高中生物必修2 DNA的知识清单

高中生物必修2DNA的知识清单一、DNA方式的探索与证明（一）【基础】对DNA方式的早期推测1、半保留模型：在DNA过程中，每条母链作为模板，按照碱基互补配对原则合成新的子链。结束后，一个DNA分子解体，形成两个完全相同的DNA分子，每个子代DNA分子都包含一条母链和一条新合成的子链。这种方式称为半保留。2、全保留模型：另一种可能的方式是，DNA时，母链DNA作为模板，合成一个全新的子代DNA分子，而母本DNA分子则完整保存下来。结束后，一个DNA分子产生了一个全新的DNA分子和一个亲本DNA分子。（二）【非常重要】【高频考点】DNA半保留的实验证据——梅塞尔森斯塔尔实验1、实验目的：证明DNA的方式是半保留，而非全保留。2、实验原理：（1）利用同位素示踪技术。氮元素是DNA的组成元素（存在于碱基中），使用重氮（15N）和轻氮（14N）标记DNA分子，使其密度不同。（2）密度梯度离心技术。将不同密度的DNA分子放在氯化铯（CsCl）溶液中进行高速离心。DNA分子会聚集在与自身密度相等的CsCl密度层中，形成一条狭窄的条带。通过观察条带的位置（更高或更低），可以判断DNA分子的密度大小。含15N的DNA分子密度大，位于离心管更靠下的位置（重带）；含14N的DNA分子密度小，位于离心管更靠上的位置（轻带）；一条链含15N、一条链含14N的杂交DNA分子密度介于两者之间，位于中间位置（中带）。3、实验方法：同位素标记法（15N/14N标记）、密度梯度离心法。4、实验过程：（1）第一代（0代）：将大肠杆菌放入以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养多代，获得DNA双链均为15N标记的细菌（亲代DNA，记为15N/15NDNA）。（2）第二代（1代）：将上述细菌转移到以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养。待细菌完成一次分裂后，收集细菌并提取DNA，进行CsCl密度梯度离心。（3）第三代（2代）：在14N培养液中让细菌完成第二次分裂后，收集细菌并提取DNA，进行CsCl密度梯度离心。5、实验结果与预期分析：（1）亲代（0代）：全部DNA分子为15N/15N，离心后全部位于重带位置。（2）第一代（1代）：A、若为半保留：亲代DNA双链解开，每条15N链作为模板，利用14N原料合成新链。一次后，每个子代DNA分子均由一条15N链和一条14N链组成（15N/14NDNA）。离心后应全部位于中带位置。B、若为全保留一次后，亲代DNA分子（15N/15N）保持完整，留在重带；新合成的DNA分子全部由14N组成（14N/14NDNA），位于轻带。离心后应出现重带和轻带两个条带。C、实际结果：离心后只出现一个中带条带，有力地支持了半保留模型。（3）第二代（2代）：A、若为半保留：第一代的15N/14NDNA分子再次，每条链作为模板。以15N链为模板合成的子代DNA为15N/14N（中带）；以14N链为模板合成的子代DNA为14N/14N（轻带）。因此，两次后，应出现一半中带、一半轻带。B、若为全保留两次后，亲代DNA（15N/15N）始终存在（重带），其余新合成的DNA均为14N/14N（轻带）。离心后仍应出现重带和轻带两个条带。C、实际结果：离心后出现中带和轻带两个条带，且比例为1:1。6、实验结论：DNA的是以半保留的方式进行的。（三）【重要】实验的关键点与易错分析1、实验成功的关键：同位素标记（15N和14N）的使用，以及密度梯度离心技术能够灵敏地区分不同密度的DNA分子。2、区分“标记”与“原料”：实验开始时用15N标记的是亲代DNA的所有链（作为模板）。培养液中的14N是新合成子链的原料。3、对“次数”的理解：一次指从亲代DNA分子开始，到第一次分裂完成产生两个子代DNA分子。两次指产生四个DNA分子。4、易错点：混淆DNA分子数、链数以及标记情况。计算时需明确问题指向。二、DNA半保留的过程（一）【基础】DNA的概念与时间1、概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程，遗传信息从亲代DNA传递给了子代DNA。