3.3DNA的复制课件-2024-2025学年高一下学期生物人教版必修2

第3节　DNA的复制 课标定位 1.对DNA复制的推测 概述科学家提出的DNA半保留复制假说和DNA全保留复制假说。 2.DNA半保留复制的实验证据 分析证明DNA半保留复制的实验证据,明确实验设计思路。 3.DNA复制的过程及意义 概述DNA的复制过程及DNA的半保留复制对遗传信息的稳定传递的意义。 素养阐释 1.通过学习科学家对DNA复制方式的探究,培养实验设计及对实验结果进行分析的能力。通过分析证明DNA半保留复制的实验,阐明运用假说—演绎法进行科学探究的基本思路。 2.通过分析DNA的复制过程,认同生命的延续与发展观;理解遗传信息,认同DNA的遗传物质观和信息观。 素养阐释 3.通过对同位素标记技术的学习,举例说明物理学和化学方法在生物学研究中的重要作用,并能在新情境下运用这些方法分析和解决问题。 4.归纳DNA复制过程中的相关数量计算,提高逻辑分析和计算能力。 自主预习·新知导学 合作探究·释疑解惑 素 养 提 升 课 堂 小 结 自主预习·新知导学 一、对DNA复制的推测 1.沃森和克里克的半保留复制假说 2.遗传物质自我复制的其他假说 全保留复制是指DNA复制以DNA双链为模板,子代DNA的双链都是新合成的。 二、DNA半保留复制的实验证据 1.1958年,美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料,运用同位素标记技术,设计了一个巧妙的证明DNA复制方式的实验。 2.证明DNA半保留复制的实验 (1)实验方法:同位素标记技术和离心技术。 (2)实验原理:15N和14N是氮元素的两种稳定同位素,这两种同位素的相对原子质量不同,含15N的DNA比含14N的DNA密度大,因此,利用离心技术可以在试管中分离开含有不同氮元素的DNA。 (3)实验假设:DNA以半保留的方式复制。 (4)实验思路与预期结果 (5)实验结论:DNA的复制是以半保留的方式进行的。 三、DNA复制的过程(以真核细胞为例) 1.概念:以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。 2.时间:细胞分裂前的间期,随着染色体的复制而完成。 3.场所:主要是细胞核。 4.过程 5.结果:一个DNA分子形成了两个完全相同的DNA分子。 6.特点:(1)半保留复制;(2)边解旋边复制。 7.意义: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。 8.DNA复制能够准确进行的原因 (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。 【预习检测】 1.判断正误。 (1)DNA的复制只发生于细胞分裂前的间期。(　　) (2)DNA聚合酶催化两个游离的脱氧核苷酸之间的连接。(　　) (3)真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶和能量。(　　) (4)DNA复制的原料是4种游离的核糖核苷酸。(　　) (5)DNA复制时,严格遵循A—U、C—G的碱基互补配对原则。 (　　) (6)DNA复制的特点是半保留复制和边解旋边复制。(　　) × × √ × × √ 【预习检测】 1.判断正误。 (1)DNA的复制只发生于细胞分裂前的间期。(　　) (2)DNA聚合酶催化两个游离的脱氧核苷酸之间的连接。(　　) (3)真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶和能量。(　　) (4)DNA复制的原料是4种游离的核糖核苷酸。(　　) (5)DNA复制时,严格遵循A—U、C—G的碱基互补配对原则。 (　　) (6)DNA复制的特点是半保留复制和边解旋边复制。(　　) × × √ × × √ (7)DNA解旋后的每一条脱氧核苷酸链都可以作为DNA复制的模板。(　　) (8)在DNA复制过程中,解旋酶破坏的是氢键,不能将DNA分解成脱氧核苷酸。(　　) √ √ 2.DNA分子复制时,解旋酶作用的部位应该是(　　) A.腺嘌呤与鸟嘌呤之间的氢键 B.腺嘌呤与胞嘧啶之间的氢键 C.鸟嘌呤与胞嘧啶之间的氢键、腺嘌呤与胸腺嘧啶之间的氢键 D.