学年高中生物新教材人教版必修第二册教师用书第3章 第34节 DNA的复制 基因通常是有遗传效应的DNA.docx

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学年高中生物新教材人教版必修第二册教师用书第3章第34节DNA的复制基因通常是有遗传效应的DNA

第3、4节　DNA的复制　基因通常是有遗传效应的DNA片段

学习目标

核心素养

1.概述DNA复制方式的假说及实验证据。

2．掌握DNA复制的过程及精确复制的原因。

（重点）

3．理解基因与DNA、染色体的关系。

（重、难点）

1.通过对探究DNA复制方式的实验的分析，再一次体会“假说—演绎法”。

2．利用数学方法归纳DNA分子的多样性和特异性。

一、DNA的复制

1．对DNA复制的推测

（1）提出者：

沃森和克里克。

（2）假说内容：

①解旋：

DNA分子复制时，DNA分子的双螺旋解开，互补碱基之间的氢键断裂。

②复制

③特点：

新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，这种复制方式称作半保留复制。

2．DNA半保留复制的实验证据

（1）实验材料：

大肠杆菌。

（2）实验方法：

运用同位素标记技术。

（3）实验过程

用含15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，获得含15N的DNA细菌的DNA

↓

转入含14NH4Cl的培养基中

↓一段时间

取细菌，提取DNA，进行密度梯度离心

（4）实验预期

①亲代DNA分子中两条链均含15N，DNA分子密度高。

②复制一次产生的DNA分子中，一条链含14N，另一条链含15N，DNA分子密度居中。

③复制两次产生的DNA分子中，有两个DNA分子双链均含_14N，DNA分子密度较低；另两个DNA分子中一条链含15N，另一条链含14N。

（5）实验结果：

与预期一致。

（6）实验结论：

DNA的复制方式为半保留复制。

3．DNA复制的过程

（1）DNA复制的概念、时间、场所

①概念：

以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。

②时间：

细胞分裂前的间期。

③场所：

主要是细胞核。

（2）DNA分子的复制过程

（3）特点

①过程：

边解旋边复制。

②方式：

半保留复制。

（4）准确复制的原因

①DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板。

②通过碱基互补配对保证了复制的准确进行。

（5）意义：

将遗传信息从亲代细胞传给子代细胞，保持了遗传信息的连续性。

二、基因是有遗传效应的DNA片段

1．基因与DNA关系的实例

2．DNA片段中的遗传信息

（1）遗传信息：

DNA分子中4种碱基的排列顺序。

（2）特点

①多样性：

碱基排列顺序的千变万化。

②特异性：

每一个DNA分子有特定的碱基排列顺序。

③稳定性：

DNA分子的结构较稳定。

3．与生物体多样性和特异性的关系

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。

4．基因的延伸

对于遗传物质是RNA的生物，基因就是有遗传效应的RNA片段。

判断对错（正确的打“√”，错误的打“×”）

1．证明DNA复制方式的实验只能用同位素标记N。

（　　）

2．在证明DNA复制方式的实验中，从Ⅰ代开始细菌DNA分子中至少有一条链含14N。

（　　）

3．DNA复制遵循碱基互补配对原则，新合成的DNA分子中两条链均是新合成的。

（　　）

4．任何生物的基因都是有遗传效应的DNA片段。

（　　）

5．碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性。

（　　）

6．每个DNA分子所具有的特定的碱基排列顺序，构成了每一个DNA分子的特异性。

（　　）

提示：

1.×　DNA的组成元素有C、H、O、N、P，这几种元素都有同位素，所以标记任何一种元素都可以。

2．√

3．×　DNA分子的复制方式为半保留复制，所以子代DNA的两条链中包含了一条母链和一条子链。

4．×　RNA病毒（如烟草花叶病毒、禽流感病毒、埃博拉病毒等）的遗传物质是RNA，其基因是有遗传效应的RNA片段。

5．√　6.√

对DNA分子复制的推测

[问题探究]

若DNA分子的复制为全保留复制，则实验预期是怎样的？

复制n次后，进行密度梯度离心的结果如何？

提示：

亲代DNA分子中，两条链均含15N，DNA分子密度高；子代DNA分子中，两条链均含14N，DNA分子密度低。

复制n次后进行密度梯度离心只有两条带。

1．对DNA分子复制的推测

假说

遗传物质自我复制的假说

提出者

沃森和克里克

内容

（1）解旋：

DNA分子复制时，DNA分子的双螺旋解开，配对碱基之间的氢键断裂

（2）复制：

以解开的两条母链作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸依据碱基互补配对原则，通过形成氢键结合到作为模板的单链上

