2027届高中生物一轮复习讲义第六单元　专题突破9　DNA复制与冈崎片段、DNA损伤的修复机制

DNA复制与冈崎片段、DNA损伤的修复机制一、DNA复制与“冈崎片段”DNA聚合酶不能从头合成DNA，而只能从3′端以5′端→3′端方向催化延伸聚合子代DNA链(因此DNA复制需要引物，为DNA聚合酶提供3′端)，DNA的两条链是反向平行的，两条链的复制过程如图：DNA复制过程中，当以a链为模板时，DNA聚合酶可以沿5′端→3′端方向连续合成新的互补链(称为前导链)；以b链为模板时，DNA聚合酶也是沿5′端→3′端方向合成新链片段，但是与前导链的合成方向相反，最终合成的互补链(称为后随链)实际上是由许多沿5′端→3′端方向合成的DNA片段连接起来的。学者冈崎等人将此不连续、相对较短的DNA片段称为冈崎片段。归纳总结(1)连续复制链(前导链)复制方向与解旋方向相同，不连续复制链(后随链)复制方向与解旋方向相反，合成一些小的不连续片段。(2)连续复制链(前导链)：切除引物后，子链会比母链短一截，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)不连续复制链(后随链)：切除引物后继续延长子链，补充切除引物留下的空隙。各个片段由DNA连接酶将其连成一条完整的DNA子链。典例1DNA复制时，一条新子链可以进行连续复制，而另一条链只能先合成新链片段即冈崎片段(如图所示)。DNA聚合酶不能直接起始DNA新链或冈崎片段的合成，需先借助引物酶以DNA为模板合成RNA引物，然后DNA聚合酶在引物的末端上聚合脱氧核苷酸。当DNA整条单链合成完毕或冈崎片段相连后，DNA聚合酶再把RNA引物水解掉，换上相应的DNA片段。下列叙述错误的是()A．引物酶属于RNA聚合酶B．DNA复制时，一条新子链按5′→3′方向进行，而另一条链复制方向相反，按3′→5′方向进行C．DNA聚合酶既能催化磷酸二酯键形成，也能催化磷酸二酯键断裂D．对DNA进行标记时，标记物应在胸腺嘧啶上答案B解析引物酶以DNA为模板合成RNA引物，引物酶属于RNA聚合酶，A正确；DNA聚合酶只能在子链的3′端延伸DNA，DNA复制时，两条新子链都按5′→3′方向进行，B错误；引物酶以DNA为模板合成RNA引物，然后DNA聚合酶在引物的3′—OH上聚合脱氧核苷酸，当DNA整条单链合成完毕或冈崎片段相连后，DNA聚合酶再把RNA引物去掉，故DNA聚合酶既能催化磷酸二酯键形成，也能催化磷酸二酯键断裂，C正确。典例2染色体DNA复制时需要一小段RNA作为引物，这是因为DNA聚合酶只能从引物的3′端连接脱氧核苷酸。复制时两条子链的延伸方向相反，其中一条子链称为前导链，该链连续延伸，另一条称为后随链，该链逐段延伸，这些片段称为冈崎片段，如图1所示；图2表示图1中一段RNA引物去除并修复的过程。下列叙述错误的是()A．酶1可以切除RNA片段，但不能切除与脱氧核苷酸连接的核糖核苷酸B．染色体DNA复制需要RNA聚合酶、DNA连接酶的参与C．每个冈崎片段的形成和其引物去除并修复的过程需两次DNA聚合酶的催化D．染色体DNA复制结束并切除所有引物后形成的两个子代DNA分子碱基序列完全相同答案D解析由图2可知，酶1可以切除相应的RNA引物片段，由于酶具有专一性，因此酶1不能切除与脱氧核苷酸连接的核糖核苷酸，A正确；由题意可知，染色体复制时需要合成一小段RNA作为引物，因此需要RNA聚合酶的参与，后随链合成时会先形成多个DNA单链的片段(冈崎片段)，之后需要DNA连接酶相连接，B正确；在引物RNA合成基础上，进行DNA链的5′→3′方向合成，在DNA聚合酶的作用下前导链连续地合成出一条长链，后随链合成出冈崎片段，去除RNA引物后，片段间形成了空隙，DNA聚合酶作用使各个片段靠近，在DNA连接酶作用下，各片段连接成一条长链，即每个冈崎片段的形成和其引物去除并修复的过程需两次DNA聚合酶的催化，C正确；染色体DNA复制结束并切除所有引物后形成的两个子代DNA分子可能因基因突变碱基序列不完全相同，D错误。