3.3 DNA的复制-【正禾一本通】2024-2025学年高中生物必修2 遗传与进化同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019 单选）

第3节　DNA的复制 【学习目标】1.生命观念：通过DNA的复制，认同生命的延续与发展观；理解遗传信息，认同遗传的物质观。 2.科学思维：分析DNA复制过程，归纳DNA复制过程中相关数量计算，提高逻辑分析和计算能力。 3.科学探究：运用假说—演绎法，探究DNA半保留复制。 任务一　对DNA复制的推测及DNA半保留复制的实验证据 1.对DNA复制的推测 (1)半保留复制 ①提出者：沃森和克里克。 ②观点：DNA复制方式为半保留复制。 ③内容：DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂，解开的两条单链分别作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸根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。 ④结果：新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链。 (2)全保留复制：DNA复制以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。 2.DNA半保留复制的实验证据 (1)实验方法：同位素标记技术和密度梯度离心技术。 (2)实验原理：只含15N的DNA密度大，只含14N的DNA密度小，一条链含14N、一条链含15N的双链DNA密度居中。因此，利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。 (3)探究DNA的复制方式 ①提出问题：DNA以什么方式复制？ ②作出假设：DNA以半保留方式复制。 ③演绎推理(预期实验结果) 离心后应出现三条DNA带； a．重带(密度最大)：两条链都为15N标记的亲代双链DNA。 b．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。 c．轻带(密度最小)：两条链都为14N标记的子代双链DNA。 ④实验验证 实验结果 条带数量 在试管中位置 DNA含N情况 亲代 1 靠近试管底部 15N/15N－DNA 第一代 1 位置居中 15N/14N－DNA 第二代 2 一条带位置居中，一条带位置靠上 15N/14N－DNA、 14N/14N－DNA ⑤实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的。 【深挖教材·P54】 1.14N和15N 14N和15N是氮元素的两种稳定的同位素，它们的相对原子质量不同，只含15N的DNA密度大，只含14N的DNA密度小，一条链含14N、一条链含15N的双链DNA密度居中。 2.密度梯度离心技术和差速离心技术 密度梯度离心中单一样品组分的分离是借助于混合样品穿过密度梯度层的沉降或上浮进行分离；差速离心是用不同强度的离心力使具有不同质量的物质分级分离。 科学家曾提出DNA复制方式的三种假说：全保留复制、半保留复制和分散复制(复制完成后，亲代DNA双链被切成片段后，分散进入子代的每条链中)，如图所示。 (1)用什么技术区分来自模板DNA的母链与新合成的DNA子链？ 提示：同位素标记技术。 (2)如何测定子代DNA带有同位素的情况？ 提示：对DNA进行离心，观察其在离心管中的分布。 (3)若DNA复制的方式是全保留复制，请你预期实验结果并完善表格： 大肠 杆菌 DNA在离心管中的位置及比例 DNA分子所含N的类型 亲代 下部，100% 15N/15N－DNA 第一代 下部50%，上部50% 15N/15N－DNA、 14N/14N－DNA 第二代 下部25%，上部75% 15N/15N－DNA、 14N/14N－DNA (4)若DNA复制的方式是分散复制，则第一代和第二代出现条带的数量及位置如何？ 提示：第一代只出现1条中带，第二代只出现1条位于中带和轻带之间的条带。 (5)科学家的实验结果显示第一代只出现一条中带，这个结果排除了哪种复制方式？ 提示：排除了全保留的复制方式。 (6)科学家的实验结果显示第二代出现了一条中带和一条轻带，这个结果可以进一步将哪种复制方式排除掉？ 提示：排除了分散复制的方式。 1.将在含15NH4Cl的培养液中培养了若干代的某真核细胞转移到含14NH4Cl的培养液中培养，让细胞连续进行有丝分裂，并进行密度梯度离心。下列相关说法中不正确的是(　　) A.细胞经过一次分裂和离心后，DNA位于试管的中层 B.细胞经过两次分裂和离心后，一半DNA位于试管的中层，另一半DNA位于上层 C.细胞经过三次分裂和离心后，3/4的DNA位于试管的中层，1/4的DNA位于试管的上层 D.