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第17课时　基因是有遗传效应的DNA片段

[目标导读]　1.阅读分析教材P₅₅“资料分析”，归纳概括出基因和DNA的关系。2.阅读教材P₅₆“DNA片段中的遗传信息”，利用数学方法归纳DNA分子的多样性和特异性。3.归纳基因的概念。

[重难点击]　1.基因的本质。2.DNA、染色体的关系。

1．现代分子生物学技术能够用特定的分子(如图所示)，与染色体上的某一个基因结合，这个分子又能被带有荧光标记的物质识别，通过荧光显示，就可以知道基因在染色体上的位置。

由上述说明知，基因在染色体上呈线性排列。

2．DNA分子的结构

(1)DNA分子由两条链组成，这两条链按反向平行的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；碱基排列在内侧。

(3)两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基配对有一定的规律：A(腺嘌呤)一定与T(胸腺嘧啶)配对；G(鸟嘌呤)一定与C(胞嘧啶)配对。碱基之间这种一一对应的关系，叫做碱基互补配对原则。

3．DNA分子的特性

(1)稳定性：空间结构相对稳定。

①位于外侧的基本骨架一定是由磷酸和脱氧核糖交替连接形成的，不会改变。

②两条链间的碱基互补配对方式稳定不变，总是A与T、G与C配对。碱基对及其侧链基团对维持DNA分子的空间结构的稳定有着重要的作用。

(2)多样性：不同的DNA分子中脱氧核苷酸的数目有差异，排列顺序多种多样。

(3)特异性：每一种DNA分子都有特定的碱基排列顺序。

课堂导入

在孟德尔分离定律中我们提到了遗传因子，它是一种可以遗传的物质，也就是我们常说的基因。随后又学习了萨顿假说，摩尔根通过果蝇的遗传实验将基因定位在染色体上。而在本章学习中知道了染色体中只有DNA是遗传物质。回忆了这些知识，我们会提出问题：基因是不是在DNA上？它有遗传性吗？这种说法对吗？基因与DNA究竟是什么关系？下面我们学习“基因是有遗传效应的DNA片段”。

探究点一　说明基因与DNA关系的实例

阅读材料，归纳基因的概念，并思考基因、DNA、染色体之间的关系。

材料1　大肠杆菌细胞的拟核有1个DNA分子，长度约为4 700 000个碱基对，在DNA分子上分布着大约4 400个基因，每个基因的平均长度约为1 000个碱基对。

材料2　生长在太平洋西北部的一种海蜇能发出绿色荧光，这是因为海蜇的DNA分子上有一段长度为5 170个碱基对的片段——绿色荧光蛋白基因。转基因实验表明，转入了海蜇的绿色荧光蛋白基因的转基因鼠，在紫外线的照射下，也能像海蜇一样发光。

材料3　人类基因组计划测定的是24条染色体(22条常染色体＋X＋Y)上DNA的碱基序列。其中，每条染色体上有一个DNA分子。这24个DNA分子大约有31.6亿个碱基对。其中，构成基因的碱基数占碱基总数的比例不超过2%。

材料4　近年来的科学研究发现，小鼠体内的HMGIC基因与肥胖直接相关。具有HMGIC基因缺陷的实验鼠与作为对照的小鼠，吃同样多的高脂肪食物，一段时间后，对照组的小鼠变得十分肥胖，而具有HMGIC基因缺陷的实验鼠体重仍保持正常。

1．由材料1和材料3可知，大肠杆菌、人的全部基因的碱基对总数只是DNA分子碱基对总数的一部分，说明基因是DNA的片段。

2．由材料2和材料4可知，转入绿色荧光蛋白基因的小鼠发出绿色荧光、小鼠体内的HMGIC基因与肥胖直接相关，说明基因具有特定的遗传效应。

3．基因与DNA的关系

(1)基因是有遗传效应的DNA片段，每个DNA分子上有许多个基因。一个DNA分子中的碱基总数大于该DNA分子上所有基因的碱基数之和。

(2)基因具有遗传效应是指其能控制生物体的性状。基因是控制生物性状的结构和功能的基本单位，特定的基因控制特定的性状。

4．基因与染色体的关系

(1)基因在染色体上呈线性排列。

(2)染色体是基因的主要载体，但不是唯一载体，如线粒体、叶绿体中也有少量的DNA，也是基因的载体。

归纳提炼

活学活用

1．染色体、DNA、基因三者关系密切，判断下列说法的正误。

(1)正常细胞中每条染色体上有一个DNA分子，每个DNA分子上有很多个基因(　　)

