高中生物 第4章 遗传的分子基础 第2节 DNA的结构和DNA的复制 第2课时 DNA分子的复制学案 苏教版必.docx

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第2课时　DNA分子的复制

学习目标

知识概览（教师用书独具）

1．阐明DNA分子的复制过程、特点。

（重点）

2．通过探究DNA复制活动，培养抽象思维能力。

（难点）

3．探讨DNA复制的生物学意义。

[自主预习·探新知]

一、DNA分子的复制过程及特点

1．DNA分子复制的含义

以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。

2．DNA分子复制的过程

（1）时期：

细胞有丝分裂间期和减数第一次分裂的间期。

（2）场所：

主要是细胞核。

（3）条件：

①模板：

DNA分子的两条链。

②原料：

游离的4种脱氧核苷酸。

③能量：

ATP。

④酶：

解旋酶、DNA聚合酶等。

（4）过程

（5）特点

①边解旋边复制；②半保留复制。

（6）准确复制的原因和意义

①原因

a．DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板；

b．通过碱基互补配对原则，保证了复制能够精确地进行。

②意义：

使遗传信息从亲代传给子代，从而确保了遗传信息传递的连续性。

二、DNA分子复制方式的证明及相关计算

1．DNA分子复制方式的证明方法

同位素示踪法。

2．DNA复制方式证明原理

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

3．证明过程

（1）用放射性同位素15N标记大肠杆菌的DNA。

（2）将被标记的大肠杆菌转入以含14N物质为唯一氮源的培养液中培养。

（3）分别取完成一次细胞分裂和两次细胞分裂的大肠杆菌，并将其中的DNA分子分离出来，进行密度梯度超速离心和分析。

4．实验结果预测：

如果DNA分子的两条链中都含有15N，那么这样的DNA分子质量大，离心时应该在试管的底部；两条链中都含有14N，那么这样的DNA分子质量小，离心时应该在试管的上部；两条链中一条含有15N，一条含有14N，那么这样的DNA分子质量居中，离心时应该在试管的中部。

5．实验结果

（1）提取亲代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→

轻带、

中带。

6．结论：

DNA复制时总是保留一条母链，新合成一条子链，这样的复制方式叫做DNA半保留复制。

[基础自测]

1．判断对错

（1）DNA分子的复制只能发生在细胞核中。

（　　）

（2）DNA分子复制时，两条脱氧核苷酸链均作为模板。

（　　）

（3）DNA分子完全解旋为两条单链，才开始进行DNA分子的复制。

（　　）

（4）脱氧核苷酸必须在DNA酶的作用下才能连接形成子链。

（　　）

（5）通过DNA分子的复制，保持了遗传信息传递的连续性。

（　　）

提示：

（1）×　DNA分子的复制主要发生在细胞核中，也可发生在线粒体、叶绿体中。

（2）√

（3）×　DNA分子复制是边解旋边复制。

（4）×　脱氧核苷酸必须在DNA聚合酶的作用下才能形成子链。

（5）√

2．DNA分子复制不需经过的过程是（　　）

【导学号：

01632135】

A．解旋　　　　B．碱基配对

C．螺旋D．着丝点分开

D　[DNA分子复制过程：

解旋→按碱基互补配对原则合成子链→母链与子链盘绕成双螺旋结构。

而着丝点分开是在DNA分子复制完成后的有丝分裂后期或减数第二次分裂后期完成的。

]

3．具有100个碱基对的1个DNA分子区段，内含40个胸腺嘧啶，如果连续复制两次，则需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数（　　）

A．60个B．80个

C．20个D．180个

D　[一个DNA分子含有的胞嘧啶脱氧核苷酸数为100－40＝60，连续复制两次，DNA分子由1个变为4个，相当于增加了3个DNA分子，所以该过程需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数60×3＝180。

]

[合作探究·攻重难]

DNA分子的复制过程及特点

背景材料

如图是DNA分子的复制过程。

[思考交流]

1．图中A、B、C分别表示什么过程？

提示：

A：

解旋；B：

合成子链；C：

形成子代DNA。

2．碱基互补配对原则是怎样的？

提示：

A与T、T与A、C与G、G与C配对。

3．子代DNA分子中是否含有亲代DNA?

