2018-2019高中生物 第4章 遺傳的分子基礎 第2節(jié) DNA的結(jié)構和DNA的復制 第2課時 DNA分子的復制學案 蘇教版必修2

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1、 第2課時　DNA分子的復制 學習目標 知識概覽(教師用書獨具) 1．闡明DNA分子的復制過程、特點。(重點) 2．通過探究DNA復制活動，培養(yǎng)抽象思維能力。(難點) 3．探討DNA復制的生物學意義。 [自 主 預 習·探 新 知] 一、DNA分子的復制過程及特點 1．DNA分子復制的含義 以親代DNA分子為模板合成子代DNA分子的過程。 2．DNA分子復制的過程 (1)時期：細胞有絲分裂間期和減數(shù)第一次分裂的間期。 (2)場所：主要是細胞核。 (3)條件：①模板：DNA分子的兩條鏈。 ②原料：游離的4種脫氧核苷酸。 ③能量：ATP。 ④酶：解旋酶、D

2、NA聚合酶等。 (4)過程 (5)特點 ①邊解旋邊復制；②半保留復制。 (6)準確復制的原因和意義 ①原因 a．DNA分子獨特的雙螺旋結(jié)構為復制提供了精確的模板； b．通過堿基互補配對原則，保證了復制能夠精確地進行。 ②意義：使遺傳信息從親代傳給子代，從而確保了遺傳信息傳遞的連續(xù)性。 二、DNA分子復制方式的證明及相關計算 1．DNA分子復制方式的證明方法 同位素示蹤法。 2．DNA復制方式證明原理 含15N的雙鏈DNA分子密度大，含14N的雙鏈DNA分子密度小，一條鏈含14N、一條鏈含15N的雙鏈DNA分子密度居中。 3．證明過程 (1)用放射性同位素15N

3、標記大腸桿菌的DNA。 (2)將被標記的大腸桿菌轉(zhuǎn)入以含14N物質(zhì)為唯一氮源的培養(yǎng)液中培養(yǎng)。 (3)分別取完成一次細胞分裂和兩次細胞分裂的大腸桿菌，并將其中的DNA分子分離出來，進行密度梯度超速離心和分析。 4．實驗結(jié)果預測：如果DNA分子的兩條鏈中都含有15N，那么這樣的DNA分子質(zhì)量大，離心時應該在試管的底部；兩條鏈中都含有14N，那么這樣的DNA分子質(zhì)量小，離心時應該在試管的上部；兩條鏈中一條含有15N，一條含有14N，那么這樣的DNA分子質(zhì)量居中，離心時應該在試管的中部。 5．實驗結(jié)果 (1)提取親代DNA→離心→全部重帶。 (2)繁殖一代后取出，提取DNA→離心→全部中帶

4、。 (3)繁殖兩代后取出，提取DNA→離心→輕帶、中帶。 6．結(jié)論：DNA復制時總是保留一條母鏈，新合成一條子鏈，這樣的復制方式叫做DNA半保留復制。 [基礎自測] 1．判斷對錯 (1)DNA分子的復制只能發(fā)生在細胞核中。 (　　) (2)DNA分子復制時，兩條脫氧核苷酸鏈均作為模板。 (　　) (3)DNA分子完全解旋為兩條單鏈，才開始進行DNA分子的復制。 (　　) (4)脫氧核苷酸必須在DNA酶的作用下才能連接形成子鏈。 (　　) (5)通過DNA分子的復制，保持了遺傳信息傳遞的連續(xù)性。 (　　) 提示：(1)×　DNA分子的復制主要發(fā)生在細胞核中，也可發(fā)生在線

5、粒體、葉綠體中。 (2)√ (3)×　DNA分子復制是邊解旋邊復制。 (4)×　脫氧核苷酸必須在DNA聚合酶的作用下才能形成子鏈。 (5)√ 2．DNA分子復制不需經(jīng)過的過程是(　　) 【導學號：01632135】 A．解旋　　　　 B．堿基配對 C．螺旋 D．著絲點分開 D　[DNA分子復制過程：解旋→按堿基互補配對原則合成子鏈→母鏈與子鏈盤繞成雙螺旋結(jié)構。而著絲點分開是在DNA分子復制完成后的有絲分裂后期或減數(shù)第二次分裂后期完成的。] 3．具有100個堿基對的1個DNA分子區(qū)段，內(nèi)含40個胸腺嘧啶，如果連續(xù)復制兩次，則需游離的胞嘧啶脫氧核苷酸數(shù)(　　) A．60個

