第3章 第3节 DNA的复制（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物学必修第二册（人教版2024）

第3节　DNA的复制 [课标要求]1.概述DNA分子的半保留复制(生命观念)。2.通过分析DNA半保留复制的实验证据，阐明运用假说—演绎法进行科学探究的基本思路(科学思维)。 知识点1　对DNA分子复制的推测及实验证据 1．对DNA复制的推测 (1)假说：__半保留__复制方法。 (2)提出者：__沃森__和__克里克__。 2．内容 (1)解旋：DNA分子复制时，DNA分子的__双螺旋__解开，互补的碱基之间的__氢键__断裂。 (2)复制：以__解开的两条单链__作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸依据__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。 (3)特点：新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的__一条链__。 3．DNA半保留复制的实验证据 (1)实验方法：__同位素标记__技术和离心技术。 (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__。 (3)实验假设：DNA分子以__半保留__的方式复制。 (4)实验结果预期：离心后应出现__三__条DNA带。 ①重带(密度最大)：两条链都为15N标记的亲代双链DNA。 ②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。 ③轻带(密度最小)：两条链都为14N标记的子代双链DNA。 (5)实验过程 (6)实验结果：①立即取出，提取DNA→离心→__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→1/2轻带、1/2中带。 (7)实验结论：DNA的复制是以__半保留__的方式进行的。 知识点2　DNA分子的复制 1．概念 以__亲代DNA__为模板合成__子代DNA__的过程。 2．时间(真核生物中) 细胞有丝分裂前的__间期__，减数分裂前的__间期__。 3．过程 解旋　 子合成链 子代DNA：每条新链与其对应的模板链盘绕成__双螺旋结构__形成 4．结果 形成两个与__亲代DNA分子__完全相同的子代DNA分子。 5．条件 模板、原料、__能量__、__酶__。 6．意义 将__遗传信息__从亲代细胞传给子代细胞，从而保持了__遗传信息__的连续性。 7．特点 (1)__边解旋边复制__；(2)__半保留复制__。 8．准确复制的原因 (1)DNA分子独特的__双螺旋结构__，为复制提供了精确的模板。 (2)通过__碱基互补配对原则__，保证了复制能够准确地进行。 思考：若DNA分子在复制过程中出现了差错，则会产生什么影响？ 提示　产生的子代DNA与亲代DNA出现结构上的差异，可能会引起性状上的变异。 (教材P55“旁栏思考”)第一代只出现一条居中的DNA条带，这个结果排除了哪种复制方式？ 提示　全保留复制 探究点1　DNA分子的复制 项目 内容 概念 以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程 复制时间 有丝分裂前的间期和减数分裂前的间期 复制场所 细胞核(主要)、线粒体和叶绿体 所需条件 模板 解旋后的两条DNA单链 原料 四种脱氧核苷酸 能量 ATP 酶 解旋酶、DNA聚合酶等 复制过程 (1)解旋：在解旋酶的作用下，两条螺旋的双链解开； (2)合成子链：以解开的每一条母链为模板，以游离的四种脱氧核苷酸为原料，遵循碱基互补配对原则，在有关酶的作用下，各自合成与母链互补的子链； (3)形成子代DNA：每条子链与其对应的母链盘旋成双螺旋结构，从而形成2个与亲代DNA完全相同的子代DNA分子 复制特点 半保留复制；边解旋边复制 复制结果 形成两个完全相同的DNA分子 准确复制 的原因 (1)DNA分子独特的双螺旋结构，为复制提供精确模板； (2)碱基互补配对原则保证复制过程准确无误地进行 【例1】 (2023·山东)将一个双链DNA分子的一端固定于载玻片上，置于含有荧光标记的脱氧核苷酸的体系中进行复制。