该实验可以证明DNA的复制方式是半保留复制 解析：选C。细胞经过三次分裂和离心后，有3/4的DNA位于试管的上层，1/4的DNA位于试管的中层，C错误。 2.如图表示利用大肠杆菌探究DNA复制方式的实验，下列叙述不正确的是(　　) A.通过比较试管①和②的结果可以否定DNA复制为全保留复制 B.仅比较②与③的结果不能证明DNA复制为半保留复制 C.试管③中b带的DNA的两条链均含有14N D.不能用噬菌体代替大肠杆菌进行该实验 解析：选C。比较试管①和②的结果，DNA分别为全重和全中，半保留复制和分散复制子一代DNA都是全中，所以不能证明DNA复制为半保留复制，但可以否定DNA复制为全保留复制，A正确；仅比较试管②和③的结果不能证明DNA复制是全保留复制、半保留复制或分散复制，需要与试管①相结合，B正确；试管③中b带为中带，该处的DNA分子的两条链中一条链带有14N、一条链带有15N，C错误；不能用噬菌体代替大肠杆菌进行该实验，因为噬菌体是病毒，没有独立的代谢功能，必须寄生在活细胞中才能生存，因此不能完成该实验，D正确。 3.(2024·山东济宁高一期中)为了验证DNA的半保留复制，某小组把一个只含 14N的DNA片段放到只含15N的培养液中，让其复制3次。将每次复制的产物分别置于离心管中进行离心，结果分别对应图中的a、b、c。下列叙述正确的是(　　) A.a图所示位置的条带会随着复制次数的增加而消失 B.本实验利用 15N的放射性判断DNA在离心管中的位置 C.c结果中只含15N的DNA分子占100% D.三个结果中密度为中的DNA分子的数量比为1∶1∶1 解析：选D。一个只含14N的DNA片段放到只含15N的培养液中，无论复制多少次，中带14N/15N－DNA只有2个，因此a图所示位置的条带不会随着复制次数的增加而消失，A错误；15N没有放射性，B错误；复制3次共形成8个DNA分子， 14N/15N－DNA只有2个，c结果中只含15N的DNA为6个，占3/4，C错误；由于DNA分子的复制是半保留复制，同位素标记的DNA分子(14N/14N－DNA)放到只含15N的培养液中培养，无论复制多少次，三个结果中密度为中的DNA分子(14N/15N－DNA)的数量均有2个，即密度为中的DNA分子的数量比为1∶1∶1，D正确。 任务二　DNA复制的过程 1.概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。 2.发生时期：在真核生物中，这一过程是在细胞分裂前的间期，随着染色体的复制而完成的。 3.过程 4.结果：一个DNA分子形成了两个完全相同的DNA分子。 5.特点：(1)边解旋边复制；(2)半保留复制。 6.准确复制的原因 (1)DNA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，保证了复制能够准确地进行。 7.意义：DNA通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性。 【拓展延伸】　DNA复制的起点和方向 (1)原核生物：单起点双向复制 (2)真核生物：多起点双向复制 在复制速率相同的前提下，图中DNA是从其最右边开始复制的，这种复制方式提高了DNA复制的效率。 图1、图2表示DNA的复制和结构示意图： (1)图1发生的时期和场所是什么？ 提示：有丝分裂前的间期和减数分裂前的间期，无丝分裂也有DNA复制。真核生物DNA复制的场所有细胞核、线粒体、叶绿体；原核生物DNA复制的场所主要是拟核。 (2)图1中的酶1和酶2分别是什么酶？分别作用于图2中的哪个部位？a、b、c、d四条脱氧核苷酸链中，哪些链的碱基排列顺序是相同的？ 提示：酶1是解旋酶，作用于f；酶2是DNA聚合酶，作用于e。a和c的碱基排列顺序相同，b和d的碱基排列顺序相同。 (3)从图1中是否可以看出DNA复制是半保留复制？为什么？图1所示的特点还有什么？可用什么方法检测母链和子链？ 提示：可以，因为两条母链进入两个子代DNA分子中，新形成的子代DNA分子中只有一条链是亲代的母链。图1中还能看出DNA分子是边解旋边复制。可采用同位素标记法检测母链、子链。 (4)DNA分子复制受到各种外界因素的干扰时，碱基序列会发生变化吗？ 提示：会。 1.(2024·江苏常州高一期中)下列关于真核细胞DNA复制的叙述，正确的是(　　) A.碱基互补配对原则保证了复制的准确性 B.1个DNA分子通过一次复制后产生4个DNA分子 C.DNA双螺旋结构全部解链后，才开始DNA的复制 D.DNA复制完成，染色体数目也会随之加倍 解析：选A。DNA复制时遵循碱基互补配对原则，即A与T配对，G与C配对，保证了复制的准确性，A正确；1个DNA分子通过一次复制后产生2个DNA分子，B错误；DNA复制是边解旋边复制，以解旋的部分分别为模板复制新的DNA，C错误；DNA复制完成，每条染色体含有2个DNA分子，染色体数目不变，D错误。 