(2)复制、分离和传递，三者能相伴而行(　　)

(3)三者都是遗传物质，三者都能行使生物的遗传作用(　　)

(4)在生物的传种接代过程中，染色体行为决定后两者(　　)

(5)基因是DNA分子中的任意片段(　　)

问题导析　(1)正常情况下，每条染色体上只有一个DNA分子，只有在细胞分裂间期DNA复制后，着丝点分裂之前，一条染色体上才有两个DNA分子。基因在染色体上呈线性排列。

(2)基因是有遗传效应的DNA片段，基因和DNA的行为存在一致性；DNA与蛋白质结合形成染色体，染色体的行为决定着DNA的变化。

(3)DNA是遗传物质，染色体是遗传物质的主要载体。

(4)基因是DNA中能够决定生物性状的片段

答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×

解析　(3)染色体中含有蛋白质，不是遗传物质。(5)基因是有遗传效应的DNA片段，而不是DNA分子中的任意片段。

探究点二　DNA片段中的遗传信息

请结合DNA分子的结构特点，探究基因中遗传信息的多样性。

1．DNA分子结构

2．探究：脱氧核苷酸与遗传信息的多样性

结合下面两个情境，总结遗传信息的多样性。

情境一　17个碱基对可排列成基因的可能性：4¹＋4²＋4³＋……＋4¹⁶＋4¹⁷。

根据等比数列求和公式：

S_n＝(q≠1)，得S₁₇＝2 290 649 210。

情境二　根据情境一的计算，17个碱基对可排成基因的可能性约为23亿，全球人口有60亿，17个碱基对的所有排列都有可能出现。你与你同桌的基因(指1号染色体上第1个基因)的脱氧核苷酸完全相同的可能性为：×，几率很小。

(1)遗传信息：生物的遗传性状以遗传信息形式编排在DNA分子上，表现为特定的碱基排列顺序。由于基因是有遗传效应的DNA片段，因此基因中脱氧核苷酸的排列顺序可以代表遗传信息；由于不同基因的脱氧核苷酸的排列顺序(碱基顺序)不同，因此不同的基因就含有不同的遗传信息。

(2)基因的多样性和特异性

①多样性：构成DNA分子的碱基只有4种，配对方式只有2种，但是碱基对的数目却可以成千上万，形成的碱基对的排列顺序也可以千变万化。(如一个由1 000个碱基对组成的DNA分子，它的碱基对可能的排列方式就有4^1_000种)，从而构成了DNA分子的多样性，也决定了遗传信息的多样性，即基因的多样性。

②特异性：每个特定的DNA分子都有特定的碱基排列顺序，都储存着特定的遗传信息，即基因的特异性。

3．生物多样性与DNA分子多样性的关系：DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础，生物界多样性的直接原因是蛋白质的多样性；生物界多样性的根本原因是核酸的多样性。

归纳提炼

1．遗传信息是基因中的脱氧核苷酸的排列顺序，但并不是DNA分子上所有的脱氧核苷酸的排列顺序都叫遗传信息。

2．遗传信息蕴藏在DNA分子4种碱基的排列顺序里面，所以DNA分子的多样性和特异性必然导致基因中遗传信息的多样性和特异性。

活学活用

2．由50个脱氧核苷酸构成的DNA分子，按其碱基的排列顺序不同，可分为多少种，说明了DNA分子的什么特性(　　)

①50⁴种　②4⁵⁰种　③4²⁵种　④遗传性　⑤多样性

⑥特异性

A．①④ B．②⑤ C．②⑥ D．③⑤

问题导析　(1)50个脱氧核苷酸构成的DNA分子，每条单链有25个脱氧核苷酸，第一个脱氧核苷酸有4种可能，第二个脱氧核苷酸同样有4种可能，以此类推，形成的DNA分子共有4²⁵种。

(2)存在多种多样的DNA分子，说明了DNA分子的多样性。

(3)自然界中不同生物的DNA分子不同，说明了DNA分子的特异性。

答案　D

解析　50个脱氧核苷酸共构成了25个碱基对，共有排列顺序4²⁵种，由此说明由于碱基对(或脱氧核苷酸对)的排列顺序的多样性，决定了DNA的多样性。

1．下列关于基因的叙述，正确的是(　　)

