資源簡介

高考生物一輪專題知識梳理
第16講　DNA是主要的遺傳物質
課標解讀 核心素養
總結人類對遺傳物質的探索過程 生命觀念 DNA的結構與其作為遺傳物質的功能相適應
科學思維 分析總結肺炎鏈球菌轉化實驗和噬菌體侵染細菌實驗的原理和過程
科學探究 分析人類對遺傳物質探索的實驗設計思路
考點一　肺炎鏈球菌的轉化實驗
1.實驗材料:兩種肺炎鏈球菌。
2.格里菲思的體內轉化實驗。
提醒　①并非所有的R型細菌都能被轉化,只是少部分R型細菌被轉化成S型細菌。
②該實驗僅能證明S型細菌中含有某種“轉化因子”,但“轉化因子”的本質不清楚。
3.艾弗里的體外轉化實驗。
提醒　①涉及細菌培養技術、物質提純和鑒定技術等。
②轉化的實質是基因重組而非基因突變:肺炎鏈球菌轉化實驗是指S型細菌的DNA片段整合到R型細菌的DNA中,使受體細胞獲得了新的遺傳信息,即發生了基因重組(屬于廣義上的)。
③加熱并沒有使DNA完全失去活性:加熱致死S型細菌的過程中,其蛋白質變性失活,但是其內部的DNA在加熱結束后隨著溫度的降低又逐漸恢復活性。
正誤判斷
(1)從格里菲思實驗中的病死小鼠體內分離得到的肺炎鏈球菌只有S型細菌而無R型細菌。 (×)
(2)格里菲思實驗證明DNA可以改變生物體的遺傳性狀。 (×)
(3)在艾弗里的實驗中,DNA酶將S型細菌的DNA分解為脫氧核苷酸,因此不能使R型細菌發生轉化。 (√)
(4)艾弗里的體外轉化實驗采用了物質提純、鑒定與細菌體外培養等技術。 (√)
(5)在生命科學發展過程中,肺炎鏈球菌轉化實驗證明了DNA是遺傳物質。 (√)
(6)艾弗里的體外轉化實驗證明了DNA是主要的遺傳物質。 (×)
(7)肺炎鏈球菌轉化實驗最關鍵的設計思路是將DNA和蛋白質分開,分別觀察其遺傳作用。 (√)
教材微點
1.(必修2 P43“圖3-2”)若將加熱致死的R型細菌與S型活細菌混合后注射到小鼠體內,不能(填“能”或“不能”)從小鼠體內分離出R型活細菌,原因是S型細菌不能轉化為R型細菌。
2.(必修2 P43“圖3-2”)格里菲思第四組實驗中,小鼠體內S型細菌、R型細菌含量的變化情況如圖所示,則:
(1)ab段R型細菌數量減少的原因是小鼠體內形成大量的抗R型細菌的抗體,致使R型細菌數量減少。
(2)bc段R型細菌數量增多的原因是b之前,已有少量R型細菌轉化為S型細菌,S型細菌能降低小鼠的免疫力,造成R型細菌大量繁殖。
(3)后期出現的大量S型細菌是由R型細菌轉化成的S型細菌繁殖而來的。
長句突破
1.(科學思維)[2017·全國卷Ⅰ,T38(5)改編]艾弗里等人的肺炎鏈球菌轉化實驗為證明DNA是遺傳物質做出了重要貢獻,也可以說是基因工程的先導,如果說他們的工作為基因工程理論的建立提供了啟示,那么,這一啟示是DNA可以從一種生物個體轉移到另一種生物個體。
2.在體內轉化實驗中,如果沒有第三組實驗(注射加熱致死的S型細菌,小鼠不死亡),不能得出格里菲思的結論,因為無對照實驗,不能說明加熱致死的S型細菌中含有促使R型活細菌轉化成S型活細菌的轉化因子。
肺炎鏈球菌體內和體外轉化實驗的比較
角度 圍繞肺炎鏈球菌轉化實驗,考查科學探究能力
1.(2021·全國乙卷)在格里菲思所做的肺炎鏈球菌轉化實驗中,無毒性的R型活細菌與被加熱致死的S型細菌混合后注射到小鼠體內,從小鼠體內分離出了有毒性的S型活細菌。某同學根據上述實驗,結合現有生物學知識所做的下列推測中,不合理的是 (　　)
A.與R型細菌相比,S型細菌的毒性可能與莢膜多糖有關
B.S型細菌的DNA能夠進入R型細菌細胞指導蛋白質的合成
C.加熱致死S型細菌使其蛋白質功能喪失而DNA功能可能不受影響
D.將S型細菌的DNA經DNA酶處理后與R型細菌混合,可以得到S型細菌
解析　在格里菲思所做的肺炎鏈球菌轉化實驗中,無毒性的R型活細菌與被加熱致死的S型細菌混合后注射到小鼠體內,從小鼠體內分離出了有毒性的S型活細菌,S型細菌與R型細菌最主要的區別是前者具有多糖類的莢膜,后者不具有多糖類的莢膜,故S型細菌的毒性可能與莢膜多糖有關,A項合理;加熱致死的S型細菌其蛋白質已經被破壞,而分離出的S型細菌有毒性,即具備活性蛋白,可推出S型細菌的DNA能夠進入R型細菌細胞中指導蛋白質的合成,B項合理;加熱可使蛋白質變性,由實驗結果R型活細菌轉化為有毒性的S型活細菌可知,S型細菌的遺傳物質未受影響,即加熱致死S型細菌使其蛋白質功能喪失而其DNA功能可能不受影響,C項合理;S型細菌的DNA經DNA酶處理后,無法完成DNA的復制、轉錄及翻譯等過程,故與R型細菌混合后,無法得到S型細菌,D項不合理。
答案　D
2.(2023·朝陽區模擬) 為研究使R型細菌轉化為S型細菌的轉化因子的化學本質,某科研小組進行了肺炎鏈球菌的體外轉化實驗,其基本過程如圖所示。下列有關敘述正確的是 (　　)
甲組
　
乙組 丙組
A.甲組培養基上長出的菌落種類與乙組不同
B.S型細菌提取物經甲、丙兩組處理后轉化因子活性基本相同
C.R型細菌轉化為S型細菌的變異原理是基因突變
D.若增加RNA酶處理提取物的對照實驗,會更有說服力
解析　甲組培養基上長出的菌落種類與乙組相同,都是S型細菌和R型細菌,A項錯誤;甲組S型細菌提取物經高溫處理后,不耐高溫的物質失活,而DNA未失活,丙中酶具有專一性,加入DNA酶,使DNA失活,B項錯誤;R型細菌轉化成S型細菌的原理是基因重組,C項錯誤;若增加RNA酶處理提取物的對照實驗,能涉及更多S型細菌的物質,會更有說服力,D項正確。
答案　D
(1)肺炎鏈球菌的轉化實驗除能證明DNA是遺傳物質,而蛋白質不是遺傳物質外,還能說明遺傳物質能發生可遺傳的變異。
(2)體內轉化實驗不能簡單地說成S型細菌的DNA可使小鼠致死,而是具有毒性的S型細菌可使小鼠致死。
考點二　噬菌體侵染細菌的實驗
1.實驗材料:T2噬菌體和大腸桿菌。
(1)T2噬菌體的結構及生活方式。
(2)T2噬菌體的復制式增殖。
2.實驗方法:同位素標記法。該實驗中用35S、32P分別標記蛋白質和DNA。
3.實驗過程。
標記噬菌體。
噬菌體侵染細菌。
提醒　①分別用含35S、32P的噬菌體侵染細菌的實驗采用的是對比(相互對照)實驗。
②攪拌的目的是使吸附在細菌上的噬菌體和細菌分離;離心的目的是讓上清液中析出質量較輕的T2噬菌體顆粒,而離心管的沉淀物中留下被侵染的大腸桿菌。
4.實驗結果分析。
(1)噬菌體侵染細菌時,其DNA進入細菌細胞中,而蛋白質外殼留在外面。
(2)子代噬菌體的各種性狀是通過親代的DNA遺傳的。
5.結論。
DNA是噬菌體的遺傳物質。
正誤判斷
(1)噬菌體侵染細菌的實驗不如肺炎鏈球菌轉化實驗具有說服力。 (×)
(2)赫爾希和蔡斯分別用35S和32P標記T2噬菌體的蛋白質和DNA,下列被標記的部位組合為①②。 (√)
(3)分別用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培養基培養噬菌體。 (×)
(4)噬菌體侵染細菌的實驗獲得成功的原因之一是噬菌體只將DNA注入大腸桿菌細胞中。 (√)
(5)用1個含35S標記的T2噬菌體去侵染大腸桿菌,裂解釋放的子代噬菌體中只有2個含35S。 (×)
