DNA分子的结构和复制

一、考点内容全解

1.DNA分子的结构

(1)结构单元——脱氧核苷酸

[特别提示]①DNA组成元素为C、H、O、N、P   ②相邻的核苷酸以3′，5′–磷酸二酯键连接成长链

(2)DNA的空间结构——双螺旋结构的特点是：①DNA分子的基本骨架是磷酸和脱氧核糖交替排列的两条主链；②两条主链是平行但反向，盘旋成的规则的双螺旋结构，一般是右手螺旋，排列于DNA分子的外侧；③两条链之间是通过碱基配对连接在一起，碱基与碱基间是通过氢键配对在一起的

2.DNA分子复制

(1)DNA复制的概念、时期和场所

①复制概念：以亲代DNA为模板合成相同子代DNA的过程

②复制时期：有丝分裂间期，减数分裂第一次分裂前间期

③复制场所：细胞核(主要)，细胞质 (线粒体、叶绿体和质粒)

(2)DNA复制的机理

①碱基互补配对原则    ②边解旋边复制

(3)DNA复制的条件

①模板：亲代DNA的两条链

②原料：4种脱氧核苷酸

③能量：ATP

④酶：DNA解旋酶、DNA聚合酶等

(4)DNA复制的特点

半保留复制：新合成的子代DNA分子中的两条链，一条是从母链“继承”的，另一条为新合成的。

(5)DNA复制的意义

①遗传信息的传递，使本种保持相对稳定和延续。

②由于复制差错而出现基因突变，从而为进化提供了原始选择材料。

二、考点例析

 [例1]大豆根尖细胞所含的核酸中，含有碱基A、G、C、T的核苷酸种类共有    (  )

A.8种            B.7种            C.5种           D.4种

[解析]大豆根尖细胞中含有DNA和RNA。DNA的基本组成单位是分别含有碱基A、G、C、T的四种脱氧核苷酸；RNA的基本组成单位是分别含有A、G、C、U的四种核糖核苷酸。

[答案]B

[特别提示]核糖核苷酸与脱氧核苷酸的结构基本相同，但有两处差异：①五碳糖不同。核糖核酸的五碳糖为核糖；②具有尿嘧啶，而无胸腺嘧啶，其他三种碱基相同。由此可见核糖核苷酸和脱氧核苷酸各有4种。

[同类变式]人、噬菌体、SARS病毒的核酸中各有多少种核苷酸    (    )

A.8、4、4               B.7、4、4             C.5、4、4              D.8、5、5

[解析]从二个方面进行分析：①核酸的种类。人为细胞形态的生命，具有DNA和RNA：噬菌体为DNA病毒，SARS为RNA病毒，只有RNA。②结合[例1]分析知每种核酸对应4种核苷酸。

[答案]A

[例2]遗传信息是指    (  )

A．有遗传效应的脱氧核苷酸序列    B．脱氧核苷酸     C．氨基酸序列     D．核苷酸

[解析]DNA分子具有特异性。不同物种DNA分子，核苷酸数目、排列顺序各不相同，其中，有遗传效应的脱氧核苷酸序列(基因)即代表不同的遗传信息，能指导合成特定功能的蛋白质。

[答案]A

[同类变式]对细胞中某些物质的组成进行分析，可以作为鉴别真核生物的不同个体是否为同一物种的辅助手段，一般不采用的物质是        (    )

A．蛋白质          B．DNA          C．RNA        D．核苷酸

[解析]本例是[例2]的拓展延伸。不同物种具有不同遗传信息→不同DNA→不同mRNA→不同蛋白质，三者都存在物种特异性，而核苷酸并无物种特异性，因而不能作为鉴别物种个体的依据。

[答案]D

[例3]以下四个双链DNA分子中稳定性最差是  （  ）

A.G-C-T-A-A-A-C-C-…-T-T-A-C-G  其中A占25%     B.G-C-T-A-A-C-C-…-T-T-A-C-G-A  其中T占30%

C.G-C-A-A-C-C-…-T-T-A-C-G-T-A  其中G占25%     D.T-A-A-A-C-C-…G-C--T-T-A-C-G  其中C占30%

[解析]DNA分子中双链间以碱基对相连，即A＝T，G≡C，因而G≡C碱基对含量越高分子越稳定，反之越不稳定。A、B、C、D四个双链DNA分子G≡C碱基对含量依次为50%、40%、50%、30%，其中稳定性最差的是D。