A．DNA分子上任意一个片段都是基因

B．人体细胞中染色体是基因的唯一载体

C．等位基因的根本区别是脱氧核苷酸的排列顺序不同

D．基因的多样性决定了DNA分子的多样性

答案　C

解析　基因是有遗传效应的DNA片段，而不是DNA分子中任意一个片段，人体细胞中染色体是基因的主要载体，线粒体中也分布着一定数量的基因，构成基因的基本组成单位是脱氧核苷酸，基因的多样性和DNA分子的多样性均与脱氧核苷酸的数量和排列顺序有关。

2．下列关于遗传信息的说法，不确切的是(　　)

A．基因的脱氧核苷酸的排列顺序代表遗传信息

B．遗传信息的传递是通过染色体上的基因传递的

C．生物体内的遗传信息主要储存在DNA分子上

D．遗传信息即生物表现出来的性状

答案　D

解析　生物体的所有性状，都以一种特定的脱氧核苷酸排列顺序来代表，这种排列顺序就是遗传信息。

3．由80个碱基组成的DNA分子片段，可由其碱基对组成不同的序列而携带不同的遗传信息，其种类最多可达(　　)

A．4¹²⁰ B．80⁴ C．4⁴⁰ D．2⁶⁰

答案　C

解析　DNA分子中特定的脱氧核苷酸排列顺序代表着遗传信息。在DNA分子内部碱基互补配对的方式虽然只有两种，但碱基对的排列顺序有多种。因为DNA分子的两条链是遵循碱基互补配对原则结合而成的，所以一条链的碱基序列决定了另一条链的碱基序列。根据数学的排列知识，n个不同碱基对的排列有4ⁿ种，由于在一条单链上有40个碱基，其排列的种类就有4⁴⁰种之多。

4．请据图回答下列问题。

(1)若图中A为糖类，则A是________，C是__________，G是________。

(2)B有4种，即[　]________、[　]________、[　]________、[　]________；F的基本组成单位是图中的______。

(3)图中E和F的关系是________________。

(4)F和H的关系是________________。

(5)一个H和F有两种比例关系：________和________，一个F中含有________个E，一个E中含________个D。

(6)E的主要载体是图中的________，除此之外，________和________也是E由亲代传递给子代的载体。

(7)遗传信息是E中________的排列顺序。

(8)“种瓜得瓜，种豆得豆”的遗传主要是通过H上的________传递给后代，实际上是通过________的排列顺序来传递遗传信息的。

答案　(1)脱氧核糖　磷酸　蛋白质　(2)A　腺嘌呤　T　胸腺嘧啶　G　鸟嘌呤　C　胞嘧啶　D　(3)E是有遗传效应的 F片段　(4)H(染色体)是F(DNA)的主要载体　(5)1∶1　1∶2　许多　成百上千　(6)H　叶绿体　线粒体　(7)D　(8)F　D

解析　DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，它由1分子磷酸、1分子脱氧核糖和1分子含氮碱基组成；基因是有遗传效应的DNA片段；染色体是遗传物质DNA的主要载体；1条染色体上通常含有1个DNA分子，1个DNA分子上含有许多基因，1个基因由成百上千个脱氧核苷酸构成。

基础过关

知识点一　说明基因与DNA关系的实例

1．生长在太平洋西北部的一种海蜇能发出绿色荧光，这是因为海蜇DNA分子上有一段长度为5 170个碱基对的片段——绿色荧光蛋白基因。转基因实验表明，转入了海蜇的绿色荧光蛋白基因的转基因鼠，在紫外线的照射下，也能像海蜇一样发光。下列叙述错误的是(　　)

A．基因是有遗传效应的DNA片段

B．基因是DNA上的有一定功能的特异性的碱基排列顺序

C．基因是控制生物性状的遗传物质的结构单位和功能单位

D．DNA的任意片段都能在另一种生物体内表达

答案　D

解析　基因是有遗传效应的DNA片段，只有基因才能在另一种生物体内表达。

2．下列关于DNA、染色体、基因的关系的叙述，不正确的是(　　)

A．每条染色体有一个DNA分子，经复制每条染色单体上有一个DNA分子

B．每个DNA分子上有许多基因，基因是有遗传效应的DNA片段

C．基因在染色体上呈线性排列

D．基因在DNA分子双链上成对存在

答案　D

解析　基因是DNA分子双链的片段，在一个DNA分子上不会成对存在。

3．如图是果蝇染色体上的白眼基因示意图，下列叙述正确的是(　　)