脱氧核糖与含氮碱基之间的化学键 答案:C 解析:DNA复制时,解旋酶的作用是使碱基对之间的氢键断裂。 合作探究·释疑解惑 知识点一 知识点二 DNA的半保留复制 问题引领 1.所有的真核细胞都存在核DNA分子复制吗?以亲代DNA分子为模板复制形成的两个子代DNA分子将在细胞分裂的哪个时期分开? 提示:不一定。如哺乳动物成熟的红细胞因为无细胞核而不能进行核DNA分子复制;不分裂的细胞不存在核DNA分子复制。复制形成的两个子代DNA分子将在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期着丝粒分裂时,随姐妹染色单体的分离而分开,之后将分别进入两个子细胞中。 2.阅读教科书第55~56页,结合图3-10,探究下列问题。 (1)DNA复制时有几条模板链?新合成的DNA中的两条链全是子链吗? 提示:①有两条模板链(亲代DNA分子解开螺旋的两条链)。②不全是,是一条母链和一条子链。 (2)DNA复制时,用什么方法识别DNA中哪一条链是母链,哪一条链是子链?DNA复制所形成的子代DNA是不是亲代DNA链和子代DNA链随机结合的? 提示:①同位素标记技术。②不是,是亲代DNA链与其互补的子链结合形成子代DNA。 (3)若向某一试管中加入缓冲液、ATP、解旋酶、DNA模板和4种脱氧核苷酸,并置于适宜的温度下,能否完成DNA的复制?分析其原因。 提示:否。复制条件不完全,缺少DNA聚合酶。 (4)DNA复制时,子链的延伸方向如何?新合成的子链与其模板链的方向是相同的还是相反的? 提示:从5'-端到3'-端。相反的。 3.根据图1、图2回答下列问题。 图1 图2 (1)图1中的酶1和酶2分别是什么酶?各有什么作用? 提示:酶1是解旋酶,作用是将DNA双螺旋的两条链解开;酶2是DNA聚合酶,作用是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。 (2)图1中的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:a链与c链的碱基排列顺序相同,b链与d链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?由图1还可以看出DNA复制的另一个特点是什么? 提示:是。因为两条母链分配到两个子代DNA分子中,新形成的子代DNA分子中只有一条单链是亲代DNA分子的母链。由图1还可以看出DNA分子是边解旋边复制的。 (4)DNA复制过程中,解旋酶作用于图2中的哪个部位?(用字母表示) 提示:解旋酶作用于f。 (5)DNA的复制为什么需要适宜的温度和pH? 提示:因为DNA的复制需要酶的催化,而酶的活性受温度和pH的影响。 归纳提升 1.分析各类生物体中DNA复制的场所 (1)真核生物:细胞核(主要场所)、叶绿体、线粒体。 (2)原核生物:拟核、细胞质(如质粒DNA的复制)。 (3)DNA病毒:宿主细胞内。 2.下图为真核生物染色体上DNA复制过程的示意图,从图中可以看出,DNA复制效率较高的原因:(1)从多个起点开始进行复制;(2)边解旋边复制;(3)每个起点都是同时向两个方向进行复制。 3.复制可简记为“1个主要场所(细胞核),1种时期(细胞分裂前的间期),3个步骤(解旋、合成新链、形成子代DNA),4个条件(模板、酶、原料和能量)”。 典型例题 1.某研究小组进行“探究DNA的复制过程”的活动,结果如右图所示。其中培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl,a、b、c表示离心管编号,条带表示大肠杆菌DNA离心后在离心管中的分布。下列叙述错误的是(　　) A.本活动运用了同位素标记技术和离心技术 B.a管的结果表明该管中的大肠杆菌是在含14NH4Cl的培养液中培养的 C.b管的结果表明该管中的大肠杆菌的DNA都是15N/14N-DNA D.实验结果说明DNA分子的复制方式是半保留复制 答案:B 解析:a管中只有重带(密度最大的条带),即复制形成的DNA都是15N/15N-DNA,表明该管中的大肠杆菌是在含15NH4Cl的培养液中培养的。 2.真核细胞的DNA复制过程如右图所示。下列叙述错误的是(　　) A.解旋酶使DNA双链打开需要消耗ATP B.