甲、乙和丙分别为复制过程中3个时间点的图像，①和②表示新合成的单链，①的5端指向解旋方向，丙为复制结束时的图像。该DNA复制过程中可观察到单链延伸暂停现象，但延伸进行时2条链延伸速率相等。已知复制过程中严格遵守碱基互补配对原则，下列说法错误的是(　　) A．据图分析，①和②延伸时均存在暂停现象 B．甲时①中A、T之和与②中A、T之和可能相等 C．丙时①中A、T之和与②中A、T之和一定相等 D．②延伸方向为5端至3端，其模板链3端指向解旋方向 答案　D 解析　依据题图分析，图甲时新合成的单链①比②短，图乙时①比②长，因此可以说明①和②延伸时均存在暂停现象，A项正确；①和②两条链中碱基是互补的，图甲时新合成的单链①比②短，但②中多出的部分可能不含有A、T，因此①中A、T之和与②中A、T之和可能相等，B项正确；①和②两条链中碱基是互补的，丙为复制结束时的图像，新合成的单链①与②等长，故图丙时①中A、T之和与②中A、T之和一定相等，C项正确；①和②两条单链由一个双链DNA分子复制而来，其中一条母链合成子链时①的5端指向解旋方向，那么另一条母链合成子链时②的延伸方向为5端至3端，其模板链5端指向解旋方向，D项错误。 DNA的复制应注意以下4点 (1)DNA复制的主要场所是细胞核，其他如真核细胞的线粒体、叶绿体及原核细胞的拟核等也含有DNA，也进行DNA的复制。 (2)解旋酶：使DNA氢键断裂，双螺旋解开。DNA聚合酶：将游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸长链。 (3)外部条件对DNA复制的影响：在DNA复制过程中，需要酶的催化和ATP供能。因此影响酶活性的因素和影响细胞呼吸的因素，都会影响DNA的复制。 (4)DNA复制的精确性并不意味着毫无差错，极个别的错误若保留下来，会导致生物的变异。 【例2】 大肠杆菌在含有3H－脱氧核苷培养液中培养，3H－脱氧核苷掺入到新合成的DNA链中，经特殊方法显色，可观察到双链都掺入3H－脱氧核苷的DNA区段显深色，仅单链掺入的显浅色，未掺入的不显色。掺入培养中，大肠杆菌拟核DNA第2次复制时，局部示意图如图。DNA双链区段①②③对应的显色情况可能是(　　) A．深色、浅色、浅色 B．浅色、浅色、深色 C．浅色、深色、深色 D．深色、浅色、深色 答案　B 解析　DNA的复制方式为半保留复制，大肠杆菌在含有3H－脱氧核苷培养液中培养，核DNA第1次复制后产生的子代DNA的两条链一条被3H标记，另一条未被标记，如图所示，大肠杆菌拟核DNA第2次复制时，以两条链中一条被3H标记，另一条未被标记的DNA分子为模板，故DNA双链区段①为浅色，区域②③中两条子链均含有3H，其中一条模板链含有3H，一条模板链不含3H，故区域②③分别呈现浅色、深色(或深色、浅色)，B符合题意。 探究点2　DNA分子半保留复制的有关计算 假设将一个全部被15N标记的DNA分子(0代)转移到含 14N的培养基中培养n代，过程如图所示。则： 1．DNA分子数 (1)子代DNA分子＝2n个。 (2)含15N的DNA分子＝2个。 (3)含14N的DNA分子＝2n个。 (4)只含15N的DNA分子＝0个。 (5)只含14N的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)含15N的脱氧核苷酸链＝2条。 (3)含14N的脱氧核苷酸链＝(2n＋1－2)条。 3．复制消耗的脱氧核苷酸数 设亲代DNA分子中含有某种脱氧核苷酸m个，则： (1)经过n次复制共需要消耗游离的该种脱氧核苷酸m·(2n－1)个。 (2)第n次复制时，共需要消耗游离的该种脱氧核苷酸 m·2n－1个。 【例3】 下列关于DNA分子结构与复制的叙述，正确的是(　　) ①含有m个腺嘌呤的DNA分子第n次复制需要腺嘌呤脱氧核苷酸2n－1·m个　②在一个双链DNA分子中，G＋C占碱基总数的M%，那么该DNA分子的每条链中G＋C都占该链碱基总数的M%　③细胞内全部DNA被32P标记后，在不含32P的环境中进行连续有丝分裂，第2次分裂的每个子细胞染色体均有一半有标记　④1个DNA双链被32P标记后，复制n次，子代 DNA中有标记的占1/2n A．