資源簡(jiǎn)介

第2課時(shí)　DNA分子的復(fù)制
課標(biāo)內(nèi)容要求 核心素養(yǎng)對(duì)接
概述DNA分子通過(guò)半保留方式進(jìn)行復(fù)制。 1．生命觀念：準(zhǔn)確說(shuō)出DNA復(fù)制的過(guò)程和特點(diǎn)，明確DNA在前后代可以保持連續(xù)性；同時(shí)說(shuō)明基因和DNA在結(jié)構(gòu)和功能上的關(guān)系。
2．科學(xué)思維：根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則進(jìn)行DNA復(fù)制的相關(guān)計(jì)算；并通過(guò)分類(lèi)和比較及分析和綜合，說(shuō)出基因和DNA、染色體、脫氧核苷酸、性狀等的關(guān)系。
3．科學(xué)探究：分析探究DNA復(fù)制的實(shí)驗(yàn)方法、過(guò)程和結(jié)論。
一、對(duì)DNA分子復(fù)制的推測(cè)與驗(yàn)證
1．DNA分子的復(fù)制
以親代DNA分子為模板合成子代DNA分子的過(guò)程。
2．推測(cè)
(1)有人提出“全保留復(fù)制模型”，即親代的雙螺旋形態(tài)結(jié)構(gòu)完全不變，其子代只是全新的復(fù)制品；
(2)也有人提出“分散復(fù)制模型”，即親代的DNA會(huì)分散進(jìn)入子代復(fù)制品的每條鏈中，親代和子代的DNA都是舊DNA和新DNA的混合體；
(3)還有些人提出“半保留復(fù)制模型”，即以親代DNA的每條鏈為模板合成一條互補(bǔ)鏈，再與互補(bǔ)鏈組成子代DNA。
3．證明DNA分子半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)
(1)科學(xué)家：米西爾森和斯塔爾。
(2)實(shí)驗(yàn)材料：大腸桿菌。
(3)實(shí)驗(yàn)方法：運(yùn)用同位素標(biāo)記技術(shù)和密度梯度離心技術(shù)。
(4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程
(5)結(jié)果分析
①離心處理后，子一代DNA分子為雜合鏈帶(含14N和15N)，原因在于新合成的每個(gè)DNA分子中，都含有原來(lái)DNA分子中的一條鏈(15N)和以該鏈為模板新合成的一條互補(bǔ)鏈(14N)。
②子二代DNA分子應(yīng)該為輕鏈帶(含14N)和雜合鏈帶(含14N和15N)。
二、DNA分子的半保留復(fù)制
1．概念：在新合成的每個(gè)DNA分子中，都保留了原來(lái)DNA分子中的一條鏈，因此，這種復(fù)制方式被稱(chēng)為DNA半保留復(fù)制。
2．場(chǎng)所：主要在細(xì)胞核。
3．條件：(1)模板：DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈。
(2)原料：細(xì)胞中四種脫氧核苷酸。
(3)能量和酶等。
4．過(guò)程
5．特點(diǎn)
(1)過(guò)程：邊解旋邊復(fù)制。
(2)方式：半保留復(fù)制。
6．結(jié)果：一個(gè)DNA分子形成兩個(gè)完全相同的DNA分子。
7．精確復(fù)制的原因：在DNA半保留復(fù)制中，雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制提供了模板，堿基互補(bǔ)配對(duì)原則保證了復(fù)制的精確進(jìn)行。
8．意義：正是DNA分子的半保留復(fù)制，確保了遺傳信息代代傳遞的連續(xù)性。
判斷對(duì)錯(cuò)(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)
1．證明DNA復(fù)制方式的實(shí)驗(yàn)只能用同位素標(biāo)記N。 (　　)
2．在證明DNA復(fù)制方式的實(shí)驗(yàn)中，從Ⅰ代開(kāi)始細(xì)菌DNA分子中至少有一條鏈含 14N。 (　　)
3．DNA復(fù)制遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，新合成的DNA分子中兩條鏈均是新合成的。 (　　)
4．任何生物的基因都是有遺傳效應(yīng)的DNA片段。 (　　)
5．堿基排列順序的千變?nèi)f化，構(gòu)成了DNA分子的多樣性。 (　　)
