3.3 DNA的复制学案

3.3 DNA的复制学案
【学习目标】
1.生命观念——结合DNA双螺旋结构模型，运用结构与功能观和物质与能量观，阐明DNA分子通过复制，传递遗传信息。
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——运用假说一演绎法，探究DNA分子的复制方式为半保留复制。
4.科学思维——分析相关资料，得出基因通常是有遗传效应的DNA片段。
【学习重难点】
（1）教学重点：DNA复制的条件、过程及特点。
（2）教学难点：DNA复制的过程，特别是半保留复制。
【预习新知】
对DNA复制的推测
(1)提出者：________。
(2)假说内容：
①解旋：DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的________断裂。
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，这种复制方式称作________。
DNA半保留复制的实验证据
(1)实验材料：__大肠杆菌__。
(2)实验方法：运用了__同位素标记__技术。
(3)实验过程
(4)实验结果
①复制一次产生的DNA分子中，一条链含14N，另一条链含15N，DNA分子密度居中。
②复制两次产生的DNA分子中，有两个DNA分子双链均含14N，另两个DNA分子中一条链含15N，另一条链含14N。
(5)实验结论：DNA的复制方式为__半保留复制__。
DNA复制的过程
1.DNA复制的概念：DNA的复制是指以 为模板合成子代DNA的过程。
2.DNA复制的时间：在真核生物中，这一过程是在细胞分裂前的 ，随着染色体的复制而完成的。
3.DNA复制的原则： 。
4.DNA复制的结果：复制结束后，一个DNA分子就形成了 个完全相同的DNA分子。
5.DNA复制的特点：DNA复制是一个 的过程。
6.DNA复制的条件：
（1）模板：两条母链
（2）原料：
（3）能量：细胞提供的能量（ATP）
（4）酶： 、 等。
7.DNA能够准确复制的原因：DNA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。
8.DNA复制的意义：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 的连续性。
【易错提示】
（1）沃森和克里克证明DNA分子复制方式是半保留复制（ ）
（2）证明DNA半保留复制的实验运用了同位素标记技术和离心技术（ ）
（3）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（ ）
（4）DNA双螺旋全部解开后，再开始进行DNA复制（ ）
（5）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（ ）
答案：
（1）×
（2）√
（3）√
（4）×
（5）√
【深化探究】
探究点一　DNA的复制
1.根据图1、图2思考下列问题：
（1）图1中进行的是什么过程？发生的时期和场所是什么？
提示：DNA复制；有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期，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？abcd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，因为两条母链进入到两个子代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：碱基序列可能会发生改变，使后代DNA分子与亲代DNA分子不同，遗传信息发生改变。
2. 如图为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图，请据图分析DNA复制效率较高的原因。
提示：（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。
【探究应用】
下列关于DNA复制的叙述中，正确的是（　　）
A.DNA的复制只发生于有丝分裂间期
B.DNA的复制只能发生于细胞核中
C.DNA的复制需要解旋酶和DNA聚合酶，原料是八种游离的核苷酸