二、DNA损伤修复机制细胞会对损伤的DNA进行修复，以下是几类重要修复机制：(1)光激活修复(2)碱基切除修复(3)核苷酸切除修复典例3(2023·浙江6月选考，16)紫外线引发的DNA损伤，可通过“核苷酸切除修复(NER)”方式修复，机制如图所示。着色性干皮症(XP)患者的NER酶系统存在缺陷，受阳光照射后，皮肤出现炎症等症状。患者幼年发病，20岁后开始发展成皮肤癌。下列叙述错误的是()A．修复过程需要限制酶和DNA聚合酶B．填补缺口时，新链合成以5′到3′的方向进行C．DNA有害损伤发生后，在细胞增殖后进行修复，对细胞最有利D．随年龄增长，XP患者几乎都会发生皮肤癌的原因，可用突变累积解释答案C解析由图可知，修复过程中需要将损伤部位的序列切断，因此需要限制酶的参与，同时单个的脱氧核苷酸的依次连接要借助DNA聚合酶，A正确；填补缺口时，新链即子链的延伸方向为5′到3′，B正确；DNA有害损伤发生后，在细胞增殖前进行修复，保证DNA复制的正确进行，对细胞最有利，C错误；癌症的发生是多个基因突变累积的结果，随着年龄增长，XP患者几乎都会发生皮肤癌的原因，可用突变累积解释，D正确。典例4(2023·辽宁，18改编)DNA在细胞生命过程中会发生多种类型的损伤。如果损伤较小，RNA聚合酶经过损伤位点时，腺嘌呤核糖核苷酸会不依赖模板掺入mRNA(如图1)；如果损伤较大，修复因子Mfd识别、结合滞留的RNA聚合酶，“招募”多种修复因子、DNA聚合酶等进行修复(如图2)。下列叙述错误的是()A．图1所示的DNA经复制后有半数子代DNA含该损伤导致的突变基因B．图1所示转录产生的mRNA指导合成的蛋白质氨基酸序列可能不变C．图2所示的转录过程是沿着模板链的5′端到3′端进行的D．图2所示的DNA聚合酶催化DNA损伤链的修复，方向是从n到m答案C解析根据DNA的半保留复制可知，图1所示的DNA经复制后有半数子代DNA含该损伤导致的突变基因，A正确；图1中的损伤较小，RNA聚合酶经过损伤位点时，腺嘌呤核糖核苷酸会不依赖模板掺入mRNA，因为密码子的简并，mRNA掺入腺嘌呤核糖核苷酸之后，不同的密码子可能决定相同的氨基酸，B正确；转录时，mRNA是由5′端到3′端合成的，是沿着模板链的3′端到5′端进行的，C错误；由mRNA的合成方向可知，图中上侧链为模板，m是3′端，n是5′端，切除后DNA聚合酶会以下侧链为模板，根据DNA聚合酶合成子链方向可知，修复是从n向m进行，D正确。课时精练[分值：55分][1～11题，每题5分，共55分]1．端粒是存在于染色体两端的一段特殊序列的DNA。端粒学说认为随细胞不断分裂，线性染色体的末端不断缩短，当缩短至染色体的临界长度时，细胞将失去活性而衰老死亡。研究发现，端粒缩短与DNA复制方式有关，不易分裂的上皮细胞、软骨细胞端粒酶的活性很低，而分裂旺盛的癌细胞、造血干细胞端粒酶的活性较高。如图为人体细胞内DNA复制部分过程示意图，下列叙述错误的是()A．由图可知，a物质是DNA聚合酶，该过程可体现出DNA分子复制时边解旋边复制的特点B．引物是具有3′端和5′端的单链结构且被切除时并不影响DNA分子的结构C．最后一个冈崎片段的引物切除后无法修复，可能是由于缺少引物，也可能是缺少5′端上游的序列D．可通过提高端粒酶活性或数量等方法延缓细胞衰老答案A解析a物质是解旋酶，在解旋酶的作用下打开氢键，把两条扭成螺旋的DNA双链解开，A错误。2．如图是原核细胞中DNA复制过程的示意图，DNA双链解开后，DNA单链结合蛋白与解旋后的DNA单链结合，使单链呈伸展状态。下列叙述正确的是()A．DNA分子复制时只需解旋酶和DNA聚合酶B．DNA单链结合蛋白能防止解旋后的DNA单链重新配对C．该复制方式具有半不连续复制的特点，子链沿着5′端不断延伸D．