[答案]　1．×　提示：DNA的組成元素有C、H、O、N、P，這幾種元素都有同位素，所以標(biāo)記任何一種元素都可以。
2．√
3．×　提示：DNA分子的復(fù)制方式為半保留復(fù)制，所以子代DNA的兩條鏈中包含了一條母鏈和一條子鏈。
4．×　提示：RNA病毒(如煙草花葉病毒、禽流感病毒、埃博拉病毒等)的遺傳物質(zhì)是RNA，其基因是有遺傳效應(yīng)的RNA片段。
5．√
　DNA分子的復(fù)制
1．不同生物的DNA分子復(fù)制的場(chǎng)所
2．DNA分子復(fù)制所需的酶：是指一個(gè)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(fù)制的基本條件
(1)模板：解旋的DNA分子的兩條單鏈；
(2)原料：細(xì)胞中游離的4種脫氧核苷酸；
(3)能量：主要通過(guò)水解ATP提供；
(4)酶：DNA聚合酶(形成磷酸二酯鍵)、解旋酶(打開(kāi)氫鍵)等。
4．兩個(gè)子代DNA的位置及分開(kāi)時(shí)間：復(fù)制產(chǎn)生的兩個(gè)子代DNA分子位于一對(duì)姐妹染色單體上，由著絲粒連在一起，在有絲分裂后期或減數(shù)第二次分裂后期著絲粒分裂時(shí)分開(kāi)，分別進(jìn)入兩個(gè)子細(xì)胞中。
5．DNA分子復(fù)制對(duì)DNA作為遺傳物質(zhì)的意義
(1)邊解旋、邊復(fù)制，多個(gè)起點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省時(shí)間、效率高。
(2)新DNA分子雙鏈為“一母一子”，因此復(fù)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(xué)好記：巧記DNA分子復(fù)制的“一、二、三、四”
應(yīng)用實(shí)踐：1．如圖為真核細(xì)胞DNA復(fù)制過(guò)程的模式圖，據(jù)圖回答相關(guān)問(wèn)題：
(1)據(jù)圖可知，DNA聚合酶使兩條子鏈從5′端到3′端，還是從3′端到5′端進(jìn)行合成？
提示：從5′端到3′端進(jìn)行。
(2)合成的兩條子鏈間堿基排列順序相同還是互補(bǔ)？
提示：互補(bǔ)。
2．這個(gè)小機(jī)器是DNA復(fù)印機(jī)，也叫做PCR儀，在體外完成DNA復(fù)制，使DNA片段在數(shù)量上呈指數(shù)增加，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的特定基因片段。DNA復(fù)印機(jī)完成DNA復(fù)制需要加入哪些物質(zhì)？(科學(xué)思維)
提示：模板DNA、引物、4種脫氧核苷酸、DNA聚合酶等。
1．真核細(xì)胞中DNA復(fù)制如下圖所示，下列敘述錯(cuò)誤的是(　　)
A．多起點(diǎn)雙向復(fù)制能保證DNA復(fù)制在短時(shí)間內(nèi)完成
B．每個(gè)子代DNA都有一條核苷酸鏈來(lái)自親代
C．復(fù)制過(guò)程中氫鍵的破壞和形成都需要DNA聚合酶的催化
D．DNA分子的準(zhǔn)確復(fù)制依賴于堿基互補(bǔ)配對(duì)原則
C　[多起點(diǎn)雙向復(fù)制能保證DNA復(fù)制在短時(shí)間內(nèi)完成，提高復(fù)制效率，A正確；DNA為半保留復(fù)制，每個(gè)子代DNA都有一條核苷酸鏈來(lái)自親代，B正確；DNA解旋酶破壞堿基對(duì)的氫鍵，使DNA雙鏈解旋，DNA聚合酶形成磷酸二酯鍵，C錯(cuò)誤；堿基對(duì)之間嚴(yán)格的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，保證了遺傳信息準(zhǔn)確地從親代DNA傳向子代DNA，D正確。]
　DNA復(fù)制的三個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)
(1)DNA復(fù)制的場(chǎng)所并非只在細(xì)胞核中，線粒體、葉綠體中也能進(jìn)行DNA復(fù)制。
(2)并非所有細(xì)胞都進(jìn)行DNA復(fù)制，只有分裂的細(xì)胞才能進(jìn)行DNA復(fù)制。
(3)DNA復(fù)制并非單向進(jìn)行，而是雙向多起點(diǎn)復(fù)制，且各個(gè)復(fù)制起點(diǎn)并不是同時(shí)開(kāi)始的。