2、发生时间：在真核生物中，DNA发生在有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期，随着染色体的而完成。在原核生物中，DNA在整个细胞周期中均可进行。（二）【非常重要】【高频考点】DNA的过程（以真核生物为例）1、解旋（起始阶段）：（1）条件：需要能量（ATP）和解旋酶的催化。（2）过程：在ATP供能下，解旋酶作用于DNA分子，破坏两条链之间的氢键，使DNA双链的局部（一个或多个特定区域）解开，形成两条单链。这个解开的一段区域称为叉。（3）结果：双链解开，暴露出碱基序列，作为的模板。2、合成子链（延伸阶段）：（1）原料：四种游离的脱氧核糖核苷酸（dATP、dTTP、dGTP、dCTP），它们既是原料，也提供能量。（2）条件：还需要模板（解开的单链）、酶（主要是DNA聚合酶）和能量。（3）过程：A、DNA聚合酶以解开的每一条母链为模板，按照碱基互补配对原则（AT，GC），将游离的脱氧核糖核苷酸逐个地连接到正在合成的新链上。B、子链的合成方向：总是从5’端向3’端延伸。这是因为DNA聚合酶只能催化新的脱氧核糖核苷酸添加到已有核苷酸链（引物）的3’OH末端。C、不连续：由于DNA双链是反向平行的，且叉的移动方向和解链方向固定，导致一条新链（前导链）可以沿着解链方向连续合成；而另一条新链（后随链）的合成方向与解链方向相反，因此只能以不连续的方式合成许多短的DNA片段（冈崎片段），然后再由DNA连接酶将这些片段连接成一条完整的链。（4）引物：在DNA聚合酶开始合成新链前，需要一小段RNA引物提供自由的3’OH末端。引物由引物酶催化合成。后随链的每个冈崎片段都需要一个引物。3、双螺旋化：（1）过程：当新链合成完毕后，在DNA聚合酶（校正）、DNA连接酶（连接冈崎片段）等作用下，形成两条完整的子链。每条子链与对应的母链通过氢键重新盘绕成双螺旋结构。（2）结果：一个亲代DNA分子，形成了两个完全相同的子代DNA分子。每个子代DNA分子都包含一条母链和一条新合成的子链。（三）【重要】参与DNA的关键酶及其作用1、解旋酶：作用于氢键，使DNA双链解开。2、DNA聚合酶：（1）作用：催化形成磷酸二酯键，将游离的脱氧核糖核苷酸连接到子链上。具有模板依赖性。（2）特点：只能将单个核苷酸加到已有核酸链（引物或子链）的3’OH端，因此合成方向为5’→3’。（3）功能：还具有校对功能，能识别并切除错配的碱基，保证的准确性。3、引物酶：催化合成一小段RNA引物，提供3’OH端供DNA聚合酶起始合成。4、DNA连接酶：催化形成磷酸二酯键，将后随链上的冈崎片段连接成完整的DNA链。5、拓扑异构酶：在叉前方，通过切断和重新连接DNA链来释放解旋带来的扭转压力。（四）【难点】DNA的特点1、边解旋边：过程不是等DNA完全解旋后才开始合成新链，而是边解旋边合成，提高了效率。2、半保留：亲代DNA的两条链分别作为模板，进入两个子代DNA分子中。3、双向：在真核生物中，DNA是从多个起点（原点）开始，向两个方向同时进行，形成多个泡，大大加快了速度。原核生物通常只有一个起点，也是双向。4、半不连续：由于DNA聚合酶合成方向（5’→3’）和DNA双链反向平行的结构特点，导致一条链（前导链）连续合成，另一条链（后随链）不连续合成。三、DNA的意义与精确性（一）【基础】DNA的生物学意义1、遗传信息的传递：DNA通过，将亲代的遗传信息准确地传递给子代，保证了遗传信息的连续性。2、为细胞分裂奠定基础：在有丝分裂和减数分裂前完成，确保分裂后的子细胞获得与亲代细胞相同的一套遗传信息。3、是生物体生长、发育、繁殖和遗传变异的物质基础。（二）【重要】DNA精确1、独特的双螺旋结构和碱基互补配对原则：为提供了精确的模板。2、DNA聚合酶的严格选择：DNA聚合酶能够精确选择正确的、与模板链配对的脱氧核糖核苷酸。3、DNA聚合酶的校对功能：DNA聚合酶具有3’→5’外切酶活性，能在过程中随时检查并切除错配的碱基，然后继续合成。4、错配修：完成后，细胞中还存在一套复杂的错配修复系统，能识别并修复新合成链中可能存在的错误。四、DNA相关的核心计算与考查方式（一）【非常重要】【高频考点】关于碱基数量的计算1、基本原理：碱基互补配对原则（A=T，G=C）。