2019-2020学年人教版生物选修一同步导学限时训练13　多聚酶链式反应扩增DNA片段

2019-2020学年人教版生物选修一同步导学限时训练13　多聚酶链式反应扩增DNA片段

限时规范训练十三 1.关于 DNA 聚合酶催化合成 DNA 子链的说法,正确的是( ) A.以 DNA 为模板,使 DNA 子链从 5′端延伸到 3′端的一种酶 B.Taq DNA 聚合酶必须在每次高温变性处理后再添加 C.DNA 聚合酶能特异性地复制整个 DNA 的全部序列 D.Taq DNA 聚合酶是从深海生态系统中发现的 答案 A 解析 DNA 聚合酶不能从头开始催化合成 DNA,而只能从引物的 3′端 延伸子链,即 DNA 的合成方向总是从子链的 5′端向 3′端延伸；Taq DNA 聚合酶能耐高温,所以在反应体系中可反复利用,无须另外再添 加；PCR 扩增的是引物之间的固定长度的 DNA 序列；Taq DNA 聚合酶 是 1966 年从美国黄石公园的一个热泉中发现的。 2.符合 PCR 反应条件的一项是( ) ①稳定的缓冲溶液环境 ②DNA 模板 ③合成的引物 ④四种脱氧核苷酸 ⑤DNA 聚合酶 ⑥解旋酶 ⑦温控设备 A.①②③④⑤⑥ B.①②③④⑤⑥⑦ C.③④⑤⑥⑦ D.①②③④⑤⑦ 答案 D 解析 在 PCR 反应中,解旋是通过 DNA 热变性实现的,解旋酶不是 PCR 反应条件之一,其他各项都是 PCR 反应必需的条件。 3.如图所示为 DNA 变性和复性示意图,相关说法正确的是( ) A.向左的过程为加热(80～100 ℃)变性的过程 B.向右的过程是 DNA 双链迅速制冷复性 C.变性与在生物体内解旋过程的实质相同 D.图中左侧 DNA 片段共有 4 个游离的磷酸基团、4 个 3′端 答案 C 解析 DNA 体外的变性和体内的解旋,其实质是相同的,都是使氢键 断裂,DNA 双螺旋打开,只是体内解旋需要解旋酶,体外变性需高温条 件。 4.DNA 扩增过程中 DNA 片段经若干次扩增,其数目理论值变化应与下 图中曲线相符的是( ) 答案 C 解析 DNA 在扩增过程中呈指数式增长,即一个 DNA 分子连续扩增 n 次,理论上所产生的 DNA 分子数为 2n 个。 5.以下为形成 cDNA 过程和 PCR 扩增过程示意图。据图分析,下列说法 正确的是( ) A.催化②⑤过程的酶都是 DNA 聚合酶,都能耐高温 B.催化①过程的酶是 RNA 聚合酶 C.④过程发生的变化是引物与单链 DNA 结合 D.如果 RNA 单链中 A 与 U 之和占该链碱基含量的 40%,则一个双链 DNA 中,A 与 U 之和也占该 DNA 碱基含量的 40% 答案 C 解析 图中②⑤过程为 DNA 复制,这两个过程都需要 DNA 聚合酶的催 化,其中催化⑤过程的 DNA 聚合酶能耐高温,但催化②过程的酶不耐 高温,A 项错误；①为逆转录过程,该过程需要逆转录酶的催化,B 项错 误；④为复性过程,发生的变化是引物与互补 DNA 链结合,C 项正确； 根据碱基互补配对原则,如果 RNA 单链中 A 与 U 之和占该链碱基含量 的 40%,则一个双链 DNA 中,A 与 T 之和也占该 DNA 碱基含量的 40%,DNA 分子中不含碱基 U,D 项错误。 6.多聚酶链式反应(PCR)是体外酶促合成特异 DNA 片段的一种方法, 其简要过程如图所示。下列关于 PCR 技术的叙述错误的是( ) A.PCR 技术是在实验室中以少量 DNA 制备大量 DNA 的技术 B.PCR 反应中上一轮循环合成的 DNA 可以作为下一轮反应的模板 C.PCR 反应体系中需添加从受体细胞中提取的解旋酶和 DNA 聚合酶 D.应用 PCR 技术与 DNA 分子杂交技术可以检测基因突变 答案 C 解析 PCR 技术是一项在生物体外迅速扩增特定 DNA 片段的技术；PCR 技术需要模板 DNA,且反应中上一轮合成的 DNA 可以作为下一轮反应 的模板；PCR 过程中利用高温使 DNA 解旋,不需要解旋酶解旋,但需耐 高温的 DNA 聚合酶催化合成子代 DNA；应用 PCR 技术与 DNA 分子杂交 技术可以检测基因突变。 7.下列有关 DNA 含量测定的叙述,错误的是( ) A.可利用 DNA 在 260 nm 的紫外线波段有一强烈的吸收峰这一特点来 进行 DNA 含量的测定 B.测定时通常需要对样品进行稀释 C.