巧用两种碱基数目之和例析双链DNA的共性和特异性

安徽

20世纪50年代初查哥夫（E. Chargaff）应用纸层析法及紫外分光光度技术测定各种生物DNA的碱基组成，发现A与T的比值以及G与C的比值总是接近于1.0。沃森（J. D. Watson）和克里克（F. Crick）以此为根据构建了DNA的双螺旋模型。碱基配对的氢键和上下碱基对之间形成的碱基堆积力是构成DNA双螺旋结构的内部原因，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对，数量上A=T,G=C。这种配对方式主要有两个根据：氢键的形成与空间的排列。DNA的双链脱氧核糖核苷酸对应部位的碱基之间的距离是1.08 nm左右，只能放下一个嘌呤碱基和一个嘧啶碱基。如果两个都是嘌呤碱基，则放不下；如果都是嘧啶碱基，就有多余空间。根据嘧啶和嘌呤分子结构的酮基和氨基的数目和特点，正好A—T之间形成两个氢键，G—C之间形成三个氢键，与双螺旋的直径吻合。双链DNA分子中碱基数目的关系满足A=T，G=C，可进一步推出在探讨DNA分子的共性、特异性的双链DNA分子两种碱基数目之和的生物学科思维。

1.非互补配对碱基数目之和体现了双链DNA分子的共性

双链DNA分子的四种碱基，A与T互补配对，G与C互补配对，所以嘌呤数（A+G）等于嘧啶数（C+T），可以进一步延伸：非互补碱基之和（指的是A+G=A+C=T+G=T+C）=50%碱基总数=碱基对数。即说明两种碱基数目之和体现了双链DNA的共性。

___种___类____样品1____样品2_____样品3_____样_____品4_碱基含量______15___%C_____12% G_____35% T_____28______%A

【例1】分析四个双链DNA样品分别得到下列资料：最可能取自于同一生物个体的两个样品是 （ ）

A.样品1和样品2 B.样品1和样品3

C.样品2和样品4 D.样品3和样品4

【解析】根据上述描述的双链DNA分子共性的特点，双链DNA的非互补碱基之和等于碱基总数的50%，从题中表格数据可知，只有样品1中碱基C和样品3的T，这两个非互补碱基之和等于50%，所以最可能来自于同一生物个体的两个样品是1和3。

【答案】B

【变式1】某生物体内的嘌呤碱基占总数的44%，嘧啶碱基占总数的56%，则该生物不可能是 （ ）

A.烟草花叶病毒 B.HIV

C.T2噬菌体 D.果蝇

【解析】如果生物体内只有双链DNA分子，则满足体内非互补碱基（嘌呤或嘧啶）之和占碱基总数50%的共性特点，可依此判断生物体内的核酸种类数。细胞结构的生物果蝇DNA和RNA都有，烟草花叶病毒和HIV都是单链RNA病毒，可能满足题干数字信息的要求，而T2噬菌体为DNA病毒，含有双链DNA分子，故其嘌呤数等于嘧啶数，各占50%。

【答案】C

2.互补配对碱基数目之和体现了双链DNA分子的特异性

2.1 互补碱基数目之和的特异性

互补碱基数目之和是指A+T或G+C的数值。DNA分子中碱基对的排列顺序具有特异性，四种碱基数量比例也因生物种类而异。虽然互补配对的两种碱基数目比例是相等的，但是互补配对的这两种碱基之和却因DNA分子的不同而不同，也体现了特定生物的DNA分子的特异性。一般来说，可用三种方式的比例或比值进行表示 ：（A+T）%、（G+C）%和（A+ T）/（G+C）。

【例2】如图为不同生物或生物不同器官（细胞）（A+T）/（G+C）的比值情况，据图回答问题：

（1）猪的不同组织细胞的DNA分子碱基比例大致相同，原因是______________________。

（2）上述三种生物中的DNA分子，热稳定性最强的是__________。

（3）假设小麦DNA分子中（A+T）/（G+C）＝1.2，那么（A+G）/（T+C）＝__________。

（4）假如猪的某一DNA分子中有腺嘌呤30%，则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__________。