6、 B．80個 C．20個 D．180個 D　[一個DNA分子含有的胞嘧啶脫氧核苷酸數(shù)為100－40＝60，連續(xù)復制兩次，DNA分子由1個變?yōu)?個，相當于增加了3個DNA分子，所以該過程需游離的胞嘧啶脫氧核苷酸數(shù)60×3＝180。] [合 作 探 究·攻 重 難] DNA分子的復制過程及特點 背景材料 如圖是DNA分子的復制過程。 [思考交流] 1．圖中A、B、C分別表示什么過程？ 提示：A：解旋；B：合成子鏈；C：形成子代DNA。 2．堿基互補配對原則是怎樣的？ 提示：A與T、T與A、C與G、G與C配對。 3．子代DNA分子中是否含有親代DNA? 提示：子

7、代DNA分子是由親代DNA的一條單鏈和新合成的子代DNA單鏈共同組成的。 4．圖中過程是否一定準確無誤？ 提示：不一定，親子代DNA可能出現(xiàn)差異。 1．不同生物的DNA分子復制的場所 2．DNA分子復制所需的酶：是指一個酶系統(tǒng)，不僅僅是指解旋酶和DNA聚合酶，還包括DNA連接酶等。 (1)解旋酶的作用是破壞堿基間的氫鍵。 (2) DNA聚合酶的作用是連接游離的脫氧核苷酸。 (3)DNA連接酶的作用是連接DNA片段。 3．DNA分子復制后兩DNA分子的位置 核DNA復制后位于兩姐妹染色單體上。 4．子DNA分開的時間及去向 細胞分裂過程中，細胞核中兩個子DNA隨著絲

8、點分裂姐妹染色單體分開而分開，即兩個子DNA分開于有絲分裂后期或減數(shù)第二次分裂后期被平均分配到兩個子細胞中。 5．DNA分子復制對DNA作為遺傳物質(zhì)的意義 (1)邊解旋、邊復制，多個起點同時進行，節(jié)省時間、效率高。 (2)新DNA分子雙鏈為“一母一子”，因此復制更為精確，使遺傳信息更加穩(wěn)定。穩(wěn)定的遺傳信息從親代傳遞給子代，從而使生物的前后代保持了一定的連續(xù)性。 巧學好記：巧記DNA分子復制的“一、二、三、四” [典例通關] 下圖表示DNA分子復制的過程，結(jié)合圖示，下列有關敘述不正確的是(　　) A．DNA分子復制過程中首先需要解旋酶破壞DNA雙鏈之間的氫鍵，使兩條鏈解開

9、 B．DNA分子的復制具有雙向復制的特點，生成的兩條子鏈的方向相反 C．從圖示可知，DNA分子具有多起點復制的特點，縮短了復制所需的時間 D．DNA分子的復制需要DNA聚合酶將單個脫氧核苷酸連接成DNA片段 [技巧點撥]　聯(lián)系DNA復制過程結(jié)合圖示一一分析，得出答案。 C　[DNA分子復制過程中的解旋酶破壞DNA雙鏈之間的氫鍵，使兩條鏈解開；DNA分子的兩條鏈是反向平行的，兩條鏈復制時箭頭方向是相反的；圖示中復制的起點只有1個，不能體現(xiàn)DNA分子具有多起點復制的特點；DNA聚合酶的作用底物是單個游離的脫氧核苷酸。] 　(1)由圖可以看出，DNA復制時子鏈的合成方向是由5′→3′，還是

