第3章-基因的本质-第3节-DNA的复制

第3节

DNA的复制预习梳理

预习检测任务活动任务一DNA半保留复制的实验证据任务二DNA复制的过程任务三DNA复制的相关计算备用习题学习目标素养目标

1.运用假说—演绎法探究DNA的复制方式,概述DNA通过半保留方式进行复制。

2.通过对DNA半保留复制方式的学习,理解DNA的准确复制是遗传信息稳定传递的基础。

1.通过DNA半保留复制方式的学习,形成生命的物质观和进化观。

2.运用假说—演绎法探究DNA的复制方式,培养假说演绎的科学思维。

(1)提出者:

。

(2)假说:DNA复制方式为

。

(3)内容①解旋:DNA复制时,DNA

解开,互补的碱基之间的

断裂。

②复制:

分别作为复制的模板,游离的脱氧核苷酸根据

原则,通过形成

,结合到作为模板的单链上。

(4)结果:新合成的每个DNA分子中,都保留了原来

。

一、对DNA复制的推测预习梳理1.半保留复制沃森和克里克半保留复制氢键双螺旋解开的两条单链碱基互补配对氢键DNA分子中的一条链预习梳理2.全保留复制新合成的DNA复制以DNA双链为模板,子代DNA的双链都是

。

二、DNA半保留复制的实验证据预习梳理1.实验者:

。

2.实验材料:

。

3.实验方法:

技术和离心技术。

本实验可以利用离心技术的原因:15N和14N是相对原子质量不同的两种稳定同位素,含15N的DNA比含14N的DNA密度

,因此,利用离心技术可以在试管中分离开含有相对原子质量不同的氮元素的DNA。

4.实验结论:DNA的复制是以

的方式进行的。

梅塞尔森和斯塔尔大肠杆菌大同位素标记半保留三、DNA复制的过程预习梳理1.DNA复制的概念:以

为模板合成

的过程。

2.时间:在真核生物中,这一过程是在

期随着

的复制而完成的。

3.过程:DNA复制是一个

的过程,需要

、

、

和

等基本条件。

4.意义:将

从亲代细胞传递给子代细胞,从而保持了

的连续性。

亲代DNA子代DNA染色体细胞分裂前的间边解旋边复制模板原料能量酶遗传信息遗传信息预习检测(1)DNA复制是以亲代DNA分子的一条链为模板合成子代DNA的过程。

(

)(2)探究DNA复制采用的实验方法是放射性同位素标记法和离心技术。

(

)(3)有丝分裂和减数分裂前的间期,每个核DNA分子均会发生多次复制。

(

)×××[解析]

DNA复制是以亲代DNA(的两条链)为模板合成子代DNA的过程,并不是以亲代DNA分子的一条链为模板。[解析]

探究DNA复制采用的实验方法是同位素标记法和离心技术。[解析]

有丝分裂和减数分裂前的间期,每个核DNA分子仅发生一次复制。预习检测(4)DNA复制的原料为四种脱氧核苷酸。 (

)(5)DNA聚合酶催化母链和子链之间的脱氧核苷酸相连接。

(

)(6)DNA复制完成后,新形成的DNA子链与DNA母链完全不同。

(

)√××[解析]DNA复制的原料为四种脱氧核苷酸,分别为腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胸腺嘧啶脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸。[解析]

DNA聚合酶以解开的每一条母链为模板,以细胞中游离的4种脱氧核苷酸为原料,按照碱基互补配对原则,催化合成与母链互补的一条子链。[解析]

由于复制是以DNA的双链为模板,遵循碱基互补配对原则,所以新形成的DNA子链与DNA模板链互补,与另一条母链相同。任务活动任务一DNA半保留复制的实验证据【情境】

阅读教材P53、P55DNA半保留复制的实验证据内容,P54“思考·讨论”证明DNA半保留复制的实验。[分析](1)实验原理:只含15N的双链DNA分子密度

(重带),只含14N的双链DNA分子密度

(轻带),一条链含14N、一条链含15N的双链DNA分子密度居中(中带)。

轻带:离心后在试管的上部;中带:离心后在试管的

部;重带:离心后在试管的

部

。

大小中下任务活动(2)实验假设:DNA分子以半保留方式复制。

(3)实验预期:第一代离心后应出现中带DNA,第二代离心后出现轻带和中带DNA。

(4)实验过程任务活动(5)结果分析①直接提取DNA→离心→全部位于

。

②细胞分裂一次(即细菌繁殖一代)取出:提取DNA→离心→全部位于

。

③细胞分裂两次(即细菌繁殖两代)取出:提取DNA→离心→

。

(6)实验结论:DNA复制是以

的方式进行的。

重带中带半保留1/2位于中带、1/2位于轻带任务活动【资料】

沃森和克里克提出DNA分子半保留复制假说后,有人提出DNA分子全保留复制的假说,也有人提出DNA分子弥散复制的假说。弥散复制是指以亲代为模板进行的部分复制,在复制过程中亲本DNA双链被切割成小片段,分散在新合成的两个DNA双链分子中,DNA分子复制方式的三种假说图解如下:任务活动[分析](1)实验中第