直接将样品放在波长 260 nm 处,测定其光吸收值 D.可利用“DNA 含量＝50×光吸收值×稀释倍数”来计算样品中的 DNA 含量 答案 C 解析 对样品进行测定前要以蒸馏水作为空白对照,在波长 260 nm 处,将紫外分光光度计的读数调节至零,而不能直接测定样品的光吸 收值。 8.PCR 技术是把 DNA 片段在体外酶的作用下,合成许许多多相同片段 的一种方法,利用它能快速而特异地扩增任何要求的目的基因或 DNA 分子片段,它的基本过程如下图所示： 注：图中短线表示每次扩增过程中需要的引物。每个引物约含 20 个 脱氧核苷酸,并分别与两条单链 DNA 结合,其作用是引导合成 DNA 子 链。 (1)PCR 与体内 DNA 复制的不同之处主要表现在温度上,在 PCR 中先用 95 ℃高温处理的目的是____________________；而这一过程在细胞 内是通过________实现的。 (2)DNA 子链复制的方向是____________,这是由于______________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ ______________。 (3)在 PCR 技术中所需要的引物实质上是一种___________________。 若将 1 个 DNA 分子拷贝 10 次,则需要在缓冲液中至少加入________ 个引物。 (4)假定 DNA 片段含 200 对脱氧核苷酸,经 3 次扩增,从理论上计算需 要________个游离的脱氧核苷酸。 答案 (1)使 DNA 变性(或使 DNA 的两条链解开) 解旋酶 (2)从 5′端到 3′端 DNA 聚合酶只能从引物的 3′端连接单个脱氧 核苷酸分子 (3)单链 DNA 或 RNA 分子 211－2 (4)2 800 解析 在 PCR 中先用 95 ℃高温处理 DNA 的目的是使 DNA 分子中的氢 键断裂,两条链解开,使 DNA 分子解旋,形成单链。引物是一种单链 DNA 或 RNA 分子,它能与解开的 DNA 母链的 3′端结合,为 DNA 聚合酶提供 结合位点,使 DNA 聚合酶从引物的 3′端开始连接脱氧核苷酸,从而决 定了 DNA 子链复制的方向是从子链的 5′端向 3′端延伸。在 DNA 分 子扩增时,需要 2 种引物,由于新合成的子链都需要引物作为复制的 起点,故所需的引物数目等于新合成的 DNA 子链数目,若将 1 个 DNA 分子复制 10 次,则需要的引物为 2×210－2＝211－2 个。DNA 扩增 3 次 一共形成 23 ＝8 个子代 DNA 片段,需游离的脱氧核苷酸数为(8－ 1)×200×2＝2 800 个。 9.多聚酶链式反应(PCR)是一种体外迅速扩增 DNA 片段的技术。PCR 过程一般经历下述 30 多次循环：95 ℃下使模板 DNA 变性、解聚 →55 ℃下复性(引物与 DNA 模板链结合)→72 ℃下引物链延伸(形成 新的脱氧核苷酸链)。下列有关 PCR 过程的叙述中,不正确的是( ) A.变性过程中破坏的是 DNA 分子内碱基对之间的氢键,也可利用解旋 酶实现 B.复性过程中引物与 DNA 模板链的结合依靠碱基互补配对原则完成 C.延伸过程中需要 DNA 聚合酶、ATP、四种核糖核苷酸 D.PCR 与细胞内 DNA 复制相比所需要酶的最适温度较高 答案 C 解析 体外解旋通过加热破坏氢键,而体内解旋过程依赖于解旋酶； 体内外的 DNA 复制均遵循相同的碱基互补配对原则；PCR 的前提是已 知待扩增 DNA 的一小段序列,以便合成引物,PCR 只能扩增一对引物之 间的 DNA 序列。PCR 反应的产物是 DNA,因此该过程需要的原料是四种 脱氧核苷酸,不是核糖核苷酸。 10.在 PCR 扩增 DNA 的实验中,根据设计,一分子 DNA 经 30 次循环后, 应得到约 230 个 DNA 分子,但结果只有约 210 个 DNA 分子。出现该现象 的原因可能是( ) ①循环次数不够 ②Taq DNA 聚合酶活力不够或其活性受到抑制 ③引物不能与亲链结合 ④系统设计欠妥 A.①②③ B.①②④ C.①③④ D.②③④ 答案 B 解析 ①循环次数过少,产物的量比预期的少；②Taq DNA 聚合酶活 力不够或其活性受到抑制会导致扩增效率低,得到的产物比预期的 少；③如果引物设计不合理,则无法进行扩增；④PCR 系统设置欠妥, 将达不到预期的效果。 