特点

新合成的每个DNA分子中，都保留了原来的DNA分子中的一条链，是半保留复制

2.DNA半保留复制的实验证据分析

（1）实验方法：

放射性同位素标记法和密度梯度离心法。

（2）实验原理：

含15N的双链DNA密度大，含14N的双链DNA密度小，一条链含14N、一条链含15N的双链DNA密度居中。

（3）实验假设：

DNA以半保留的方式复制。

（4）实验预期：

离心后应出现3条DNA带。

①重带（密度最大）：

两条链都为15N标记的亲代双链DNA。

②中带（密度居中）：

一条链为14N标记，另一条链为15N标记的子代双链DNA。

③轻带（密度最小）：

两条链都为14N标记的子代双链DNA。

（5）实验过程

（6）过程分析

①立即取出，提取DNA→离心→全部重带。

②繁殖一代后取出，提取DNA→离心→全部中带。

③繁殖两代后取出，提取DNA→离心→1/2轻带、1/2中带。

（7）实验结论：

DNA的复制是以半保留方式进行的。

易错提醒：

（1）该实验在探究过程中使用的方法是假说—演绎法。

（2）该实验也可以用P、C等元素进行标记。

（3）在实验过程中一定要注意提取DNA的时间，以大肠杆菌繁殖一次所用的时间为间隔。

1．细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后再将其移入含14N的培养基中培养，抽取亲代及子代的DNA离心分离，如图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是（　　）

A．子一代DNA应为②　B．子二代DNA应为①

C．子三代DNA应为④D．亲代DNA应为⑤

C　[亲代DNA全为15N，应为⑤，复制一次后，DNA一条链为15N，一条链为14N，应为②；复制两次后形成4个DNA，其中2个全为14N，2个是一条链为15N，一条链为14N，应为①；复制三次后形成8个DNA，其中6个DNA全为14N，2个DNA的一条链为14N，一条链为15N，故C错。

]

2．下列有关“探究DNA的复制过程”活动的叙述，正确的是（　　）

A．培养过程中，大肠杆菌将利用NH4Cl中的N合成DNA的基本骨架

B．通过对第二代大肠杆菌DNA的密度梯度离心，得出DNA复制的特点为半保留复制

C．将含14N/14N－DNA的大肠杆菌放在以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养若干代，所获得的大肠杆菌的DNA中都含有15N

D．将含15N/15N－DNA的大肠杆菌转移到以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中繁殖一代后，若将提取的子代大肠杆菌DNA解旋处理后进行密度梯度离心，离心管中将只出现1个条带

C　[培养过程中，大肠杆菌将利用NH4Cl中的N合成含氮碱基进而形成DNA两条链之间的碱基对，A错误；通过对亲代、第一代、第二代大肠杆菌DNA的密度梯度离心，对比分析才可得出DNA复制的特点为半保留复制，B错误；根据DNA的半保留复制，将含14N/14N－DNA的大肠杆菌放在以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养若干代，所获得的大肠杆菌的DNA中都含有15N，C正确；将含15N/15N－DNA的大肠杆菌转移到以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中繁殖一代后，若将提取的子代大肠杆菌DNA解旋处理后进行密度梯度离心，离心管中将出现轻、重2个条带，D错误。

]

DNA分子的复制

[问题探究]

1．DNA复制可以发生在任何时期吗？

提示：

不能，DNA复制发生在细胞分裂前的间期。

2．DNA复制的结果是什么？

提示：

DNA加倍。

[归纳总结]全面理解DNA的复制

1．DNA复制的场所主要是在细胞核（凡是细胞内有DNA的地方均可复制）。

（1）真核生物：

细胞核、线粒体、叶绿体，其中主要场所是细胞核。

（2）原核生物：

核区、细胞质（如质粒的复制）。

（3）病毒：

宿主细胞内。

2．真核生物细胞核中DNA复制发生的时间：

分裂前的间期。

3．复制所需的酶是指一个酶系统，不仅仅是指解旋酶和DNA聚合酶，还包括DNA连接酶等。

（1）解旋酶的作用是破坏碱基间的氢键。

（2）DNA聚合酶的作用是连接游离的脱氧核苷酸。

（3）DNA连接酶的作用是连接DNA片段。

4．两个子代DNA的位置及分开时间：

复制产生的两个子代DNA分子位于一对姐妹染色单体上，由着丝粒连在一起，在有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期着丝粒分裂时分开，分别进入两个子细胞中。