代的离心结果证明DNA分子复制方式不是全保留复制。

(2)第

代的实验结果证明DNA的复制方式不是弥散复制。

一二任务活动例1DNA分子的半保留复制是指

(

)A.DNA分子中的一条链进行复制,另一条链不复制B.DNA分子中的一半复制,另一半不复制C.每一个子代DNA分子均保留了其亲代DNA分子中的一条单链D.一个DNA分子复制后产生两个DNA分子,其中一个为亲代DNA分子,另一个为子代DNA分子C[解析]DNA分子复制时,分别以解开的两条单链为模板,合成两条新链,每条新链和相应的模板链构成一个新的DNA分子,因此每一个子代DNA分子均保留了其亲代DNA分子中的一条单链,故选C。任务活动例2[2023·重庆八中月考]某生物兴趣小组将大肠杆菌在含15N的培养基中繁殖数代后,使大肠杆菌DNA的含氮碱基都含有15N。然后再将其转入含14N的培养液中培养,提取亲代及子代的DNA,离心分离,如图①~⑤为可能的结果。下列有关叙述,错误的是 (

)A.该实验运用了离心法和放射性同位素示踪法B.根据含14N或15N的DNA离心后的位置,⑤为亲代、②为子一代C.若出现图中③的结果(带宽比3∶1),则亲代DNA进行了3次复制D.第一次分裂结束的子代DNA分离后若为②,可以排除全保留复制的学说A任务活动[解析]本实验的研究方法是离心法和同位素标记法,15N和14N不具有放射性,A错误。亲代DNA两条链均含有15N,离心后为⑤,在含14N的培养液中增殖一代,则形成的两个DNA均为一条链含15N、一条链含14N,离心后为②,B正确。由子一代DNA继续增殖,得到的子二代中共4个DNA,离心后应为1/2中带(14N/15N)、1/2轻带(14N/14N),即图①;子二代继续增殖形成的子三代共8个DNA,两个DNA的一条链含15N、一条链含14N,其余6个DNA的两条链均含14N,离心后应为1/4中带(14N/15N)、3/4轻带(14N/14N),即图③,C正确。⑤中的DNA两条链都含15N,若以此为模板在含14N的培养液中进行全保留复制,结果应该是出现重带和轻带,若出现②,可否认全保留复制,D正确。任务活动任务二DNA复制的过程【资料】

阅读教材P55~P56关于DNA复制过程的内容,分析图DNA复制的示意图。[分析](1)补充图中DNA复制过程的空白内容。解旋酶两条链脱氧核苷酸两DNA聚合酶碱基互补配对5'→3'双螺旋任务活动(2)复制的结果:

。

(3)复制的特点:

、半保留复制。

(4)准确复制的原因①DNA分子独特的

结构,为复制提供了精确的模板。

②通过

,保证了复制能够准确地进行。

形成两个完全相同的DNA分子边解旋边复制碱基互补配对双螺旋任务活动例3下列有关DNA复制的说法,正确的是

(

)A.人体成熟的红细胞中能发生DNA的复制B.DNA复制时,先将DNA双链全部解旋然后再进行复制C.碱基互补配对和DNA的双螺旋结构有利于DNA的准确复制D.宿主细胞能为病毒DNA的复制提供原料、场所、模板和酶C任务活动[解析]人体成熟的红细胞中没有细胞核和线粒体,不再进行分裂,所以不能发生DNA的复制,A错误;DNA复制时,不是先将DNA双链全部解旋然后再进行复制,而是边解旋边复制,B错误;碱基互补配对和DNA的双螺旋结构有利于DNA的准确复制,C正确;一般情况下,宿主细胞能为病毒DNA的复制提供原料、场所和酶,但模板是由病毒DNA提供的,D错误。任务活动例4[2023·河北张家口期末]DNA通过复制将亲代的遗传信息传递给子代,下列有关叙述正确的是(