2.(2024·广东深圳高一检测)科学家利用荧光染料给Rep蛋白(作为DNA解旋酶的“引擎”，驱动复制叉的移动)加上了绿色荧光蛋白，从而获知其相对于DNA分子的运动轨迹，结果如图所示。下列叙述错误的是(　　) A.DNA结合蛋白可能具有防止DNA单链重新形成双链的作用 B.DNA通过半保留复制合成的两条新链的碱基序列完全相同 C.Rep蛋白驱动复制叉的移动需要ATP水解为其提供能量 D.DNA两条子链的延伸方向相同，均为从子链的5′端向3′端 解析：选B。据图可知，DNA结合蛋白分布在解旋后的DNA单链上，DNA结合蛋白可能具有防止DNA单链重新形成双链的作用，A正确；DNA分子的复制方式是半保留复制，据图可知，DNA子链的延伸方向是从5′→3′，又因DNA的两条链是反向平行的，故DNA分子通过半保留复制合成的两条新链的碱基序列应为互补的，而非完全相同，B错误，D正确；DNA复制需要ATP提供能量，Rep蛋白驱动复制叉移动需要ATP水解提供能量，C正确。 任务三　DNA复制的相关计算 将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养液中培养，复制n次，如下图： (1)当测得含有15N的DNA分子数为12.5%时，该DNA分子复制了几次？ 提示：4次。含15N的DNA分子在含14N的培养液中复制n次，则形成2n个DNA分子，其中含15N的DNA分子占2/2n，已知2/2n＝12.5%，则n＝4。 (2)DNA复制n次与第n次复制各形成多少个DNA分子？ 提示：DNA复制n次形成2n个DNA分子，第n次复制形成2n－1个DNA分子。 【方法规律】 (1)复制n次后： ①子代DNA分子数＝2n个。 ②含有亲代DNA链的子代DNA分子数＝2个。 ③不含亲代链的子代DNA分子数＝(2n－2)个。 (2)复制n次后脱氧核苷酸链数： ①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数＝2n＋1条。 ②亲代脱氧核苷酸链数＝2条。 ③新合成的脱氧核苷酸链数＝(2n＋1－2)条。 (3)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，则： ①n次复制后，需要消耗该脱氧核苷酸数为m×(2n－1)个。 ②第n次复制，消耗该脱氧核苷酸数为m×2n－1个。 1.(2024·河南洛阳高一检测)DNA是主要的遗传物质。下列关于DNA的说法，正确的是(　　) A.噬菌体侵染细菌实验证明了DNA是主要的遗传物质 B.DNA分子中一定包含两个游离的磷酸基团 C.若某双链DNA分子一条链中A＋T占30%，则该DNA分子中G占35% D.DNA分子复制时，以两条链作为模板，各自合成与母链相同的一段子链 解析：选C。在有细胞结构的生物中，DNA是遗传物质。病毒只有一种核酸，所以病毒的遗传物质是DNA或RNA。噬菌体侵染细菌实验证明了DNA是噬菌体的遗传物质，A错误。链状的DNA分子中包含两个游离的磷酸基团，若为环状DNA分子，则不含游离的磷酸基团，B错误。若某双链DNA分子一条链中A＋T占30%，根据碱基互补配对原则，另一条链的A＋T＝30%，则A＋T占整个双链DNA的30%，A＝T＝15%，不互补的任意两个碱基之和为碱基总数的一半，则该DNA分子中(G＋A)＝50%，G占35%，C正确。DNA分子复制时以两条链作为模板，各自合成与母链互补的一段子链，子代DNA中含一条母链和一条子链，D错误。 2.(2024·山西运城高一检测)某果蝇精原细胞中的1个DNA分子含有a个碱基对，其中腺嘌呤有m个，现将该DNA的两条链都用15N标记，然后将细胞置于含14N的培养液中培养，连续进行两次分裂。下列推断正确的是(　　) A.在细胞分裂时，DNA复制过程中解旋发生在两条姐妹染色单体之间 B.该DNA连续复制n次，需胞嘧啶脱氧核苷酸的数目为(2n－1)(a－m)个 C.该精原细胞两次分裂结束后含14N的子细胞可能有2个或3个或4个 D.若该精原细胞只进行减数分裂，则两次分裂后每个子细胞只有1条染色体含有15N 解析：选B。在细胞分裂时，DNA复制过程中解旋发生在两条DNA母链之间，A错误；该DNA分子含有a个碱基对，m个腺嘌呤，则G＝C＝a－m，该DNA连续复制n次，需要的胞嘧啶脱氧核苷酸数目为(2n－1)(a－m)，B正确；该精原细胞不管是经过减数分裂还是有丝分裂，产生的子细胞均含14N，C错误；若该精原细胞只进行减数分裂，则两次分裂后形成的4个子细胞中有2个细胞存在15N，且这2个细胞中都只有1条染色体含有15N，D错误。 3.(2024·陕西西安高一检测)所有磷酸基团被32P标记的某DNA分子复制过程如图所示，该DNA分子由500个碱基对组成，其中腺嘌呤占全部碱基的20%。将该DNA分子放在只含31P的培养液中让其复制，共产生100个DNA分子。