知识拓展：

（1）复制起始点指复制是从DNA分子的特定部位开始的。

原核生物每个DNA分子只有一个复制起始点。

（2）由于真核生物DNA相对较长，常利用多起点的方式进行复制，有多个复制起点。

这样可以加快复制的速度。

（3）生物界存在如下两种复制方向：

①从起始点向一个方向进行，通常称为单向复制。

②从起始点向两个方向进行，通常称为双向复制。

大多数生物染色体的DNA及病毒环形DNA等的复制是双向的，并且是对称的。

1．下列有关DNA复制的叙述正确的是（　　）

A．DNA分子在解旋酶的作用下水解成脱氧核苷酸

B．在复制过程中解旋和复制是同时进行的

C．解旋后以一条母链为模板合成两条新的子链

D．两条新的子链通过氢键形成一个新的DNA分子

B　[DNA分子在解旋酶的作用下，双链解开，变成单链，A错误；复制过程是边解旋边复制，所以解旋和复制是同时进行的，B正确；水解成的两条单链都可以作为DNA复制的模板，C错误；形成的DNA分子中各含有一条母链和一条子链，两条链之间的碱基通过氢键形成碱基对，组成一个新的DNA分子，D错误。

故选B项。

]

2．下图为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图，有关叙述错误的是（　　）

A．图中DNA分子复制是从多个起点同时开始的

B．图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的

C．真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶

D．真核生物的这种复制方式提高了复制速率

A　[由该DNA分子复制过程示意图可看出：

DNA分子复制有多个复制起始点，且边解旋边双向复制（箭头代表DNA复制方向），DNA分子复制需要解旋酶参与。

这种多起点复制可有效地提高复制速率。

由图示不同复制起点复制出的DNA片段长度不同可知：

DNA分子的多个复制起点并不是同时开始复制的。

]

方法归纳

（1）DNA复制过程中若DNA双链上出现复制环则说明是双向复制。

（2）若复制环大小相同，则是同时复制，否则为不同时复制。

基因是有遗传效应的DNA片段

[问题探究]

在刑侦领域，DNA分子能够像指纹一样用来鉴定个人的身份，你能解释其中的生物学原理吗？

提示：

DNA分子具有多样性和特异性，每个人的DNA分子中脱氧核苷酸序列是不同的，且每个人的DNA分子中脱氧核苷酸序列是特定的。

1．全方位理解“基因”

（1）本质上，基因是有遗传效应的DNA片段。

（2）结构上，基因是含有特定遗传信息的脱氧核苷酸序列。

（3）功能上，基因是遗传物质的结构和功能的基本单位。

（4）位置上，基因在染色体上呈线性排列。

2．染色体、DNA、基因、脱氧核苷酸的关系

3．基因、染色体、蛋白质、性状的关系

（1）对于真核细胞来说，染色体是基因的主要载体；线粒体和叶绿体是基因的次要载体。

（2）对于原核细胞来说，基因存在于拟核中的DNA分子或质粒上，DNA是裸露的，并没有与蛋白质一起构成染色体，因此，没有染色体这一载体。

1．下列有关基因的叙述中，错误的是（　　）

A．每个基因都是DNA分子上的一个片段

B．DNA分子上的每一个片段都是基因

C．DNA分子的结构发生改变，基因的结构不一定发生改变

D．真核细胞的核基因位于染色体上，在染色体上呈线性排列

B　[每个基因都是DNA分子上的一个片段，A正确；基因是有遗传效应的DNA片段，B错误；DNA分子的非基因结构发生改变，不会引起基因结构变化，C正确；染色体是基因的载体，基因在染色体上呈线性排列，D正确。

]

2．下列有关DNA多样性的叙述，正确的是（　　）

A．DNA分子多样性的原因是DNA分子空间结构千变万化

B．含有200个碱基的DNA分子，碱基对可能的排列方式有4200种

C．DNA分子的多样性和特异性是生物多样性和特异性的基础

D．DNA分子的多样性是指一个DNA分子上有许多个基因

C　[DNA分子的多样性是指DNA分子中碱基对的排列顺序多种多样；DNA分子的多样性和特异性是生物多样性和特异性的物质基础；含有200个碱基的DNA分子中，碱基对可能的排列方式有4100种。

]

[课堂小结]

知识网络构建

核心语句归纳

1.DNA复制需要DNA模板、4种脱氧核苷酸做原料以及酶和能量。

2.DNA复制的特点是边解旋边复制和半保留复制。

3.DNA分子独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板；通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。

4.DNA通过复制，保持了遗传信息的连续性。

5.基因是具有遗传效应的DNA片段。

6.DNA分子中碱基对的排列顺序代表遗传信息。

1．下列有关探究DNA复制过程的说法不正确的是（　　）

A．实验利用了同位素示踪法

B．细胞有丝分裂一次意味着DNA复制一次

C．密度梯度超速离心后，DNA在试管中的位置与相对分子质量无关

D．实验结果说明了DNA具有半保留复制的特点

C　[探究DNA复制的实验利用15N标记亲代细胞的DNA，在含14N的培养液中连续分裂两次（在每次分裂的间期DNA都复制一次），分别取分裂一次和分裂两次的细胞DNA，进行密度梯度超速离心，DNA在试管中的位置取决于DNA分子所含同位素的情况，即相对分子质量的大小。

