高中生物 第4章 遺傳的分子基礎 第2節(jié) DNA的結構和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、DN

2、A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標

3、記大腸桿菌的DNA。 (2)將被標記的大腸桿菌轉入以含14N物質為唯一氮源的培養(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分子質量居中，離心時應該在試管的中部。 5．實驗結果 (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)生在線粒體

5、、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(　　) A．60個 B．

6、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603＝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：子代DNA分子

7、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隨著絲點分裂姐妹染

8、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 B．DNA

9、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′，還是由3′→5′

10、？ 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第一次分裂的間期，發(fā)生DNA復制 B．DNA通過一次復制后產生4個DNA分子 C．DNA分子雙螺旋結構全部解旋后，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，有關敘述錯誤

11、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 背景材料 關

12、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彼此結合，恢復原狀，新合成的兩條子鏈彼此互補結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、老雙鏈片段又以某種方式聚集

13、成“雜種鏈”(如圖)。 [思考交流] 1．據圖分析，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帶和輕帶，其

14、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)實驗結果分析 親代的結果說明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。子二代試管

15、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 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 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＝2條。

16、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 若一親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個，則： ①經過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＝m2n－1個。 4．與染色體、細胞數目相關的計算 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)每個細胞含多條染色體

17、，每條染色體的情況是一樣的，只需分析一條染色體(減數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，再將全部復制產物置于試管內離心，進行密度分層，得到結果如圖①；然后加入解旋酶再離心，得到結果如圖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層的核苷酸數之比為1∶4 D．X層中含有的氫鍵數是Y層的3倍 [技巧點撥]　X和Y為雙鏈DNA分子，X的一條鏈為

18、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 00035%＝1 050個，G＝C＝(3 000－1 0502)/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標記的胞嘧啶是4507＝3 1

19、50個，B正確；W層與Z層的核苷酸數之比為7∶1，C錯誤；X層中含有的氫鍵數與Y層的氫鍵數比為2∶6，Y層中含有的氫鍵數是X層的3倍，D錯誤。] 　(1)圖1中X層與Y層的基因片段數比值是多少？ 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經高速離心分離，如圖①～⑤為可能的結果，下列敘述錯誤的是(　　) 【導

20、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。問該分子連續(xù)復制兩次共需游離的胸

21、腺嘧啶脫氧核苷酸的數目是(　　) 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，實質上新合成3個DNA分子，故共需T：3200＝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和被32P標記的染色體數分別是(　　) 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

22、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，根據題意可知，第一次有絲分裂的結果為每個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，復制數次后，消耗周圍環(huán)境中含A的脫氧核苷酸3 000個，該D

23、NA分子已經復制了幾次(　　) A．3次 B．4次 C．5次 D．6次 B　[利用DNA復制規(guī)律得知，經過n次復制利用腺嘌呤脫氧核苷酸數目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．復制的場所是細胞核和核糖體 C

24、　[DNA復制發(fā)生在有絲分裂間期和減數第一次分裂間期；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合成 D．產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步驟是(　　) 【導學號

25、：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構 B　[DNA精確復制的原因一方面是DNA分子獨特的雙螺旋結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標記的染色體條數可能是(　　) ①0?、??、?0?、?0?、?0?、?0 A．①③④　　 B．①②③④ C．④⑤⑥ D．①

26、③④⑥ 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分子復制3次，需要游離的胸腺嘧

27、啶脫氧核苷酸數為(　　) 【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＝23(a－m)－(a－m)＝7(a－m)。] 6．含有32P和含31P的磷酸，兩者化學性質相同，都可參與DNA分子的組成，但32P比31P質量大。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)數代后得到G0代細胞，然后將G0代細胞移到含有32P的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，經過第

28、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，經密度梯度離心后得到的結果如圖所示。由于DNA分子質量不同，因此在離心管內的分布不同。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)上述實驗結果證明DNA的復制方式是________。 DNA的自我復制能使生物的________保持相對穩(wěn)定

29、。 [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。 我國經濟發(fā)展進入新常態(tài)，需要轉變經濟發(fā)展方式，改變粗放式增長模式，不斷優(yōu)化經濟結構，實現(xiàn)經濟健康可持續(xù)發(fā)展進區(qū)域協(xié)調發(fā)展，推進新型城鎮(zhèn)化，推動城鄉(xiāng)發(fā)展一體化因：我國經濟發(fā)展還面臨區(qū)域發(fā)展不平衡、城鎮(zhèn)化水平不高、城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡不協(xié)調等現(xiàn)實挑戰(zhàn)。