[答案]D

[例3]含有32P或31P的磷酸，两者化学性质几乎相同，都可参与DNA分子的组成，但32P比31P质量大。现将某哺乳动物的细胞放在含有31P磷酸的培养基中，连续培养数代后得到G0代细胞。然后将G0代细胞移至含有32P磷酸的培养基中培养，经过第1、2次细胞分裂后分别得到G1、G2代细胞。再从G0、G1、G2代细胞中提取出DNA．经密度梯度离心后得到结果如图。由于DNA分子质量不同，因此在离心管内的分布不同。若①②③分别表示轻、中、重三种DNA分子的位置，请回答：

(1) G0、G1、G2三代DNA离心后的试管分别是图中的：G0              ，G1             ，G2             

(2) G2代在①、②、③三条带中DNA分子数的比例是                

(3)图中①、②两条带中DNA分子所含的同位素磷分别是：条带①         ，条带②        

(4)上述实验结果证明DNA的复制方式是                        。DNA的自我复制能使生物的         保持相对稳定。

[解析]首先应当理解轻、中、重三种DNA的含义：由两条链合31P的脱氧核苷酸组成的是轻DNA；由一条链舍31P的脱氧核组成的链与另一条含32P的脱氧核苷酸组成的链形成的是中DNA；由两条含32P的脱氧柱核酸组成的链形成的是重DNA。

根据DNA半保留复制的特点：G0代细胞中的DNA全部是轻DNA；G1代是以G0代细胞中的DNA为模板，以含32P的脱氧核苷酸为原料形成的两个DNA分子，全部为中DNA；G2代是以G1代细胞DNA为模板，以含32P的脱氧核苷酸为原料形成的4个DNA分子，其中有两个DNA分子，母链含31P，子链含32P为中DNA；另两个DAN分子，母链、子链全为32P，是重DNA。  G2代以后除两个中DNA外，其他均为重DNA。

[答案](1)A；B；D；    (2)0：1：1  (3) 31P   31P和32P      (4)半保留复制；遗传特性

[同类变式]在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N-DNA(对照)；在氮源为15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N-DNA(亲代)。将亲代大肠杆菌转移到含14N的培养基上，再连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ)，用某种离心方法分离得到的结果如图所示。请分析：

 (1)由实验结果可推测第一代(Ⅰ)细菌DNA分子中一条链是           ，另一条链是              

(2)将一代(Ⅰ)细菌转移到含15N的培养基上繁殖一代，将所得到细菌的能出现在试管中的DNA用同样方法分离。请参照上图，将DNA分子可能出现在试管中的位置在图中标出。

[解析]本例以同位素14N、15N取代[例3]中的31P、32P，原理完全相同。第一代(Ⅰ)细菌DNA分子为杂种DNA分子(中DNA)；第二代(Ⅱ)细菌DNA分子中有1/2为中DNA，1/2为重DNA。

[答案](1)15N母链，14N新链    (2)如图所示

三、能力提升技巧

1.碱基互补配对原则的计算规律

在遗传信息的传递和表达过程中，即DNA复制、转录、逆转录、翻译及RNA复制均遵循“碱基互补配对原则”，其基本点是A与T或U配对，G与C配对，所以配对的两个核酸分子中相应碱基数目关系是A＝T(或A＝U)和G≡C。

应注意数学中的“等量代换”的思想、比和比例性质的灵活运用，可以得出许多重要结论(建议大家不必记住这些“推论”)。

2.“半保留复制”规律的运用

[例4]某一个DNA分子含20％的A和T(总和)，那么由它转录成的信使RNA中G、C之和占该分子    (    )

A．40％    B．80％    C．60％    D．20％

[解析]可按以下步骤分析：

（1）画出草图。（如右图）

（2）标上符合已知条件的特殊值。通常设为100个碱基对(双链)。

（3）等量代换。由于A＝T，即A1=T2，T1=A2，所以A1+T1 =T2＋A2=200×20％÷2=20，故G＋C=100－（A+U）=100－(A2＋T2)=100—20=80      [答案]B