11.复性温度是影响 PCR 特异性的较重要的因素。变性后温度快速冷 却至 40～60 ℃,可使引物与模板发生结合。PCR 的结果可不考虑原来 解旋开的两个 DNA 模板链的重新结合,原因不包括( ) A.模板 DNA 比引物复杂得多 B.引物和模板之间的碰撞结合机会远远高于模板互补链之间的碰撞 C.加入引物的量足够多而模板链数量少 D.模板链加热解旋已经变性不可能再次结合 答案 D 解析 DNA 双链变性解旋后是可以再次结合的,只不过是在 PCR 中,引 物量较多,与 DNA 模板链结合机会大,而原来两条母链再次结合的机 会小。 12.如图中 PCR 第二轮产物 a、b、c、d 分别是以 PCR 第一轮产物的哪 一条单链 DNA 为模板复制产生的( ) A.②①③④ B.①③④② C.①②④③ D.①②③④ 答案 D 解析 以①链为模板复制而来的 DNA 应只含有引物Ⅰ(a),以④链为 模板复制而来的 DNA 应只含有引物Ⅱ(d),b、c 是以②③为模板复制 而来的。 13.如图为细胞内 DNA 复制过程示意图,该过程在体外也可进行,以获 得大量相同的DNA片段,该项技术被称为PCR技术,又称为多聚酶链式 反应,请分析回答下列问题： (1)PCR 过程与细胞内 DNA 复制相比,主要不同点是 __________________________________________________________ ______________。 (2)PCR 技术过程的三个步骤是：________、________、________。 (3)假设 PCR 过程中,只用一个 DNA 片段作为模板,30 次循环后,理论 上反应物中有________个这样的 DNA 片段。 (4)PCR 技术能在几小时内将微量的 DNA 片段特异性地扩增上百万倍, 从而解决了样品中 DNA 含量低,难以分离的难题,试举两例,说明 PCR 技术的应用：______________________________________________ __________________________________________________________ _________________________________________________________。 答案 (1)PCR 过程是高温变性解旋,不需要解旋酶 (2)变性 复性 延伸 (3)230 (4)刑侦破案、亲子鉴定、疑难疾病的诊断、基因序列分析(答出两点 即可) 解析 (1)PCR 过程与细胞内 DNA 复制相比,主要不同点是：PCR 过程 是高温变性解旋,不需要解旋酶。(2)PCR 的每次循环可以分为变性、 复性和延伸三个步骤。(3)由于一个 DNA 片段作为模板,一次循环能产 生 2 个 DNA 片段,所以 30 次循环后,反应物中大约有 230 个这样的 DNA 片段。(4)PCR 技术有广泛的应用,可以用于遗传疾病的诊断、刑侦破 案、亲子鉴定、基因序列分析等方面。 14.在遗传病及刑事案件侦破中常需要对样品 DNA 进行分析,PCR 技术 能快速扩增DNA片段,在几个小时内复制出上百万份的DNA拷贝,有效 地解决了因为样品中 DNA 含量太低而难以对样品进行分析研究的问 题。据图回答相关问题： (1)在相应的横线上写出引物Ⅱ结构,并在复性这一步骤中将引物Ⅱ 置于合适的位置。 (2)在相应的横线上写出循环一次后生成的 DNA 分子。 (3)若将作为原料的 4 种脱氧核苷酸用 32P 标记,请分析循环一次后生 成的 DNA 分子的特点：______________________________________ __________________________________________________________ _________________________________________________________, 循环 n 次后生成的 DNA 分子中不含放射性的单链占总单链的比例为 ________。 (4)PCR 反 应 过 程 的 前 提 条 件 是 ________,PCR 技 术 利 用 DNA 的 ________原理解决了这个问题。 (5)在对样品 DNA 进行分析的过程中发现,DNA 掺杂着一些组蛋白,要 去除这些组蛋白可加入的物质是________。 