高一下学期苏教版（2019）生物必修2第2章第2节　DNA分子的复制

第 2 课时 DNA 分子的复制 课标内容要求 核心素养对接 概述DNA分子通过 半保留方式进行复 制。 1．生命观念：准确说出 DNA 复制的过程和特点，明确 DNA 在前后代可以保持连续性；同时说明基因和 DNA 在结构和 功能上的关系。 2．科学思维：根据碱基互补配对原则进行 DNA 复制的相 关计算；并通过分类和比较及分析和综合，说出基因和 DNA、染色体、脱氧核苷酸、性状等的关系。 3．科学探究：分析探究 DNA 复制的实验方法、过程和结 论。 一、对 DNA 分子复制的推测与验证 1．DNA 分子的复制 以亲代 DNA 分子为模板合成子代 DNA 分子的过程。 2．推测 (1)有人提出“全保留复制模型”，即亲代的双螺旋形态结构完全不变，其 子代只是全新的复制品； (2)也有人提出“分散复制模型”，即亲代的 DNA 会分散进入子代复制品的 每条链中，亲代和子代的 DNA 都是旧 DNA 和新 DNA 的混合体； (3)还有些人提出“半保留复制模型”，即以亲代 DNA 的每条链为模板合成 一条互补链，再与互补链组成子代 DNA。 3．证明 DNA 分子半保留复制的实验 (1)科学家：米西尔森和斯塔尔。 (2)实验材料：大肠杆菌。 (3)实验方法：运用同位素标记技术和密度梯度离心技术。 (4)实验过程 (5)结果分析 ①离心处理后，子一代 DNA 分子为杂合链带(含 14N 和 15N)，原因在于新合 成的每个 DNA 分子中，都含有原来 DNA 分子中的一条链(15N)和以该链为模板 新合成的一条互补链(14N)。 ②子二代 DNA 分子应该为1 2 轻链带(含 14N)和1 2 杂合链带(含 14N 和 15N)。 二、DNA 分子的半保留复制 1．概念：在新合成的每个 DNA 分子中，都保留了原来 DNA 分子中的一条 链，因此，这种复制方式被称为 DNA 半保留复制。 2．场所：主要在细胞核。 3．条件：(1)模板：DNA 分子的两条脱氧核苷酸链。 (2)原料：细胞中四种脱氧核苷酸。 (3)能量和酶等。 4．过程 5．特点 (1)过程：边解旋边复制。 (2)方式：半保留复制。 6．结果：一个 DNA 分子形成两个完全相同的 DNA 分子。 7．精确复制的原因：在 DNA 半保留复制中，双螺旋结构为复制提供了模 板，碱基互补配对原则保证了复制的精确进行。 8．意义：正是 DNA 分子的半保留复制，确保了遗传信息代代传递的连续 性。 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。 ( ) [答案] 1．× 提示：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．× 提示：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．× 提示：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．√ DNA 分子的复制 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 分子复制的基本条件 (1)模板：解旋的 DNA 分子的两条单链； (2)原料：细胞中游离的 4 种脱氧核苷酸； (3)能量：主要通过水解 ATP 提供； (4)酶：DNA 聚合酶(形成磷酸二酯键)、解旋酶(打开氢键)等。 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第二次分裂 后期着丝粒分裂时分开，分别进入两个子细胞中。 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” 应用实践：1．如图为真核细胞 DNA 复制过程的模式图，据图回答相关问 题： (1)据图可知，DNA 聚合酶使两条子链从 5′端到 3′端，还是从 3′端到 5′ 端进行合成？ 提示：从 5′端到 3′端进行。 (2)合成的两条子链间碱基排列顺序相同还是互补？ 提示：互补。 2．这个小机器是 DNA 复印机，也叫做 PCR 仪，在体外完成 DNA 复制， 使 DNA 片段在数量上呈指数增加，可以在短时间内获得大量的特定基因片段。 DNA 复印机完成 DNA 复制需要加入哪些物质？(科学思维) 提示：模板 DNA、引物、4 种脱氧核苷酸、DNA 聚合酶等。 1．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。] DNA 复制的三个易错点 (1)DNA 复制的场所并非只在细胞核中，线粒体、叶绿体中也能进行 DNA 复制。 (2)并非所有细胞都进行 DNA 复制，只有分裂的细胞才能进行 DNA 复制。 (3)DNA 复制并非单向进行，而是双向多起点复制，且各个复制起点并不是 同时开始的。 2．在 DNA 复制开始时，将大肠杆菌放在含低剂量 3H 标记的脱氧胸苷 (3H—dT)的培养基中，3H—dT 可掺入正在复制的 DNA 分子中，使其带有放射 性标记。几分钟后，将大肠杆菌转移到含高剂量 3H—dT 的培养基中培养一段时 间。收集、裂解细胞，抽取其中的 DNA 进行放射性自显影检测，结果如图所示。 据图可以作出的推测是( ) A．复制起始区在高放射性区域 B．DNA 复制为半保留复制 C．DNA 复制从起始点向两个方向延伸 D．DNA 复制的方向为 a→c C [根据放射性自显影结果可知，中间低放射性区域是复制开始时在含低 剂量 3H 标记的脱氧胸苷(3H—dT)的培养基中进行复制的结果，A 错误；两侧高 放射性区域是将大肠杆菌转移到含高剂量 3H—dT 的培养基中进行复制的结果， 可判断 DNA 复制从起始点(中间)向两个方向延伸，C 正确、D 错误；该实验不 能证明 DNA 复制为半保留复制，B 错误。] 与 DNA 复制有关的计算 1．用“图解法”分析 DNA 复制的相关计算 (1)将含有 15N 的 DNA 分子放在含有 14N 的培养基上培养，复制 n 次，则： ①子代 DNA 共 2n 个 含 15N 的 DNA 分子：2 个 只含 15N 的 DNA 分子：0 个 含 14N 的 DNA 分子：2n 个 只含 14N 的 DNA 分子：2n－2个 ②脱氧核苷酸链共 2n＋1 条：含 15N 的脱氧核苷酸链 2 条；含 14N 的脱氧核苷 酸链(2n＋1－2)条。 (2)DNA 复制中消耗的脱氧核苷酸数 若亲代 DNA 分子含有某种脱氧核苷酸 m 个， ①经过 n 次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为 m·(2n－1)个。 ②第 n 次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为 m·(2n－1)－m·(2n－1－1)＝m·2n －1 个。 2．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。 合作探究：亲代大肠杆菌的 DNA 中含有 15N，在含有 14N 的培养基中进行 复制。 (1)大肠杆菌通过哪一种分裂方式进行增殖？其分裂次数和 DNA 复制次数 有何关系？ 提示：二分裂；大肠杆菌分裂一次，DNA 复制一次。 (2)复制 2 次后，含 15N 的 DNA、含 14N 的 DNA、含 15N 的 DNA 链、含 14N 的 DNA 链各是多少？ 提示：2 个、4 个、2 条、6 条。 (3)若将第三代大肠杆菌的 DNA 提取后进行离心，则靠近试管底部、位置居 中和靠近试管的上部的 DNA 数之比为多少？ 提示：0∶2∶6。 1．某基因(14N)含有 3 000 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 3 150 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 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，另一条链含有 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＝3 000×35%＝1 050(个)，G＝C ＝(3 000－1 050×2)/2＝450(个)，解旋酶解旋再离心后，含 14N 的 2 条链位于 Z 层，含 15N 的 14 条链位于 W 层，相当于 7 个完整 DNA 分子的量，故 W 层中 含 15N 标记的胞嘧啶是 450×7＝3 150(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，即 Y 层中 含有的氢键数是 X 层的 3 倍，D 错误。] 2．若将胡萝卜细胞置于含 3H 标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养液中，培养 至第二次分裂中期。下列叙述正确的是( ) A．每条染色体中的两条染色单体均含 3H B．每个 DNA 分子的两条脱氧核苷酸链均含 3H C．每个 DNA 分子中均只有一条脱氧核苷酸链含 3H D．