【本讲教育信息】

一、教学内容

第二节 DNA的结构和DNA的复制

二、学习内容：

解开DNA结构之谜 DNA的结构 染色体的结构 DNA的复制

三、学习目标

概述DNA分子结构的主要特点

概述DNA分子的复制过程

四、学习重点：

DNA分子结构的主要特点、DNA分子的复制过程

五、学习难点

DNA分子结构的主要特点、DNA分子的复制过程 DNA半保留复制

六、学习过程

1. 解开DNA结构之谜

科学研究的杰出成果

① 20世纪30年代后期，瑞典的科学家们证明DNA是不对称的。第二次世界大战以后，科学家们用电子显微镜测定出DNA分子的直径约为2nm；

② 1951年美国生物化学家查戈夫定量分析DNA分子的碱基组成，发现A=T，G=C。

③ 1952年英国化学家富兰克琳（R. E. Franklin）等采用X射线衍射技术拍摄到DNA结构的照片，确认DNA为螺旋结构，并且是由不止一条链所构成的。

④ 1953年美国科学家沃森（J. D. Watson）（左）和英国科学家克里克（F. Crick）（右）提出DNA分子的双螺旋结构模型。

2. DNA的结构

⑴ 化学结构：DNA是一种生物大分子。它的基本组成单位是脱氧核苷酸，许多脱氧核苷酸聚合成为脱氧核苷酸链。组成脱氧核苷酸的碱基有4种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。

⑵ 立体结构

沃森和克里克认为：

① DNA分子的立体结构是规则的双螺旋结构，由两条链组成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构

② DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架

③ 碱基排列在内侧；DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对

④ 碱基互补配对原则

碱基配对有一定的规律：A一定与T配对；G一定与C配对。碱基之间的这种一一对应关系，叫做碱基互补配对原则。A和T之间形成2个氢键，G和C之间形成3个氢键。

设计和制作DNA分子双螺旋结构模型

Ⅰ 排在两侧的棉绳代表两条主链

Ⅱ 主链间，用牙签代表碱基对

该模型的不足之处：

脱氧核糖与磷酸相间排列关系未显示

碱基对不到位

碱基配对关系，氢键，碱基与主链以何种成分成键

⑶ DNA分子的多样性、特异性和相对稳定性

组成DNA分子的碱基虽然只有4种，但是碱基对的排列顺序却是千变万化的。如果一个DNA分子有4000个碱基对，这些碱基对可能的排列方式就有4⁴⁰⁰⁰（即1000⁸⁰⁰）种，不同的碱基对排列顺序就表示不同的遗传信息。

① 多样性 碱基对排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性

② 特异性 碱基对的特定的排列顺序，构成了每一个DNA分子的特异性。

③ 相对稳定性

主链的脱氧核糖和磷酸由磷酸二酯键构成，键能高，稳定性强，不易断裂；主链间通过碱基对以氢键相连，既增加了稳定性，又利于解旋和复制。

DNA分子的双螺旋结构可以解释DNA分子在细胞分裂时能够复制，从而揭示基因复制和遗传信息传递的奥秘。1962年，沃森和克里克因提出DNA分子双螺旋结构模型及其遗传机制而获得诺贝尔生理学或医学奖。

3. 染色体的结构

在20世纪70年代以前，人们认为染色质的结构是组蛋白包裹在DNA外面形成的纤维状结构。1974年，一些科学家通过染色质的酶切降解和电镜观察，发现核小体是染色质的基本组成单位，这使染色质结构的研究取得了重大进展

现已确认，染色质的基本成分主要包括DNA和组蛋白，此外还有非组蛋白和RNA。这些成分通过螺旋化和折叠，形成了一定的结构

根据多方面的研究成果，科学家提出了从染色质到染色体的四级结构模型（下图）。

⑴ 一级结构 染色质是一系列核小体相互连接成的念珠状结构

核小体的核心是由组蛋白H₂A、H₂B、H₃、H₄各两个分子构成的八聚体，在八聚体的表面缠绕有双螺旋DNA。在相邻的两个核小体之间，由DNA连接，称为连接线，在连接线部位结合有一个组蛋白分子H₁。现在普遍认为，在组蛋白分子H₁存在时，每个核小体间紧密接触，形成直径为10nm的纤维状结构，此时，DNA的长度被压缩了约7倍。这就是染色体构型变化的一级结构。