(6)32P、35S標記的噬菌體侵染細菌的實驗分別說明DNA是遺傳物質、蛋白質不是遺傳物質。 (×)
教材微點
1.(必修2 P46“思考·討論T1”)選用細菌或病毒作為探索遺傳物質的實驗材料的優點有①②(填序號)。
①個體很小,結構簡單,容易看出因遺傳物質改變導致的結構和功能的變化　②繁殖快
2.(必修2 P47“拓展應用T2”)結合肺炎鏈球菌的轉化實驗和噬菌體侵染細菌的實驗,分析DNA作為遺傳物質所具備的特點是①②③④(填序號)。
①具有相對的穩定性　②能夠精確地自我復制,使親代與子代間保持遺傳的連續性
③能夠指導蛋白質合成,控制新陳代謝過程和性狀發育　④在特定條件下產生可遺傳的變異
長句突破
1.(科學思維)將一個某種噬菌體DNA分子的兩條鏈用32P進行標記,并使其感染大腸桿菌,在不含有32P的培養基中培養一段時間。若得到的所有噬菌體雙鏈DNA分子都裝配成噬菌體(n個)并釋放,則其中含有32P的噬菌體所占比例為2/n,原因是一個含有32P標記的噬菌體雙鏈DNA分子經半保留復制后,標記的兩條單鏈只能分配到2個噬菌體的雙鏈DNA分子中,因此在得到的n個噬菌體中只有2個帶有標記。
2.(科學思維)如圖為T4噬菌體感染大腸桿菌后,大腸桿菌內放射性RNA與T4噬菌體DNA及大腸桿菌DNA的雜交結果,曲線b(填“a”或“b”)最可能表示放射性RNA與大腸桿菌DNA雜交的結果,出現該趨勢的原因可能是隨感染時間延長,以大腸桿菌DNA為模板合成的放射性RNA減少。
1.“二看法”判斷子代噬菌體標記情況。
2.噬菌體侵染細菌實驗中上清液和沉淀物放射性分析。
(1)32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌。
(2)35S標記的噬菌體侵染大腸桿菌。
3.比較肺炎鏈球菌體外轉化實驗和噬菌體侵染細菌實驗。
角度一 圍繞噬菌體侵染細菌的實驗過程,考查實驗探究能力
1.(2020·浙江1月選考)某研究小組用放射性同位素32P、35S分別標記T2噬菌體,然后將大腸桿菌和被標記的噬菌體置于培養液中培養,如圖所示。一段時間后,分別進行攪拌、離心,并檢測沉淀物和懸浮液中的放射性。下列分析錯誤的是 (　　)
A.甲組的懸浮液含極少量32P標記的噬菌體DNA,但不產生含32P的子代噬菌體
B.甲組被感染的細菌內含有32P標記的噬菌體DNA,也可產生不含32P的子代噬菌體
C.乙組的懸浮液含極少量35S標記的噬菌體蛋白質,也可產生含35S的子代噬菌體
D.乙組被感染的細菌內不含35S標記的噬菌體蛋白質,也不產生含35S的子代噬菌體
解析　甲組離心后,放射性主要在沉淀物中,由于部分噬菌體未來得及侵染大腸桿菌,所以懸浮液中含有少量放射性,由于甲組的懸浮液中不存在大腸桿菌,所以噬菌體無法繁殖產生含32P標記的子代噬菌體,A項正確;甲組被感染的細菌內含有32P標記的噬菌體DNA,由于DNA進行半保留復制,故可產生不含32P的噬菌體,B項正確;35S標記的是噬菌體的蛋白質,噬菌體侵染細菌的時候,蛋白質外殼留在外面,只有DNA注入到細菌中,因此乙組的懸浮液含大量35S標記的噬菌體蛋白質,不會產生含35S的子代噬菌體,C項錯誤;乙組被感染的細菌內不含35S標記的噬菌體蛋白質,由于細菌提供的原料中不含35S,所以也不產生含35S的子代噬菌體,D項正確。
答案　C
2.(不定項)用DNA雙鏈均被32P標記的一個T2噬菌體侵染被35S標記的大腸桿菌,一段時間后釋放出了M個子代T2噬菌體。下列有關敘述正確的是 (　　)
A.用32P標記T2噬菌體的方法與用35S標記大腸桿菌的方法相同
B.這M個子代T2噬菌體中,含32P的T2噬菌體所占的比例為
C.若子代T2噬菌體均同時含32P和35S,則該T2噬菌體只繁殖了一代
D.經過培養,得到的M個子代T2噬菌體中都含有35S
解析　T2噬菌體為病毒,沒有細胞結構,不能用培養基直接培養,而大腸桿菌屬于原核生物,能用培養基直接培養,A項錯誤;這M個子代T2噬菌體中,含32P的T2噬菌體占2/M,B項錯誤;由于DNA的復制為半保留復制,若子代T2噬菌體均同時含32P和35S,則該T2噬菌體只繁殖了一代,C項正確;培養過程中原料都來自大腸桿菌,所以得到的M個子代T2噬菌體中都有35S,D項正確。
答案　CD
角度二 結合兩大經典實驗,考查科學思維能力
3.(2023·福建廈門模擬)下列關于肺炎鏈球菌的體內、體外轉化實驗,以及T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗的敘述,正確的是 (　　)
A.三個實驗的設計思路是一致的
B.三個實驗都用到了同位素標記法
C.三個實驗都不能得出蛋白質不是遺傳物質的結論
D.三個實驗所涉及生物的遺傳物質都是DNA
解析　三個實驗的設計思路不一樣,A項錯誤;肺炎鏈球菌的體內和體外轉化實驗都沒有用到同位素標記法,B項錯誤;肺炎鏈球菌的體外轉化實驗可證明蛋白質不是遺傳物質,C項錯誤;題述三個實驗所涉及的生物有T2噬菌體、小鼠、大腸桿菌、肺炎鏈球菌,它們的遺傳物質都是DNA,D項正確。
答案　D
4.下列有關人類對遺傳物質探索過程中相關實驗的敘述,正確的是 (　　)
A.肺炎鏈球菌體內轉化實驗中,S型細菌利用宿主細胞的核糖體合成自身的蛋白質
B.肺炎鏈球菌體外轉化實驗中,經DNA酶處理的S型細菌提取物不能使R型細菌轉化成S型細菌
C.32P標記的噬菌體侵染細菌實驗中,細菌體內含有32P標記的噬菌體DNA,但不能產生不含32P的子代噬菌體
D.35S標記的噬菌體侵染細菌實驗中,細菌體內不含有35S標記的噬菌體蛋白質,但可產生含35S的子代噬菌體
解析　S型細菌屬于原核生物,利用自身的核糖體合成自身的蛋白質,A項錯誤;DNA酶能夠分解DNA,故肺炎鏈球菌體外轉化實驗中,經DNA酶處理的S型細菌DNA不能使R型細菌轉化成S型細菌,B項正確;32P標記的噬菌體侵染細菌實驗中,細菌體內含有32P標記的噬菌體DNA,利用細菌體內的原料,經DNA半保留復制后,能產生不含32P的子代噬菌體,C項錯誤;35S標記的噬菌體侵染細菌實驗中,35S標記的蛋白質不能進入細菌體內,細菌體內不含有35S標記的噬菌體蛋白質,也不可能產生含35S的子代噬菌體,D項錯誤。
答案　B
考點三　DNA是主要的遺傳物質
1.RNA是遺傳物質的實驗。
2.生物體內的核酸種類及遺傳物質。
提醒　①病毒的遺傳物質是DNA或RNA,由細胞構成的生物的遺傳物質是DNA。
②絕大多數生物的遺傳物質是DNA,因此DNA是主要的遺傳物質。
正誤判斷
(1)只有細胞內的核酸才是攜帶遺傳信息的物質。 (×)
(2)真核生物、原核生物、大部分病毒的遺傳物質是DNA,少部分病毒的遺傳物質是RNA。 (√)
(3)生物的遺傳物質的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。 (√)
(4)細胞核內的遺傳物質是DNA,細胞質內的遺傳物質是RNA。 (×)
(5)小麥的遺傳物質主要是DNA。 (×)
長句突破