每条染色单体均只有一个 DNA 分子的两条脱氧核苷酸链含 3H A [DNA 的复制方式是半保留复制，将胡萝卜细胞置于含 3H 标记的胸腺 嘧啶脱氧核苷酸培养液中，第二次分裂 DNA 复制后，会出现有一条链被 3H 标 记的双链 DNA 和双链都被 3H 标记的双链 DNA，这种情况下，一个双链 DNA 参与构成一条染色单体，故每条染色单体都含有 3H 标记，A 项正确；第二次分 裂中期，既会出现两条脱氧核苷酸链均含 3H 的 DNA 分子，也会出现只有一条 脱氧核苷酸链含 3H 的 DNA 分子，B 项、C 项、D 项均错误。] [课堂小结] 知 识 网 络 构 建 核 心 语 句 背 诵 1．在新合成的每个 DNA 分子中， 都保留了原来 DNA 分子中的一条 链，因此，这种复制方式被称为 DNA 分子半保留复制。 2.DNA 复制需要以 DNA 分子的两 条脱氧核苷酸链为模板、4 种脱氧核 苷酸做原料以及酶和能量的参与。 3.DNA 复制的特点是边解旋边复制 和半保留复制。 4.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。 5.DNA 通过半保留复制，保持了遗 传信息代代传递的连续性。 1．(多选)下列有关探究 DNA 复制过程的说法，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 ABD [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．如图表示细胞核内某生理过程，其中 a、b、c、d 表示脱氧核苷酸链。 以下说法正确的是( ) A．此过程需要能量和尿嘧啶脱氧核苷酸 B．真核细胞中此过程发生的唯一场所是细胞核 C．正常情况下，a、d 链都应该到不同的细胞中去 D．b 链中(A＋G)/(T＋C)的值一定与 c 链中的相同 C [DNA 分子中不存在尿嘧啶脱氧核苷酸，A 项错误；真核生物细胞中， DNA 复制可以发生在细胞核、线粒体和叶绿体中，B 项错误；a、d 两条链分布 到两个 DNA 分子中，DNA 分子经过复制后平均分配给两个子细胞，因此正常 情况下 a、d 链应该到不同的细胞中去，C 项正确；由题图可知 b 链中(A＋G)/(T ＋C)的值与 c 链中的不相同，互为倒数，D 项错误。] 3．某一个 DNA 分子中，A 为 200 个，复制 n 次后，消耗周围环境中含 A 的脱氧核苷酸 3 000 个，则该 DNA 分子已经复制了几次( ) A．4 次 B．3 次 C．5 次 D．6 次 A [利用 DNA 复制规律可知，经过 n 次复制利用腺嘌呤脱氧核苷酸数目为 3 000＝(2n－1)·200，得 n＝4。] 4．DNA 分子能够自我复制的结构基础是( ) A．DNA 具有独特的双螺旋结构 B．配对的脱氧核苷酸之间连接成与母链互补的子链 C．磷酸和脱氧核苷酸交替排列的顺序稳定不变 D．DNA 分子具有多样性和特异性 A [DNA 独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板，而碱基互补配对原 则保证了复制能准确无误地进行。] 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下列问题： (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_________。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。 (3)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______________。 (4)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] (1)DNA 复制的方式是半保留复制，其特点是边解旋边复制。(2) 解 旋过程需要细胞提供能量；DNA 的两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。(3)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为有丝分裂后期和减数第二次分裂后 期。(4)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) 相反 (3)细胞核、线粒体和叶绿体 有丝分裂后期、减数第二次分裂后期 (4)遗传信息 遗传信息