①② B．②③ C．③④ D．②④ 答案　A 解析　①含有m个腺嘌呤的DNA分子第n次复制，需要2n－1个DNA分子进行复制，每个DNA分子需要m个腺嘌呤脱氧核苷酸，那么2n－1个DNA分子就需要2n－1·m个腺嘌呤脱氧核苷酸，①正确。②在一个双链DNA分子中，G＋C占碱基总数的M%，由于两条链中G＋C的数目是相等的，那么该DNA分子的每条链中G＋C占该链碱基总数的比例都是M%，②正确。③细胞内全部DNA被32P标记后，在不含32P 的环境中进行连续有丝分裂，第2次分裂中期，每条染色体中都有一条姐妹染色单体被32P标记，在有丝分裂后期，着丝粒分裂后，有一半染色体带有标记，但带有标记的DNA随染色体向细胞两极的移动是随机的，③错误。④1个DNA双链被32P标记后，不管复制多少次，都只有2个DNA带有标记，所以复制n次，子代DNA中有标记的占2/2n＝1/2n－1，④错误。 DNA分子复制相关计算的注意事项 (1)运用DNA半保留复制特点，分析被标记DNA分子的比例时，应注意求的是DNA分子数，还是脱氧核苷酸链数。 (2)运用DNA半保留复制特点，解决消耗某种脱氧核苷酸的数量问题时，应注意亲代DNA分子的两条母链被保留下来，不需消耗原料。 (3)在计算消耗脱氧核苷酸数时，要明确是经过n次复制还是第n次复制。 【例4】 具有N个碱基对的一个DNA分子片段，含有m个腺嘌呤脱氧核苷酸。 (1)该片段完成n次复制需要________(填字母)个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸。 (2)该片段完成第n次复制需要________(填字母)个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸。 A．(2n－1)(N－m) B．2n－1(N－m) C．2n－1 (N/2－m) D．2n(N/2－m) 解析　由题意可知，该DNA分子片段含有胞嘧啶脱氧核苷酸的个数为(2N－2m)/2＝N－m。(1)该片段完成 n次复制，共产生DNA分子数为2n个，新增DNA分子(2n－1)个。当其完成n次复制时，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为(2n－1)(N－m)个，A项正确。(2)该片段完成(n－1)次复制时共产生DNA分子2n－1个，若再完成一次复制(也就是第n次复制)，新增DNA分子数为2n－2n－1＝2n－1个，故需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为2n－1(N－m)个，B项正确。 答案　(1)A　(2)B 核心知识小结 [网络构建] [答题必备] 1．DNA复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。 2．DNA复制的过程可分为三步： (1)解旋：复制开始时，在细胞提供的能量的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开。 (2)合成子链：DNA聚合酶等以解开的每一条母链为模板，以细胞中游离的4种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一条子链。 (3)螺旋：每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。 3．DNA复制的特点：边解旋边复制，半保留复制。 4．DNA复制需要的条件：模板、原料、能量、酶。 1．保证DNA复制准确无误地进行的最关键的步骤是(　　) A．DNA解旋酶促进DNA的两条互补链分离 B．游离的脱氧核苷酸与母链碱基进行互补配对 C．脱氧核苷酸之间连接成与母链互补的子链 D．模板母链与互补子链盘绕成双螺旋结构 答案　B 解析　DNA复制过程严格遵循碱基互补配对原则，通过碱基互补配对，保证了复制能够精确地进行。 2．(2021·辽宁)下列有关细胞内的DNA及其复制过程的叙述，正确的是(　　) A．子链延伸时游离的脱氧核苷酸添加到3端 B．子链的合成过程不需要引物参与 C．DNA每条链的5端是羟基末端 D．