实验结果说明了DNA具有半保留复制的特点。

]

2．真核细胞中DNA复制如下图所示，下列叙述错误的是（　　）

A．多起点双向复制能保证DNA复制在短时间内完成

B．每个子代DNA都有一条核苷酸链来自亲代

C．复制过程中氢键的破坏和形成都需要DNA聚合酶的催化

D．DNA分子的准确复制依赖于碱基互补配对原则

C　[多起点双向复制能保证DNA复制在短时间内完成，提高复制效率，A正确。

DNA为半保留复制，每个子代DNA都有一条核苷酸链来自亲代，B正确。

DNA解旋酶破坏碱基对的氢键，使DNA双链解旋，DNA聚合酶形成磷酸二酯键，C错误。

碱基对之间严格的碱基互补配对原则，保证了遗传信息准确地从亲代DNA传向子代DNA，D正确。

]

3．沃森和克里克在发表了DNA分子双螺旋结构的论文后，又提出了DNA自我复制的假说。

下列有关假说内容的叙述不正确的是（　　）

A．DNA复制时，双螺旋将解开，互补的碱基之间的氢键断裂

B．以解开的两条单链为模板，以游离的脱氧核苷酸为原料，依据碱基互补配对原则，通过氢键结合到作为模板的单链上

C．形成的DNA分子包括一条模板单链和一条新链

D．形成的两个DNA分子是由两条母链、两条子链分别结合而成

D　[沃森和克里克提出的DNA自我复制的假说为半保留复制，即形成的DNA分子包括亲代的一条母链和一条子链。

]

4．染色体、DNA和基因三者关系密切，下列叙述中不正确的是（　　）

A．正常细胞中每条染色体含有一个DNA分子，每个DNA分子有很多个基因

B．复制、分离和传递，三者都能相伴而行

C．三者都是遗传物质，三者都能行使生物的遗传作用

D．在进行有性生殖的生物的传宗接代过程中，染色体行为决定后两者

C　[DNA是主要的遗传物质；基因是有遗传效应的DNA片段；染色体是DNA与基因的载体，而不是遗传物质。

]

5．如图为真核细胞DNA复制过程模式图，请根据图示过程回答问题。

（1）由图示得知，1个DNA分子复制出乙、丙2个DNA分子，其方式是__________________。

（2）DNA解旋酶能使双链DNA解开，但需要细胞提供________。

（3）从图中可以看出合成的两条子链的方向是________（填“相同”或“相反”）的。

（4）真核细胞中DNA复制的场所是__________等；细胞分裂过程中，在复制完成后，乙、丙分开的时期为___________。

（5）DNA分子通过复制，将__________从亲代传给了子代，从而保持了____________________的连续性。

[解析]　DNA复制的方式是半保留复制，其特点是边解旋边复制；解旋过程需要细胞提供能量；DNA的2条脱氧核苷酸链是反向平行的关系，那么以这两条链为模板合成的子链的方向也应该是相反的；真核细胞内DNA分子复制的场所有细胞核、线粒体和叶绿体等；复制后的DNA分子分别存在于两条染色单体中，染色单体分开发生的时期是有丝分裂后期和减数分裂Ⅱ后期；DNA分子复制的意义是将遗传信息从亲代传给子代，从而保持了遗传信息的连续性。

[答案]　

（1）半保留复制　

（2）能量（ATP）　（3）相反　（4）细胞核、线粒体和叶绿体　有丝分裂后期、减数分裂Ⅱ后期　（5）遗传信息　遗传信息

教材课后练习与应用

教材P56

一、概念检测

1．

（1）×　

（2）×

2．B　

C

二、拓展应用

1．提示：

31.6×108×10－9×2＝6.32（个），可能有6个碱基会发生错误。

产生的影响可能很大，也可能没有影响。

2．加速DNA分子复制的速度

教材P59

一、概念检测

1．B　

二、拓展应用

1．DNA检测。

因为DNA分子具有特异性。

2．DNA分子具有多样性和特异性，这是生物多样性和特异性的基础。

复习与提高

教材P62

一、选择题

1．C　2.A　3.A　4.D

二、非选择题

1．形成杂合双链区的部位越多，DNA碱基序列的一致性越高，说明在生物进化过程中，DNA序列的变化越小，亲缘关系越近。

2．

（1）不相同　DNA具有特异性

（2）稳定性　它们是由同一个受精卵经有丝分裂产生的体细胞构成　DNA分子具有多样性　不同生物的遗传物质不同

（3）所有生物具有共同的祖先，整个生物界是由此产生的一个多分支的物种起源，同时又在不断的进化发展着