(科學探究)若某研究小組計劃利用放射性同位素標記法探究新冠病毒——2019 nCoV的遺傳物質是DNA還是RNA,請簡述該實驗的設計思路:以含同位素標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸為原料分別培養活細胞,再用上述標記的兩種細胞培養該病毒,一段時間后分別檢測子代病毒中是否出現放射性。
角度 結合探究遺傳物質的思路與方法,考查科學探究能力
1.(2023·黑龍江牡丹江模擬)如圖表示科研人員探究“煙草花葉病毒(TMV)的遺傳物質”的實驗過程,下列說法正確的是 (　　)
A.水和苯酚的作用是分離病毒的蛋白質和RNA
B.TMV的蛋白質不能進入煙草細胞中
C.侵入煙草細胞的RNA進行了逆轉錄過程
D.RNA是TMV的主要遺傳物質
解析　由圖示分析可知,TMV放在水和苯酚中振蕩后,RNA和蛋白質分離,A項正確;通過接種的方式,TMV的蛋白質可以進入煙草細胞中,B項錯誤;從此實驗中看不出TMV的RNA在煙草細胞中進行了逆轉錄過程,C項錯誤;此實驗說明TMV的遺傳物質是RNA,而不是蛋白質,一種生物的遺傳物質只有一種,沒有主次之分,D項錯誤。
答案　A
2.根據遺傳物質的化學組成,可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型。有些病毒對人類健康會造成很大危害。通常,一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。
假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換。請利用放射性同位素標記的方法,以體外培養的宿主細胞等為材料,設計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出(1)實驗思路,(2)預期實驗結果及結論即可。(要求:實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組)
解析　(1)在用放射性同位素標記法對新病毒進行鑒定時,要找出DNA和RNA在化學組成上的區別。題中假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換,就是引導考生從DNA和RNA的堿基組成上進行分析。因此,使病毒中的DNA或RNA的特殊堿基(DNA為胸腺嘧啶,RNA為尿嘧啶)帶上標記,根據病毒中放射性標記的檢測結果就可做出判斷。由于病毒不能在培養基上獨立生活,其增殖時的原料只能來自宿主細胞,所以實驗中需配制兩種培養基,記為甲組和乙組,甲組含有放射性標記的尿嘧啶,乙組含有放射性標記的胸腺嘧啶,分別加入等量的宿主細胞使宿主細胞帶上相應標記,之后接種新病毒,培養一段時間后,收集病毒并檢測其放射性。(2)本實驗有兩種不同的結果:一種是甲組有放射性,乙組無,則該新病毒為RNA病毒;另一種為乙組有放射性,甲組無,則該新病毒為DNA病毒。
答案　(1)實驗思路:
甲組:將宿主細胞培養在含有放射性標記尿嘧啶的培養基中,之后接種新病毒。培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。
乙組:將宿主細胞培養在含有放射性標記胸腺嘧啶的培養基中,之后接種新病毒。培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。
(2)預期實驗結果及結論:
若甲組收集的病毒有放射性,乙組無,則為RNA病毒;反之為DNA病毒。
探究“遺傳物質”種類的4種方法
1.經典重組　判斷正誤
(1)T2噬菌體可感染肺炎鏈球菌導致其裂解。(2018·全國卷Ⅱ,5B) (×)
(2)艾弗里實驗證明從S 型肺炎鏈球菌中提取的DNA 可以使小鼠死亡。(江蘇卷,2B) (×)
(3)T2噬菌體的核酸和蛋白質中含硫元素。(海南卷) (×)
(4)格里菲思實驗證明了DNA是肺炎鏈球菌的遺傳物質。(江蘇卷) (×)
2.(2022·浙江6月選考)下列關于“噬菌體侵染細菌的實驗”的敘述,正確的是 (　　)
A.需用同時含有32P和35S的噬菌體侵染大腸桿菌
B.攪拌是為了使大腸桿菌內的噬菌體釋放出來
C.離心是為了沉淀培養液中的大腸桿菌
D.該實驗證明了大腸桿菌的遺傳物質是DNA
解析　實驗過程中需單獨用32P標記噬菌體的DNA和35S標記噬菌體的蛋白質,A項錯誤;實驗過程中攪拌的目的是使吸附在細菌上的噬菌體外殼與細菌分離,B項錯誤;大腸桿菌的質量大于噬菌體,離心的目的是沉淀培養液中的大腸桿菌,C項正確;該實驗證明噬菌體的遺傳物質是DNA,D項錯誤。
答案　C
3.(2019·江蘇卷)赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗證實了DNA是遺傳物質,下列關于該實驗的敘述正確的是 (　　)
A.實驗中可用15N代替32P標記DNA
B.噬菌體外殼蛋白是大腸桿菌編碼的
C.噬菌體DNA的合成原料來自大腸桿菌
D.實驗證明了大腸桿菌的遺傳物質是DNA
解析　N在噬菌體外殼蛋白與DNA中都存在,故不能用15N代替32P標記DNA,A項錯誤;噬菌體外殼蛋白是由噬菌體的遺傳物質編碼的,B項錯誤;噬菌體侵染大腸桿菌后,以自身DNA為模板,以大腸桿菌中的4種脫氧核苷酸為原料,合成子代DNA,C項正確;本實驗證明噬菌體的遺傳物質是DNA,D項錯誤。
答案　C
4.(2019·海南卷)下列實驗及結果中,能作為直接證據說明“核糖核酸是遺傳物質”的是 (　　)
A.紅花植株與白花植株雜交,F1為紅花,F2中紅花∶白花=3∶1
B.病毒甲的RNA與病毒乙的蛋白質混合后感染煙草只能得到病毒甲
C.加熱致死的S型肺炎鏈球菌與R型活菌混合培養后可分離出S型活菌
D.用放射性同位素標記T2噬菌體外殼蛋白,在子代噬菌體中檢測不到放射性
解析　紅花植株與白花植株雜交,F1為紅花,F2中紅花∶白花=3∶1,這是性狀分離現象,不能說明RNA是遺傳物質,A項錯誤;病毒甲的RNA與病毒乙的蛋白質混合后感染煙草只能得到病毒甲,說明病毒甲的RNA是遺傳物質,B項正確;加熱致死的S型肺炎鏈球菌與R型活菌混合培養后可分離出S型活菌,只能說明加熱致死的S型細菌中存在轉化因子,不能說明RNA是遺傳物質,C項錯誤;用放射性同位素標記T2噬菌體外殼蛋白,在子代噬菌體中檢測不到放射性,說明蛋白質未進入大腸桿菌,不能證明RNA是遺傳物質,D項錯誤。
答案　B
5.(經典高考題)在證明DNA是遺傳物質的過程中,T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗發揮了重要作用。下列與該噬菌體相關的敘述,正確的是 (　　)
A.T2噬菌體也可以在肺炎鏈球菌中復制和增殖
B.T2噬菌體病毒顆粒內可以合成mRNA和蛋白質
C.培養基中的32P經宿主攝取后可出現在T2噬菌體的核酸中
D.人類免疫缺陷病毒與T2噬菌體的核酸類型和增殖過程相同