A．白眼基因片段中，含有成百上千个核糖核苷酸

B．S基因是有遗传效应的DNA片段

C．白眼基因为该DNA分子的任意片段

D．基因片段中有5种碱基，8种核苷酸

答案　B

解析　白眼基因为该DNA分子上的特定片段，组成基因片段的基本组成单位是脱氧核苷酸，有4种碱基，4种脱氧核苷酸。

知识点二　DNA片段中的遗传信息

4．DNA分子具有特异性，体现在(　　)

A．DNA分子外侧，磷酸和脱氧核糖交替连接的方式稳定不变

B．DNA分子内侧，碱基对的配对方式不变

C．DNA分子碱基对的排列顺序千变万化

D．每个DNA分子的碱基都有其特定的排列顺序

答案　D

解析　A、B两项说明DNA分子具有稳定性，C项说明DNA分子具有多样性，D项说明了DNA分子具有特异性，是指对于某一生物具体的一个DNA分子而言。

5．下列有关基因的叙述，正确的是(　　)

A．基因是体现生物遗传效应的结构单位和功能单位

B．经测定一个由n个脱氧核苷酸构成的DNA分子中，包含了m个基因，则每个基因的平均长度为n/2m个脱氧核苷酸对

C．人体细胞内的基因全部位于染色体上

D．基因中脱氧核苷酸的排列顺序就是遗传信息，只能通过减数分裂传递给后代

答案　A

解析　基因是有遗传效应的DNA片段。一个DNA分子上有许多个基因，但并非基因与基因紧密相连，那些没有遗传效应的DNA片段并不是基因，因此B项中基因的平均长度小于n/2m个脱氧核苷酸对。人体细胞内的基因主要在染色体上，线粒体DNA分子上也有少量基因。有性生殖的生物通过减数分裂将遗传信息传递给下一代，无性生殖的生物通过有丝分裂将遗传信息传递给下一代。

6．基因研究最新发现表明，人与小鼠的基因约80%相同。则人与小鼠DNA碱基序列相同的比例是(　　)

A．20% B．80%

C．10% D．无法确定

答案　D

解析　基因研究结果表明人与小鼠的基因碱基序列约80%相同，但不能根据部分碱基序列相同的比例来推断全部碱基序列相同的比例。

7．DNA具有多样性的原因是(　　)

A．组成基因的碱基数目庞大

B .空间结构千变万化

C .碱基种类有许多种

D．碱基排列顺序的千变万化

答案　D

解析　DNA分子具有多样性、特异性和稳定性三个特点。其中，碱基排列顺序的千变万化，构成了 DNA分子的多样性。

8．某男性精子细胞核中有23个DNA分子，其中碱基对的排列方式共有(　　)

A．2种 B．4种

C．1种 D．无法确定

答案　D

能力提升

9．遗传信息的多样性的物质基础是(　　)

A．脱氧核苷酸序列的多样性

B．碱基种类的多样性

C．脱氧核糖序列的多样性

D．磷酸序列的多样性

答案　A

解析　基因中的碱基种类只有四种， 磷酸与脱氧核糖交替排列的顺序总是不变。但基因中脱氧核苷酸序列可以千变万化， 不同序列代表不同的遗传信息。

10．科学研究发现，小鼠体内HMGIC基因与肥胖直接相关。具有HMGIC基因缺陷的实验鼠与作为对照的小鼠，吃同样多的高脂肪食物。一段时间后，对照组小鼠变得十分肥胖，而具有HMGIC基因缺陷的实验鼠体重仍然保持正常，说明(　　)

A．基因在DNA上

B．基因在染色体上

C．基因具有遗传效应

D．DNA具有遗传效应

答案　C

解析　缺乏HMGIC基因，小鼠体重保持正常，含有HMGIC的基因，小鼠变得肥胖，说明基因具有遗传效应。

11．“DNA指纹技术”在刑事侦破、亲子鉴定等方面作用巨大，这主要是根据DNA具有(　　)

