第20讲DNA分子的结构复制与基因的本质（原卷版）

第20讲DNA分子的结构、复制与基因的本质（知识清单）学习导航站知识主脉络：可视化思维导图，建立知识框架核心知识库：重难考点总结，梳理必背知识、归纳重点考点1DNA的结构及特点★★★☆☆考点2DNA分子的复制和相关计算★★★☆☆考点3基因的本质★★★☆☆陷阱预警台：识别高频错误，提供防错策略（3大陷阱规避）素养加油站：前沿科研成果或热点问题分析真题挑战场：感知真题，检验成果，考点追溯

考点1DNA的结构及特点★★★☆☆1.DNA结构模型构建的主要探索成果（连线）（1）DNA是以4种为单位连接而成的长链，这4种分别含有4种碱基。（2）威尔金斯和富兰克林提供的表明DNA分子呈螺旋结构。（3）奥地利生物化学家查哥夫测定DNA的分子组成，发现在不同物种中四种的含量不同，但是A和T的含量总是的，C和G的含量。2.DNA双螺旋结构（1）DNA双螺旋结构模型构建者：美国生物学家沃森和英国物理学家。（2）DNA的基本组成单位——。①结构模式图脱氧核糖上与相连的碳称作1′－C，与相连的碳称作5′－C。②种类：腺嘌呤脱氧核苷酸、和胞嘧啶脱氧核苷酸，共4种。（3）DNA双螺旋结构的主要特点①DNA是由两条单链组成的，两条单链走向，从双链的一端起始，一条单链是从5′端到3′端的，另一条单链则是从3′端到5′端的。这两条链按方式盘旋成双螺旋结构。②DNA中的交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；排列在内侧。③两条链上的碱基通过连接成碱基对，并且碱基配对具有一定规律：一定与T（胸腺嘧啶）配对，一定与C（胞嘧啶）配对。碱基之间的这种一一对应的关系，叫作原则。特别提醒涉及的基本骨架或基本支架（1）生物大分子基本骨架：碳链。（2）细胞骨架：蛋白质纤维。（3）细胞膜基本支架：磷脂双分子层。（4）DNA双螺旋结构基本骨架：脱氧核糖和磷酸交替连接。3.DNA分子结构特点类型决定因素性具n个碱基对的DNA具有4n种碱基的排列顺序性每种DNA分子都有其特定的碱基的排列顺序性磷酸与脱氧核糖交替连接形成的基本骨架不变，碱基之间互补配对形成氢键的方式不变等【教材隐性知识】1.源于（必修2P51探究·实践）DNA只有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。2.源于（必修2P50图3－8）DNA的一条单链具有两个末端，一端有一个游离的磷酸基团，称作5'端，另一端有一个羟基（—OH），称作3'端，两条单链方向相反，一条单链是从5'端到3'端的，另一条单链是从3'端到5'端的。4.DNA分子结构中的化学键（1）碱基对中的氢键eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(形成：碱基互补配对,断开：DNA解旋酶或高温断裂))（2）磷酸二酯键eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(形成：DNA聚合酶或DNA连接酶,连接,断开：限制酶或DNA酶切断))5.DNA分子中碱基数量的关系（1）双链DNA分子中脱氧核糖：含氮碱基：磷酸：脱氧核苷酸＝。（2）双链DNA分子中A＝T、G＝C、A＋G＝＝A＋C＝T＋G，即和相等，等于碱基总数的。（3）在双链DNA分子中，所占比例在及分子中都相等。（4）双链DNA分子中，所占比例在两条互补链中互为关系。设双链DNA分子中，一条链上eq\f(A1＋G1,T1＋C1)＝m，则eq\f(A1＋G1,T1＋C1)＝eq\f(T2＋C2,A2＋G2)＝m，互补链上eq\f(A2＋G2,T2＋C2)＝eq\f(1,m)。简记为DNA两条互补链中，不配对两碱基之和的比值乘积为。（5）在一个双链DNA分子中，某碱基占碱基总数的百分数等于每条链中该碱基所占比例的，即A＝eq\f(A1＋A2,2)。6.双链DNA分子中氢键总数＝2×（A—T）碱基对数＋3×（G—C）碱基对数。考点2DNA分子的复制和相关计算★★★☆☆1.对DNA复制的推测（1）沃森和克里克的复制假说由于新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，因此这种复制方式称作。（2）遗传物质自我复制的其他假说全保留复制：DNA复制以为模板，子代DNA的双链都是新合成的。2.DNA半保留复制的实验证据（1）实验方法：。（2）实验原理：。（3）实验假设：。（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培养后立即取出：提取DNA→离心→结果：。②细胞分裂一次（即细菌繁殖一代）取出：提取DNA→离心→结果：。③细胞再分裂一次（即细菌繁殖两代）取出：提取DNA→离心→结果：。