2．在DNA復(fù)制開(kāi)始時(shí)，將大腸桿菌放在含低劑量3H標(biāo)記的脫氧胸苷(3H—dT)的培養(yǎng)基中，3H—dT可摻入正在復(fù)制的DNA分子中，使其帶有放射性標(biāo)記。幾分鐘后，將大腸桿菌轉(zhuǎn)移到含高劑量3H—dT的培養(yǎng)基中培養(yǎng)一段時(shí)間。收集、裂解細(xì)胞，抽取其中的DNA進(jìn)行放射性自顯影檢測(cè)，結(jié)果如圖所示。據(jù)圖可以作出的推測(cè)是(　　)
A．復(fù)制起始區(qū)在高放射性區(qū)域
B．DNA復(fù)制為半保留復(fù)制
C．DNA復(fù)制從起始點(diǎn)向兩個(gè)方向延伸
D．DNA復(fù)制的方向?yàn)閍→c
C　[根據(jù)放射性自顯影結(jié)果可知，中間低放射性區(qū)域是復(fù)制開(kāi)始時(shí)在含低劑量3H標(biāo)記的脫氧胸苷(3H—dT)的培養(yǎng)基中進(jìn)行復(fù)制的結(jié)果，A錯(cuò)誤；兩側(cè)高放射性區(qū)域是將大腸桿菌轉(zhuǎn)移到含高劑量3H—dT的培養(yǎng)基中進(jìn)行復(fù)制的結(jié)果，可判斷DNA復(fù)制從起始點(diǎn)(中間)向兩個(gè)方向延伸，C正確、D錯(cuò)誤；該實(shí)驗(yàn)不能證明DNA復(fù)制為半保留復(fù)制，B錯(cuò)誤。]
　與DNA復(fù)制有關(guān)的計(jì)算
1．用“圖解法”分析DNA復(fù)制的相關(guān)計(jì)算
(1)將含有15N的DNA分子放在含有14N的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，復(fù)制n次，則：
①子代DNA共2n個(gè)
②脫氧核苷酸鏈共2n＋1條：含15N的脫氧核苷酸鏈2條；含14N的脫氧核苷酸鏈(2n＋1－2)條。
(2)DNA復(fù)制中消耗的脫氧核苷酸數(shù)
若親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個(gè)，
①經(jīng)過(guò)n次復(fù)制需要消耗該種脫氧核苷酸數(shù)為m·(2n－1)個(gè)。
②第n次復(fù)制需要消耗該種脫氧核苷酸數(shù)為m·(2n－1)－m·(2n－1－1)＝m·2n－1個(gè)。
2．與染色體、細(xì)胞數(shù)目相關(guān)的計(jì)算
研究DNA分子的半保留復(fù)制時(shí)，常涉及計(jì)算后代帶放射性標(biāo)記的DNA、染色體或細(xì)胞所占比例的問(wèn)題，此時(shí)要注意：
(1)一個(gè)DNA分子含兩條DNA鏈，只要有一條DNA鏈帶標(biāo)記，該DNA分子便帶標(biāo)記。
(2)每條染色體含一個(gè)或兩個(gè)DNA分子，只要有一條DNA鏈帶標(biāo)記，該染色體便帶標(biāo)記。
(3)每個(gè)細(xì)胞含多條染色體，每條染色體的情況是一樣的，只需分析一條染色體(減數(shù)分裂時(shí)只需分析一對(duì)同源染色體)即可。
合作探究：親代大腸桿菌的DNA中含有15N，在含有14N的培養(yǎng)基中進(jìn)行復(fù)制。
(1)大腸桿菌通過(guò)哪一種分裂方式進(jìn)行增殖？其分裂次數(shù)和DNA復(fù)制次數(shù)有何關(guān)系？
提示：二分裂；大腸桿菌分裂一次，DNA復(fù)制一次。
(2)復(fù)制2次后，含15N的DNA、含14N的DNA、含15N的DNA鏈、含14N的DNA鏈各是多少？
提示：2個(gè)、4個(gè)、2條、6條。
(3)若將第三代大腸桿菌的DNA提取后進(jìn)行離心，則靠近試管底部、位置居中和靠近試管的上部的DNA數(shù)之比為多少？
提示：0∶2∶6。
1．某基因(14N)含有3 000個(gè)堿基，腺嘌呤占35%。若該DNA分子以15N同位素標(biāo)記的游離脫氧核苷酸為原料復(fù)制3次，再將全部復(fù)制產(chǎn)物置于試管內(nèi)離心，進(jìn)行密度分層，得到結(jié)果如圖①；然后加入解旋酶再離心，得到結(jié)果如圖②。則下列有關(guān)分析正確的是(　　)
A．X層中的基因只用14N標(biāo)記，Y層中的基因只用15N標(biāo)記
B．W層中含15N標(biāo)記的胞嘧啶3 150個(gè)
C．W層與Z層的核苷酸數(shù)之比為1∶4
D．X層中含有的氫鍵數(shù)是Y層的3倍
