第3节 DNA的复制

根据 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的半保留复制，第一代每个 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子都是一条链含 $ {}^{15}\mathrm{N} $ ，一条链含 $ {}^{14}\mathrm{N} $ ，离心后试管中出现一条带， $ \mathrm{A} $ 正确；因为培养基中只有 $ {}^{14}\mathrm{N} $ ，因此只能以 $ {}^{14}\mathrm{N} $ 为原料，第3代所有大肠杆菌的 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 都含有 $ {}^{14}\mathrm{N} $ ， $ \mathrm{B} $ 正确；根据 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的半保留复制原则，第三代大肠杆菌的 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 离心后，会出现两条带，一条是中带（一条链含 $ {}^{15}\mathrm{N} $ 、一条链含 $ {}^{14}\mathrm{N} $ ），一条是轻带（两条链都含 $ {}^{14}\mathrm{N} $ ）， $ \mathrm{C} $ 错误；一个大肠杆菌繁殖3代后可提取的 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 共8个，其中含有 $ {}^{15}\mathrm{N} $ 的 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 为2个，占全部大肠杆菌 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的比例为 $ \dfrac{1}{4} $ ， $ \mathrm{D} $ 正确。

实验一运用离心技术的目的是使上清液中析出质量较轻的 $ \mathrm{T}2 $ 噬菌体外壳，沉淀物中留下被侵染的大肠杆菌， $ \mathrm{A} $ 正确。实验一离心后分别检测上清液和沉淀物的放射性，仅可以判断出噬菌体侵染细菌时， $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 进入细菌的细胞中，蛋白质外壳留在细胞外；进一步检测大肠杆菌裂解后释放出的子代噬菌体，发现可以检测到 $ {}^{32}\mathrm{P} $ 标记的 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ ，不能检测到 $ {}^{35}\mathrm{S} $ 标记的蛋白质，才可判断 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 是 $ \mathrm{T}2 $ 噬菌体的遗传物质， $ \mathrm{B} $ 错误。密度梯度离心的结果是较轻的在上方，较重的在下方，故实验二离心后密度越大的 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子在离心管中的位置越靠下， $ \mathrm{C} $ 错误。实验二使用的不是差速离心技术，而是密度梯度离心技术， $ \mathrm{D} $ 错误。

$ {}^{15}\mathrm{N} $ 、 $ {}^{14}\mathrm{N} $ 都没有放射性， $ \mathrm{A} $ 错误；由图可知， $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的复制方式无论是半保留复制还是分散复制，繁殖一代，子代 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 均同时含有 $ {}^{14}\mathrm{N} $ 和 $ {}^{15}\mathrm{N} $ ，提取大肠杆菌的 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 并进行离心，都只出现中带， $ \mathrm{B} $ 错误；由以上分析可知，若只繁殖一代，不能判断是半保留复制还是分散复制，需繁殖两代，才能根据逐代分析子代 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的离心情况确定 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的复制方式， $ \mathrm{C} $ 正确；噬菌体是病毒，没有细胞结构，不能独立生存和繁殖， $ \mathrm{D} $ 错误。

酶1为解旋酶，作用于氢键，使 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 双链解开，该过程需要消耗能量， $ \mathrm{A} $ 正确；该 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子中碱基 $ \dfrac{\mathrm{A}+\mathrm{T}}{\mathrm{G}+\mathrm{C}}=0.4 $ ，复制形成的两条子链中 $ \dfrac{\mathrm{A}+\mathrm{T}}{\mathrm{G}+\mathrm{C}}=0.4 $ ， $ \mathrm{B} $ 错误； $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 复制时 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 聚合酶只能沿新合成链的 $ 5\prime \to 3\prime $ 方向催化脱氧核苷酸聚合，子链 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的延伸方向为 $ 5\prime \to 3\prime $ ，据图可知，后随链合成是不连续的， $ \mathrm{C} $ 正确；由图可知 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 复制具有半保留复制、边解旋边复制等特点， $ \mathrm{D} $ 正确。

