資源簡介

3.3 DNA的復制
共1課時
一、核心素養目標
生命觀念：能概述DNA分子復制的過程及特點，理解DNA復制的條件和半保留復制的生物學意義。
科學思維：通過介紹Meselson、stehl的試驗，引導學生分析、比較、推理、歸納，培養科學的思維。
科學探究：通過引導學生觀察拉鏈和DNA復制的比較，鼓勵學生大膽想象、猜測，培養學生自主探索、合作學習、分析問題、解決問題的能力
社會責任：加強學生的邏輯思維能力和計算能力，領悟科學探究的能力。
二、教學重難點
1.教學重點:
(1)運用假說演繹法探究DNA的復制方式。
(2)DNA分子復制的條件、特點及過程。
2.教學難點
(1)運用假說演繹法探究DNA的復制方式。
(2)DNA分子復制的過程。
三、教學過程
導入新課
（建議下載使用視頻：【情境素材】DNA的復制。）
教師展示一對母女（如明星戚薇和女兒，父女等均可）的照片。教師引導學生思考：為什么母女這樣像？教師引導學生得出答案：親代的遺傳物質通過復制傳遞給了子代。
那么，何謂DNA的復制？
所謂DNA的復制就是指以親代DNA為模板合成子代DNA的過程，1DNA→2DNA。
那么，新產生的DNA分子是一個全新的DNA分子嗎？
講授新課
一、對DNA復制的推測
1．全保留復制：新復制出的分子直接形成，完全沒有舊的部分。
2．半保留復制：形成的分子一半是新的，一半是舊的。
3．分散復制（彌散復制）：新復制的分子中新舊都有，但分配是隨機組合的。
如何來判斷DNA的復制究竟是哪種方式呢？這就需要用假說-演繹法來預測。
二、對DNA復制方式的探究
【作出假設】DNA復制是一種半保留式的復制
每個子代DNA均由1條母鏈和1條子鏈組成。
問題1：如果DNA是半保留復制，復制后得到的子一代DNA和子二代DNA的組成是什么樣的呢？
問題2：如果要在實驗中直觀地區別、“標識”母鏈或子鏈，可以采取什么辦法？（放射性同位素標記法）
問題3：如果用同位素（放射性）進行標記，用什么元素？（N、P）
問題4：如果親代DNA是15N的，放在14N的環境中進行培養，則親代、子一代、子二代DNA分別含有哪種N元素？
（親代：15N/15N-DNA （全部）
子一代：15N/14N-DNA （全部）
子二代：15N/14N-DNA（1/2） 14N/14N-DNA（1/2） ）
問題5：要驗證上述預測，就要分別觀察親代和子代的情況，但實驗中，復制后的DNA分子混合在一起的，不易分離。怎么解決這個問題？
（通過密度梯度離心使其發生分層）
【驗證假設】
學生閱讀教材并觀察討論圖示：證明DNA進行半保留復制的實驗。
DNA是肉眼看不見的，如何才能分辨DNA呢？此時，教師可以讓學生分析經典實驗中用同位素15N 標記的方法，分析用CsCl密度梯度離心后重帶、中帶、輕帶表示的DNA分子的雙鏈構成是怎樣的，在整個實驗中親代、子一代、子二代細胞中提取出的DNA離心的結果說明了什么。通過層層分析，學生不僅能夠自己得出結論：DNA的確具有半保留復制的特點，同時還能感受科學探究的魅力。
實驗結果與預期結果一致，故證明了DNA的復制是以半保留的方式進行的。
小結：總結本實驗假說演繹的流程。（作出假設、演繹推理、驗證假設、得出結論）
三、DNA復制過程
播放多媒體課件，演示DNA復制的過程，首先讓學生明確DNA并不是由原來DNA分子產生一個全新的DNA分子，而是DNA分子的兩條鏈分開，每一條鏈（母鏈）作為一個模板再配上一條子鏈，這樣形成的2個DNA分子每個都有一條母鏈和一條子鏈。DNA復制過程大體分為三個階段：（1）DNA雙螺旋結構在DNA解旋酶作用下解旋成2個單鏈片段；（2）以解開的每一條單鏈片段（母鏈）為模板，遵循堿基互補配對原則，與提供原料中的4種脫氧核苷酸各自互補配對，并在DNA聚合酶作用下連接成一段子鏈；（3）子鏈不斷延伸并與對應母鏈盤繞成雙螺旋結構，形成各含一條母鏈和一條子鏈的2個DNA分子。
然后，設置問題讓學生分析DNA復制過程的特點、條件等，領會DNA的結構和堿基互補配對與復制的關系。
思考：（1）DNA復制過程的特點有哪些？（其特點是邊解旋邊復制，半保留復制。）（2）DNA復制需要哪些條件？（復制需要模板、原料、酶和能量等基本條件。特別需要向學生說明的是，DNA復制所需要的酶有多種，教材中介紹的“DNA解旋酶”、“DNA聚合酶”只是其中主要的兩種。）（3）DNA復制的場所在哪里？在什么時間進行的？（DNA復制的場所是細胞核，復制時間是在細胞有絲分裂的間期和減數第一次分裂的間期。）
教師還可結合教材經典實驗中大腸桿菌的半保留復制圖例，計算在第一代、第二代和第三代中含15N DNA分子的個數及所占比例，進一步強調DNA半保留復制的特點。（建議使用知識卡片：【知識解析】“圖解法”分析DNA復制過程中的相關計算）
最后，教師可以讓學生分析子代DNA與親代DNA的堿基序列的特征，探討DNA自我復制的生物學意義。正是由于DNA分子的這一復制過程，才使得親代的遺傳信息傳遞給子代，從而使前后代保持了一定的連續性。