10、由3′→5′？ 提示：5′→3′。 (2)DNA聚合酶、解旋酶的作用各不相同，這體現(xiàn)了酶的什么特性？ 提示：專一性。 [活學活用] 1．下列關于DNA分子復制的敘述，正確的是(　　) A．在細胞有絲分裂間期和減數(shù)第一次分裂的間期，發(fā)生DNA復制 B．DNA通過一次復制后產(chǎn)生4個DNA分子 C．DNA分子雙螺旋結(jié)構全部解旋后，才開始復制 D．單個脫氧核苷酸在解旋酶的作用下連接合成新的子鏈 A　[DNA通過一次復制后產(chǎn)生2個DNA分子；DNA分子復制時，邊解旋邊復制；單個脫氧核苷酸在DNA聚合酶的作用下連接合成新的子鏈。] 2．如圖為真核生物染色體上DNA分子復制過程示意圖，

11、有關敘述錯誤的是(　　) 【導學號：01632136】 A．圖中DNA分子復制是從多個起點同時開始的 B．圖中DNA分子復制是邊解旋邊雙向復制的 C．真核生物DNA分子復制過程需要解旋酶 D．真核生物的這種復制方式提高了復制速率 A　[圖中DNA分子的復制是從多個起點開始的，但并不是同時開始的。圖中DNA分子的復制是邊解旋(需解旋酶)邊雙向復制的。] 題后反思：真核生物的DNA復制是多起點雙向進行的，復制時兩條子鏈方向相反。DNA分子精確復制的原因有：一是獨特的雙螺旋結(jié)構，為復制提供了精確的模板，二是嚴格遵循堿基互補配對原則。 DNA復制方式的證明及相關計算 背

12、景材料 關于DNA分子復制的早期推測 關于DNA分子是如何復制的，在早期的研宄中，科學家們提出了三個模型，它們是全保留復制模型(conservative model)、彌散復制模型(dispersive model)和半保留復制模型(semiconservative model)。 全保留復制模型：在全保留復制模型中，母鏈DNA分開，分別復制形成兩條子鏈DNA，此后兩條母鏈DNA彼此結(jié)合，恢復原狀，新合成的兩條子鏈彼此互補結(jié)合形成一條新的雙鏈DNA分子(如圖)。 彌散復制模型：在彌散(分散)復制模型中，親代雙鏈被切成雙鏈片段，而這些片段又可以作為新合成雙鏈片段的模板，新、老雙鏈片段又以

13、某種方式聚集成“雜種鏈”(如圖)。 [思考交流] 1．據(jù)圖分析，如果DNA的復制是全保留復制，則1個被15N標記的DNA在含14N的培養(yǎng)液中復制n次，子代DNA分子中含15N和14N的比值是多少？ 提示：1∶(2n－1)。 2．據(jù)圖分析，如果DNA的復制是彌散復制，則1個被15N標記的DNA在含14N的培養(yǎng)液中復制n次，子代DNA分子中含15N和14N的比值是多少？ 提示：1∶1。 3．據(jù)圖分析，如果DNA的復制是全保留復制，則1個被15N標記的DNA在含14N的培養(yǎng)液中復制n次，第一代和第二代DNA離心后的密度帶分別有幾條？其比值如何？ 提示：第一代DNA離心后的密度帶有重

14、帶和輕帶，其n比值是1∶1；第二代DNA離心后的密度帶有重帶和輕帶，其比值是1∶3。 1．DNA半保留復制的實驗分析 (1)實驗預期：離心后出現(xiàn)3條DNA帶。 ①重鏈帶(密度最大，最靠近試管底部)：兩條鏈都為15N標記的親代雙鏈DNA(15N/15N)。 ②雜合鏈帶(密度居中，位置也居中，也稱中帶)：一條鏈為15N標記、另一條鏈為14N標記的子代雙鏈DNA(15N/14N)。 ③輕鏈帶(密度最小，離試管底部最遠)：兩條鏈都為14N標記的子代雙鏈DNA(14N/14N)。 (2)實驗結(jié)果分析 親代的結(jié)果說明DNA分子還沒有復制；子一代試管中為雜合鏈帶說明DNA復制了一次