（7）实验结论：。（8）假设DNA以全保留的方式复制，则实验预期结果应为：。特别提醒证明DNA半保留复制所用的15N是不具有放射性的稳定的同位素，研究分泌蛋白的合成与分泌所用的3H是具有放射性的不稳定的同位素。3.DNA复制的过程（1）概念：以为模板合成的过程。（2）时间：在真核生物中，这一过程是在期，随着染色体的复制而完成的。（3）场所：真核生物主要在细胞核，还在和；原核生物在和细胞质。（4）条件：①模板：亲代DNA的每一条链；②原料：4种游离的；③能量：释放的能量（用于解旋）；④酶：和等（5）过程：解旋→合成子链→子链延伸→亲子链复旋（6）结果：一个DNA分子形成了两个的DNA分子。（7）特点：①半保留复制；②边解旋边复制。（8）意义：DNA通过复制，将从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了的连续性。4.真核生物与原核生物DNA的复制（1）真核生物的染色体DNA：一般是复制。（2）原核生物拟核DNA：一般是一个起点复制。特别提醒真核生物和原核生物的DNA复制真核DNA分子复制是从多个起点开始的，但多起点并非同时进行；而原核生物的DNA是环状双链且只有一个复制起点，但其复制速度很快，弥补只有一个复制位点的不足。5.与DNA复制有关的数量关系DNA分子的复制为半保留复制，一个DNA分子复制n次，则：（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＝个。（4）子代DNA分子中脱氧核苷酸链数＝条。（5）亲代脱氧核苷酸链数＝2条。（6）新合成的脱氧核苷酸链数＝条。（7）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次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为个。②n次复制后，DNA分子含该种脱氧核苷酸数＝m×2n个，（n－1）次复制后，DNA分子含该种脱氧核苷酸数＝个，则第n次复制需该种脱氧核苷酸数＝m×2n－m×2n－1＝m×（2n－2n－1）＝个。特别提醒1.有关DNA复制的几点“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”。2.明确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链的3′端上。（2）DNA连接酶：催化相邻DNA片段间磷酸二酯键的形成，即连接“片段”。（3）限制性内切酶：用于切断DNA双链中的磷酸二酯键。（4）DNA水解酶：用于将DNA分子水解为脱氧核苷酸。考点3基因的本质★★★☆☆1.基因的本质基因通常是的DNA片段。基因是控制生物性状的结构单位和单位，基因主要位于上，基因在染色体上呈排列。特别提醒1.RNA病毒的基因是有遗传效应的RNA片段。2.这里的“遗传效应”主要是指指导蛋白质合成、控制生物体性状等，即遗传物质的“复制、遗传和表达”。2.基因与DNA、染色体的关系（1）基因与DNA的关系：两者的化学成分是一样的，基本组成单位都是。（2）基因与染色体的关系：基因与染色体是的关系（即基因与染色体的行为存在一致性。这个“推论”的提出者是萨顿，而证明此推论的是摩尔根及其学生，运用的是“假说—演绎法”）。①等位基因存在于上，染色体的行为与基因的遗传有很大关系。②每条染色体上有个基因。（3）染色体与DNA的关系：染色体是DNA的。①染色体主要由组成（还含有少量RNA），分布在细胞核中（真核生物的DNA主要分布在细胞核中）。②叶绿体、线粒体、原核生物的拟核、质粒，以及部分病毒中也有DNA。3.DNA分子的多样性和特异性（1）多样性：碱基排列顺序的千变万化，构成DNA分子的多样性，如某DNA分子中有n个碱基对，则其可能的排列顺序有种。（2）特异性：特定的排列顺序，构成了每个DNA分子的特异性。特别提醒真、原核细胞基因的结构陷阱1DNA分子的结构的几点易错点易错表现正确理解认为DNA分子一条链上的相邻碱基通过“—磷酸—脱氧核糖—磷酸—”相连相邻碱基在DNA分子的一条单链上通过“脱氧核糖—核糖—脱氧核糖”相连认为沃森和克里克用DNA衍射图谱得出碱基配对方式沃森和克里克以DNA衍射图谱为基础推算出DNA呈螺旋结构认为DNA每条链的5'端是羟基末端DNA每条链的5'端是磷酸基团末端，3'端是羟基（—OH）末端认为DNA中的脱氧核糖都连接着两个磷酸基团DNA两条链各有一个3′端的脱氧核糖连接着一个磷酸基团认为某个DNA分子中的嘌呤数等于嘧啶数，则该DNA分子一定为双链单链DNA分子中嘌呤数和嘧啶数也可能相等陷阱2DNA分子的复制和相关计算的几点易错点易错表现正确理解认为DNA中氢键全部断裂后，以两条