提示：

子代DNA分子是由亲代DNA的一条单链和新合成的子代DNA单链共同组成的。

4．图中过程是否一定准确无误？

提示：

不一定，亲子代DNA可能出现差异。

1．不同生物的DNA分子复制的场所

2．DNA分子复制所需的酶：

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。

3．DNA分子复制后两DNA分子的位置

核DNA复制后位于两姐妹染色单体上。

4．子DNA分开的时间及去向

细胞分裂过程中，细胞核中两个子DNA随着丝点分裂姐妹染色单体分开而分开，即两个子DNA分开于有丝分裂后期或减数第二次分裂后期被平均分配到两个子细胞中。

5．DNA分子复制对DNA作为遗传物质的意义

（1）边解旋、边复制，多个起点同时进行，节省时间、效率高。

（2）新DNA分子双链为“一母一子”，因此复制更为精确，使遗传信息更加稳定。

稳定的遗传信息从亲代传递给子代，从而使生物的前后代保持了一定的连续性。

巧学好记：

巧记DNA分子复制的“一、二、三、四”

[典例通关]

下图表示DNA分子复制的过程，结合图示，下列有关叙述不正确的是（　　）

A．DNA分子复制过程中首先需要解旋酶破坏DNA双链之间的氢键，使两条链解开

B．DNA分子的复制具有双向复制的特点，生成的两条子链的方向相反

C．从图示可知，DNA分子具有多起点复制的特点，缩短了复制所需的时间

D．DNA分子的复制需要DNA聚合酶将单个脱氧核苷酸连接成DNA片段

[技巧点拨]　联系DNA复制过程结合图示一一分析，得出答案。

C　[DNA分子复制过程中的解旋酶破坏DNA双链之间的氢键，使两条链解开；DNA分子的两条链是反向平行的，两条链复制时箭头方向是相反的；图示中复制的起点只有1个，不能体现DNA分子具有多起点复制的特点；DNA聚合酶的作用底物是单个游离的脱氧核苷酸。

]

（1）由图可以看出，DNA复制时子链的合成方向是由5′→3′，还是由3′→5′？

提示：

5′→3′。

（2）DNA聚合酶、解旋酶的作用各不相同，这体现了酶的什么特性？

提示：

专一性。

[活学活用]

1．下列关于DNA分子复制的叙述，正确的是（　　）

A．在细胞有丝分裂间期和减数第一次分裂的间期，发生DNA复制

B．DNA通过一次复制后产生4个DNA分子

C．DNA分子双螺旋结构全部解旋后，才开始复制

D．单个脱氧核苷酸在解旋酶的作用下连接合成新的子链

A　[DNA通过一次复制后产生2个DNA分子；DNA分子复制时，边解旋边复制；单个脱氧核苷酸在DNA聚合酶的作用下连接合成新的子链。

]

2．如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（　　）

【导学号：

01632136】

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　[图中DNA分子的复制是从多个起点开始的，但并不是同时开始的。

图中DNA分子的复制是边解旋（需解旋酶）边双向复制的。

]

题后反思：

真核生物的DNA复制是多起点双向进行的，复制时两条子链方向相反。

DNA分子精确复制的原因有：

一是独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板，二是严格遵循碱基互补配对原则。

DNA复制方式的证明及相关计算

背景材料

关于DNA分子复制的早期推测

关于DNA分子是如何复制的，在早期的研宄中，科学家们提出了三个模型，它们是全保留复制模型（conservativemodel）、弥散复制模型（dispersivemodel）和半保留复制模型（semiconservativemodel）。

全保留复制模型：

在全保留复制模型中，母链DNA分开，分别复制形成两条子链DNA，此后两条母链DNA彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子（如图）。

弥散复制模型：

在弥散（分散）复制模型中，亲代双链被切成双链片段，而这些片段又可以作为新合成双链片段的模板，新、老双链片段又以某种方式聚集成“杂种链”（如图）。

[思考交流]