A．稳定性 B．特异性

C．多样性 D．可变性

答案　B

解析　不同的DNA分子中脱氧核苷酸的碱基排列顺序各不相同，即DNA分子具有特异性，根据这一特性可辅助进行刑事侦破、亲子鉴定等。

12．科学家通过对前列腺癌细胞的研究发现，绿茶中的多酚可减少BCL—XL蛋白，而这种蛋白有抑制癌细胞凋亡的作用。这表明绿茶具有抗癌作用，根本原因是由于绿茶细胞中具有(　　)

A．多酚 B．多酚酶基因

C．BCL—XL蛋白 D．BCL—XL蛋白酶

答案　B

解析　材料指出多酚能抗癌，但多酚不是蛋白质，因而不是由基因直接控制的，所以多酚的合成需要相应的酶催化。

13．某生物体有10对同源染色体，其生殖细胞中的DNA总量约为7×10⁹个脱氧核苷酸对，假定每个基因平均含有1.4×10⁴个脱氧核苷酸，则此生殖细胞中，染色体上的基因个数(　　)

A．小于5×10⁵个 B．等于5×10⁵个

C．小于1×10⁶个 D．等于1×10⁶个

答案　C

解析　假若DNA上的碱基全部构成了基因，则基因个数＝＝1×10⁶。由于细胞质中也有少量的DNA，故染色体上的基因应小于1×10⁶个。

14．下列有关基因长短的论述，正确的是(　　)

A．基因是DNA分子中的一个片段

B．基因是DNA分子中的任意片段

C．不同的基因长度不同

D．基因的长度都相同

答案　A

解析　根据基因概念可知，基因是DNA分子中的一个片段，但不是任意片段。每个DNA分子可分为许多片段，其中有的能控制生物的性状，有的却不能控制，只有能控制生物性状的DNA特定片段，即有遗传效应的DNA片段，才是一个基因。不同的基因可能含有不同数量的碱基对，其长度不同；也可能含有相同数目的碱基对，但这些碱基对的排列顺序可能不同，因而不同基因长度可能相同，但可能含有不同的遗传信息。

15．图中表示一个DNA分子上三个片段A、B、C，请回答下列问题：

(1)片段A和C之所以能称为基因，是因为它们都是___________________________

________________________________________________________________________。

(2)片段A和片段C的不同之处是___________________________________________。

(3)片段A和B的不同之处是_______________________________________________。

(4)一般情况下，在一个DNA分子中类似于B的片段的长度要________类似于A的片段的长度。

(5)在人类染色体DNA不表达的片段中有一部分是串连重复的序列，它们在个体之间具有显著的差异性，这种短序列应该位于图中的________。

答案　(1)有遗传效应的DNA片段　(2)脱氧核苷酸的数目和排列顺序不同　(3)B的碱基序列不携带遗传信息，不具有遗传效应　(4)大于　(5)基因间区B

个性拓展

16．由于DNA上的“遗传因子”基本都是符合孟德尔的遗传定律的，因此人类可以利用PCR技术合成的DNA进行亲子鉴定，其原理是：首先获取被测试者的DNA，并进行PCR扩增，取其中一样本DNA用限制酶切成特定的小片段，放进凝胶内，用电泳推动DNA小片段分离，再使用特制的“探针”去寻找基因。相同的基因会凝聚在一起，然后利用特别的染料在X光照射下，便会显示由DNA探针凝聚在一起的黑色条码。每个人的条码一半与其母亲的条码吻合，另一半与其父亲的条码吻合。

(1)2002年6月，我国第一张位点的“基因身份证明”在湖北武汉诞生。人的“基因身份证明”是否终身有效？________。理由是__________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)双胞胎或多胞胎的“基因身份证明”是否一定完全相同？________，原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)图示某小孩和其母亲以及待测定的四位男性的DNA指纹图谱示意图，请推测该小孩真正生物学上的父亲是________，原因是________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)是　同一个体的不同生长发育阶段和不同组织的DNA是相同的，所以它有高度的个体特异性和稳定性　(2)不一定　如果是异卵双生的双胞胎，其遗传物质不相同　(3)B　子代遗传物质一半来自父亲，一半来自母亲

解析　(1)同一个体的所有体细胞都是由同一个受精卵有丝分裂而来的，所以DNA相同，具有个体的特异性和稳定性，故基因身份证明终身有效。(2)同卵双胞胎DNA相同，但异卵双胞胎DNA不同。(3)对比DNA指纹图谱就会发现孩子的基因有一半与母亲相同，还有一半与B相同，而A、C、D与孩子DNA指纹图谱不相同，所以B是孩子真正生物学上的父亲。