解析　T2噬菌體的核酸是DNA,DNA的元素組成為C、H、O、N、P,培養基中的32P經宿主(大腸桿菌)攝取后可出現在T2噬菌體的核酸中。T2噬菌體專門寄生在大腸桿菌中,不能寄生在肺炎鏈球菌中;T2噬菌體的mRNA和蛋白質的合成只能發生在其宿主細胞中,不能發生于病毒顆粒中;人類免疫缺陷病毒(HIV)的核酸是RNA,T2噬菌體的核酸是DNA,且二者的增殖過程不同。
答案　C
科學探究
(五) 自變量控制中的"加法原理"和“減法原理”
【典例】　人體對冷、熱和觸覺的感知能力對人類的生存及其與周圍環境的互動交流至關重要。2021年諾貝爾生理學或醫學獎授予了發現溫度和觸覺受體的兩位科學家David Julius和Ardem Patapoutain發現辣椒素激活TRPV1通道是痛熱感覺形成的基礎。Ardem Patapoutain發現觸覺的產生源于機械力激活了PIEZO1通道。多項研究表明,除參與冷、熱和觸覺的感知外,TRPV1通道和PIEZO1通道還參與了其他眾多的生理過程。
(1)在研究觸覺產生的分子機制時,科學家首先確定了一種細胞系,當用微量移液管戳單個細胞時,該細胞能發出可測量的電信號。據此科學家提出機械力激活的受體是某種離子通道的假說,并且確定了細胞中可能參與編碼該離子通道的72個候選基因,并利用上述細胞系作為實驗材料,采用“減法原理”控制自變量,最終成功找到了一個參與編碼機械力敏感離子通道(PIEZO1通道)的基因。試根據上述實驗原理簡要描述實驗思路,預測實驗結果并得出實驗結論。
(2)研究表明,PIEZO1通道還參與骨骼的形成和維護。與野生型小鼠相比,敲除小鼠成骨細胞中的PIEZO1通道基因后,小鼠體格瘦小且支撐體重的長骨輕薄乏力。被懸空(不必支撐自己全部體重)養殖的野生型小鼠也表現出長骨輕薄的現象。由此推測在空間站工作的宇航員骨量相對較少、易患骨質疏松的根本原因最可能是 。
解析　(1)由題意可知,該實驗是利用“減法原理”進行的實驗,且實驗中涉及了72個候選基因,所以想要找到72個候選基因中哪些參與了編碼機械力敏感離子通道,那就需要一個基因一個基因的沉默,然后檢測細胞能否發出可測量的電信號,若能,這說明不是參與編碼機械力敏感離子通道的基因,反之則是,所以實驗思路是將細胞系分組,每組滅活(或沉默)72個基因中的一個,用微量移液器戳單個細胞,檢測其能否發出可測量的電信號;實驗結果及結論:當去除某個基因后,細胞不能發出可測量的電信號,則該基因為參與編碼 PIEZO1通道的基因。(2)由題意可知,敲除小鼠成骨細胞中的PIEZO1通道基因后,小鼠體格瘦小且支撐體重的長骨輕薄乏力,且被懸空(不必支撐自己全部體重)養殖的野生型小鼠也表現出長骨輕薄的現象,推測懸空小鼠出現長骨輕薄的現象是由于成骨細胞中的PIEZO1通道基因表達被抑制了,由此推測在空間站工作的宇航員骨量相對較少、易患骨質疏松的根本原因最可能是空間站的失重環境導致PIEZO1通道基因的表達水平降低。
答案　(1)實驗思路:將細胞系分組,每組滅活(或沉默)72個基因中的一個,用微量移液器戳單個細胞,檢測其能否發出可測量的電信號。
實驗結果及結論:當去除某個基因后,細胞不能發出可測量的電信號,則該基因為參與編碼 PIEZO1通道的基因。
(2)空間站的失重環境導致PIEZO1通道基因的表達水平降低
在對照實驗中,控制自變量可以采用“加法原理”或“減法原理”。
1.“加法原理”
與常態比較,人為增加某種影響因素的稱為“加法原理”。例如,在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的實驗中,與對照組相比,實驗組分別作加溫、滴加FeCl3、滴加肝臟研磨液的處理,就利用了“加法原理”。
2.“減法原理”
與常態比較,人為去除某種影響因素的稱為“減法原理”。例如在艾弗里的肺炎鏈球菌轉化實驗中,每個實驗組特異性地去除了一種物質,從而鑒定出DNA是遺傳物質,就利用了“減法原理”。
1.(2023·廣東珠海模擬)艾弗里及其同事用R型和S型肺炎鏈球菌進行培養實驗,結果如表。下列敘述正確的是 (　　)
實驗 組號 接種 菌型 對要加入的S型細菌的細胞提取物所進行的處理 培養基長 菌情況
一 R型 — R型、S型
二 R型 蛋白酶 R型、S型
三 R型 RNA酶 R型、S型
四 R型 酯酶 R型、S型
五 R型 DNA酶 R型
①實驗采用了自變量控制中的“加法原理”　②第一、第二組說明蛋白質不是轉化因子　③加入DNA酶后細胞提取物失去轉化活性　④該實驗說明DNA是生物主要的遺傳物質
A.①② B.③④
C.①④ D.②③
解析　實驗的不同組中加入不同的酶是為了特異性地去除某種物質,采用的是自變量控制中的“減法原理”,①錯誤;第二組中加入蛋白酶后,培養基中仍出現S型細菌,所以與第一組對照,能說明S型細菌的蛋白質不是轉化因子,②正確;第五組加入DNA酶后,R型細菌不能轉化為S型細菌,即細胞提取物失去轉化活性,③正確;該實驗能說明DNA是遺傳物質,不能說明DNA是主要的遺傳物質,④錯誤。
答案　D
2.一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型,研究表明,新冠病毒是一種RNA病毒,請設計實驗驗證這一結論。要求:簡要寫出實驗思路和實驗結果及結論。
(實驗材料:體外培養的肺部細胞、新冠病毒、RNA水解酶等。)
(1)實驗思路: 。
(2)實驗結果及結論: 。
(3)該實驗控制自變量采用了　　　　　(填“加法原理”或“減法原理”)。
解析　(1)新冠病毒是一種RNA病毒,其遺傳物質是RNA,若用RNA水解酶處理其RNA,病毒將不能增殖,所以實驗思路為將體外培養的肺部細胞均分為A、B兩組,新冠病毒均分為C、D兩組;C組用適量的RNA水解酶處理,D組不做處理;一定時間后,將C、D分別加入A、B混合均勻;在相同且適宜的條件下培養一段時間后,觀察各組細胞的感染情況。(2)結果及結論:A組細胞未被感染,B組細胞被感染,證明新冠病毒是RNA病毒。(3)該實驗控制自變量采用了“減法原理”,因為C組中加入了RNA水解酶,特異性地去除了相應的物質。
答案　(1)將體外培養的肺部細胞均分為A、B兩組,新冠病毒均分為C、D兩組;C組用適量的RNA水解酶處理,D組不做處理;一定時間后,將C、D分別加入A、B混合均勻;在相同且適宜的條件下培養一段時間后,觀察各組細胞的感染情況　(2)A組細胞未被感染,B組細胞被感染,證明新冠病毒是RNA病毒　(3)減法原理
第17講　DNA的結構、復制及基因的本質
課標解讀 核心素養
1.DNA結構的主要特點 2.DNA的復制 3.基因的概念,基因與遺傳信息的關系 4.活動:(1)搜集DNA結構模型建立過程的資料,并進行討論和交流 (2)制作DNA雙螺旋結構模型 生命觀念 DNA的結構決定其功能
科學思維 建立DNA雙螺旋結構模型 闡明DNA復制過程
科學探究 探究DNA的半保留復制
考點一　DNA的結構
1.DNA結構模型的建立者及DNA的組成。
(1)DNA雙螺旋模型構建者:沃森和克里克。
(2)圖解DNA雙螺旋結構。
①DNA由兩條脫氧核苷酸鏈組成,這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構。