1．据图分析，如果DNA的复制是全保留复制，则1个被15N标记的DNA在含14N的培养液中复制n次，子代DNA分子中含15N和14N的比值是多少？

提示：

1∶（2n－1）。

2．据图分析，如果DNA的复制是弥散复制，则1个被15N标记的DNA在含14N的培养液中复制n次，子代DNA分子中含15N和14N的比值是多少？

提示：

1∶1。

3．据图分析，如果DNA的复制是全保留复制，则1个被15N标记的DNA在含14N的培养液中复制n次，第一代和第二代DNA离心后的密度带分别有几条？

其比值如何？

提示：

第一代DNA离心后的密度带有重带和轻带，其n比值是1∶1；第二代DNA离心后的密度带有重带和轻带，其比值是1∶3。

1．DNA半保留复制的实验分析

（1）实验预期：

离心后出现3条DNA带。

①重链带（密度最大，最靠近试管底部）：

两条链都为15N标记的亲代双链DNA（15N/15N）。

②杂合链带（密度居中，位置也居中，也称中带）：

一条链为15N标记、另一条链为14N标记的子代双链DNA（15N/14N）。

③轻链带（密度最小，离试管底部最远）：

两条链都为14N标记的子代双链DNA（14N/14N）。

（2）实验结果分析

亲代的结果说明DNA分子还没有复制；子一代试管中为杂合链带说明DNA复制了一次。

子二代试管中既有杂合链带又有轻链带，说明这时DNA分子复制了两次。

（3）结论：

DNA复制时总是保留一条母链，新合成一条子链，这样的复制方式叫做半保留复制。

2．一个DNA分子无论复制多少代，DNA原有的两条链不变，一直作为模板，分别进入两个子代DNA分子中。

3．DNA复制的相关计算

DNA的复制为半保留复制，一个DNA分子复制n次，则有：

（1）DNA分子数

①子代DNA分子＝2n个。

②含有亲代DNA链的子代DNA分子＝2个。

③不含亲代链的子代DNA分子＝（2n－2）个。

（2）脱氧核苷酸链数

①子代DNA分子中脱氧核苷酸链＝2n＋1条。

②亲代脱氧核苷酸链＝2条。

③新合成的脱氧核苷酸链＝（2n＋1－2）条。

（3）消耗的脱氧核苷酸数

若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，则：

①经过n次复制，共需消耗游离的该脱氧核苷酸＝m·（2n－1）个。

②第n次复制时，需消耗游离的该脱氧核苷酸＝m·2n－1个。

4．与染色体、细胞数目相关的计算

研究DNA分子的半保留复制时，常涉及计算后代带放射性标记的DNA、染色体或细胞所占比例的问题，此时要注意：

（1）一个DNA分子含两条DNA链，只要有一条DNA链带标记，该DNA分子便带标记。

（2）每条染色体含一个或两个DNA分子，只要有一条DNA链带标记，该染色体便带标记。

（3）每个细胞含多条染色体，每条染色体的情况是一样的，只需分析一条染色体（减数分裂时只需分析一对同源染色体）即可。

[典例通关]

某基因（14N）含有3000个碱基，腺嘌呤占35%。

若该DNA分子以15N同位素标记的游离脱氧核苷酸为原料复制3次，再将全部复制产物置于试管内离心，进行密度分层，得到结果如图①；然后加入解旋酶再离心，得到结果如图②。

则下列有关分析正确的是（　　）

A．X层中的基因只用14N标记，Y层中的基因只用15N标记

B．W层中含15N标记的胞嘧啶3150个

C．W层与Z层的核苷酸数之比为1∶4

D．X层中含有的氢键数是Y层的3倍

[技巧点拨]　X和Y为双链DNA分子，X的一条链为14N，一条链为15N，Y的两条链均为15N，Z和W为脱氧核苷酸链，Z为14N链，W为15N链。

B　[DNA分子的复制是半保留复制，复制3次后，共有8个DNA分子，其中有2个DNA分子的一条链含有14N，另一条链含15N，另外6个DNA分子只含有15N，离心后，含14N的位于X层（也含有15N），只含15N的位于Y层，A错误；一个DNA分子中含有A（腺嘌呤）＝T＝3000×35%＝1050个，G＝C＝（3000－1050×2）/2＝450，解旋酶解旋再离心后，含14N的2条链位于Z层，其他14条链含15N位于W层，相当于7个完整DNA分子量，W层中含15N标记的胞嘧啶是450×7＝3150个，B正确；W层与Z层的核苷酸数之比为7∶1，C错误；X层中含有的氢键数与Y层的氢键数比为2∶6，Y层中含有的氢键数是X层的3倍，D错误。