D.DNA复制有精确的模板并严格遵守碱基互补配对原则，所以能准确地将遗传信息传递给子代
解析　DNA的复制发生于有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期，A错误；DNA复制也可以发生于线粒体和叶绿体中，B错误；DNA的复制原料是四种游离的脱氧核苷酸，C错误；DNA复制有精确的模板，并严格遵守碱基互补配对原则，所以DNA中的遗传信息可以准确地传递给后代，D正确。
答案　D
【一题多变】
（1）在DNA复制过程中需要解旋酶和DNA聚合酶，这两种酶的作用分别是什么？
提示：解旋酶的作用是将两条脱氧核苷酸链打开，DNA聚合酶的作用是将单个的脱氧核苷酸连接到3′端。
（2）DNA的复制为什么需要适宜的温度和pH
提示：因为DNA复制过程需要酶，而酶的活性受温度和pH的影响。
项目 具体内容
复制时间 有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期
复制场所 细胞核（线粒体和叶绿体）
需要条件 （1）模板：解旋后的两条DNA单链 （2）原料：4种脱氧核苷酸 （3）能量：ATP中的化学能 （4）酶：解旋酶、DNA聚合酶等
复制模型
复制过程 （1）解旋：在解旋酶的作用下，把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4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绕成双螺旋结构，从而形成2个与亲代DNA完全相同的子代DNA分子
复制特点 （1）半保留复制　（2）边解旋边复制 （3）多起点复制　（4）双向复制
复制结果 形成两个完全相同的DNA分子，每个DNA分子的两条链中一条为母链，一条为子链
复制意义 通过复制，将遗传信息从亲代传递给子代，保持了遗传信息的连续性
探究点二　与DNA复制相关的计算
如图为DNA的连续复制过程，请分析回答：
（1）第一代中的DNA分子体现了什么DNA复制方式？若子代DNA分子中有一个两条链都为14N，一个两条链都为15N，又是什么复制方式？
提示：半保留复制；全保留复制。
（2）第n代中，含有亲代链的DNA分子数为多少？不含亲代链的DNA分子数为多少？含有子代链的DNA分子数呢？
提示：2个，2n－2个，2n个。
（3）第n代中，亲代脱氧核苷酸链数为几条？新合成的脱氧核苷酸链数为多少条？
提示：2条，2n＋1－2条。
（4）假如一个DNA分子中有m个腺嘌呤（A），则该DNA分子复制n次需要多少个腺嘌呤？第n次复制需要多少个腺嘌呤？
提示：（2n－1）·m；2n－1·m。
【探究应用】
假如某大肠杆菌的DNA分子用15N标记后其相对分子质量为a，用14N标记后其相对分子质量为b。现将用15N标记后的大肠杆菌，培养在含有14N的培养基中，则子一代、子二代的DNA分子平均相对分子质量分别为（　　）
A.（a＋b）/2；（a＋3b）/4
B.a＋b；a＋3b
C.（a＋b）/2；（a＋b）/2
D.a＋b；（a＋b）/3
解析　在子一代的两个DNA分子中，都是一条单链含有14N，一条单链含有15N，所以每个DNA分子的平均相对分子质量为（a＋b）/2；在子二代的四个DNA分子中，有两个只含有14N，另两个是一条单链含有15N、一条单链含有14N，所以平均相对分子质量为[（a＋b）＋2b]/4＝（a＋3b）/4。
答案　A
【一题多变】
（1）假如两条链都含15N为重链，两条链都含14N为轻链，两条链中一条含15N一条含14N为中链。则本题中子一代和子二代分别出现几条带？每条带所占的比例是多少？
提示：子一代中只有一条带，全部是中链；子二代中有轻链和中链两条带，各占1/2。
（2）随着复制次数的增加，中链和轻链所占的比例有何变化规律？
提示：中链所占的比例逐渐减小，轻链所占的比例逐渐增大。
1.脱氧核苷酸链数的计算
（1）子代DNA分子中脱氧核苷酸总链数＝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。
2.所需脱氧核苷酸数的计算
若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，则：
（1）经过n次复制，共需消耗游离的该脱氧核苷酸m·（2n－1）个。
（2）第n次复制时，需消耗游离的该脱氧核苷酸m·2n－1个。