B　[DNA分子的復(fù)制是半保留復(fù)制，復(fù)制3次后，共有8個(gè)DNA分子，其中有2個(gè)DNA分子的一條鏈含有14N，另一條鏈含有15N，另外6個(gè)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(cuò)誤；一個(gè)DNA分子中含有A(腺嘌呤)＝T＝3 000×35%＝1 050(個(gè))，G＝C＝(3 000－1 050×2)/2＝450(個(gè))，解旋酶解旋再離心后，含14N的2條鏈位于Z層，含15N的14條鏈位于W層，相當(dāng)于7個(gè)完整DNA分子的量，故W層中含15N標(biāo)記的胞嘧啶是450×7＝3 150(個(gè))，B正確；W層與Z層的核苷酸數(shù)之比為7∶1，C錯(cuò)誤；X層中含有的氫鍵數(shù)與Y層的氫鍵數(shù)比為2∶6，即Y層中含有的氫鍵數(shù)是X層的3倍，D錯(cuò)誤。]
2．若將胡蘿卜細(xì)胞置于含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養(yǎng)液中，培養(yǎng)至第二次分裂中期。下列敘述正確的是(　　)
A．每條染色體中的兩條染色單體均含3H
B．每個(gè)DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈均含3H
C．每個(gè)DNA分子中均只有一條脫氧核苷酸鏈含3H
D．每條染色單體均只有一個(gè)DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈含3H
A　[DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，將胡蘿卜細(xì)胞置于含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養(yǎng)液中，第二次分裂DNA復(fù)制后，會(huì)出現(xiàn)有一條鏈被3H標(biāo)記的雙鏈DNA和雙鏈都被3H標(biāo)記的雙鏈DNA，這種情況下，一個(gè)雙鏈DNA參與構(gòu)成一條染色單體，故每條染色單體都含有3H標(biāo)記，A項(xiàng)正確；第二次分裂中期，既會(huì)出現(xiàn)兩條脫氧核苷酸鏈均含3H的DNA分子，也會(huì)出現(xiàn)只有一條脫氧核苷酸鏈含3H的DNA分子，B項(xiàng)、C項(xiàng)、D項(xiàng)均錯(cuò)誤。]
[課堂小結(jié)]
知 識(shí) 網(wǎng) 絡(luò) 構(gòu) 建 核 心 語(yǔ) 句 背 誦
1．在新合成的每個(gè)DNA分子中，都保留了原來(lái)DNA分子中的一條鏈，因此，這種復(fù)制方式被稱(chēng)為DNA分子半保留復(fù)制。
2.DNA復(fù)制需要以DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈為模板、4種脫氧核苷酸做原料以及酶和能量的參與。
3.DNA復(fù)制的特點(diǎn)是邊解旋邊復(fù)制和半保留復(fù)制。
4.DNA分子獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)，為復(fù)制提供了精確的模板；通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)，保證了復(fù)制能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行。
5.DNA通過(guò)半保留復(fù)制，保持了遺傳信息代代傳遞的連續(xù)性。
1．(多選)下列有關(guān)探究DNA復(fù)制過(guò)程的說(shuō)法，正確的是(　　)
A．實(shí)驗(yàn)利用了同位素示蹤法
B．細(xì)胞有絲分裂一次意味著DNA復(fù)制一次
C．密度梯度超速離心后，DNA在試管中的位置與相對(duì)分子質(zhì)量無(wú)關(guān)
D．實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了DNA具有半保留復(fù)制的特點(diǎn)
ABD　[探究DNA復(fù)制的實(shí)驗(yàn)利用15N標(biāo)記親代細(xì)胞的DNA，在含14N的培養(yǎng)液中連續(xù)分裂兩次(在每次分裂的間期DNA都復(fù)制一次)，分別取分裂一次和分裂兩次的細(xì)胞DNA，進(jìn)行密度梯度超速離心，DNA在試管中的位置取決于DNA分子所含同位素的情況，即相對(duì)分子質(zhì)量的大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了DNA具有半保留復(fù)制的特點(diǎn)。]