 [解题技巧]通过“绘图释义”建立几何模型有助于问题的解决。

[同类变式]一个DNA分子的一条链上，腺嘌呤比鸟嘌呤多40%，两者之和占DNA分子碱基总数的24%，则该DNA分子的另一条链上，胸腺嘧啶占该链碱基数目的    (    )

A.44%            B.24%           C.14%          D.28%

[解析](1)画出草图。（如右图）

(2)依题意，列出等量关系：

→A1=1．4G1……①

而 →A1＋G1=48……②

联立①②得：A1 = 28

(3)依“等量代换”有：T2=Al=28，即胸腺嘧啶占该链碱基数目的28％ [答案]D

 [解题技巧]进行碱基比例的计算时，往往要运用“方程思想”。

[同类变式二](上海高考题)分析一个DNA分子时，发现30%的脱氧核苷酸含有腺嘌呤，由此可知该分子一条链上鸟嘌呤含量的最大值可占此链碱基总数的    (    )

A．20%           B．30%           C．40%           D．70%

[解析]根据碱基互补配对原则，可知鸟嘌呤占DNA碱基总数为(1－30%×2)÷2=20%。一般情况下，DNA双链上都应有G分布，但也有一种极端情况，使G集中分布在一条链上(无C)，而另一条链上没有G(只有C)。所以该分子中一条链上鸟嘌呤最大值可占该链的40%。 [答案]C

 [延伸技巧]本题可采用“不等式”法，但应能想象到“问题情景”，明白这一点，还可对本题作拓展和延伸，如可推知该分子中一条链上鸟嘌呤所占比例取值范围为0—40%。

[例5]将用15N标记的一个DNA分子放在含有14N的培养基中让其复制三次，则含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例和占全部DNA单链的比例依次为    (    )

    A．1/9，1/4         B．1/4，1/8        C．1/4，1/6        D．1/8，1/8

[解析]DNA分子的复制为半保留复制，复制过程中DNA的两条链均作母链(模板)而形成子链，形成两个DNA分子，子代DNA的两条链中，一条来自母链，一条是新合成的子链。复制三次指连续同步复制，共形成8个DNA分子。在8个DNA分子的16条单链中，只有某二个DNA分子含有原来标记的15N(第一代)DNA分子。 [答案]B

 [解题技巧] 根据半保留复制特点，亲代DNA无论复制多少次，子代分子中均只有2个DNA分子、2条链中含原亲代DNA分子。

[同类变式]具有100个碱基对的一个DNA分子片段，内含40个胸腺嘧啶，如果连续复制2次，需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸    (    )

A．60个    B．80个    C120个    D．180个

[解析]解答本题步骤：(1)求出原DNA分子中胞嘧啶的个数C=60  (2)复制两次后所需游离胞嘧啶脱氧核苷酸为60×(22－1)=180个   [答案]D

 [解题技巧] 根据半保留复制特点，新合成的子代DNA数，相当于2n－1个，其中n表示复制次数。

基础训练题

1．下图所示的核苷酸中，在DNA结构中不可能具有的是        (    )

2．女性子宫癌细胞中最长的DNA分子可达36mm，DNA复制速度约为4μm／min，但复制过程的完成仅需4min左右，这主要是因为    (    )

  A．边解旋边复制      B．以半保留方式复制    C．有许多复制起点        D．每个复制起点双向复制

3．蛋白质分子、核酸分子均具有特异性，下列选项中与核酸分子特异性无关的是    (    )

  A．结构单元的种类    B．结构单元的数目      C．结构单元的排列顺序    D．整个分子的空间结构

4．(2003上海高考题)某DNA分子共有a个碱基，其中含胞嘧啶m个，则该DNA分子复制3次，需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸为    (    )

A．7(a－m)           B．8(a－m)             C．7(1/2a－m)            D．8(2a－m)

5．已知一段mRNA含有30个碱基，其中A和G有12个，转录该段mRNA的DNA分子中C和T共有    (    )

  A．12                B．24                  C．18                    D．30

6．图为两条多核苷酸链，共有核苷酸    (    )