15、。子二代試管中既有雜合鏈帶又有輕鏈帶，說明這時DNA分子復制了兩次。 (3)結(jié)論：DNA復制時總是保留一條母鏈，新合成一條子鏈，這樣的復制方式叫做半保留復制。 2．一個DNA分子無論復制多少代，DNA原有的兩條鏈不變，一直作為模板，分別進入兩個子代DNA分子中。 3．DNA復制的相關計算 DNA的復制為半保留復制，一個DNA分子復制n次，則有： (1)DNA分子數(shù) ①子代DNA分子＝2n個。 ②含有親代DNA鏈的子代DNA分子＝2個。 ③不含親代鏈的子代DNA分子＝(2n－2)個。 (2)脫氧核苷酸鏈數(shù) ①子代DNA分子中脫氧核苷酸鏈＝2n＋1條。 ②親代脫氧核苷酸鏈

16、＝2條。 ③新合成的脫氧核苷酸鏈＝(2n＋1－2)條。 (3)消耗的脫氧核苷酸數(shù) 若一親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個，則： ①經(jīng)過n次復制，共需消耗游離的該脫氧核苷酸＝m·(2n－1)個。 ②第n次復制時，需消耗游離的該脫氧核苷酸＝m·2n－1個。 4．與染色體、細胞數(shù)目相關的計算 研究DNA分子的半保留復制時，常涉及計算后代帶放射性標記的DNA、染色體或細胞所占比例的問題，此時要注意： (1)一個DNA分子含兩條DNA鏈，只要有一條DNA鏈帶標記，該DNA分子便帶標記。 (2)每條染色體含一個或兩個DNA分子，只要有一條DNA鏈帶標記，該染色體便帶標記。 (3)每個

17、細胞含多條染色體，每條染色體的情況是一樣的，只需分析一條染色體(減數(shù)分裂時只需分析一對同源染色體)即可。 [典例通關] 某基因(14N)含有3 000個堿基，腺嘌呤占35%。若該DNA分子以15N同位素標記的游離脫氧核苷酸為原料復制3次，再將全部復制產(chǎn)物置于試管內(nèi)離心，進行密度分層，得到結(jié)果如圖①；然后加入解旋酶再離心，得到結(jié)果如圖②。則下列有關分析正確的是(　　) A．X層中的基因只用14N標記，Y層中的基因只用15N標記 B．W層中含15N標記的胞嘧啶3 150個 C．W層與Z層的核苷酸數(shù)之比為1∶4 D．X層中含有的氫鍵數(shù)是Y層的3倍 [技巧點撥]　X和Y為雙鏈DNA分

18、子，X的一條鏈為14N，一條鏈為15N，Y的兩條鏈均為15N，Z和W為脫氧核苷酸鏈，Z為14N鏈，W為15N鏈。 B　[DNA分子的復制是半保留復制，復制3次后，共有8個DNA分子，其中有2個DNA分子的一條鏈含有14N，另一條鏈含15N，另外6個DNA分子只含有15N，離心后，含14N的位于X層(也含有15N)，只含15N的位于Y層，A錯誤；一個DNA分子中含有A(腺嘌呤)＝T＝3 000×35%＝1 050個，G＝C＝(3 000－1 050×2)/2＝450，解旋酶解旋再離心后，含14N的2條鏈位于Z層，其他14條鏈含15N位于W層，相當于7個完整DNA分子量，W層中含15N標記的胞嘧

19、啶是450×7＝3 150個，B正確；W層與Z層的核苷酸數(shù)之比為7∶1，C錯誤；X層中含有的氫鍵數(shù)與Y層的氫鍵數(shù)比為2∶6，Y層中含有的氫鍵數(shù)是X層的3倍，D錯誤。] 　(1)圖1中X層與Y層的基因片段數(shù)比值是多少？ 提示：1∶3。 (2)若某基因以15N標記，以14N同位素標記的游離脫氧核苷酸為原料，復制3次后，X與Y、Z與W的比值分別是多少？ 提示：X與Y的比值是3∶1，Z與W的比值為7∶1。 [活學活用] 1．細菌在15N培養(yǎng)基中繁殖數(shù)代后，使細菌DNA的含氮堿基皆含有15N，然后再移入14N培養(yǎng)基中培養(yǎng)，抽取其子代的DNA經(jīng)高速離心分離，如圖①～⑤為可能的結(jié)果，下列敘述錯誤