DNA聚合酶的作用是打开DNA双链 答案　A 解析　子链延伸的方向为5→3，故游离的脱氧核苷酸添加到3端，A项正确；子链的合成过程需要引物参与，B项错误；DNA每条链的5端是磷酸基团末端，3端是羟基末端，C项错误；解旋酶的作用是打开DNA双链，D项错误。 3．用15N标记含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，该DNA分子在14N的培养液中连续复制四次。其结果不可能是(　　) A．含有15N的DNA分子占1/8 B．含有14N的DNA分子占7/8 C．复制过程中需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸600个 D．复制结果共产生16个DNA分子 答案　B 解析　由于DNA的复制方式是半保留复制，经过四次复制形成16个DNA分子，有2个DNA分子的一条链含有15N，另一条链含有14N，其余14个DNA分子的两条链都只含有14N，因此所有的DNA分子都含14N。该DNA分子中含有胞嘧啶60个，由此计算出含有鸟嘌呤60个，腺嘌呤和胸腺嘧啶各40个，复制四次需要腺嘌呤脱氧核苷酸的数量为40×(24－1)＝600(个)。 4．将15N标记的大肠杆菌(其DNA经密度梯度离心后如图甲)，转至以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养，每20分钟繁殖一代。收集并提取DNA，进行密度梯度离心，图乙、丙、丁为离心结果模拟图。已知大肠杆菌DNA中胞嘧啶个数为x，下列有关叙述正确的是(　　) A．繁殖过程中所需的嘌呤数等于嘧啶数 B．要得到图丙所示结果至少需要40分钟 C．图乙是大肠杆菌转入14N培养液中繁殖一代获得的结果 D．出现图丁结果至少需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸为4x 答案　A 解析　大肠杆菌的DNA是双链的，双链DNA分子中嘌呤数与嘧啶数相等，因此大肠杆菌繁殖过程中所需的嘌呤数等于嘧啶数，A项正确；DNA复制的特点是半保留复制，图丙中只有中带，DNA复制一次即可，故得到图丙所示结果至少需要20分钟，B、C项错误；图丁中有中带和轻带，出现图丁所示结果至少需要繁殖两代，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为(22－1)·x＝3x，D项错误。 5．如下图所示，图甲中的DNA分子有a和d两条链，将图甲中某一片段放大后如图乙所示，结合所学知识回答下列问题： (1)图甲中，A和B均是DNA分子复制过程中所需要的酶，其中B能将单个的脱氧核苷酸连接到脱氧核苷酸链上，从而形成子链，则A是________酶，B是________酶。 (2)真核细胞中DNA复制时间是____________________________________；在复制完成后，两个子代DNA分开的时期为______________________________ ______________________________________________________________。 (3)图乙中，7是________________。DNA分子的基本骨架由_________(用图中数字表示)交替连接而成； DNA分子两条链上的碱基通过________(用图中数字表示)连接成碱基对。 (4)DNA分子通过复制，将________从亲代细胞传给了子代细胞，从而保持了________的连续性。 解析　(1)由题意可知，A是解旋酶，B是DNA聚合酶。(2)真核细胞DNA复制的时间是有丝分裂前的间期、减数分裂前的间期，复制后的DNA分子进入染色体中形成姐妹染色单体上的DNA分子，而姐妹染色单体在有丝分裂后期和减数分裂Ⅱ后期分开。(3)图乙中7的碱基与A配对，说明4是T ，故7是胸腺嘧啶脱氧核苷酸；DNA分子的基本骨架由5(磷酸)和6(脱氧核糖)交替连接而成；DNA分子两条链上的碱基通过9(氢键)连接。 答案　(1)解旋　DNA聚合　(2)有丝分裂前的间期、减数分裂前的间期　有丝分裂后期、减数分裂Ⅱ后期　(3)胸腺嘧啶脱氧核苷酸　5和6　9　(4)遗传信息　遗传信息 学科网（北京）股份有限公司 $$