)A.复制过程中,解旋酶和DNA酶分别作用于氢键和磷酸二酯键B.减数分裂前的间期,复制产生的子代DNA随同源染色体的分开而分离C.子链延伸时,游离的脱氧核苷酸与脱氧核苷酸链的3'-端相连D.DNA复制是以全保留的方式进行的,而且是边解旋边复制C任务活动[解析]复制过程中,解旋酶作用于氢键,DNA聚合酶作用于磷酸二酯键,DNA复制的过程中不需要DNA酶参与,A错误;减数分裂前的间期,复制产生的子代DNA在减数第二次分裂的后期随着姐妹染色单体的分开而分离,B错误;DNA复制过程中,游离的脱氧核苷酸连接到脱氧核苷酸链3'-端,C正确;DNA复制方式为半保留复制,D错误。任务活动[归纳总结]DNA复制的“一、二、三、四”一所:复制的场所主要为细胞核。二期:复制的时期为细胞分裂前的间期,即有丝分裂前的间期、减数分裂前的间期。三步:复制的步骤为解旋→复制、延伸(合成子链)→恢复双螺旋,体现了边解旋边复制的特点。四条件:即任务活动任务三DNA复制的相关计算【情境】

某DNA分子用15N标记,其复制所需原料用14N标记,连续复制4次。[分析](1)子代DNA中含15N的DNA分子数与只含14N的DNA分子数之比是

。

(2)DNA复制n次与第n次复制各形成多少个DNA分子?

1∶7DNA复制n次形成2n个DNA分子,第n次复制形成2n-1个DNA分子。任务活动DNA复制为半保留复制,若将亲代DNA分子复制n代,其结果分析如图:(1)子代DNA分子数为2n个。①含有亲代链的DNA分子数为2个。②不含亲代链的DNA分子数为2n-2个。③含子代链的DNA有2n个。任务活动(2)子代脱氧核苷酸链数为2n+1条。①亲代脱氧核苷酸链数为2条。②新合成的脱氧核苷酸链数为2n+1-2条。(3)消耗的脱氧核苷酸数①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为m·(2n-1)个。任务活动分析:一个亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,经过n次复制共产生子代DNA分子2n个,可知子代DNA分子中共含有该种脱氧核苷酸2n·m个,因此复制过程需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·2n-m=m·(2n-1)个。②第n次复制所需该脱氧核苷酸数为m·2n-1个。分析:一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,第n次复制共合成子代DNA分子2n-1个,因此需要消耗该脱氧核苷酸数为m·2n-1个。任务活动[易错提醒]DNA复制相关计算的3个易错点(1)“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别,前者包括所有的复制,但后者只包括最后一次复制。(2)在DNA复制过程中,无论复制了几次,含有亲代脱氧核苷酸单链的DNA分子都只有两个。(3)看清碱基的数目单位是“对”还是“个”,“DNA分子数”还是“链数”,“含”还是“只含”等关键词。任务活动例5[2023·河北石家庄二中月考]某双链DNA分子共有含氮碱基1400个,其中一条链上(A+T)∶(G+C)=2∶5。该DNA分子连续复制两次共需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸 (

)A.300个

B.400个

C.600个

D.800个C[解析]已知一条单链中(A+T)∶(G+C)=2∶5,则双链DNA分子中(A+T)∶(G+C)=2∶5,所以双链DNA分子中A+T=1400×2/7=400(个),又A=T,故T=1/2×400=200(个);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(22-1)×200=600(个),C正确。任务活动例6用15N标记含有200个碱基对的DNA分子,其中有鸟嘌呤120个,该DNA分子在含14N的培养基中连续复制4次。其结果不可能是(

)A.含有15N的DNA分子占1/8B.含有14N的DNA分子占7/8C.需消耗腺嘌呤脱氧核苷酸1200个D.复制结果是共产生16个DNA分子B任务活动[解析]DNA复制为半保留复制,不管该DNA分子复制几次,最终都有2个子代DNA含15N。由题意可知,该DNA分子在含14N的培养基中复制4次,产生16个DNA分子,所以含有15N的DNA分子占1/8,A正确。由于DNA分子的复制方式是半保留复制,最终只有2个子代DNA1条链含15N、1条链含14N,其余DNA都只含14N,故全部子代DNA都含14N,B错误。该DNA分子含有400个碱基,其中有鸟嘌呤120个,则腺嘌呤为80个,故复制过程中需消耗腺嘌呤脱氧核苷酸(24-1)×80=1200(个),C正确。复制4次后产生24=16(个)DNA分子,D正确。