⑵ 二级结构 由核小体连接起来的纤维状结构经螺旋化形成中空的螺线管，这就是染色体构型变化的二级结构。螺线管的每一圈包括6个核小体，外径约为30nm。因此，DNA的长度在一级结构的基础上又被压缩了6倍。

⑶ 三级结构 由螺线管进一步形成染色体的方式，现在有不同的看法。一些科学研究表明，从人胚胎的成纤维细胞中分离出来的染色体，被温和地破坏后，在光学显微镜下可见到有伸展的、直径约为400nm的细线结构。在电子显微镜下观察这些细线时，判明它就是由直径30nm的螺线管螺旋化形成的筒状结构，称为超螺线管。这是染色体构型变化的三级结构。此时，DNA的长度在二级结构的基础上被压缩了40倍。

⑷ 四级结构 超螺线管再进一步螺旋折叠则形成染色体，这是染色体构型变化的四级结构。DNA的长度在三级结构的基础上被压缩了5倍。可见，染色体是由一条连续的DNA长链，经过四级盘旋、折叠而形成的。

4. DNA的复制（通过复制，使遗传信息从亲代传给子代，从而确保了遗传信息的连续性）

⑴ DNA复制 以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程称为DNA复制。这一过程发生在细胞有丝分裂的间期和减数分裂的间期。

⑵ DNA分子的复制方式——半保留复制

① 米西尔森、斯塔尔证明DNA分子复制方式的实验（1957年）

细菌大约每20min分裂一次，据此，可有目的的获得子一代、子二代细菌分析DNA。

材料	培养基	转入^14N培养时间	提取DNA 放入有CsCl溶液的试管离心处理	链带分析
细菌 DNA （^14N）	^14N培养基 DNA（^14N）（对照）			轻链（^14NDNA）
	^15N培养基 （DNA双链 均为^15N）	0分钟取样（亲代）		重链（^15NDNA）
		20分钟取样（子一代）		中链（^14N/^15N）
		40分钟取样（子二代）		中链 轻链

② 实验证明，在新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，因此，这种复制方式又被称为DNA半保留复制。

DNA分子独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板，通过碱基互补配对，保证了复制能够精确地进行。

⑶ DNA分子的复制过程（边解旋边复制）

① 解旋 复制开始时，DNA分子首先利用细胞提供的能量，在解旋酶等的作用下，把两条螺旋的双链解开，这个过程称为解旋。

② 合成子链 以母链为模板，以周围环境中游离的脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一条子链。

③ 子链与对应的母链盘绕成双螺旋结构 新合成的子链不断地延伸，同时，每条子链与其对应的母链盘绕成双螺旋结构，分别形成一个新的DNA分子。

DNA分子的复制是以DNA分子的两条链为模板，利用细胞中的原料（4种脱氧核苷酸）、能量和酶等，通过碱基互补配对精确地进行的。复制结束后，1个DNA分子就形成了2个完全相同的DNA分子。

⑷ DNA分子复制的条件 模板链；游离的四种脱氧核苷酸； ATP；酶。

【典型例题】

1. 用一个³²P标记的噬菌体侵染细菌，若该细菌解体后释放出32个大小、形状一样的噬菌体，则其中含有³²P的噬菌体有…………（ ）

A. 0个 B. 2个 C. 30个 D. 32个

分析：标记了一个噬菌体，等于标记了两条DNA链，由于DNA为半保留复制，被标记的两条DNA链各进入两个噬菌体内，以后不管复制多少次，最终都只有2个噬菌体被标记。

答案：B

2. 如果把含¹⁵N的DNA叫做重DNA，把含¹⁴N的DNA叫做轻DNA，把一条链含¹⁵N，另一条链含¹⁴N的DNA叫做中间DNA，那么，将一个完全被¹⁵N标记的DNA分子放入含¹⁴N的培养基中培养，让其连续复制三代，则培养基内重DNA、中间DNA和轻DNA的分子数目分别是…………………（ ）