下列有关叙述正确的是(　　) A.DNA的复制需要DNA聚合酶参与，该酶以解开的两条母链为模板 B.图中的DNA具有从多个起点同时开始复制、边解旋边双向复制的特点 C.所有子代DNA分子中，含32P的DNA单链与含31P的单链比例为1∶49 D.该过程至少需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸3×104个 解析：选A。DNA的复制需要解旋酶先将DNA双链解开，然后DNA聚合酶以解开的两条母链为模板，利用脱氧核苷酸为原料，催化合成DNA子链，A正确。图中复制起点是DNA开始复制的位点，图中复制起点不止一个，所以DNA可以从多个起点开始复制，可以向复制起点的两侧进行双向复制，并具有边解旋边复制的特点。但图中三个复制起点形成DNA片段的长度不同，圈(复制泡)比较大的说明复制开始的时间较早、小的开始得晚，因此DNA复制并不是多个起点同时开始复制的，B错误。DNA具有半保留复制的特点，产生的100个DNA分子共有200个DNA单链，其中有2个DNA单链来自亲代DNA分子，含有32P，另外198个新合成的DNA单链中含有31P，所以子代DNA分子中，含32P的DNA单链与含31P的单链比例为2∶198，即1∶99，C错误。该DNA分子有500个碱基对，腺嘌呤占全部碱基的20%，所以腺嘌呤共有1 000×20%＝200个，胸腺嘧啶＝腺嘌呤＝200个，鸟嘌呤＝胞嘧啶＝(1 000－200－200)/2＝300个。该DNA复制出100个DNA分子，至少需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸为300×(100－1)＝2.97×104个，D错误。 新情境命题 永生的DNA（生命观念和科学思维） 　　哺乳动物成体干细胞在进行分裂时将含有相对古老的DNA链(称之为“永生化链”)的染色体分配给一个子代细胞，使其成为新的成体干细胞，同时将含有DNA新合成链的染色体分配给另一个子代细胞，该子代细胞分化并最终衰老死亡，过程如图所示，①～⑤表示细胞。 【命题设计】 1.考查生命观念 (1)成体干细胞中的DNA以______________为原料，通过____________方式进行复制。含有永生化链的DNA与不含永生化链的DNA的分离发生在____________(填细胞分裂方式及时期)。 2.考查科学思维 (2)成体干细胞进行DNA不随机分配的分裂后，成体干细胞的数量将________(填“增加”“不变”或“减少”)。 (3)成体干细胞这种DNA不随机分配的分裂机制对生物体的意义是__________________________。 解析：(1)脱氧核苷酸是DNA的基本单位，DNA在生物体内以4种脱氧核苷酸为原料；DNA复制方式为半保留复制。成体干细胞通过有丝分裂增殖，有丝分裂后期，着丝粒分裂，含有永生化链的DNA与不含永生化链的DNA随姐妹染色单体的分开而分离。(2)由图可知，一个成体干细胞经过复制、分裂后仍得到1个成体干细胞，故在生长过程中哺乳动物体内成体干细胞的数量保持不变。(3)成体干细胞的DNA不随机分配可以减少成体干细胞积累分裂的过程中产生的基因突变，保证把正确的遗传信息传递给子代细胞，保证遗传信息的稳定性。 答案：(1)脱氧核苷酸　半保留复制　有丝分裂后期　(2)不变　(3)保证遗传信息的稳定性 课堂小结　巩固提升 【教材答疑】 问题探讨 P53 1.暗示DNA的复制可能需要先解开DNA双螺旋的两条链，然后通过碱基互补配对合成互补链。 2.科学研究需要大胆的想象，但是得出结论必须建立在确凿的证据之上。 思考·讨论 P54 1.细胞分裂一次后，方框中填15N/14N－DNA；细胞再分裂一次后，试管上部的方框中填14N/14N－DNA，试管中部的方框中填15N/14N－DNA。 2.假如全保留复制是正确的，第一代的结果：一半的细胞中DNA是15N/15N－DNA，另一半的细胞中DNA是14N/14N－DNA；第二代的结果：1/4的细胞中DNA是15N/15N－DNA，3/4的细胞中DNA是14N/14N－DNA。 P55 排除了全保留复制的方式。 [练习与应用·P56] 一、概念检测 1.(1)×　(2)×　2.B　3.C 二、拓展应用 1.可能有6个碱基发生错误。产生的影响可能很大，也可能没有影响。 2.果蝇的DNA有多个复制起点，可同时从不同起点开始DNA的复制，由此加快DNA复制的速率，为细胞分裂做好物质准备。 【体系构建】 【核心语句】 1.DNA复制发生在细胞分裂前的间期。 2.DNA复制需要DNA模板、4种脱氧核苷酸为原料以及酶和能量等。 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通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性。 学科网（北京）股份有限公司 $$