②外側:脫氧核糖和磷酸交替連接構成主鏈基本骨架。
③內側:兩鏈上堿基通過氫鍵連接成堿基對。堿基互補配對遵循以下原則:AT(兩個氫鍵)、G≡C(三個氫鍵)。
2.DNA結構特點。
利用數字“五、四、三、二、一”巧記DNA的結構
正誤判斷
(1)DNA一條鏈上的相鄰堿基通過“—磷酸—脫氧核糖—磷酸—”相連。 (×)
(2)DNA中的每個磷酸均連接著一個脫氧核糖和一個堿基。 (×)
(3)雙鏈DNA同時含有2個游離的磷酸基團,其中嘌呤堿基數等于嘧啶堿基數。 (√)
(4)DNA是由兩條核糖核苷酸長鏈反向平行盤旋成雙螺旋結構。 (×)
(5)某雙鏈DNA中一條鏈上A∶T=1∶2,則該DNA中A∶T=2∶1。 (×)
(6)DNA中(A+T)/(C+G)的值越大,該分子結構穩定性越低。 (√)
(7)相對分子質量大小相同、堿基含量相同的核酸分子所攜帶的遺傳信息一定相同。 (×)
(8)DNA的多樣性是指一個DNA分子上有許多個基因。 (×)
(9)人體內控制β 珠蛋白的基因由1 700個堿基對組成,其堿基對可能的排列方式有41 700種。 (×)
教材微點
1.(必修2 P50“圖3-8”)DNA的一條單鏈具有兩個末端,一端有一個游離的磷酸基團,稱作5'-端,另一端有一個羥基(—OH),稱作3'-端,兩條單鏈走向相反,一條單鏈是從5'-端到3'-端的,另一條單鏈是從3'-端到5'-端的。
2.(必修2 P52 “科學·技術·社會”)DNA指紋圖譜法的基本操作:從生物樣品中提取DNA(DNA一般都有部分的降解),可運用PCR技術擴增出DNA片段或完整的基因組DNA,用限制酶可將擴增出的DNA切割成DNA片段。據下面的DNA指紋圖譜判斷,下列懷疑對象中3號是犯罪嫌疑人。
1.理清兩種關系與兩類化學鍵。
(1)
(2)
(3)
2.DNA中堿基數量的計算規律。
(1)
(2)
(3)
角度一 結合DNA分子的結構及特點,考查結構與功能觀
1.(2021·廣東卷)DNA雙螺旋結構模型的提出是二十世紀自然科學的偉大成就之一。下列研究成果中,為該模型構建提供主要依據的是 (　　)
①赫爾希和蔡斯證明DNA是遺傳物質的實驗　②富蘭克林等拍攝的DNA分子X射線衍射圖譜　③查哥夫發現的DNA中嘌呤含量與嘧啶含量相等　④沃森和克里克提出的DNA半保留復制機制
A.①② B.②③
C.③④ D.①④
解析　赫爾希和蔡斯通過噬菌體侵染大腸桿菌的實驗,證明了DNA是遺傳物質,與構建DNA雙螺旋結構模型無關,①不符合題意;沃森和克里克根據富蘭克林等拍攝的DNA分子X射線衍射圖譜,推算出DNA分子呈螺旋結構,②符合題意;查哥夫發現的DNA中腺嘌呤(A)的量總是等于胸腺嘧啶(T)的量,鳥嘌呤(G)的量總是等于胞嘧啶(C)的量,為沃森和克里克構建正確的堿基配對方式提供了依據,③符合題意;沃森和克里克提出DNA半保留復制機制是在DNA雙螺旋結構模型的構建之后,④不符合題意,故選B。
答案　B
2.(2023·漳州模擬)如圖為某雙鏈DNA(由甲鏈和乙鏈組成)的局部結構簡圖,圖中數字①~⑥表示不同物質或化學鍵。下列敘述正確的是 (　　)
A.圖中⑤為氫鍵,且③與④可為A—T堿基對或G—C堿基對
B.圖中①為腺嘌呤,②為胸腺嘧啶,①②通過氫鍵連接
C.圖中⑥為磷酸基團,此DNA片段中含有2個游離的磷酸基團
D.圖中甲鏈與乙鏈方向相反,但兩條鏈堿基排列順序相同
解析　圖中⑤為氫鍵,③與④之間有3個氫鍵,只能為G—C堿基對,A項錯誤;圖中①為腺嘌呤,②為胸腺嘧啶,①②通過“—脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖—”連接,B項錯誤;圖中⑥為磷酸基團,此DNA片段中含有2個游離的磷酸基團,C項正確;圖中甲鏈與乙鏈方向相反,兩條鏈堿基排列順序不相同,D項錯誤。
答案　C
角度二 借助DNA結構的相關計算,考查科學思維能力
3.(不定項)(2023·河北唐山期末)下列關于雙鏈DNA的敘述,正確的是 (　　)
A.一條鏈中A和T的數量相等,則互補鏈中A和T的數量也相等
B.一條鏈中G為C的2倍,則互補鏈中G為C的1/2
C.一條鏈中C∶T=1∶2,則互補鏈中G∶A=2∶1
D.一條鏈中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,則互補鏈中A∶T∶G∶C=2∶1∶4∶3
解析　根據堿基互補配對原則,雙鏈DNA中,一條鏈中的A和T分別與互補鏈中的T和A配對,一條鏈中的G和C分別與互補鏈中的C和G配對,故一條鏈中A和T的數量相等,則互補鏈中A和T的數量也相等,一條鏈中G為C的2倍,則互補鏈中G為C的1/2,A、B兩項正確;一條鏈中C∶T=1∶2,則互補鏈中G∶A=1∶2,C項錯誤;雙鏈DNA分子中,一條鏈中A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,則互補鏈中A∶T∶G∶C=2∶1∶4∶3,D項正確。
答案　ABD
4.下列關于雙鏈DNA分子結構的敘述,正確的是 (　　)
A.某DNA分子含有500個堿基,可能的排列方式有4500種
B.若質粒含有2 000個堿基,則該分子同時含有2個游離的磷酸基團
C.某DNA分子內胞嘧啶占25%,則每條單鏈上的胞嘧啶占25%~50%
D.某DNA分子上有胸腺嘧啶312個,占總堿基的26%,則該DNA分子上有鳥嘌呤288個
解析　某DNA分子含有500個堿基,則可能的排列方式有4250種,A項錯誤;質粒是環狀DNA分子,其不含游離的磷酸基團,B項錯誤;某DNA分子內胞嘧啶占25%,則每條單鏈上的胞嘧啶占0%~50%,C項錯誤;某DNA分子上有胸腺嘧啶312個,占總堿基的26%,則該DNA分子上堿基總數為312÷26%=1 200(個),根據堿基互補配對原則,該DNA分子中有鳥嘌呤1 200×(50%-26%)=288(個),D項正確。
答案　D
解答有關堿基計算題的“三步曲”
考點二　DNA的復制
1.DNA復制方式的實驗證據。
(1)實驗者:美國生物學家梅塞爾森和斯塔爾。
(2)研究方法:假說—演繹法。
(3)實驗材料:大腸桿菌。
(4)實驗技術:同位素標記技術和離心技術。
(5)實驗原理:含15N的雙鏈DNA密度大,含14N的雙鏈DNA密度小,一條鏈含14N、一條鏈含15N的雙鏈DNA密度居中。
(6)實驗假設:DNA以半保留的方式復制。
(7)實驗預期:離心后應出現3條DNA帶。重帶(密度最大):兩條鏈都為15N標記的親代雙鏈DNA;中帶(密度居中):一條鏈為14N標記,另一條鏈為15N標記的子代雙鏈DNA;輕帶(密度最小):兩條鏈都為14N標記的子代雙鏈DNA。
(8)實驗過程及分析。
①實驗過程。
②實驗分析。
a.立即取出:提取DNA→離心→全部重帶。
b.細胞分裂一次(即細菌繁殖一代)取出:提取DNA→離心→全部中帶。
c.細胞再分裂一次(即細菌繁殖兩代)取出:提取DNA→離心→輕帶、中帶。
(9)實驗結論:DNA的復制是以半保留的方式進行的。
2.DNA的復制。
(1)概念、時間、場所。
(2)過程。
(3)結果:一個DNA分子形成了兩個完全相同的DNA分子。