A. 0，2，6 B. 2，0，6 C. 2，4，2 D. 6，0，2

分析：将含¹⁵N的重DNA放入含¹⁴N的培养基中培养，让其连续复制三代，第一代产生的是2个中间DNA；该中间DNA复制2次产生8个DNA，有2个中间DNA，6个轻DNA。

答案：A。

3. 一个DNA分子中有1000个碱基对，其中腺嘌呤占碱基总数的20％，如果连续复制两次，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸的总数是 （ ）

A. 600 B. 1200 C. 1800 D. 2400

分析：由题干得知腺嘌呤占碱基总数的20％，由A=T可知C=2000×（1－40%）/2=600，连续复制两次，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸的总数=600×（2ⁿ－1）=1800。

答案：C。

4. DNA组成分析表明下列的相关比值中哪一个是可变的……（ ）

A. A/T B. G/C

C. （A+T）/（G+C） D. （A+G）/（T+C）

分析：在双链DNA分子中，A＝T，G＝C，A+G＝T+C，所以A/T＝1，G/C＝1。 而C项中（A+T）/（G+C）的比值因DNA分子种类不同而变化。

答案：C

5. 若一个双链DNA分子的G占整个DNA分子碱基的27％，并测得DNA分子一条链上的A占这条链碱基的18％，则另一条链上的A的比例是 ………（ ）

A. 9％ B. 27％ C. 28％ D. 46％

分析：据碱基互补配对原则进行计算。据题意：G占整个DNA分子的27％，依碱基互补配对原则：G＝C＝27％，G+C＝54％，那么A+T＝1－54％＝46％，又因为它的任何一条链中A+T＝46％，而其中A＝18％，则此链中T＝46％－18％＝28％，另一条链中A＝28％。