2、常用公式：（1）在双链DNA分子中，A+G=T+C=嘌呤总数=嘧啶总数=碱基总数的50%。（2）一条链中的（A+T）与另一条链中的（T+A）相等，即（A1+T1）%=（A2+T2）%。整个DNA分子中A+T的比例等于任一条链中A+T的比例。（3）同理，一条链中的（A1+G1）/（T1+C1）=k，则另一条链中（A2+G2）/（T2+C2）=1/k。整个DNA分子中（A+G）/（T+C）=1。3、考点示例：（1）已知某DNA分子中A占30%，求G的比例。解答：由A+T+G+C=100%，且A=T，G=C，得A=T=30%，则G+C=40%，所以G=20%。（2）已知DNA一条链中（A+T）/（G+C）=0.8，求互补链及整个DNA分子中的比例。解答：互补链中（T+A）/（C+G）=0.8。整个DNA分子中（A+T）/（G+C）=0.8。（二）【非常重要】【高频考点】关于半保留中“标记”与“原料”的计算1、核心模型：将双链都被15N标记的DNA（15N/15N）放入含14N的原料中。2、n次后，DNA分子总数和链数变化：（1）子代DNA分子总数=2n个。（2）子代DNA链总数=2n+1条。（3）含15N标记的DNA链数（母链）=2条（始终存在于子代DNA中，不会被稀释掉）。（4）含14N标记的DNA链数（新链）=总链数母链数=2n+12条。3、n次后，不同类型DNA分子数：（1）含15N的DNA分子数：指DNA分子中至少有一条链含15N。由于母链只有2条，最多存在于2个DNA分子中。n次后，含15N的DNA分子数恒为2个。（此处的“含15N”指含有15N原子）（2）只含15N的DNA分子数：即双链均为15N的DNA分子。随着进行，母链被打散，只含15N的DNA分子数为0。（3）含14N的DNA分子数：指DNA分子中至少有一条链含14N。n次后，除了第一代的亲本DNA（如果还存留的话，但已被打散），所有新合成的DNA分子都含有14N，因此含14N的DNA分子数=总DNA分子数=2n个。（4）只含14N的DNA分子数：指双链均为14N的DNA分子。n次后，只含14N的DNA分子数=总DNA分子数含15N的DNA分子数=2n2个。（5）15N/14NDNA分子数（杂交DNA）：1次后为2个；2次后，这2个杂交DNA分子，各产生1个杂交和1个轻DNA，因此杂交DNA分子数恒为2个。4、第n次所需的某种原料数量：（1）设一个DNA分子中某种碱基（如A）的数量为x个。（2）n次后，总DNA分子数为2n个。共需要碱基A的数量为(2n1)x个。（因为最初有一个亲代DNA，它上面的碱基A不需要从原料中获取）（3）第n次（即从第n1次完成后，再进行第n次），新增加的DNA分子数为2n2n1=2n1个。（4）因此，第n次过程中，需要消耗碱基A的数量为2n1x个。5、【易错点】：（1）区分“DNA分子数”和“DNA链数”。（2）区分“含15N的DNA分子”和“只含15N的DNA分子”。（3）区分“n次后共有多少”和“第n次需要多少”。（4）注意题目中“培养到第n代”通常指了n次，但有时也指培养时间相当于n代，需结合上下文判断。（三）【热点】结合细胞分裂的综合计算1、考查形式：将有丝分裂或减数分裂过程中染色体的行为与DNA半保留特点相结合。2、典型例题分析：（1）将某精原细胞（2n=8）的所有DNA分子双链用15N标记后，置于不含15N的培养液中培养。完成一次有丝分裂后，得到的子细胞中染色体标记情况如何？A、分析：DNA一次（半保留），每个DNA分子变成15N/14N的杂交DNA。有丝分裂后期，着丝粒分裂，姐妹染色单体分开，随机分配到两个子细胞。每个子细胞获得的每条染色体上的DNA都是杂交型（15N/14N）。B、答案：每个子细胞中所有染色体上的DNA都含有15N（即每条染色体都被标记）。（2）若上述精原细胞完成的是减数分裂，则最终得到的四个精细胞中染色体标记情况如何？A、分析：减数分裂间期DNA一次，每条染色体上的DNA变成15N/14N杂交型（每条染色单体含一个杂交DNA）。减数第一次分裂同源染色体分离，但着丝粒不分裂。减数第二次分裂着丝粒分裂，姐妹染色单体分开成为染色体。