(4)特點
提醒　半保留復制為每個子代DNA分子都保留原DNA的一條鏈。
(5)DNA準確復制的原因:DNA具有獨特的雙螺旋結構,為復制提供精確的模板,堿基互補配對原則,保證了復制能準確地進行。
(6)DNA復制的意義:DNA通過復制,將遺傳信息從親代細胞傳遞給子代細胞,從而保持了遺傳信息的連續性。
3.染色體、DNA、基因和脫氧核苷酸的關系。
正誤判斷
(1)DNA復制遵循堿基互補配對原則,新合成的DNA分子中兩條鏈均是新合成的。 (×)
(2)DNA雙螺旋結構全部解旋后,開始DNA的復制。 (×)
(3)單個脫氧核苷酸在DNA酶的作用下連接合成新的子鏈。 (×)
(4)在一個細胞周期中,DNA復制過程中的解旋發生在兩條DNA母鏈之間。 (√)
(5)在人體內,成熟的紅細胞、漿細胞中不發生DNA的復制。 (√)
長句突破
1.(科學思維)已知果蠅的基因組大小為1.8×108bp(bp表示堿基對),真核細胞中DNA復制的速率一般為50~100 bp/s。如圖為果蠅DNA的電鏡照片,圖中的泡狀結構叫作DNA復制泡,是DNA上正在復制的部分。請你推測果蠅DNA形成多個復制泡的原因。
果蠅DNA的電鏡照片
提示　真核生物中DNA的復制是從多個起點開始的,這種復制方式提高了復制效率。
2.(事實概述)如圖為DNA的復制過程。
若發生在細胞核內,形成的兩個子DNA位置如何,其上面對應片段中基因是否相同,兩個子DNA將于何時分開,分別表述為染色體復制后形成兩條姐妹染色單體,剛復制產生的兩個子DNA分子分別位于兩條姐妹染色單體上,由著絲粒相連;其對應片段所含基因在無基因突變等變異情況下應完全相同;兩個子DNA分子將于有絲分裂后期或減數分裂Ⅱ后期著絲粒分裂時,隨兩條姐妹染色單體的分離而分開,分別進入兩個子細胞中。
3.(科學探究)將發生癌變的小腸上皮細胞用含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養液培養,一段時間后再移至普通培養液中培養,不同間隔時間取樣,檢測到被標記的癌細胞比例減少,出現上述結果的原因是依據DNA半保留復制特點,轉移到普通培養液中的癌細胞,隨著細胞增殖次數的增加,不被標記的癌細胞開始出現并不斷增多,故被標記的癌細胞比例減少。
1.歸納概括DNA復制的五個問題。
(1)復制的場所:主要場所是細胞核,但在擬核、線粒體、葉綠體、細胞質基質(如質粒)中也可進行DNA復制。
(2)外界條件對DNA復制的影響:在DNA復制的過程中,需要酶的催化和能量,凡是影響酶活性的因素和影響細胞呼吸的因素,都會影響DNA的復制。
(3)復制方式:半保留復制。新合成的每個DNA分子中,都保留了原來DNA分子中的一條鏈(模板鏈)。
(4)過程特點:邊解旋邊復制;多點解旋和復制。
(5)DNA復制的準確性。
①一般情況下,DNA能準確地進行復制。原因是DNA具有獨特的雙螺旋結構,能為復制提供精確的模板;通過堿基互補配對,保證了復制能夠準確地進行。
②在特殊情況下,在外界因素和生物內部因素的作用下,可能造成堿基配對發生差錯,引發基因突變。
2.“圖解法”分析DNA復制相關計算。
(1)將含有15N的DNA放在含有14N的培養基中連續復制n次,則:
①子代DNA共2n個
②脫氧核苷酸鏈共2n+1條
(2)DNA復制過程中消耗的脫氧核苷酸數。
①若親代DNA含有某種脫氧核苷酸m個,經過n次復制需要消耗該種脫氧核苷酸數為m·(2n-1)。
②第n次復制需要該種脫氧核苷酸數為m·2n-1。
角度一 圍繞DNA復制過程與特點,考查理解能力
1.(2021·遼寧卷)下列有關細胞內的DNA及其復制過程的敘述,正確的是 (　　)
A.子鏈延伸時游離的脫氧核苷酸添加到3'端
B.子鏈的合成過程不需要引物參與
C.DNA每條鏈的5'端是羥基末端
D.DNA聚合酶的作用是打開DNA雙鏈
解析　子鏈延伸時5'→3'合成,故游離的脫氧核苷酸添加到3'端,A項正確;子鏈的合成過程需要引物參與,B項錯誤;DNA每條鏈的5'端是磷酸基團末端,3'端是羥基末端,C項錯誤;解旋酶的作用是打開DNA雙鏈,D項錯誤。
答案　A
2.(2023·山東德州期中)單分子熒光測序技術原理如圖所示。某種脫氧核糖核苷三磷酸(dNTP)提供一個相應的脫氧核苷酸連接到DNA子鏈上的同時,會產生一分子的焦磷酸(PPi),一分子的PPi可以通過一系列反應使熒光素發出一次熒光,通過檢測熒光的有無可推測模板鏈上相應位點的堿基種類。下列說法錯誤的是 (　　)
A.測序過程中dNTP可以為反應提供能量
B.單分子熒光測序需要在DNA復制過程中進行
C.測序時需要在反應體系中同時加入4種dNTP
D.利用該技術測序時可能會連續多次出現熒光現象
解析　測序過程反應中的能量來自dNTP水解放出的能量,A項正確;單分子熒光測序時dNTP提供一個脫氧核苷酸用于DNA復制的原料,B項正確;每一輪測序中只加入1種dNTP,C項錯誤;在連續的位置可能出現相同堿基,則會連續多次出現熒光現象,D項正確。
答案　C
角度二 圍繞DNA分子復制的相關計算,考查演繹推理能力
3.(2023·臨沂模擬)現有DNA分子的兩條單鏈均只含有14N(表示為14N/14N)的大腸桿菌,若將該大腸桿菌在含有15N的培養基中繁殖兩代,再轉到含有14N的培養基中繁殖一代,則理論上DNA分子的組成類型和比例分別是 (　　)
A.有15N/14N和14N/14N兩種,其比例為1∶3
B.有15N/15N和14N/14N兩種,其比例為1∶1
C.有15N/15N和14N/14N兩種,其比例為3∶1
D.有15N/14N和14N/14N兩種,其比例為3∶1
解析　將只含有14N的大腸桿菌置于含有15N的培養基中繁殖兩代后,由于DNA的半保留復制,得到的子代DNA為2個15N/15N DNA和2個15N/14N DNA,再將其轉到含有14N的培養基中繁殖一代,會得到6個15NN DNA和2個14N/14N DNA,比例為3∶1。
答案　D
4.(2023·濱州模擬)用15N標記兩條鏈含有100個堿基對的DNA分子,其中胞嘧啶有60個,該DNA分子在含14N的培養基中連續復制3次。下列有關說法不正確的是 (　　)
A.該DNA分子含有的氫鍵數目是260個
B.該DNA分子復制3次共需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸320個
C.子代DNA分子中含15N的單鏈與含14N的單鏈之比為1∶7
D.子代DNA分子中含15N的DNA分子與含14N的DNA分子之比為1∶4
解析　該DNA分子有100個堿基對,其中胞嘧啶有60個,則G有60個,A和T各有40個,又知C、G之間有3個氫鍵,A、T之間有2個氫鍵,因此氫鍵數目為60×3+40×2=260(個),A項正確;該DNA分子含有腺嘌呤脫氧核苷酸(A)40個,則復制3次共需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸的數目為(23-1)×40=280(個),B項錯誤;該DNA分子復制3次共產生8個DNA分子、16條DNA單鏈,其中2條鏈含15N,故含15N的單鏈與含14N的單鏈之比為2∶14,即1∶7,C項正確;該DNA分子復制3次共產生8個DNA分子,其中2個DNA分子含有15N,8個DNA分子都含有14N,故二者之比為1∶4,D項正確。