師生共同完成下表：
定義 DNA分子的復制是指以親代DNA分子為模板合成子代DNA的過程。
時間 有絲分裂和減數第一次分裂的間期
場所 細胞核
條件 模板、酶、能量、原料
特點 半保留復制，邊解旋邊復制
意義 通過復制，使親代的遺傳信息傳給子代，從而使前后代保持了一定的連續性。
結果 DNA分子復制產生出與親代相同的子代DNA分子。復制n次，得到2n個DNA分子，其中原親代DNA分子的鏈有兩條，新合成的鏈為2n+1-2個，在復制過程中，所需要某種堿基數為（2n 1）a，a為DNA分子中某種堿基的數目。
四、解答DNA分子復制中相關計算題的規律方法
DNA分子的復制方式為半保留復制，若將一個被15N標記的DNA轉移到含14N的培養基中培養(復制)n代，其結果分析如圖所示。
1．DNA分子數
(1)子代DNA分子總數：2n個。(2)含15N的DNA分子數：2個。
(3)含14N的DNA分子數：2n個。(4)只含15N的DNA分子數：0個。
(5)只含14N的DNA分子數：(2n－2)個。
2．脫氧核苷酸鏈數
(1)子代DNA分子中脫氧核苷酸鏈數：2n＋1條。
(2)含15N的脫氧核苷酸鏈數：2條。
(3)含14N的脫氧核苷酸鏈數：(2n＋1－2)條。
3．DNA復制消耗游離的脫氧核苷酸數的計算
設親代DNA分子中含有某種脫氧核苷酸m個，則：
(1)經過n次復制，共需消耗游離的該種脫氧核苷酸為m·(2n－1)個。
(2)在第n次復制時，共需消耗游離的該脫氧核苷酸為m·2n－1個。
例　某個DNA片段有500個堿基對，其中A和T占堿基總數的40%，若該DNA片段復制兩次，則共需游離的胞嘧啶脫氧核苷酸分子個數為(　C　)
A．300　　B．600　　C．900　 D．1 200
五、DNA復制原理的應用
1．減數分裂中染色體標記情況：
如果用3H標記細胞中的DNA分子，然后將細胞放在正常環境中培養，讓其進行減數分裂，結果染色體中的DNA標記情況如圖所示：
由圖可以看出，減數分裂過程中細胞雖然連續分裂2次，但DNA只復制1次，所以四個子細胞中所有DNA分子均呈雜合狀態，即“3H/1H”。
2．有絲分裂中染色體標記情況：
如果用3H標記細胞中的DNA分子，然后將細胞放在正常環境中培養，連續進行2次有絲分裂，與減數分裂過程不同，因為有絲分裂是復制1次分裂1次，因此這里實際上包含了2次復制。
由圖可以看出，第一次有絲分裂形成的兩個子細胞中所有DNA分子均呈雜合狀態，即“3H/1H”。第二次有絲分裂復制后的染色體上兩條染色單體中只有一條染色單體含有3H，即DNA分子為“3H/1H”，而另一條染色單體只有1H，即DNA分子為“1H/1H”，在后期時兩條染色單體的分離是隨機的，所以最終形成的子細胞中可能都含有3H，也可能不含3H，含有3H的染色體條數是0～2n條(體細胞染色體條數是2n)。
例　蠶豆根尖細胞在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養基中完成一個細胞周期，然后在不含放射性標記的培養基中繼續分裂至中期，其染色體的放射性標記分布情況是(　B　)
A．每條染色體的兩條染色單體都被標記
B．每條染色體中都只有一條染色單體被標記
C．只有半數的染色體中一條染色單體被標記
D．每條染色體的兩條染色單體都不被標記
[解析]　DNA的復制方式是半保留復制，蠶豆根尖細胞在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養基中完成一個細胞周期，每一個DNA分子都有一條脫氧核苷酸鏈含3H，然后在不含放射性標記的培養基中培養至中期，每個DNA分子復制的兩個DNA分子存在于同一染色體的姐妹染色單體上，其中一個DNA分子的一條鏈含3H，如下圖所示。
四、課堂鞏固
1．DNA的復制是在細胞的______分裂和______第一次分裂前的_____期進行的。復制是指以_____________為模板來合成____________的過程。復制特點是______________。復制過程必需以____________________為模板、_______________為原料、_______ 提供能量、_____的催化等條件，___________________為DNA的復制提供精確的模板、并有_____________能力保證復制能夠準確無誤地完成。一個親代DNA分子通過復制形成了兩個____________，新形成的DNA分子都是既含一條_____鏈、又含一條_______鏈，因此，稱DNA的復制為“_________________”。
答案：有絲 減數 間 親代DNA分子 子代DNA分子 邊解旋邊復制
親代DNA分子一條鏈 脫氧核苷酸 ATP 酶 DNA分子雙螺旋結構
堿基互補配對 結構完全相同的子代DNA分子 母 子 半保留復制
五、課后反思

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