【解析】此题的最大特点就是用互补碱基之和的（A+T）/（G+C）比值为题干信息，抓住了其体现DNA分子特异性的特点就能够深刻领悟出题的意图所在。由于酵母菌、小麦和猪的遗传物质DNA各不相同，所以图中（A+T）/（G+C）明显不同。（1）猪的不同组织细胞中DNA分子碱基比例大致相同，由于它们是同一个受精卵经过有丝分裂增殖而来。（2）G与C之间有三个氢键，G+C所占比例越大，热稳定性越强，所以由图可知小麦DNA的热稳定性最强。 （3）只要是双链DNA分子，（A+G）/（T+C）的值均为1，体现了双链DNA分子的共性。（4）由双链DNA分子的共性可知，A+G = T+C = 50%，由题干可知腺嘌呤占30%，则鸟嘌呤占20%。若所有鸟嘌呤分布在一条链上，则一条链上的鸟嘌呤含量为最大值，即占此链碱基总数的40%。

【答案】（1）不同的组织细胞来源于同一个受精卵的有丝分裂 （2）小麦 （3）1 （4）40%

2.2 互补配对碱基数目之和所占比例的“三不变原则”

“三不变原则”是指双链DNA分子中，一条链中互补配对碱基之和所占该链碱基的比例，等于其在互补链中的比例，也等于在整个DNA分子中所占的比例。证明过程如下，假设DNA分子互补的两条链分别是1链和2链，A1=T2，A2=T1，共有碱基2n个，则每条链含有的碱基数是n 个，则A1+T1=A2+T2=（A+T）/ 2，那么（A1+T1）/n=（A2+T2）/n=（A+T）/2n，即 1链的（A1+T1）%=2链的（A2+T2）%=DNA（A+T）%，以此类推，（G+C）之和也满足“三不变原则”。

根据“三不变原则”，DNA的一条链中碱基互补配对之和的比例同样能够体现DNA分子的特异性。非互补碱基之和则没有“三不变原则”，在DNA中（A+G）%=50 %，而在任意一条单链中，（A+G）%的值则不确定。

【例3】某研究小组测定了多个不同双链的DNA分子的碱基组成，根据测定结果绘制了DNA分子的一条单链与其互补链、一条单链与其所在DNA分子中碱基数目比值的关系图，下列正确的是 （ ）

【解析】本题通过坐标图的数学模型考查了对两种碱基数目之和的含义，需要注意碱基互补配对数目之和“三不变原则”在此题的渗透。A选项中纵坐标的DNA中（A+C）/（T+G）=1，是双链DNA的共性，曲线应该是等于1的水平线，A错误；根据碱基互补配对原则，B选项中横、纵坐标的比值互为倒数关系，是双曲线的一支，B错误；根据互补配对碱基数目之和的“三不变原则”，C和D选项中横、纵坐标的数值是相等关系，不是等于1的水平线，C正确，D错误。

【答案】C

3.双链DNA中碱基数目之和在碱基数目相关计算中的应用

3.1 双链DNA分子中某种碱基数目的计算

假设某双链DNA分子中A的所占比例是X，则T=A=X，那么非互补配对碱基的数目G=C=50%-X；如果已知DNA分子的碱基数目为前提，涉及某一条链的某碱基的计算，互补配对碱基数目之和的“三不变原则”就是从某条链的碱基数目与整个DNA分子的碱基数目情况相互推算之间的桥梁。如以例2的题干为情境信息，增添一小问（5）：小麦的DNA分子中，（G+C）之和占全部碱基的35.8%，其中一条链的T与C分别占该链碱基总数的32.9%和17.1%，则它的互补链中，T和C分别占碱基总数的________________。

