分子的eq\f(1,4)C．预计Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质量为eq\f(7a＋b,8)D．上述实验Ⅰ代→Ⅱ代的结果能证明DNA复制方式为半保留复制解析：Ⅰ代细菌DNA分子中一条链是14N，另一条链是15N，A错误；Ⅱ代细菌含15N的DNA分子有2个，占全部(4个)DNA分子的eq\f(1,2)，B错误；由于1个含有14N的DNA分子的相对分子质量为a，则每条链的相对分子质量为eq\f(a,2)，1个含有15N的DNA分子的相对分子质量为b，则每条链的相对分子质量为eq\f(b,2)。将亲代大肠杆菌转移到含14N的培养基上，连续繁殖三代，得到共8个DNA分子，这8个DNA分子共16条链，只有2条是含15N的，14条是含14N的，因此总相对分子质量为eq\f(b,2)×2＋eq\f(a,2)×14＝b＋7a，所以每个DNA分子的平均相对分子质量为eq\f(7a＋b,8)，C正确；实验Ⅰ代→Ⅱ代的结果不能证明DNA复制方式为半保留复制，从亲代→Ⅰ代→Ⅱ代才能说明DNA是半保留复习，D错误。〔变式训练1〕关于DNA分子复制机制，科学家用荧光染料给Rep(DNA解旋酶中作为引擎的那部分结构，驱动复制叉的移动)加上了绿色荧光蛋白从而获知被标记的分子相对于DNA分子的运动轨迹，结果如图所示。下列相关叙述错误的是(A)A．DNA分子的一条单链中，具有一个游离的磷酸基团的一端被称为3′－端B．Rep可以破坏DNA双链之间的氢键C．DNA结合蛋白可能具有防止DNA单链重新形成双链的作用D．根据材料推断Rep推动复制叉移动需要水解ATP提供能量解析：DNA分子的一条单链中，具有一个游离的磷酸基团的一端被称为5′－端，A错误；由题干可知，Rep是DNA解旋酶中作为引擎的那部分结构，能驱动复制叉的移动，使得双链打开，故Rep可以破坏DNA双链之间的氢键，B正确；DNA结合蛋白缠绕在DNA单链上，可防止DNA单链重新形成双链，C正确；DNA复制需要ATP提供能量，Rep推动复制叉移动需要通过水解ATP提供能量，D正确。考向二围绕DNA分子复制的相关计算，考查演绎推理能力》例2将一个不含放射性同位素32P标记的大肠杆菌(拟核DNA呈环状，共含有m个碱基，其中有a个胸腺嘧啶)放在含有32P标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中培养一段时间，检测到如图Ⅰ、Ⅱ两种类型的DNA(虚线表示含有放射性的脱氧核苷酸链)。下列有关该实验的结果预测与分析，正确的是(D)A．DNA第二次复制产生的子代DNA有Ⅰ、Ⅱ两种类型，比例为1∶3B．DNA复制后分配到两个子细胞时，其上的基因遵循基因分离定律C．复制n次需要胞嘧啶的数目是eq\f(2n－1m－a,2)个D．复制n次形成的放射性脱氧核苷酸单链为2n＋1－2条解析：DNA复制为半保留复制，形成的子代DNA含有一条亲代链和一条新形成的子代链，所以DNA第二次复制产生的4个子代DNA分子中，2个为Ⅰ类型，2个为Ⅱ类型，比例为1∶1，A错误；大肠杆菌属于原核生物，不能进行减数分裂，细胞内的基因不遵循基因分离定律，B错误；拟核DNA中共含有m个碱基，其中有a个胸腺嘧啶，则A＝T＝a，G＝C＝eq\f(1,2)(m－2a)，复制n次需要胞嘧啶的数目是eq\f(1,2)(2n－1)(m－2a)，C错误；复制n次可以合成DNA分子数为2n，共有2n＋1条链，只有两条母链不含放射性，所以形成的放射性脱氧核苷酸单链为2n＋1－2条，D正确。有关DNA复制和计算的4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给出的碱基的单位是“对”还是“个”；所问的是“DNA分子数”还是“链数”，是“含”还是“只含”。(4)在真核生物中，DNA复制一般是多起点复制；在原核生物中，DNA复制一般是一个起点。无论是真核生物还是原核生物，DNA复制大多数都是双向进行的。〔变式训练2〕(2024·襄阳四中调研)一个双链均被32P标记的DNA由5000个碱基对组成，其中腺嘌呤占20%，将其置于只含31