答案 (1)5′—G—A—OH (2)3′—C—C……A—G—5′ 5′—G—G……T—C—3′ 5′—G—G……T—C—3′ 3′—C—C……A—G—5′ (3)每个 DNA 分子各有一条链含 32P 1/2n (4)DNA 解旋 热变性 (5)蛋白酶 解析 (1)DNA 聚合酶不能从头开始合成 DNA,只能从 3′端延伸 DNA 链,所以子链延伸方向为 5′→3′,引物Ⅰ与 b 链部分碱基互补,引物 Ⅱ则与 a 链部分碱基互补,且连接到 a 链的 3′端,故引物Ⅱ的结构为 5′—G—A—OH,复性结果见答案。(2)经过一次循环后,产生的两个 DNA 分子分别含有引物Ⅰ和引物Ⅱ。(3)由于作为原料的 4 种脱氧核 苷酸被 32P 标记,所以新合成的子链均含有放射性,一次循环后的两个 DNA 中各有一条链含 32P,若复制 n 次,共产生 2n 个 DNA 分子,其中只有 DNA 母链不含 32P,则循环 n 次后生成的 DNA 分子中不含放射性的单链 占总单链的比例为 2/(2n×2)＝1/2n。(4)DNA 复制是以两条母链为模 板,按照碱基互补配对原则进行的。因此,PCR 反应过程的前提条件是 DNA 解旋,使两条母链的碱基暴露出来,才能按照碱基互补配对原则 把相应的碱基一个个地连接起来形成子链。DNA 分子在 80～100 ℃的 温度范围内变性,双链解聚成单链,当温度慢慢降低时,又能重新结合 形成双链。(5)DNA 中杂质蛋白的去除可利用酶的专一性,即加入蛋白 酶除去。 15.利用 PCR 技术扩增目的基因,其原理与细胞内 DNA 复制类似(如图 所示)。图中引物 a、b 为单链 DNA 样品片段,它是子链合成延伸的基 础。请回答有关问题： (1)PCR 扩增开始前,需要向离心管中加入的物质除了 DNA 样品、Taq DNA 聚 合 酶 , 以 及 缓 冲 液 之 外 , 还 需 要 加 入 ______________ 和 ________。 (2)A 、 B 、 C 中 属 于 复 性 的 步 骤 是 ________,A 过 程 的 目 的 是 ______________。 (3)C 步骤温度为 72 ℃时发挥作用的酶是__________________。 (4)从理论上分析,PCR 技术利用 DNA 分子的________复制的方式扩增, 一个样品 DNA 分子经 n 次循环共需消耗引物 a 的数量为________。 (5)设计引物是 PCR 技术关键步骤之一。某同学设计的两组引物(引物 对 B 只标注了部分碱基序列)都不合理(如表),请分别说明理由。 引物对 A P1：AACTGAAATCTAGCTATC P2：GTCCGACTAGTGGCTGTG 引物对 B S1：3′—AACTG……CAGTT—5′ S2：3′—CAGTT……GATTA—5′ ①引物对 A 中 P1 和 P2 的________(碱基对)含量差异较大,导致复性温 度不一致。 ②引物对 B S1 局部碱基配对导致自身________而失效；S1 和 S2 之间 出现____________而失效。 答案 (1)四种脱氧核苷酸 引物 (2)B 使 DNA 分子解旋 (3)DNA 聚合酶(或 Taq DNA 聚合酶) (4)半保留 2n－1 (5)①G、C ②折叠 局部碱基配对 解析 (1)PCR 扩增开始前,需要向离心管中加入的物质除了 DNA 样 品,Taq DNA 聚合酶以及缓冲液之外,还需要加入四种脱氧核苷酸和引 物。(2)A 过程为高温变性(使 DNA 分子解旋),B 过程为低温复性,C 过 程为中温延伸。(3)由于变性的温度是 95 ℃,延伸温度为 72 ℃,故 PCR 过程中所需要的酶是热稳定的 DNA 聚合酶(Taq DNA 聚合酶)。(4) 从理论上分析,PCR 技术利用 DNA 分子半保留复制的方式复制,从理论 上推测,一个样品 DNA 分子经 n 次循环合成的 DNA 分子为 2n 个,而不 含引物 a 的只有 1 个 DNA 分子,故共需消耗引物 a 的数量为 2n－1。(5) 据表格中引物的序列可知,引物对 A 中 P1 和 P2 的 G、C 含量差异较大, 导致复性温度不一致。引物对 B 中 S1 部分序列互补,会自身折叠出现 局部碱基配对而失效；S1 和 S2 部分碱基序列互补,它们之间会出现局 部碱基配对而失效。