分析：根据DNA分子中碱基互补配对之和的“三不变原则”可知，（G+C）占全部碱基的比例与在该DNA某条链中该比例均相等。已知一条链中G＋C＝35.8%，因T与C分别占32.9%与17.1%，则可推知该链中的A为1-（G+C+T）＝1-（35.8%+32.9%）＝31.3%，G＝35.8% - 17.1% = 18.7%，答案是31.3%和18.7%。同理，已知某条链的碱基数目情况，也可推出DNA分子的碱基数目情况，如例4。

3.2 在DNA分子复制过程中的某种碱基数目的计算

【例4】某双链DNA分子共有含氮碱基1 400个，其中一条单链上（A + T）∶（C + G）=2∶5，则该DNA分子连续复制两次共需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是

（ ）

A.300个 B.400个

C.600个 D.1 200个

【解析】一条链上（A+T）∶（G+C）=2∶5，则该DNA分子中A+T=2/7，A=T=1/7×1 400个=200个。连续DNA半保留复制两次，共需要T=（22-1）×200=600个。

【答案】C

一般来说，此类题目的解题关键是计算出该DNA分子中的某碱基数目。运用两种碱基数目之和的思维可以很快地推出所需要的碱基数目。不少学生忽略此类思维，往往画出DNA分子两条链，根据碱基互补配对原则，四种碱基的数目一个个推算，做题效率明显不高。

3.3 在基因转录的过程中某种碱基数目的计算

基因的转录是以DNA的一条链为模板，通过碱基互补配对原则合成RNA的过程。非模板链和RNA的碱基排列顺序一致，只不过T被U替换。如果把RNA看成基因的一条链，也可以根据“三不变原则”推算其中碱基数目，或者已知RNA的碱基数目，逆推对应的基因的相应碱基数目。

【例5】图①②分别表示人体细胞中发生2种生物大分子的合成过程。 请回答下列问题:

（1）细胞中过程②发生的主要场所是 ________ 。

（2）已知过程②的α链中鸟嘌呤与尿嘧啶之和占碱基总数的54%，α 链及其模板链对应区段的碱基中鸟嘌呤分别占29%、19%，则与α链对应的DNA区段中腺嘌呤所占的碱基比例为 ________。

（3）人体不同组织细胞的相同 DNA 进行过程②时启用的起始点 ________（填“都相同”“都不同”或“不完全相同”）,其原因是________________________________________________________ 。

【解析】（1）图①②表示的过程依次是DNA分子的复制和转录。转录的场所主要在细胞核中。（2）根据题意可知，RNA分子中G+U=54%、C+A=46%，则其DNA模板链中C（29%）+A=54%、G（19%）+T=46%，则DNA分子一条链中A+T=52%，故双链中A+T=52%，A=T=26%。（3）1个DNA分子中含多个基因，不同组织细胞因基因的选择性表达，进行转录过程时启用的起始点不完全相同。

【答案】（1）细胞核 （2）26% （3）不完全相同

不同组织细胞中基因进行选择性表达

本题考查的是遗传的物质基础和基因表达的知识，涉及DNA复制和转录的过程，基础性比较强，难度适中。笔者曾将例5当作课堂练习，学生普遍反应第（2）问较难，要么思路陷入从基因到RNA，又回求基因碱基数目的混沌中不知所求；要么绞尽脑汁计算基因的腺嘌呤在每条链的比例，分别是25%和27%，然后假设每条链的碱基数是n，基因区段的碱基数是2n，求得基因区段中A=（25%n+27%n）÷2n=26%。与此法比较，两种碱基之和的思维的作用不言而喻。

DNA分子的特异性决定了其所含有的碱基数目是定值。碱基互补配对的原则是DNA分子的复制、基因的转录翻译能够准确进行的保证，也使子代DNA分子转录的RNA的相应碱基数目是确定的。利用两种碱基数目之和的思维，可以很好地从碱基数目角度深刻理解相关的生物学过程，并精确计算相应的碱基数目。