答案　B
5.(不定項)(2023·山東滕州期中)1958年,科學家運用同位素標記技術設計了DNA復制的實驗,實驗的培養條件與方法:(1)在含15N的培養基中培養若干代,使DNA均被15N標記,離心結果如圖中的甲;(2)轉至14N的培養基培養,每20分鐘繁殖一代;(3)取出每代大腸桿菌的DNA樣本,離心。圖中的乙、丙、丁是某學生畫的結果示意圖。下列有關推論,正確的是 (　　)
A.出現丁的結果需要60分鐘
B.乙是轉入14N培養基中繁殖一代的結果
C.轉入培養基中繁殖三代后全部DNA均含有14N
D.丙結果出現后,將此時的DNA熱變性后離心分析可得出半保留復制的結論
解析　根據DNA半保留復制特點,轉入14N培養基中繁殖兩代后所得DNA分子中,有一半DNA分子只含14N,另一半DNA分子是一條鏈含有15N,一條鏈含有14N,離心后出現中帶和輕帶,即丁圖所示結果,即出現丁的結果至少要復制兩次,而大腸桿菌每20分鐘繁殖一代,因此至少需要40分鐘,A項錯誤;根據DNA半保留復制特點,轉入14N培養基中繁殖一代后所得DNA分子都是一條鏈含有15N,另一條鏈含有14N,離心后只出現中帶,即丙圖所示結果,B項錯誤;因實驗中DNA復制的原料均含14N,故轉入培養基中繁殖三代后,所有的DNA都含有14N,C項正確;丙是轉入14N培養基中繁殖一代的結果,DNA分子都是一條鏈含有15N,另一條鏈含有14N,因此將此時的DNA熱變性后離心分析可得出半保留復制的結論,D項正確。
答案　CD
有關DNA復制和計算的4點“注意”
(1)DNA中氫鍵可由解旋酶催化斷裂,同時需要ATP供能,也可加熱斷裂(體外);而氫鍵是自動形成的,不需要酶和能量。
(2)注意“DNA復制了n次”和“第n次復制”的區別,前者包括所有的復制,后者只包括第n次的復制。
(3)DNA復制計算時看清題中所給出的堿基的單位是“對”還是“個”;所問的是“DNA分子數”還是“鏈數”,是“含”還是“只含”。
(4)在真核生物中,DNA復制一般是多起點復制;在原核生物中,DNA復制一般是一個起點。無論是真核生物還是原核生物,DNA復制大多數都是雙向進行的。
1.經典重組　判斷正誤
(1)細胞中DNA分子的堿基總數與所有基因的堿基數之和不相等。(2020·全國卷Ⅲ,1C) (√)
(2)細胞中DNA分子的堿基對數等于所有基因的堿基對數之和。(2017·海南卷,23C) (×)
(3)雙鏈DNA分子中一條鏈上的磷酸和核糖是通過氫鍵連接的。(2014·全國卷Ⅱ,5C) (×)
(4)DNA有氫鍵,RNA沒有氫鍵。(2013·全國卷Ⅱ,1A) (×)
2.(2022·廣東卷)λ噬菌體的線性雙鏈DNA兩端各有一段單鏈序列。這種噬菌體在侵染大腸桿菌后其DNA會自連環化(如圖),該線性分子兩端能夠相連的主要原因是 (　　)
A.單鏈序列脫氧核苷酸數量相等
B.分子骨架同為脫氧核糖與磷酸
C.單鏈序列的堿基能夠互補配對
D.自連環化后兩條單鏈方向相同
解析　單鏈序列脫氧核苷酸數量相等、分子骨架同為脫氧核糖與磷酸交替連接,不能決定該線性DNA分子兩端能夠相連,A、B兩項錯誤;據圖可知,單鏈序列的堿基能夠互補配對,決定該線性DNA分子兩端能夠相連,C項正確;DNA的兩條鏈是反向的,因此自連環化后兩條單鏈方向相反,D項錯誤。
答案　C
3.(2022·浙江6月選考)某同學欲制作DNA雙螺旋結構模型,已準備了足夠的相關材料,下列敘述正確的是 (　　)
A.在制作脫氧核苷酸時,需在磷酸上連接脫氧核糖和堿基
B.制作模型時,鳥嘌呤與胞嘧啶之間用2個氫鍵連接物相連
C.制成的模型中,腺嘌呤與胞嘧啶之和等于鳥嘌呤和胸腺嘧啶之和
D.制成的模型中,磷酸和脫氧核糖交替連接位于主鏈的內側
解析　在制作脫氧核苷酸時,需在脫氧核糖上連接磷酸和堿基,A項錯誤;鳥嘌呤和胞嘧啶之間由3個氫鍵連接,B項錯誤;DNA的兩條鏈之間遵循堿基互補配對原則,即A=T、C=G,故在制作的模型中A+C=G+T,C項正確;DNA分子中脫氧核糖和磷酸交替連接,排列在外側,構成基本骨架,堿基在內側,D項錯誤。
答案　C
4.(2021·山東卷)利用農桿菌轉化法,將含有基因修飾系統的T DNA插入到水稻細胞M的某條染色體上,在該修飾系統的作用下,一個DNA分子單鏈上的一個C脫去氨基變為U,脫氨基過程在細胞M中只發生一次。將細胞M培育成植株N。下列說法錯誤的是 (　　)
A.N的每一個細胞中都含T DNA
B.N自交,子一代中含T DNA的植株占3/4
C.M經n(n≥1)次有絲分裂后,脫氨基位點為A—U的細胞占1/2n
D.M經3次有絲分裂后,含T DNA且脫氨基位點為A—T的細胞占1/2
解析　在M培育成N的過程中,增殖方式為有絲分裂。根據題意M細胞中某條染色體上含有T DNA,有絲分裂過程中T DNA會隨著水稻DNA的復制而復制,復制后精確分配到子細胞中去,所以細胞M培育成的植物N的每個子細胞中都含有T DNA,A項正確;N的原始生殖細胞中其中一條染色體含有T DNA(可記為T),其同源染色體不含T DNA(可記為O),那么N植株可表示為TO,根據分離定律N植物(TO)自交子一代中含T的植物占3/4,也就是含T DNA的植物占3/4,B項正確; 根據題意M細胞染色體一個DNA分子的單鏈中C變為U,由于DNA復制的原料是脫氧核苷酸不含堿基U,故復制n次后脫氨位點含有A—U的細胞只有一個,復制n次后細胞總數為2n個,所以脫氨位點為A—U的細胞占1/2n,C項正確;據A項解析知,M經3次有絲分裂后的細胞都含有T DNA。由于M細胞中一個DNA的單鏈的C變U,其互補鏈的對應位點正常為G,所以子代細胞1/2是正常的G—C,1/2是堿基對被替換的。M經3次復制后形成8個子DNA,其中4個脫氨位點為正常的(G—C或C—G);4個脫氨位點為替換的,其中一個DNA含有U—A(或A—U),三個DNA為A—T(或T—A),綜上分析M經3次有絲分裂后,含T DNA且脫氨基位點為A—T的細胞占3/8,D項錯誤。
答案　D
5.(2021·全國甲卷)用一段由放射性同位素標記的DNA片段可以確定基因在染色體上的位置。某研究人員使用放射性同位素32P標記的脫氧腺苷三磷酸(dATP,dA-Pα~Pβ~Pγ)等材料制備了DNA片段甲(單鏈),對W基因在染色體上的位置進行了研究,實驗流程的示意圖如下。
回答下列問題:
(1)該研究人員在制備32P標記的DNA片段甲時,所用dATP的α位磷酸基團中的磷必須是32P,原因是　　　　　　　　　　　。
(2)該研究人員以細胞為材料制備了染色體樣品,在混合操作之前去除了樣品中的RNA分子,去除RNA分子的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)為了使片段甲能夠通過堿基互補配對與染色體樣品中的W基因結合,需要通過某種處理使樣品中的染色體DNA　　　　　。