分析题图可知， $ \mathrm{A} $ 链以 $ \mathrm{B} $ 链为模板，在酶的作用下延伸，故该酶是 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 聚合酶，沿着 $ \mathrm{A} $ 链的 $ 5\prime $ 端向 $ 3\prime $ 端移动， $ \mathrm{A} $ 错误； $ \mathrm{A} $ 链和 $ \mathrm{B} $ 链通过氢键连接， $ \mathrm{B} $ 错误； $ \mathrm{A} $ 链和 $ \mathrm{B} $ 链的碱基的配对遵循碱基互补配对原则，即 $ \mathrm{A} $ 与 $ \mathrm{T} $ 配对， $ \mathrm{G} $ 与 $ \mathrm{C} $ 配对，完整的 $ \mathrm{A} $ 链的 $ \mathrm{G} $ 、 $ \mathrm{C} $ 之和与 $ \mathrm{B} $ 链的 $ \mathrm{G} $ 、 $ \mathrm{C} $ 之和相等，但图中 $ \mathrm{A} $ 链只是一部分，所以不一定相等， $ \mathrm{C} $ 错误；在真核细胞中， $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的复制通常在细胞分裂前的间期完成， $ \mathrm{D} $ 正确。

沃森和克里克利用构建物理模型的方法，共同提出 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子双螺旋结构模型， $ \mathrm{A} $ 正确；脱氧核糖和磷酸都不含 $ \mathrm{N} $ ，只有含氮碱基含有 $ \mathrm{N} $ ，因此同位素 $ {}^{15}\mathrm{N} $ 只能标记四种碱基， $ \mathrm{B} $ 正确； $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 在细胞中复制时需要解旋酶破坏③，即氢键，使两条链解开螺旋， $ \mathrm{C} $ 正确； $ \mathrm{A}—\mathrm{T} $ 碱基对有2个氢键， $ \mathrm{G}—\mathrm{C} $ 碱基对有3个氢键， $ \mathrm{G}—\mathrm{C} $ 碱基对的数量越多， $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 的结构越稳定，故 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子中②所示的碱基对 $ (\mathrm{A}—\mathrm{T}) $ 所占比例越高，稳定性相对越弱， $ \mathrm{D} $ 错误。

（1） 据题图甲可知，酶 $ \mathrm{A} $ 的作用是使 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子的双螺旋结构解开，因此是解旋酶；酶 $ \mathrm{B} $ 能将单个的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链，从而形成子链，是 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 聚合酶。

（2） 图乙中，4为胸腺嘧啶，7为由胸腺嘧啶、脱氧核糖和磷酸构成的胸腺嘧啶脱氧核苷酸；9为连接两条脱氧核苷酸链的碱基，为氢键； $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子的基本骨架由磷酸和脱氧核糖交替连接而成。

（3） 若用1个 $ {}^{32}\mathrm{P} $ 标记的噬菌体侵染未标记的大肠杆菌，释放出来100个子代噬菌体，其中只有2个噬菌体含有 $ {}^{32}\mathrm{P} $ ，因此含有 $ {}^{32}\mathrm{P} $ 的噬菌体所占的比例是 $ \dfrac{1}{50} $ ；由于大肠杆菌未被 $ {}^{32}\mathrm{P} $ 标记，其体内只含 $ {}^{31}\mathrm{P} $ ，因此含 $ {}^{31}\mathrm{P} $ 的噬菌体所占的比例是 $ 100\% $ 。