]

（1）图1中X层与Y层的基因片段数比值是多少？

提示：

1∶3。

（2）若某基因以15N标记，以14N同位素标记的游离脱氧核苷酸为原料，复制3次后，X与Y、Z与W的比值分别是多少？

提示：

X与Y的比值是3∶1，Z与W的比值为7∶1。

[活学活用]

1．细菌在15N培养基中繁殖数代后，使细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后再移入14N培养基中培养，抽取其子代的DNA经高速离心分离，如图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是（　　）

【导学号：

01632137】

A．第一次分裂的子代DNA应为⑤

B．第二次分裂的子代DNA应为①

C．第三次分裂的子代DNA应为③

D．亲代的DNA应为⑤

A　[亲代DNA的两条链都是15N，应对应⑤；第一次分裂产生的DNA都是一条链为15N，一条链为14N，应对应②；第二次分裂产生的DNA分子，两个一条链为15N，一条链为14N，另两个两条链都为14N，应对应①；第三次分裂产生的DNA，两个一条链为15N，一条链为14N，另六个两条链都为14N，应对应③。

]

2．某双链DNA分子中共有碱基1400个，其中一条单链上（A＋T）∶（C＋G）＝2∶5。

问该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．200个　　　B．400个

C．600个D．1200个

C　[一条单链上（A＋T）∶（C＋G）＝2∶5，则整个DNA分子中（A＋T）∶（C＋G）＝2∶5，从而求出T＝200个。

一个DNA分子连续复制2次，实质上新合成3个DNA分子，故共需T：

3×200＝600个。

]

1．若用32P标记人的“类胚胎干细胞”的DNA分子双链，再将这些细胞转入不含32P的培养液中培养，在第二次细胞分裂的中期、后期，一个细胞中的染色体总数和被32P标记的染色体数分别是（　　）

A．中期是46和46、后期是92和46

B．中期是46和46、后期是92和92

C．中期是46和23、后期是92和23

D．中期是46和23、后期是46和23

A　[“类胚胎干细胞”进行有丝分裂，根据题意可知，第一次有丝分裂的结果为每个DNA分子一条链含有32P，另一条链含有31P，所以第二次有丝分裂中期染色体总数为46条，每条染色体都有32P标记，其中每条染色体含有两条姐妹染色单体，一条染色单体DNA两条链含有31P，另一条染色单体DNA一条链含有32P，另一条链含有31P；第二次有丝分裂后期，着丝点分裂，染色单体分开，染色体总数为92，其中46条含有32P标记。

]

2．某一个DNA分子中，A为200个，复制数次后，消耗周围环境中含A的脱氧核苷酸3000个，该DNA分子已经复制了几次（　　）

A．3次B．4次

C．5次D．6次

B　[利用DNA复制规律得知，经过n次复制利用腺嘌呤脱氧核苷酸数目3000＝（2n－1）×200，得n＝4。

]

误区警示：

DNA相关计算中的“四注意”

①注意是分子还是单链。

②注意是碱基对还是碱基。

③注意标记的是亲代还是原料。

④注意是n次还是第n次。

[当堂达标·固双基]

1．下列有关DNA复制的叙述，正确的是（　　）

A．有丝分裂分裂期和减数分裂过程中进行复制

B．全部解旋之后才开始碱基配对

C．复制后每个新DNA分子含一条母链和一条子链

D．复制的场所是细胞核和核糖体

C　[DNA复制发生在有丝分裂间期和减数第一次分裂间期；DNA复制的特点之一是边解旋边复制；DNA复制方式是半保留复制，即复制后每个新DNA分子含一条母链和一条子链；复制的场所主要是细胞核，此外在线粒体和叶绿体中也能进行DNA的复制。