A．4种      B．5种      C．7种      D．8种

7．已知DNA分子中，碱基对A=T两个氢键相连，G≡C以三个氢键相连。若某DNA分子中含100个腺嘌岭(占总数的20%)，则该DNA分子中共有氢键    (    )

A．350个            B．500个               C．650个                D．1000个

潜能挑战题

8．从某种生物中提取的一个核酸分子，经分析A占a%，G占b%，且a + b=50，C占20%，膘嘌呤共150个，鸟嘌呤共225个。则该生物肯定不是    (  )

A．噬菌体            B．酵母菌            C．烟草花叶病毒        D．蓝细菌（蓝藻）

9．将大肠杆菌放在含有同位素15N的培养基中培育若干代后，细菌DNA所有氮均为15N，它比14N分子密度大。然后将DNA被15N标记的大肠杆菌再移到14N培养基中培养，每隔4h(相当于分裂繁殖一代的时间)取样一次，测定其不同世代细菌DNA的密度。DNA的密度梯度离心试验如右图所示：

(1)若c世代有一个中带DNA的某一条链上的二个碱基A变成G，而该碱基刚好属于某基因序列，则第五世代发生突变的基因占基因总数的          。

(2)若原第一世代DNA分子中共有14000个脱氧核苷酸，且(A+T)/(G+C)=2/5，则d世代对应培养基中应至少添加游离胸腺嘧啶脱氧核苷酸         个。

10．胸腺嘧啶脱氧核糖核苷（简称胸苷）在细胞内可以转化为胸腺密啶脱氧核糖核苷酸，后者是合成DNA的原料，用含有3H-胸苷的营养液，处理活的小肠黏膜层，半小时后洗去游离的3H-胸苷。连续48小时检测小肠绒毛的被标记部位，结果如下图（黑点表示放射性部位）。

请回答：

①处理后开始的几小时，发现只有a处能够检测到放射性，这说明什么？

②处理后24小时左右，在b处可以检测到放射性，48小时左右，在c处检测到放射性，为什么？

③如果继续跟踪检测，小肠黏膜层上的放射性将发生怎样的变化？

④上述实上述实验假如选用含有3H—尿嘧啶核糖核苷的营养液，请推测几小时内小肠黏膜层上放射性出现的情况将会怎样？为什么？

标答与点拨

1．B  (点拨：DNA组成成分中不含尿嘧啶)

2．C  (点拨：通过计算知如果只有一个复制起点且双向复制则复制完成需450分钟，排查选项只能选C)

3．D  (点拨：蛋白质分子的空间结构是决定蛋白质特异性的重要方面，面核酸DNA的特异性是特定的碱基序列所携带的特定遗传信息)

4．C(点拨： × )

5．D (点拨：双链DNA中，碱基数A+G=A+C=T+G=T+C=总数的一半)

6．D(点拨：图示为转录过程)

7．C (点拨：共有A=T碱基对100个，G≡C碱基对150个)

8．A (点拨：从核酸的种类进行推理。依题意：A/G=150/225=a%/b%，得a/b=，又a+b=50，得a=20，b=30，即（G％=30％）≠（C％=20％），故核酸分子必为单链，而噬菌体只含双链DNA)

9．(1)1／4    (2)6000(点拨：首先由题干图片信息确定a、b、c、d依次为第一、二、三、四世代  (1)第二(c)世代一个DNA分子一条链基因突变，则经半保留复制，此后有一半DNA发生改变，至第五世代复制3次，故突变基因个数是23×1/2=4，而第五世代总基因数为24 =16，所以突变基因数占4/16=1/4；(2)由(A+T)/(G+C)=2/5推知(A+T)/(A+T+G+C)=2/(2＋5)得A占1/7，b世代为第三世，DNA复制22=4次，依据半保留复制相当于新合成4－1=3个DNA分子，所以需游离胸14000×1/7×3=6000个)

10．①小肠黏膜层只有a处的细胞能进行DNA复制和细胞分裂②a处的细胞连续分裂把带有放射性标记的细胞推向b处，直至c处③小肠黏膜细胞上的放射性将会因为细胞的衰老、死亡、脱落而消失④在小肠黏膜层的各处都可以检测到放射性，因为小肠黏膜层上的细胞不断进行mRNA的合成。