2．如圖表示細(xì)胞核內(nèi)某生理過(guò)程，其中a、b、c、d表示脫氧核苷酸鏈。以下說(shuō)法正確的是(　　)
A．此過(guò)程需要能量和尿嘧啶脫氧核苷酸
B．真核細(xì)胞中此過(guò)程發(fā)生的唯一場(chǎng)所是細(xì)胞核
C．正常情況下，a、d鏈都應(yīng)該到不同的細(xì)胞中去
D．b鏈中(A＋G)/(T＋C)的值一定與c鏈中的相同
C　[DNA分子中不存在尿嘧啶脫氧核苷酸，A項(xiàng)錯(cuò)誤；真核生物細(xì)胞中，DNA復(fù)制可以發(fā)生在細(xì)胞核、線粒體和葉綠體中，B項(xiàng)錯(cuò)誤；a、d兩條鏈分布到兩個(gè)DNA分子中，DNA分子經(jīng)過(guò)復(fù)制后平均分配給兩個(gè)子細(xì)胞，因此正常情況下a、d鏈應(yīng)該到不同的細(xì)胞中去，C項(xiàng)正確；由題圖可知b鏈中(A＋G)/(T＋C)的值與c鏈中的不相同，互為倒數(shù)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。]
3．某一個(gè)DNA分子中，A為200個(gè)，復(fù)制n次后，消耗周?chē)h(huán)境中含A的脫氧核苷酸3 000個(gè)，則該DNA分子已經(jīng)復(fù)制了幾次(　　)
A．4次　　　B．3次　　　C．5次　　　D．6次
A　[利用DNA復(fù)制規(guī)律可知，經(jīng)過(guò)n次復(fù)制利用腺嘌呤脫氧核苷酸數(shù)目為3 000＝(2n－1)·200，得n＝4。]
4．DNA分子能夠自我復(fù)制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是(　　)
A．DNA具有獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)
B．配對(duì)的脫氧核苷酸之間連接成與母鏈互補(bǔ)的子鏈
C．磷酸和脫氧核苷酸交替排列的順序穩(wěn)定不變
D．DNA分子具有多樣性和特異性
A　[DNA獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制提供了精確的模板，而堿基互補(bǔ)配對(duì)原則保證了復(fù)制能準(zhǔn)確無(wú)誤地進(jìn)行。]
5．如圖為真核細(xì)胞DNA復(fù)制過(guò)程模式圖，請(qǐng)根據(jù)圖示過(guò)程回答下列問(wèn)題：
(1)由圖示得知，1個(gè)DNA分子復(fù)制出乙、丙2個(gè)DNA分子，其方式是______________。
(2)DNA解旋酶能使雙鏈DNA解開(kāi)，但需要細(xì)胞提供_________。從圖中可以看出合成的兩條子鏈的方向是________(填“相同”或“相反”)的。
(3)真核細(xì)胞中DNA復(fù)制的場(chǎng)所是______________等；細(xì)胞分裂過(guò)程中，在復(fù)制完成后，乙、丙分開(kāi)的時(shí)期為_(kāi)_____________。
(4)DNA分子通過(guò)復(fù)制，將_______從親代傳給了子代，從而保持了________________的連續(xù)性。
[解析]　(1)DNA復(fù)制的方式是半保留復(fù)制，其特點(diǎn)是邊解旋邊復(fù)制。 (2)解旋過(guò)程需要細(xì)胞提供能量；DNA的兩條脫氧核苷酸鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械年P(guān)系，那么以這兩條鏈為模板合成的子鏈的方向也應(yīng)該是相反的。 (3)真核細(xì)胞內(nèi)DNA分子復(fù)制的場(chǎng)所有細(xì)胞核、線粒體和葉綠體等；復(fù)制后的DNA分子分別存在于兩條染色單體中，染色單體分開(kāi)發(fā)生的時(shí)期為有絲分裂后期和減數(shù)第二次分裂后期。 (4)DNA分子復(fù)制的意義是將遺傳信息從親代傳給子代，從而保持了遺傳信息的連續(xù)性。
[答案]　(1)半保留復(fù)制　(2)能量(ATP)　相反 (3)細(xì)胞核、線粒體和葉綠體　有絲分裂后期、減數(shù)第二次分裂后期　(4)遺傳信息　遺傳信息

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