20、的是(　　) 【導學號：01632137】 A．第一次分裂的子代DNA應為⑤ B．第二次分裂的子代DNA應為① C．第三次分裂的子代DNA應為③ D．親代的DNA應為⑤ A　[親代DNA的兩條鏈都是15N，應對應⑤；第一次分裂產(chǎn)生的DNA都是一條鏈為15N，一條鏈為14N，應對應②；第二次分裂產(chǎn)生的DNA分子，兩個一條鏈為15N，一條鏈為14N，另兩個兩條鏈都為14N，應對應①；第三次分裂產(chǎn)生的DNA，兩個一條鏈為15N，一條鏈為14N，另六個兩條鏈都為14N，應對應③。] 2．某雙鏈DNA分子中共有堿基1 400個，其中一條單鏈上(A＋T)∶(C＋G)＝2∶5。問該分子連

21、續(xù)復制兩次共需游離的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的數(shù)目是(　　) A．200個　　　 B．400個 C．600個 D．1 200個 C　[一條單鏈上(A＋T)∶(C＋G)＝2∶5，則整個DNA分子中(A＋T)∶(C＋G)＝2∶5，從而求出T＝200個。一個DNA分子連續(xù)復制2次，實質(zhì)上新合成3個DNA分子，故共需T：3×200＝600個。] 1．若用32P標記人的“類胚胎干細胞”的DNA分子雙鏈，再將這些細胞轉(zhuǎn)入不含32P的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，在第二次細胞分裂的中期、后期，一個細胞中的染色體總數(shù)和被32P標記的染色體數(shù)分別是(　　) A．中期是46和46、后期是92和46 B．中期是46和4

22、6、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　[“類胚胎干細胞”進行有絲分裂，根據(jù)題意可知，第一次有絲分裂的結(jié)果為每個DNA分子一條鏈含有32P，另一條鏈含有31P，所以第二次有絲分裂中期染色體總數(shù)為46條，每條染色體都有32P標記，其中每條染色體含有兩條姐妹染色單體，一條染色單體DNA兩條鏈含有31P，另一條染色單體DNA一條鏈含有32P，另一條鏈含有31P；第二次有絲分裂后期，著絲點分裂，染色單體分開，染色體總數(shù)為92，其中46條含有32P標記。] 2．某一個DNA分子中，A為200個，復制數(shù)次后，消耗周圍環(huán)境中含A的脫氧

23、核苷酸3 000個，該DNA分子已經(jīng)復制了幾次(　　) A．3次 B．4次 C．5次 D．6次 B　[利用DNA復制規(guī)律得知，經(jīng)過n次復制利用腺嘌呤脫氧核苷酸數(shù)目3 000＝(2n－1)×200，得n＝4。] 誤區(qū)警示：DNA相關計算中的“四注意” ①注意是分子還是單鏈。 ②注意是堿基對還是堿基。 ③注意標記的是親代還是原料。 ④注意是n次還是第n次。 [當 堂 達 標·固 雙 基] 1．下列有關DNA復制的敘述，正確的是(　　) A．有絲分裂分裂期和減數(shù)分裂過程中進行復制 B．全部解旋之后才開始堿基配對 C．復制后每個新DNA分子含一條母鏈和一條子鏈 D．復制

24、的場所是細胞核和核糖體 C　[DNA復制發(fā)生在有絲分裂間期和減數(shù)第一次分裂間期；DNA復制的特點之一是邊解旋邊復制；DNA復制方式是半保留復制，即復制后每個新DNA分子含一條母鏈和一條子鏈；復制的場所主要是細胞核，此外在線粒體和葉綠體中也能進行DNA的復制。] 2．DNA分子的半保留復制方式使DNA(　　) A．分子結(jié)構具有相對穩(wěn)定性 B．能精確地進行自我復制，保證代與代之間的連續(xù)性 C．能夠精確地指導蛋白質(zhì)合成 D．產(chǎn)生可遺傳變異的機會 B　[DNA分子的半保留復制方式使DNA能精確地進行自我復制，保證代與代之間的連續(xù)性。] 3．在DNA復制過程中，保證復制準確無誤進行的關鍵