当堂小结

备用习题1.某一DNA分子的两条链用放射性32P标记后,在不含32P的培养液中连续复制3次,则子代中不含32P的DNA分子个数是 (

)A.7 B.8

C.2

D.6D[解析]根据DNA半保留复制特点,不管一个亲代DNA分子复制几次,子代DNA分子中都只有两个含有亲代DNA单链。因此,用32P标记一个DNA分子的两条链,让该DNA分子在不含32P的培养液中连续复制3次,子代DNA分子中含32P的有2个,不含32P的DNA分子个数是8-2=6。

备用习题2.一个含500个碱基对的DNA分子片段(被15N标记),其中一条链中T+A占40%。若将该DNA分子放在含14N的培养基中连续复制3次,下列相关叙述正确的是 (

)A.该DNA分子中含有A的数目为400个B.该DNA分子的另一条链中T+A占60%C.子代DNA中嘌呤与嘧啶之比是1∶1D.经3次复制后,子代DNA中含14N的单链占1/8C

备用习题[解析]一个含500个碱基对的DNA分子片段,其中一条链中T+A占40%,则整个DNA片段中T+A也占40%,又因为A=T,即A占20%,故A=500×2×20%=200(个),A错误;该DNA分子的一条链中T+A占40%,据碱基互补配对原则,则另一条链中T+A也占40%,B错误;双链DNA分子中嘌呤的数目等于嘧啶的数目,C正确;经3次复制后,共有8个DNA分子,共16条链,其中2条是原DNA的含15N的链,14条是新合成的含14N的链,占7/8,D错误。

备用习题3.如图表示发生在细胞核内的某生理过程,其中a、b、c、d表示脱氧核苷酸链。下列叙述正确的是 (

)A.此过程需要ATP和尿嘧啶脱氧核苷酸B.若a、d链中共有1000个碱基对,其中腺嘌呤占20%,该过程连续进行3次,共需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸2800个C.此过程需双链解旋结束后才发生子链的合成D.正常情况下a、d链都应该到不同的细胞中去D

备用习题[解析]该过程表示的是DNA复制,需要的是4种脱氧核苷酸(含氮碱基分别为A、T、G、C),而尿嘧啶是RNA中的特有碱基,A错误;一个DNA分子由1000个碱基对组成,其中的腺嘌呤占20%,则鸟嘌呤占(1-20%×2)/2=30%,即鸟嘌呤脱氧核苷酸为1000×2×30%=600(个),该DNA分子复制3次共需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸的数目为(23-1)×600=4200(个),B错误;DNA分子复制是边解旋边复制的过程,C错误;DNA复制是半保留复制,因此正常情况下a、d链都应该到不同的细胞中,D正确。

备用习题4.DNA复制时子链从5'端到3'端延伸,合成的两条链分别称为前导链和后随链,复制过程如图所示,下列相关叙述正确的是 (

)A.DNA聚合酶作用的部位是氢键,DNA连接酶作用的部位是磷酸二酯键B.DNA聚合酶沿母链的3'端到5'端移动,前导链由右向左合成,后随链由左向右合成C.DNA复制过程中解旋酶将两条链完全解旋后进行复制,可以减少复制所需时间D.引物在前导链的合成过程中引发一次,之后可连续合成,而后随链需一个引物参与B

备用习题[解析]DNA聚合酶和DNA连接酶作用的部位都是磷酸二酯键,A错误;DNA复制时,DNA聚合酶沿母链的3'端到5'端移动,子链都是由5'端到3'端方向延伸的,前导链由右向左合成,后随链由左向右合成,B正确;DNA复制过程边解旋边复制,可以减少复制所需时间,C错误;DNA复制时,引物在前导链的合成过程中引发一次,则该链的合成是连续的,另一条后随链的合成是不连续的,需多个引物参与,最后连成一条完整的DNA链,D错误。

备用习题5.某校一个生物兴趣小组要进行研究性学习,对生物学史上的经典实验进行验证,也是研究学习内容之一。这个小组借助某大学的实验设备,对有关DNA复制的方式进行探索,有人认为DNA是全保留复制,也有人认为是半保留复制。这个小组设计了下列实验程序,请完成实验并对结果进行预测。(1)实验步骤:第一步:在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌,其DNA分子均为14N-DNA分子;在氮源为15N的培养基上生长的大肠杆菌,其DNA分子均为15N-DNA。用某种离心方法分离得到的结果如图所示,其DNA分别分布在轻带和重带上。

备用习题第二步:将亲代大肠杆菌(含15N)转移到含14N的培养基上繁殖一代(Ⅰ),请分析:如果其DNA分布的位置是

,则DNA的复制方式为全保留复制;如果DNA分布的位置是

,则是半保留复制。

第三步:为了进一步验证第二步的推测结果,将子一代大肠杆菌转移到含14N的培养基上再繁