一个双链被15N标记的亲代DNA在含14N的培养基中复制n次后，含14N/15N的DNA占总数的1/2答案B解析DNA分子复制时，除了需要解旋酶和DNA聚合酶外，还需要ATP、DNA连接酶、原料等，A错误；DNA单链结合蛋白与解旋后的DNA单链结合，可避免两条单链间重新配对而复旋，B正确；由图可知，DNA是边解旋边复制，在复制的过程中，两条子链的合成有一条是不连续的，即该复制方式具有半不连续复制的特点，但子链沿着3′端不断延伸，C错误；若一个被15N标记的亲代DNA放在含14N的培养液中复制n次后，可得到2n个DNA分子，由于DNA是半保留复制，新合成的子代DNA中含14N/15N的有2个，其余都是含14N/14N的DNA分子，故含14N/15N的DNA占总数的2/2n，D错误。3．(2025·河南部分市学校联考)DNA复制时双链DNA从复制起点处解开螺旋成单链，复制起点呈现叉子形的复制叉。复制起始点的共同特点是含有丰富的AT序列，DNA复制从固定的起始点以双向等速方式进行，如图所示。下列叙述错误的是()A．复制起始点含有丰富的AT序列的原因是该序列氢键少，更容易解旋B．酶a催化DNA两条链之间氢键的断裂，该过程不消耗ATPC．酶b可将脱氧核苷酸聚合到前导链的3′端，形成磷酸二酯键D．冈崎片段②先于①形成，酶c可将相邻两个冈崎片段连接起来答案B解析双链DNA的碱基A、T之间含有2个氢键，G、C之间含有3个氢键，复制起始点含有丰富的A、T序列是因为该序列氢键少，更容易解旋，A正确；据图可知，酶a为解旋酶，DNA复制时，解旋酶催化氢键断开，需要消耗ATP，B错误；酶b为DNA聚合酶，DNA聚合酶可将脱氧核苷酸聚合到前导链的3′端，形成磷酸二酯键，C正确；前导链的合成是连续的，解旋的方向应与前导链的合成方向一致，与冈崎片段方向相反，因此冈崎片段②先于①合成，D正确。4．(2025·达州一模)研究发现在DNA复制过程中，后随链的合成是由酶X催化合成的不连续且较短的DNA片段通过酶Y连接而成的长链，这些不连续、相对较短的DNA片段称为冈崎片段。下列叙述错误的是()A．由图可知，DNA是边解旋边复制，复制方式是半保留方式B．图中的a链是后随链，冈崎片段延伸的方向是3′→5′C．酶X、Y、Z分别为DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶D．细胞中有多种引物，蛋白质m可防止DNA双链重新螺旋答案B解析由图可知，DNA复制过程中一边解旋一边复制，并且新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，这种复制方式就是半保留复制，A正确；DNA聚合酶只能在5′→3′方向上合成新的DNA链，因此冈崎片段延伸的方向是5′→3′，B错误；在DNA复制过程中，解旋酶解开双螺旋结构(酶Z)，DNA聚合酶将单个的脱氧核苷酸连接成DNA片段(酶X)，DNA连接酶连接冈崎片段(酶Y)，C正确；细胞中有多种引物，在图中蛋白质m可以防止已经解开的单链重新螺旋，D正确。5．(2025·武汉模拟)DNA损伤由多种胞内和胞外压力因素所引起，如果没有进行修复，这种损伤就会导致基因突变，进而导致包括癌症在内的不同疾病的发生。DNA修复功能异常是癌症发生的关键驱动因素。下列叙述正确的是()A．分裂旺盛的细胞DNA受到损伤的可能性比高度分化的细胞小B．组织内修复中的细胞增多，处于分裂期的细胞所占的比例提高C．补充某些特定的核酸，可以直接增强机体修复受损DNA的能力D．DNA修复能力受损可能引起基因和染色体不稳定进而诱发癌症答案D解析分裂旺盛的细胞中DNA更容易受到内外因素的影响而发生损伤，A错误；若组织内处于修复中的细胞增多，则位于间期的细胞较多，分裂期的细胞比例降低，B错误；无论是食物中的核酸还是补充特定的核酸，都不能直接被细胞利用，需要被分解成小分子才能进入细胞，因此补充某些特定的核酸，不能增强修复受损DNA的能力，C错误；当细胞的DNA修复机制出现故障时，细胞内的DNA损伤便无法得到及时和有效的修复，这种损伤的积累可能会导致基因序列发生突变，此外，染色体的稳定性也会受到威胁，染色体结构的改变或数目异常是细胞癌变过程中的关键步骤，这些变化累积到一定程度，就可能引发癌症，D正确。6．细胞会对损伤的DNA进行修复，如图为DNA的一种修复机制。下列叙述错误的是()A．该机制使细胞不发生基因突变B．酶a切割磷酸二酯键C．