25、步驟是(　　) 【導學號：01632138】 A．解旋酶破壞氫鍵并使DNA雙鏈分開 B．游離的脫氧核苷酸與母鏈堿基互補配對 C．與模板鏈配對的游離脫氧核苷酸連接成子鏈 D．子鏈與模板鏈盤繞成雙螺旋結(jié)構 B　[DNA精確復制的原因一方面是DNA分子獨特的雙螺旋結(jié)構為復制提供了精確的模板，二是通過堿基互補配對，保證了復制能夠精確地進行。] 4．32P標記玉米體細胞(含20條染色體)的DNA分子雙鏈，再將這些細胞轉(zhuǎn)入不含32P的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，在第二次細胞分裂后的一個細胞中，被32P標記的染色體條數(shù)可能是(　　) ①0?、??、?0?、?0　⑤30?、?0 A．①③④　　 B．①②

26、③④ C．④⑤⑥ D．①③④⑥ B　[在細胞分裂間期，DNA進行復制，而DNA的復制是半保留復制，由于這些細胞在不含32P的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，復制形成的DNA一條鏈含有32P，另一條鏈不含有32P，因此在第一次分裂結(jié)束后，每一個子細胞的每條染色體中DNA的一條鏈含有32P，另一條鏈不含有32P；在第二次分裂過程中，間期DNA半保留復制，復制形成的DNA，其中一半的DNA一條鏈含有32P，另一條鏈不含有32P，另一半的DNA都不含有32P；在第二次分裂產(chǎn)生的子細胞中，含有32P標記的染色體最多有20條，最少為0條，選項B正確。] 5．某DNA分子共有a個堿基對，其中含胞嘧啶m個，則該DNA分

27、子復制3次，需要游離的胸腺嘧啶脫氧核苷酸數(shù)為(　　) 【導學號：01632139】 A．7(2a－m) B．8(a－m) C．7(a－m) D．8(2a－m) C　[在DNA分子中，遵循堿基互補配對原則，其中A＝T，G＝C，題中所給C＝m(個)，則T＝(2a－2m)/2＝a－m(個)。該DNA分子復制3次，需要游離的胸腺嘧啶脫氧核苷酸數(shù)＝23×(a－m)－(a－m)＝7(a－m)。] 6．含有32P和含31P的磷酸，兩者化學性質(zhì)相同，都可參與DNA分子的組成，但32P比31P質(zhì)量大。將某哺乳動物的細胞放在含有31P的培養(yǎng)基中，連續(xù)培養(yǎng)數(shù)代后得到G0代細胞，然后將G0代細胞移到含

28、有32P的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，經(jīng)過第一、二次細胞分裂后，分別得到G1、G2代細胞。再從G0、G1、G2代細胞中提取出DNA，經(jīng)密度梯度離心后得到的結(jié)果如圖所示。由于DNA分子質(zhì)量不同，因此在離心管內(nèi)的分布不同。若①②③分別表示輕、中、重3種DNA分子的位置，請回答下列問題： (1)G0、G1、G2三代DNA分子離心后的試管分別是圖中的：G0________；G1________；G2________。 (2)圖中①②兩條帶中DNA分子所含的同位素P分別是：條帶①________，條帶②________。 (3)上述實驗結(jié)果證明DNA的復制方式是________。 DNA的自我復制能使生物

29、的________保持相對穩(wěn)定。 [解析]　32P是31P的同位素，分子量要比31P大，32P－DNA分子最重，在試管的最下部；31P－DNA分子最輕，在試管的最上部；一條鏈含32P，另一條鏈含31P的DNA分子質(zhì)量居中，位于試管的中間。分析過程可參考下圖(以1個DNA分子為例)。 [答案]　(1)A　B　D (2)31P　31P和32P (3)半保留復制　遺傳特性 [核心語句歸納] 1．DNA復制發(fā)生在有絲分裂間期和減數(shù)第一次分裂間期。 2．新合成的每一個DNA分子都保留了親代DNA分子的一條鏈。 3．DNA分子的雙螺旋結(jié)構為復制提供了精確的模板，通過堿基互補配對保證了復制能夠精確地進行。 4．DNA分子復制時是邊解旋邊復制。 5．DNA分子通過復制，將遺傳信息傳遞給子代。 12