合成两条子链时,DNA聚合酶移动的方向是相反的 C.碱基互补配对原则保证了DNA复制能够准确地进行 D.新合成的两条子链的脱氧核苷酸排列顺序相同 答案:D 解析:新合成的两条子链的碱基是互补的,因此新合成的两条子链的脱氧核苷酸排列顺序不同。 【变式训练】 1.1个无标记的DNA(亲代DNA)在含15N的环境中复制,若第一代DNA的1条单链出现差错,则第二代DNA中,差错 DNA单链占所有单链的比例和含15N的DNA占全部DNA的比例分别是(　　) A.1/3,1 B.1/4,1 C.1/3,1/2 D.1/4,1/2 答案:B 解析:亲代DNA的2条链都没有被标记,在含15N的环境中复制2次后,形成4个DNA分子,全部被15N标记。若第一代DNA的一条单链出现差错,则第二代DNA(共有8条脱氧核苷酸链)中会有2条单链出现差错。 2.以DNA的一条链“—A—T—C—”为模板,经复制后产生的子链是(　　) A.—G—A—T— B.—U—A—G— C.—T—A—G— D.—T—U—G— 答案:C 解析:依据碱基互补配对原则可知,以“—A—T—C—”链为模板复制得到的子链碱基顺序为“—T—A—G—”。 DNA复制的相关计算 问题引领 1.DNA复制是以半保留的方式进行的,若1个DNA分子复制n次,则相关过程和数据如下图所示。 (1)1个DNA分子经过n次复制,形成2n个子代DNA分子。其中含有亲代DNA链的子代DNA分子有2个,不含亲代DNA链的子代DNA分子有(2n-2)个。 (2)复制n次后,子代DNA分子中共有2n+1条脱氧核苷酸链。其中亲代脱氧核苷酸链有2条,新合成的脱氧核苷酸链有 (2n+1-2)条。 2.复制n次后,1个DNA分子复制形成的子代DNA分子中,有2个DNA分子含有亲代DNA分子的脱氧核苷酸链。在子代DNA分子的全部脱氧核苷酸链中,新形成的脱氧核苷酸链所占的比例是(2n+1-2)/2n+1。 3.假如1个DNA分子中有m个腺嘌呤(A),则该DNA分子复制n次需要(2n-1)·m个腺嘌呤。该DNA分子第n次复制需要 2n-1·m个腺嘌呤。 归纳提升 做与DNA复制相关的计算题时的4个注意事项 (1)复制次数:“DNA复制了n次”和“第n次复制”不同,前者包括第n次及其之前所有的复制,而后者只包括第n次复制。 (2)碱基数目:注意碱基数目的单位是“对”还是“个”。 (3)在DNA复制过程中,无论复制了几次,含有亲代脱氧核苷酸单链的DNA分子都只有2个。 (4)关键词语:看清是“DNA分子数”还是“脱氧核苷酸链数”,“含”还是“只含”等关键词。 典型例题 在氮源分别为14N和15N的培养基上生长的大肠杆菌,其DNA分子分别为14N/14N-DNA(相对分子质量为a)和15N/15N-DNA (相对分子质量为b)。将DNA被15N标记的亲代大肠杆菌转移到含14N的培养基上,连续繁殖两代,用离心的方法分离得到的结果如下图所示。下列关于此实验的叙述,正确的是(　　) A.第一代大肠杆菌DNA分子中两条链都含14N B.第二代大肠杆菌含15N的DNA分子占全部DNA分子的1/4 C.预计第三代大肠杆菌DNA分子的平均相对分子质量为(7a+b)/8 D.上述实验中第一代→第二代的结果能证明DNA的复制方式为半保留复制 答案:C 解析:第一代大肠杆菌DNA分子中一条链含14N,另一条链含15N。第二代大肠杆菌含15N的DNA分子占全部DNA分子的1/2。1个只含有14N的DNA分子的相对分子质量为a,则每条链的相对分子质量为a/2;1个只含有15N的DNA分子的相对分子质量为b,则每条链的相对分子质量为b/2。将1个DNA被15N标记的亲代大肠杆菌转移到含14N的培养基上,连续繁殖三代,共得到8个DNA分子,这8个DNA分子共含16条单链,其中只有2条是含15N的,14条是含14N的,因此总相对分子质量为(b/2)×2+(a/2)×14=b+7a,所以每个DNA分子的平均相对分子质量为(7a+b)/8。第一代→第二代的结果不能证明DNA的复制方式为半保留复制。 【变式训练】 1.已知某DNA分子含有500个碱基对,其中一条链上A∶G∶T∶C=1∶2∶3∶4。