答案：C

【模拟试题】（答题时间：70分钟）

一、选择题

1. 下列有关核酸的叙述中错误的是……………（ ）

A. 生物体内具有遗传功能的大分子化合物

B. 细胞内生命物质的主要成分之一

C. 由含氮碱基、脱氧核糖和磷酸组成

D. 由核苷酸聚合而成的大分子化合物

2. 下列关于DNA结构的描述错误的是………（ ）

A. 每一个DNA分子都是由一条多核苷酸链盘绕而成的螺旋结构

B. 外侧是由磷酸与脱氧核糖交替连接构成的骨架，内部是碱基

C. DNA两条链上的碱基间以氢键相连，且A与T配对、G与C配对

D. DNA的两条链等长，但是反向平行的

3. 在一DNA片段中，有腺嘌呤m个，占该片段全部碱基的比例为n，则…………（ ）

A. n≤0.5 B. n≥0.5

C. 胞嘧啶为n（1/2m－l）个 D. 胞嘧啶为n（1/2n－l）个

4. 现有一待测核酸样品，经检测后，对碱基个数统计和计算得到下列结果：（A+T）/（G+C）＝1，（A+G）/（T+C）＝1。根据此结果，该样品…………（ ）

A. 无法被确定是脱氧核糖核酸还是核糖核酸

B. 可被确定为双链DNA

C. 无法被确定是单链DNA还是双链DNA

D. 可被确定为单链DNA

5. 下列关于DNA复制的叙述，正确的是 …（ ）

A. DNA分子在解旋酶的作用下，水解成脱氧核苷酸

B. 在复制过程中，解旋和复制几乎是同时进行的

C. 解旋后以一条母链为模板合成两条新的子链

D. 一条母链和任意一条子链形成一个新的DNA分子

6.（多选）DNA分子之所以能够准确完成复制，是因为DNA分子的结构是…… （ ）

A. 独特的双螺旋结构

B. 两条链上的碱基均能进行碱基互补配对

C. 两条链反向平行

D. 磷酸和脱氧核糖排在外侧，碱基排在内侧

7. 有甲、乙两个DNA分子，其碱基对数是一样的，甲DNA分子中A+T占75％；乙DNA分子中A+T占35％。这两个DNA分子结构的稳定性为…（ ）

A. 甲>乙 B. 甲<乙 C. 甲＝乙 D. 无法确定

8. 有关鲫鱼的遗传物质完全水解的结果，下列说法正确的是……（ ）

A. 得到4种脱氧核苷酸 B. 可得4种碱基

C. 得到5种核苷酸 D. 得到5种碱基，2种五碳糖和许多磷酸分子

9. DNA复制能够准确无误地进行，保证了子分子的结构与母分子的结构相同，其根本原因是…………（ ）

A. DNA具有独特的双螺旋结构 B. 碱基有严格的互补配对关系

C. 参与复制过程的酶有专一性 D. 复制过程有充足的能量供给

10. 一个被放射性元素标记的双链DNA噬菌体侵染细菌，若此细菌破裂后释放出n个噬菌体，则其中具有放射性元素的噬菌体占总数的…………………（ ）

A. 1/n B. 1/2n C. 2/n D. 1/2

11. 下列制作的DNA双螺旋结构模型图中，连接正确的是…（ ）

12. 某DNA分子有2000个脱氧核苷酸，已知它的一条链上碱基A：G：T：C＝1：2：3：4，复制一次，则需要腺嘌呤脱氧核苷酸的数量是…………………（ ）

A. 200个 B. 300个 C. 400个 D. 800个

13. 假设将含有一对同源染色体的精原细胞的DNA分子用¹⁵N标记，并供给¹⁴N的原料，该细胞进行减数分裂产生的4个精子中，含¹⁵N标记的DNA的精子所占比例为……（ ）

A. 0 B. 25％ C. 50％ D. 100％

14. 组成DNA结构的基本成分是………………（ ）

①核糖 ②脱氧核糖 ③磷酸 ④腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶 ⑤胸腺嘧啶 ⑥尿嘧啶

A.①③④⑤ B. ①②④⑤ C.②③④⑤ D. ②③④⑥

15. DNA分子的基本骨架是………………………（ ）

A. 磷脂双分子层 B. 规则双螺旋结构

C. 脱氧核糖和磷酸交替连接 D. 碱基的连接

16. 有一对氢键连接的脱氧核苷酸，已查明它的结构中有一个腺嘌呤，则它的其他组成应是……………（ ）

A. 三个磷酸、三个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶

B. 两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胞嘧啶

C. 两个磷酸、两个脱氧核糖和一个胸腺嘧啶

D. 两个磷酸、两个脱氧核糖和一个尿嘧啶

17. 对双链DNA分子的叙述，下列哪一项是不正确的… （ ）

A. 若一条链A和T的数目相等，则另一条链A和T的数目也相等

B. 若一条链G的数目为C的2倍，则另一条链G的数目为C的0. 5倍

C. 若一条链的A：T：G：C＝1：2：3：4，则另一条链相应的碱基比为2：1：4：3

D. 若一条链的G：T＝1：2，则另一条链的C：A＝ 2：1

18. 用¹⁵N同位素标记细菌的DNA分子，再将它们放入含¹⁴N的培养基中连续繁殖四代，a、b、c为三种DNA分子：a只含¹⁵N，b同时含¹⁴N和¹⁵N，c只含¹⁴N，如下图，这三种DNA分子的比例正确的是………（ ）

19. 复制的DNA分子通过什么传给子细胞 ……（ ）

A. 染色体 B. 细胞分裂 C. 纺锤体 D. 中心体

20. 下列对DNA分子复制的叙述中，错误的是…（ ）

A. 复制可发生在减数第一次分裂间期

B. 复制的结果是半保留复制

C. 复制时需要DNA聚合酶

D. 复制时遵循的互补配对原则是A—U，G—C

21. 某DNA分子中，碱基A与T之和，占全部碱基的42％，若其中一条单链中，含胞嘧啶24％，则该链的互补链中，胞嘧啶占………………………………（ ）

A. 12％ B. 24％ C. 34％ D. 26％

22. 假如一个含³¹P的DNA分子含有1000个碱基对，将这个DNA分子放在用³²P标记的脱氧核苷酸的培养液中让其复制一次，则新形成的DNA分子的相对分子质量比原来增加了……（ ）