]

2．DNA分子的半保留复制方式使DNA（　　）

A．分子结构具有相对稳定性

B．能精确地进行自我复制，保证代与代之间的连续性

C．能够精确地指导蛋白质合成

D．产生可遗传变异的机会

B　[DNA分子的半保留复制方式使DNA能精确地进行自我复制，保证代与代之间的连续性。

]

3．在DNA复制过程中，保证复制准确无误进行的关键步骤是（　　）

【导学号：

01632138】

A．解旋酶破坏氢键并使DNA双链分开

B．游离的脱氧核苷酸与母链碱基互补配对

C．与模板链配对的游离脱氧核苷酸连接成子链

D．子链与模板链盘绕成双螺旋结构

B　[DNA精确复制的原因一方面是DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板，二是通过碱基互补配对，保证了复制能够精确地进行。

]

4．32P标记玉米体细胞（含20条染色体）的DNA分子双链，再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养，在第二次细胞分裂后的一个细胞中，被32P标记的染色体条数可能是（　　）

①0　②8　③10　④20　⑤30　⑥40

A．①③④　　B．①②③④

C．④⑤⑥D．①③④⑥

B　[在细胞分裂间期，DNA进行复制，而DNA的复制是半保留复制，由于这些细胞在不含32P的培养基中培养，复制形成的DNA一条链含有32P，另一条链不含有32P，因此在第一次分裂结束后，每一个子细胞的每条染色体中DNA的一条链含有32P，另一条链不含有32P；在第二次分裂过程中，间期DNA半保留复制，复制形成的DNA，其中一半的DNA一条链含有32P，另一条链不含有32P，另一半的DNA都不含有32P；在第二次分裂产生的子细胞中，含有32P标记的染色体最多有20条，最少为0条，选项B正确。

]

5．某DNA分子共有a个碱基对，其中含胞嘧啶m个，则该DNA分子复制3次，需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数为（　　）

【导学号：

01632139】

A．7（2a－m）B．8（a－m）

C．7（a－m）D．8（2a－m）

C　[在DNA分子中，遵循碱基互补配对原则，其中A＝T，G＝C，题中所给C＝m（个），则T＝（2a－2m）/2＝a－m（个）。

该DNA分子复制3次，需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数＝23×（a－m）－（a－m）＝7（a－m）。

]

6．含有32P和含31P的磷酸，两者化学性质相同，都可参与DNA分子的组成，但32P比31P质量大。

将某哺乳动物的细胞放在含有31P的培养基中，连续培养数代后得到G0代细胞，然后将G0代细胞移到含有32P的培养基中培养，经过第一、二次细胞分裂后，分别得到G1、G2代细胞。

再从G0、G1、G2代细胞中提取出DNA，经密度梯度离心后得到的结果如图所示。

由于DNA分子质量不同，因此在离心管内的分布不同。

若①②③分别表示轻、中、重3种DNA分子的位置，请回答下列问题：

（1）G0、G1、G2三代DNA分子离心后的试管分别是图中的：

G0________；G1________；G2________。

（2）图中①②两条带中DNA分子所含的同位素P分别是：

条带①________，条带②________。

（3）上述实验结果证明DNA的复制方式是________。

DNA的自我复制能使生物的________保持相对稳定。

[解析]　32P是31P的同位素，分子量要比31P大，32P－DNA分子最重，在试管的最下部；31P－DNA分子最轻，在试管的最上部；一条链含32P，另一条链含31P的DNA分子质量居中，位于试管的中间。

分析过程可参考下图（以1个DNA分子为例）。

[答案]　

（1）A　B　D

（2）31P　31P和32P

（3）半保留复制　遗传特性

[核心语句归纳]

1．DNA复制发生在有丝分裂间期和减数第一次分裂间期。

2．新合成的每一个DNA分子都保留了亲代DNA分子的一条链。

3．DNA分子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精确地进行。

4．DNA分子复制时是边解旋边复制。

5．DNA分子通过复制，将遗传信息传递给子代。