该DNA分子连续复制数次后,消耗周围环境中鸟嘌呤脱氧核苷酸2 100个,则该DNA分子已经复制了(　　)　 A.3次 B.4次　 C.5次 D.6次 答案:A 解析:根据DNA分子含有500个碱基对,而一条单链上碱基A∶G∶T∶C=1∶2∶3∶4可知,该链中A、G、T、C分别是50个、100个、150个、200个,另一条单链上依次是150个、200个、50个、100个。因此,该DNA分子中鸟嘌呤脱氧核苷酸为100+200=300(个)。复制数次后,消耗周围环境中鸟嘌呤脱氧核苷酸2 100个,则所有DNA中的鸟嘌呤脱氧核苷酸的数量是2 100+300=2 400(个),设该DNA分子复制了n次,则2n ×300=2 400,n=3。 2.具有a个碱基对的一个DNA分子片段,含有m个腺嘌呤,该片段第n次复制需要多少个游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸?(　　) A.(2n-1)·(a-m) B.2n-1·(a-m) C.(2n-1)·(a/2-m) D.2n·(a/2-m) 答案:B 解析:该DNA分子中鸟嘌呤的数目为(2a-2m)/2=(a-m)(个),第n次复制形成2n-1个DNA,则第n次复制需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸2n-1·(a-m)个。 素 养 提 升 利用图示法理解细胞分裂与DNA复制的相互关系 1.将DNA分子双链用3H标记的蚕豆(2n=12)根尖移入普通培养液(不含放射性元素)中,再让细胞连续进行有丝分裂。根据下图判断,在普通培养液中的第二次有丝分裂中期,一个细胞中的染色体标记情况是(　　)   A.6个a,6个b B.12个b C.6个b,6个c D.b和c共有12个,但b和c的数目不确定 答案:B 解析:由题意可知,将亲代DNA分子双链用3H标记,由于DNA复制以半保留的方式进行,因此亲代细胞中的染色体经过第一次复制后,两条姐妹染色单体均含3H,如图a所示。第一次有丝分裂结束后产生的子细胞中每条染色体上的DNA分子均有1条单链被标记,子细胞中的染色体再进行复制,每条染色体上只有1条姐妹染色单体DNA的1条单链被标记,即只有1条姐妹染色单体被标记,如图b所示。因此在第二次有丝分裂中期,细胞中有12个b。 2.用32P标记某动物精原细胞的全部核DNA,然后将细胞置于含31P的培养液中培养,使其进行一次有丝分裂或减数分裂(减数分裂Ⅰ、减数分裂Ⅱ)。下列有关叙述正确的是(　　) A.有丝分裂前期与减数分裂Ⅰ前期细胞中,32P标记的DNA分子数相同、染色体数目不同 B.有丝分裂后期与减数分裂Ⅰ后期细胞中,32P标记的DNA分子数不同、染色体数目不同 C.有丝分裂中期与减数分裂Ⅱ中期细胞中,32P标记的DNA分子数不同、染色体数目不同 D.有丝分裂后期与减数分裂Ⅱ后期细胞中,32P标记的DNA分子数不同、染色体数目相同 答案:C 解析:有丝分裂前期与减数分裂Ⅰ前期细胞中,32P标记的DNA分子数相同、染色体数目相同。有丝分裂后期与减数分裂Ⅰ后期细胞中,32P标记的DNA分子数相同,前者的染色体数目是后者的2倍。有丝分裂中期与减数分裂Ⅱ中期细胞中,前者被32P标记的DNA分子数、染色体数目均为后者的2倍。有丝分裂后期与减数分裂Ⅱ后期细胞中,前者被32P标记的DNA分子数、染色体数目均为后者的2倍。 3.将某一经3H充分标记DNA的雄性动物细胞(染色体数为2n)置于不含3H的培养液中培养,该细胞经过2次连续分裂后形成4个大小相等的子细胞。下列有关说法正确的是(　　) A.若子细胞中染色体数为2n,则其中含3H的染色体数一定为n B.若子细胞中染色体数为n,则其中含3H的染色体数为n/2 C.若子细胞中染色体都含3H,则细胞分裂过程中会发生基因的自由组合 D.若子细胞中有的染色体不含3H,则原因是同源染色体分离 答案:C 解析:若该细胞经过2次有丝分裂后形成4个子细胞,则每个细胞中含3H的染色体数可能是0~2n条。若该细胞发生减数分裂后形成4个子细胞,则每个细胞中含3H的染色体数为n。如果子细胞中染色体都含有3H,则该细胞发生的是减数分裂,会发生基因的自由组合。如果子细胞中有的染色体不含3H,则该细胞发生的是有丝分裂,不可能发生同源染色体分离。 课 堂 小 结 根据上图,1个细胞连续分裂2次,最后形成的4个子细胞有3种情况:第1种情况是4个细胞都是;第2种情况是2个细胞是,1个细胞是,1个细胞是;第3种情况是2个细胞是,另外2个细胞是。 $