A. 1000 B. 2000 C. 500 D. 无法确定

二、非选择题

23. 据下图完成下列问题：

（1）该图表示的生理过程是 。该过程主要发生在细胞的 部位。

（2）图中的1、2、3、4、5分别是 、 、 、 、 。

（3）假如经过科学家的测定，A链上的一段（M）中的 A：T：C：G为2：1：1：3，能不能根据碱基互补配对原则说明该科学家的测定是错误的？ 。原因是 。

（4）如果以A链的M为模板，复制出的B链碱基比例应该是 。

24. 实验室现有如下材料：从某生物的体细胞中提取的一个DNA分子，具有放射性同位素³H标记的4种脱氧核苷酸，要在实验室内合成新的DNA分子。

（1）除了以上物质以外，还必须有 和 ，才能合成第二代的DNA分子。

（2）在第二代的DNA分子中，有 个含有³H的链。

（3）在第二代的DNA分子中，含有³H的链的碱基序列 （填“相同”或“不相同”）。

（4）在第五代的全部DNA分子中有 个不含³H的链。

25. 根据下图所示DNA分子结构模式图完成问题：

（1）用文字和符号写出图中①—④的名称：

① ；② ；③ ；④ 。

（2）图中⑦是指 ；其组成物质⑤表示 ；⑥表示 。

（3）图中⑧表示 ；⑨表示 ；⑩表示 。

26. 某DNA分子的2条链分别为m链和n链，若m链中的（A+G）/（T+C）＝0. 8时，在n链中，这种比例是 ，这个比例关系在整个DNA分子中是 。若在m链中，（A+T）/（G+C）＝0.8时，在n链中，这种比例是 ，这个比例关系在整个DNA分子中是 。

27. 现有从某生物体内提取的一个DNA分子（称第一代）和标记放射性同位素³H的四种脱氧核苷酸，要在实验室中合成新的DNA分子。

（1）除上述几种物质外，还必须准备 ，经 和 的过程，方能形成第二代的DNA。

（2）在第二代的一个DNA分子中，有 条含³H的链。

（3）在第二代的两个DNA分子中，含有³H的两条新链的碱基序列相同吗？为什么？它们是何种关系？

（4）在第五代的全部DNA分子中，有 条不含³H的链，占全部DNA分子链的 。

28. 某DNA分子的一段有100对脱氧核苷酸，其中有30个碱基T，那么复制后的子代的两个DNA分子的这一段共有 个碱基G。

【试题答案】

一、选择题

1. C；2. A；

3. 解析：由于在DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数，所以腺嘌呤最多占50％，即n≤0.5。

答案：A

4. C；5. B；6. AB；7. B；8. B；9. B；10. C；11. B；12. C；13. D；14. C；15. C；16. C；17. D；18. D；19. B；20. D；21. C；22. A。

二、非选择题

23. ⑴ DNA复制 细胞核 （2）A T C C T （3）不能 在单链中不一定A＝T、G＝C （4）T：A：G：C＝2：1：l：3

24. （1）酶 ATP （2）2 （3）不相同 （4）2

25. （1） C（胞嘧啶） A（腺嘌呤） G（鸟嘌呤） T（胸腺嘧啶） （2）胸腺嘧啶脱氧核苷酸 脱氧核糖 磷酸 （3）碱基对 氢键 一条脱氧核苷酸长链

26. 1.25 1 0.8 0.8

27. （1） 相关酶和ATP DNA解旋 子链合成 （2）一 （3）不同。因为作为模板的两条链是互补的，而新链与模板链也互补，所以含有³H的两条新链的碱基序列不同。互补。（4）两 1/16

28. 140