(4)該研究人員在完成上述實驗的基礎上,又對動物細胞內某基因的mRNA進行了檢測,在實驗過程中用某種酶去除了樣品中的DNA,這種酶是　　　　　　　　　　　　　　。
解析　(1)因為dATP分子中的兩個特殊化學鍵斷裂后形成的dA-P(腺嘌呤脫氧核糖核苷酸)是組成DNA的基本單位之一,所以只有α位磷酸基團中的磷是32P,才能使DNA合成原料具有放射性,最終使合成的DNA具有32P的放射性。(2)由題意可知,本實驗的目的是用一段由放射性同位素標記的DNA片段確定W基因在染色體上的位置,在混合操作之前應去除樣品中的RNA分子,若不去除RNA分子,則RNA分子會與DNA分子堿基互補配對結合,從而影響DNA與染色體對應位點的DNA結合,導致無法確定基因在染色體上的位置。(3)DNA要先解開雙鏈,片段甲才能通過堿基互補配對與染色體樣品中的W基因結合,因此,需要通過某種處理使樣品中的染色體DNA解旋。(4)因為酶具有專一性,故應用DNA酶(或DNA水解酶)去除樣品中的DNA。
答案　(1)dATP分子中的兩個特殊的化學鍵斷裂后形成的dA-P是組成DNA的基本單位之一,所以α位磷酸基團中的磷是32P,才能使DNA具有32P的放射性　(2)防止RNA分子與DNA分子堿基互補配對結合,從而影響DNA與染色體對應位點的DNA結合　(3)解旋　(4)DNA酶(DNA水解酶)
(十二)　標記DNA的去向分析
1.DNA分子半保留復制圖像及解讀。
2.進行有絲分裂的細胞在細胞增殖過程中核DNA和染色體的標記情況分析。
DNA復制一次細胞分裂一次。如圖為連續分裂兩次的過程圖(以一條染色體為例)。
注:“”為親代DNA鏈;“”為利用原料合成的子鏈。
由圖可以看出,第一次有絲分裂形成的兩個子細胞中所有核DNA分子均由一條親代DNA鏈和一條子鏈組成;第二次有絲分裂后最終形成的子細胞中含親代DNA鏈的染色體條數是0~2n(以體細胞染色體數為2n為例)。
3.進行減數分裂的細胞在分裂過程中核DNA和染色體的標記情況分析。
在進行減數分裂之前,DNA復制一次,減數分裂過程中細胞連續分裂兩次。如圖是一次減數分裂的結果(以一對同源染色體為例)。
注:“”為親代DNA鏈;“”為利用原料合成的子鏈。
由圖可以看出,減數分裂過程中細胞雖然連續分裂兩次,但DNA只復制一次,所以四個子細胞中所有核DNA分子均由一條親代DNA鏈和一條利用原料合成的子鏈組成。
1.(2021·浙江1月選考)現建立“動物精原細胞(2n=4)有絲分裂和減數分裂過程”模型。1個精原細胞(假定DNA中的P元素都為32P,其他分子不含32P)在不含32P的培養液中正常培養,分裂為2個子細胞,其中1個子細胞發育為細胞①。細胞①和②的染色體組成如圖所示,H(h)、R(r)是其中的兩對基因,細胞②和③處于相同的分裂時期。下列敘述正確的是 (　　)
A.細胞①形成過程中沒有發生基因重組
B.細胞②中最多有兩條染色體含有32P
C.細胞②和細胞③中含有32P的染色體數相等
D.細胞④~⑦中含32P的核DNA分子數可能分別是2、1、1、1
解析　圖中細胞①處于減數分裂Ⅰ前期,分析細胞①中基因組成可知,發生了同源染色體非姐妹染色單體的互換,即發生了基因重組,A項錯誤;根據DNA分子半保留復制,1個精原細胞(DNA中的P元素都為32P),在不含32P的培養液中正常培養,經過一次有絲分裂產生的子細胞中每條染色體中的DNA分子一條鏈含32P,另一條鏈不含32P。該子細胞經過減數分裂Ⅰ前的間期復制,形成的細胞①中每條染色體,只有一條單體的DNA分子一條鏈含有32P(共4條染色單體含有32P),細胞①形成細胞②會發生同源染色體分離,正常情況下,細胞②有兩條染色體含有32P(分布在非同源染色體上),但根據圖可知,H所在的染色體發生過互換,很有可能H和h所在染色體都含有32P,因此細胞②中最多有3條染色體含有32P,B項錯誤;根據B項分析可知,正常情況下,細胞②和③中各有兩條染色體含有32P(分布在非同源染色體上),但由于細胞①中發生了H和h的互換,而發生互換的染色單體上不確定是否含有32P,故細胞②和細胞③中含有32P的染色體數可能相等也可能不相等,C項錯誤;如果細胞②的H和R所在染色體含有32P,且細胞②中h所在染色體含有32P,則r在染色體不含有32P,因此形成的細胞④含有32P的核DNA分子數為2個,形成的細胞⑤含有32P的核DNA分子數為1個,由于細胞③的基因型為Hhrr(h為互換的片段),h所在的染色體與其中一個r所在染色體含有32P(H和另一個r所在染色體不含32P),如果含有32P的2條染色體不在同一極,則形成的細胞⑥和⑦都含32P的核DNA分子數為1個,D項正確。
答案　D
2.(2023·天津和平區摸底)用32P標記某植物體細胞(含12條染色體)的DNA分子雙鏈,再將這些細胞轉入不含32P的培養基中培養,在第二次細胞分裂的中期一個細胞中染色體攜帶32P標記的情況是 (　　)
A.帶有32P標記的DNA分子數與染色體數相同
B.帶有32P標記的染色體有6條
C.每條染色體的兩條姐妹染色單體均帶有32P標記
D.每條染色體中帶有32P標記的DNA單鏈為0條或1條
解析　依題意和DNA分子的半保留復制可知,在第一次有絲分裂結束后,每個子細胞中含有的12條染色體,每條染色體上所含有的雙鏈DNA分子中只有一條鏈被32P標記;在第二次有絲分裂的間期DNA分子完成復制后,每條染色體含2個DNA分子,這2個DNA分子分別位于組成該染色體的2條姐妹染色單體上,其中只有一條染色單體上的DNA被32P標記,所以有絲分裂中期的細胞中有12條被標記的染色體,與帶有32P標記的DNA分子數相同,A項正確;由A項分析可知,第二次細胞分裂中期一個細胞中,帶有32P標記的染色體有12條,每條染色體的兩條姐妹染色單體中只有一條帶有32P標記,每條染色體中帶有32P標記的DNA單鏈為1條,B、C、D三項錯誤。
答案　A
3.(不定項)(2023·濱州模擬)取小鼠(2n=40)的1個精原細胞,誘導其在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養基中完成減數分裂形成4個精子,取其中一個精子與卵細胞結合形成受精卵,然后轉入無放射性的培養基中培養至早期胚胎。下列敘述正確的是 (　　)
A.減數分裂Ⅰ前期形成10個四分體,每個四分體的DNA均被3H標記
B.減數分裂形成的每個精子中有10條染色體被3H標記,10條未被標記
C.受精卵第一次有絲分裂后期,細胞中被3H標記的染色體有20條
D.受精卵第一次有絲分裂產生的每個子細胞中被3H標記的染色體有10條
解析　減數分裂Ⅰ前期形成20個四分體,每個四分體的DNA均被3H標記,A項錯誤;減數分裂形成的每個精子中20條染色體都被3H標記,B項錯誤;受精卵第一次有絲分裂后期,細胞中被3H標記的染色體只有20條,C項正確;受精卵第一次有絲分裂產生的每個子細胞中被3H標記的染色體有0~20條,D項錯誤。
答案　C

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