合成新链的模板为保留的单链D．该机制利于保持DNA分子的稳定答案A解析该机制只能在一定程度上修复损伤的DNA，并不能完全避免基因突变的发生，A错误；酶a是把DNA单链中连接相邻核苷酸之间的磷酸二酯键切开，B正确；由图可知，合成的新链是以保留的单链为模板，C正确；该机制是对损伤的DNA进行修复，利于保持DNA分子的稳定，D正确。7．DNA错配修复是细胞在DNA复制过程中纠正碱基错配的重要机制，主要包括如图所示的甲基化、识别、切除、填补和连接五个阶段。下列叙述错误的是()A．DNA错配修复过程中，甲基化起到“标记”母链的作用B．填补和连接阶段需分别用到DNA聚合酶和DNA连接酶C．修复后的DNA分子中，母链G＋C与子链A＋T含量相等D．该过程有利于保持遗传的稳定性，需要ATP提供能量答案C解析DNA错配修复过程中，甲基只连接在母链上，起到“标记”母链的作用，A正确；填补阶段将单个脱氧核苷酸连接到子链的3′末端，需用到DNA聚合酶，而连接阶段连接两个DNA片段需用到DNA连接酶，B正确；根据碱基互补配对原则，修复后的DNA分子中，母链的G＋C与子链的C＋G含量相等，C错误；DNA错配修复过程需ATP供能，有利于保持遗传的稳定性，D正确。8．虽然DNA复制过程中通过诸多策略在很大程度上保证了复制的准确性，但DNA平均每复制109个碱基对就会产生1个错误。碱基切除修复是DNA损伤修复机制中的一种，如图是人类的碱基切除修复过程，下列叙述错误的是()A．DNA的双螺旋结构和碱基互补配对原则保证了DNA复制的准确性B．细胞内DNA复制时解旋酶能改变DNA的空间结构C．图中DNA聚合酶β填补空隙时使用的物质是胞嘧啶D．图中APE1、DNA聚合酶β均能断裂磷酸二酯键答案C解析DNA的双螺旋结构为复制提供了精确的模板，碱基互补配对原则为复制提供了碱基之间的配对关系，两者共同保证了DNA复制的准确性，A正确；解旋酶可使DNA双螺旋解旋，所以能改变DNA的空间结构，B正确；图中DNA聚合酶β填补空隙时使用的物质是胞嘧啶脱氧核苷酸，C错误；APE1使得突变位点与其相邻的5′端脱氧核苷酸的磷酸二酯键断裂，悬垂的脱氧核糖磷酸与其相邻的脱氧核苷酸通过磷酸二酯键相连，DNA聚合酶β使其断裂，D正确。9．(2025·河南实验中学模拟)如图所示，细胞内存在修复DNA损伤的机制，若正在转录的基因发生损伤，来不及修复时，可能发生跨损伤转录。将终止密码子对应序列转入荧光素酶基因，并去除碱基A引入损伤，将损伤的荧光素酶基因导入细菌中进行实验。下列叙述错误的是()A．DNA修复的过程中有氢键形成B．图中终止密码子的序列为AUUC．若检测到细菌产生荧光，能够说明细菌存在跨损伤转录机制D．跨损伤转录和DNA修复能降低基因突变对细菌的不利影响答案B解析DNA修复过程中，DNA双链需要重新配对，配对过程中会形成氢键，A正确；由图中跨损伤转录得到AAA可知，转录以下方的DNA链为模板，因此图中终止密码子的序列应为UAA，B错误；如果细菌中存在跨损伤转录机制，即使荧光素酶基因中有损伤，细菌仍可能通过跨损伤转录产生荧光素酶，进而产生荧光，因此检测到荧光可以说明细菌存在跨损伤转录机制，C正确；跨损伤转录和DNA修复都是细胞应对DNA损伤的机制，能够降低基因突变对细菌的不利影响，D正确。10．(2025·绵阳南山中学月考)NER是一种能够纠正紫外线(UV)诱导染色体DNA改变的修复机制，着色性干皮病A组蛋白(XPA)直接决定了NER去除DNA病变的能力。如图为NER修复机制，下列叙述错误的是()A．XPA切除受损部位时需断裂2个磷酸二酯键B．DNA损伤修复过程中DNA聚合酶沿图左到右的方向合成缺失的DNA片段C．该修复过程的场所是在细胞核中D．DNA有损伤发生后，在细胞增殖后进行修复，对细胞最有利答案D解析XPA切除时需要将受损部位DNA一条链的左右两边切开，因此需断裂2个磷酸二酯键，A正确；DNA聚合酶合成新链是从5′端到3′端的方向进行，图中下方单链修复方向为从左到右，B正确；染色体位于细胞核中，因此修复染色体DNA损伤的过程发生在细胞核中，C正