（4） 已知某 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子中， $ \mathrm{G} $ 与 $ \mathrm{C} $ 之和占全部碱基总数的 $ 40\% $ ，其中一条链的 $ \mathrm{G} $ 与 $ \mathrm{C} $ 之和占该链的比例为 $ 40\% $ ， $ \mathrm{T} $ 与 $ \mathrm{C} $ 分别占该链碱基总数的 $ 40\% $ 和 $ 30\% $ ，该链中的 $ \mathrm{T} $ 与互补链中的 $ \mathrm{A} $ 配对，因此互补链中的 $ \mathrm{A} $ 占互补链碱基总数的 $ 40\% $ ；该链中的 $ \mathrm{G} $ 占该链碱基总数的 $ 40\%-30\%=10\% $ ， $ \mathrm{G} $ 与 $ \mathrm{C} $ 配对，则在它的互补链中， $ \mathrm{C} $ 占互补链碱基总数的 $ 10\% $ 。

$ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子的两条单链均只含有 $ {}^{15}\mathrm{N} $ 的大肠杆菌在含有 $ {}^{14}\mathrm{N} $ 的培养基中繁殖一代，形成2个 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ ，均为 $ {}^{15}\mathrm{N}/{}^{14}\mathrm{N} $ ；再转到含有 $ {}^{15}\mathrm{N} $ 的培养基中繁殖两代，会形成8个 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ ，其中2个 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 为 $ {}^{15}\mathrm{N}/{}^{14}\mathrm{N} $ ，另外6个 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 为 $ {}^{15}\mathrm{N}/{}^{15}\mathrm{N} $ ，故理论上子代 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 为 $ {}^{15}\mathrm{N}/{}^{15}\mathrm{N} $ 和 $ {}^{15}\mathrm{N}/{}^{14}\mathrm{N} $ 两种，其比例为 $ 3:1 $ ， $ \mathrm{B} $ 正确。

教材变式

本题是教材P56练习与应用“概念检测” $ \mathrm{T}3 $ 的变式题。本题在教材题目的基础上，将培养条件复杂化，考查大肠杆菌在不同同位素标记的培养基中繁殖后的 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 标记情况及比例，一方面考查对 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 复制的掌握，另一方面考查计算和推理能力，题目难度增加。

在双链 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子中，根据碱基互补配对原则，一条链上的 $ (\mathrm{A}+\mathrm{T}) $ 占该链碱基的比例与整个 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子中 $ (\mathrm{A}+\mathrm{T}) $ 占全部碱基的比例相等。由题意可知，某双链 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子一条单链上 $ (\mathrm{A}+\mathrm{T}):(\mathrm{C}+\mathrm{G})=2:5 $ ，则该链上 $ (\mathrm{A}+\mathrm{T}) $ 占 $ \dfrac{2}{7} $ ，在整个 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子中， $ (\mathrm{A}+\mathrm{T}) $ 也占 $ \dfrac{2}{7} $ ，即该 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子中 $ \mathrm{T} $ 有 $ 1400×\dfrac{2}{7}×\dfrac{1}{2}=200 $ （个）。该 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 分子连续复制两次共需游离的胸腺嘧啶数目是 $ 200×({2}^{2}-1)=600 $ （个）， $ \mathrm{C} $ 正确。

双链 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ 中， $ \mathrm{A} $ 占 $ 15\% $ ，碱基总数为200个，故 $ \mathrm{T}=\mathrm{A}=200×15\%=30 $ （个）， $ \mathrm{C}=\mathrm{G}=(200-60)×\dfrac{1}{2}=70 $ （个）， $ \mathrm{A} $ 正确；双链中 $ (\mathrm{A}+\mathrm{T}) $ 占 $ 30\% $ ，与单链中 $ (\mathrm{A}+\mathrm{T}) $ 所占的比例相同，故一条链中 $ (\mathrm{A}+\mathrm{T}) $ 占 $ 30\% $ ， $ \mathrm{B} $ 正确；复制3次生成8个 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ ，仅2个含 $ {}^{32}\mathrm{P} $ （来自初始 $ \mathrm{D}\mathrm{N}\mathrm{A} $ ），其余6个只含 $ {}^{31}\mathrm{P} $ ， $ \mathrm{C} $ 错误；3次复制共需要胞嘧啶脱氧核苷酸的数目是 $ 70×({2}^{3}-1)=490 $ （个）， $ \mathrm{D} $ 正确。