因此，每个精细胞中的每条染色体上的DNA都是15N/14N杂交型。B、答案：四个精细胞中，所有染色体上的DNA都含有15N。（3）将上述精原细胞置于不含15N的培养液中，完成两次连续的有丝分裂，得到的子细胞中，含15N的细胞占多少？A、分析：第一次分裂后，每个子细胞中所有染色体上的DNA均为15N/14N。第二次分裂间期，DNA再次前，每条染色体含一个杂交DNA（15N/14N）。后，每条染色体由两条姐妹染色单体组成，每条单体含一个DNA分子：一条染色单体上的DNA为15N/14N（母链15N，新链14N），另一条染色单体上的DNA为14N/14N（母链14N，新链14N）。第二次有丝分裂后期，着丝粒分裂，姐妹染色单体随机分配到两个子细胞。因此，对于一个特定的子细胞来说，有可能同时得到含15N和完全不含15N的染色体，也有可能全部得到含15N的染色体。从整个细胞群体来看，含15N的细胞数占所有子细胞的比例是100%（因为即使某个细胞获得了14N/14N的染色体，但它体内仍有15N/14N的染色体）。B、答案：100%。五、DNA与基因的本质（一）【重要】基因的现代定义1、概念：基因是有遗传效应的DNA片段。对于RNA病毒而言，基因是有遗传效应的RNA片段。2、“遗传效应”的含义：指能够指导蛋白质的合成（通过转录和翻译），从而控制生物的性状；或者能够转录出功能RNA（如rRNA、tRNA等），参与细胞的各种生命活动。（二）【基础】DNA片段中的遗传信息1、遗传信息的内涵：遗传信息是指DNA分子中4种碱基（A、T、C、G）的排列顺序。2、遗传信息的多样性（DNA分子的多样性）：构成DNA分子的碱基对数量巨大，而碱基对的排列顺序千变万化。若一个DNA分子有n个碱基对，则其排列顺序可能有4n种。这解释了生物界多样性的根本原因。3、遗传信息的特异性（DNA分子的特异性）：每个特定的DNA分子（或基因）都有其特定的碱基排列顺序，这是不同物种、不同个体之间性状差异的分子基础。（三）【难点】染色体、DNA、基因、脱氧核苷酸之间的关系1、从结构层次上看：染色体是DNA的主要载体（此外还有线粒体和叶绿体）。一个染色体上通常有一个DNA分子（在未时）或两个DNA分子（后，含两个染色单体）。一个DNA分子上有许多个基因。基因是具有遗传效应的DNA片段。基因的基本组成单位是脱氧核苷酸。2、从功能与概念上看：脱氧核苷酸的排列顺序代表着遗传信息。基因通过控制蛋白质的合成来控制性状。DNA通过传递遗传信息，通过转录和翻译表达遗传信息。染色体是遗传信息（基因）的主要载体。六、核心素养与思维拓展（一）【★】科学思维：假说演绎法在DNA研究中的应用1、梅塞尔森和斯塔尔的工作是运用假说演绎法的典范。他们首先基于DNA双螺旋结构，提出半保留和全保留两种假说。2、然后，他们根据这两种假说进行演绎推理：如果半保留成立，那么第一次分裂后提取的DNA离心应全部是中带；如果全保留成立，则应出现重带和轻带。3、最后，他们通过巧妙的实验设计（同位素标记+密度梯度离心）对演绎推理的结论进行检验，最终证明了半保留的正确性。（二）【▲】批判性思维：对DNA精确性的再认识1、DNA的精确性是相对的，其错配率约为109～1010。这种极高的精确性保证了物种的稳定性。2、然而，过程中偶尔发生的未被修复的错误（突变）是生物进化的原材料之一。因此，DNA的精确与偶尔的“错误”共同构成了生物稳定与变异的分子基础。（三）【☆】科学技术与社会（STS）：PCR技术1、原理：PCR（聚合酶链式反应）技术是DNA的体外应用。它模拟了生物体内的DNA过程，利用DNA聚合酶在体外大量扩增特定的DNA片段。2、条件：需要模板DNA、两种引物、四种脱氧核糖核苷酸（dNTPs）、耐热的DNA聚合酶（如Taq酶）以及合适的缓冲液体系。3、过程：变性（高温解开DNA双链）→退火（引物与模板链结合）→延伸（DNA聚合酶催化新链合成）。这三个步骤构成一个循环，每循环一次，目的DNA片段的数量理论上增加一倍。4、应用：广泛应用于遗传病诊断、病原体检测、法医鉴定、亲子鉴定、古生物学研究等领域。七、本章节考点总结与解题要诀（一）核心考点归纳1、梅塞尔森斯塔尔实验的原理、过程、结果和结论（尤其是实验设计思路和结果预期）。2、半保留的过程，特别是所需的条件（酶