母链为模板各合成一条子链DNA复制是一个边解旋边复制的过程，而非完全解开后再复制认为生物体内的DNA常与蛋白质结合，以DNA—蛋白质复合物的形式存在，则该蛋白质一定是组蛋白若复合物中的某蛋白质参与DNA复制，则该蛋白质一定是DNA聚合酶，该蛋白质也有可能是解旋酶认为DNA分子复制时，子链的合成过程不需要引物参与，只有PCR过程需要子链的合成过程都需要引物认为DNA复制时，脱氧核苷酸通过氢键连接成子链脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成子链陷阱3关于基因的几点易错点易错表现正确理解认为DNA可以划分成若干片段，每个片段都是基因只有具有遗传效应的DNA片段才是基因，而不是任意片段认为有些病毒只有RNA，故该病毒没有基因对于RNA病毒，其具有遗传效应的RNA也是基因认为相对分子质量大小相同、碱基含量相同的核酸分子所携带的遗传信息一定相同遗传信息主要是指DNA分子中碱基的排列顺序，相对分子质量大小相同、碱基含量相同的核酸分子中的碱基排列顺序也可能不同认为复制的单位是基因，复制过程需要解旋，但不需要解旋酶复制是以DNA分子的两条链为模板的，转录的单位才是基因。复制过程需要解旋酶DNA复制的拓展1．DNA的复制需要引物：DNA聚合酶不能从头合成DNA，而只能从已存在的DNA链的3′端延长，因此DNA复制需要引物（在细胞中是一段与模板DNA互补配对的短链RNA，PCR中的引物是DNA）。2．半不连续复制（1）据图可知，连续复制链（前导链）延伸方向与解旋方向相同，不连续复制链（后随链）延伸方向与解旋方向相反。（2）后随链合成过程中，先合成的小片段的引物被切除，切除引物留下的空隙由后合成的相邻片段继续延长来补充。各个片段由DNA连接酶将其连成一条完整的DNA子链。（3）切除引物后，子链会比母链短一截（如图中连续复制链），这就是端粒DNA在每次细胞分裂后缩短的原因，可由端粒酶延长。3．双向复制：绝大多数DNA采取双向复制，少数DNA单向复制4．真核生物染色体DNA的复制特点5．几种环状DNA的复制：θ复制、D环复制、滚环复制。（1）θ复制：如大肠杆菌DNA复制，特点是单起点双向复制。（2）D环复制：如线粒体或叶绿体DNA复制，特点是两条链复制不同步（填“同步”或“不同步”）。（3）滚环复制：如某些噬菌体单链DNA、环状质粒的复制。考点预测：1.引物相关机制的考查（1）核心考点：引物的作用、化学本质及与DNA聚合酶的关系。（2）可能问题：“为什么DNA复制必须需要引物？”（答案指向DNA聚合酶不能从头合成，只能延伸3′端）。“细胞内DNA复制的引物与PCR技术中引物的化学本质有何不同？简述原因。”（细胞内是RNA，PCR是DNA；原因可结合细胞内存在RNA酶降解引物，而PCR无需体内酶系）。（3）结合半不连续复制：“前导链和后随链是否都需要引物？每个冈崎片段是否都需要独立引物？”2.半不连续复制的深度分析（1）前导链与后随链的区分：结合图示考查：“根据DNA解旋方向，判断图中哪条链为前导链（连续复制链），并说明理由。”（2）冈崎片段的形成与连接：考查冈崎片段的成因（后随链延伸方向与解旋方向相反）及后续处理步骤（切除引物→填补空隙→DNA连接酶连接）。可能问题：“DNA连接酶在冈崎片段拼接中发挥什么作用？与DNA聚合酶的功能有何区别？”（连接磷酸二酯键，填补相邻片段的缺口；DNA聚合酶催化脱氧核苷酸的聚合）。（3）端粒缩短与端粒酶的作用：结合细胞衰老或癌细胞特性考查：“为什么每次DNA复制后，染色体端粒会缩短？端粒酶如何弥补这一问题？”（引物切除后无法填补末端空隙；端粒酶以自身RNA为模板延长端粒DNA）。拓展问题：“癌细胞能无限增殖，与端粒酶的活性有何关系？”（癌细胞中端粒酶活性高，可维持端粒长度）。3.复制方向的多样性考查（1）双向复制的验证与意义：可能结合实验设计：“如何通过同位素标记实验证明DNA是双向复制？”（如用放射性标记原料，观察复制叉的双向扩展）。考查双向复制的意义（提高复制效率）。（2）与环状DNA复制的关联：如θ复制（单起点双向）是双向复制的典型案例，可考查其复制叉的移动方向。4.真核生物染色体DNA复制的特点（1）多起点复制：考查真核生物与原核生物复制起点的差异（真核多起点，原核单起点）及意义（适应长染色体的快速复制）。可能问题：“真核生物染色体上的多个复制起点是否同步启动？（通常不同步，如卵母细胞的DNA复制可同步启动以快速增殖）。（2）复制的时序性：考查染色体上不同区域复制的先后顺序（如常染色质先复制，异染色质后复制）。1．（2025·北京·高考真题）1958年，Meselson和Stahl通过15N标记DNA的实验，证明了DNA的半保留复制。关于这一经典实验的叙述正确的是（

）A．因为15N有放射性，所以能够区分DN