3.与染色体、细胞数目相关的计算
研究DNA分子的半保留复制时，常涉及计算后代带放射性标记的DNA、染色体或细胞所占比例的问题，此时要注意：
（1）一个DNA分子含两条DNA链，只要有一条DNA链带标记该DNA分子便带标记。
（2）每条染色体含一个或两个DNA分子，只要有一条DNA链带标记便带标记。
（3）每个细胞含多条染色体，每条染色体的情况是一样的，只需分析一条染色体（减数分裂时只需分析一对同源染色体）即可。
【巩固训练】
1.如图表示DNA复制过程示意图，①代表参与DNA复制过程的一种酶，②③④分别代表一条链，a和b为经复制得到的两个DNA。下列叙述错误的是( )
A.①是解旋酶，其参与的过程会消耗能量
B.两条子链的延伸方向都是从5'端到3'端
C.图中③链上的碱基排列顺序一般和④链相同
D.a和b在减数分裂Ⅰ末期分别进入两个子细胞
2.玉米条纹病毒的遗传物质是单链环状DNA分子。下图为该病毒DNA在玉米细胞内的复制过程。相关叙述正确是( )
A.复制时A与U、G与C进行配对
B.复制时以四种脱氧核糖核苷酸为原料
C.形成子代DNA时亲本DNA边解旋边复制
D.新合成的互补链是子代病毒的遗传物质
3.PCR是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术，与人体细胞内DNA分子复制相比，下列有关叙述错误的是( )
A.都遵循碱基互补配对原则 B.DNA聚合酶作用的最适温度不同
C.都是边解旋边复制的过程 D.复制方式都是半保留复制
4.下图为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图，有关叙述正确的是( )
A.图中DNA分子复制是从多个起点同时开始的
B.DNA复制时子链是从子链的5’端向3’端延伸的
C.图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的
D.真核生物的这种复制方式提高了复制速率
5.1958年，科学家设计了DNA复制的同位素示踪实验，实验的培养条件与方法是（1）在含15N的培养基中培养若干代，使DNA均被15N标记，离心结果如图甲；（2）转至含14N的培养基培养，每20分钟繁殖一代；（3）取出每代大肠杆菌的DNA样本，离心。图乙、丙、丁是某学生画的结果示意图。下列有关推论，正确的是( )
A.出现丁的结果需要60分钟
B.乙是转入14N培养基中繁殖一代的结果
C.转入培养基中繁殖三代后含有14N的DNA占3/4
D.图丙的结果出现后，将此时的DNA热变性后离心分析可得出半保留复制的结论
参考答案
1.答案：D
解析：①是解旋酶，其作用是使碱基对之间的氢键断裂，DNA的解旋过程消耗能量，A正确；DNA复制过程中，两条子链的延伸方向都是从5'端到3'端，B正确；图中③链是以②链为模板生成的子链，其碱基排列顺序一般和②链的互补链④链相同，C正确；a和b分布于一条染色体的两条姐妹染色单体上，而姐妹染色单体的分离发生在减数分裂Ⅱ的后期，在减数分裂Ⅱ的末期，由这两条染色单体分开得到的两条染色体分别进入两个子细胞，D错误。
2.答案：B
解析：A、DNA复制时，根据碱基互补配对原则，A和T配对，C和G配对，A错误； B、DNA复制时，以四种脱氧核糖核苷酸为原料，B正确； C、以正链为模板合成双链DNA分子时，因为是单链不需要解旋，C错误； D、新合成的互补链与亲本碱基序列不同，不是子代病毒的遗传物质，D错误。故选：B。
3.答案：C
解析：利用PCR技术扩增目的基因的前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物，扩增的过程是目的基因受热变性后解为单链，引物与单链相应互补序列结合，然后以单链DNA为模板，在DNA聚合酶作用下延伸，如此重复循环多次，因此在PCR过程中并没有边解旋边复制，但人体细胞内DNA分子是边解旋边复制的，C错误；人体细胞内和PCR过程中DNA分子复制都遵循碱基互补配对原则，都为半保留复制，A、D正确；人体细胞内DNA分子复制所用的DNA聚合酶的最适温度是37 ℃左右，而PCR过程中用的是耐高温的DNA聚合酶，这两种DNA聚合酶作用的最适温度不同，B正确。
4.答案：BCD
解析：A、图中有3个复制起点，可以看出DNA分子复制是从多个起点开始的，但3个起点复制长度不一样，所以不是同时开始的，A错误；B、DNA复制时子链的延伸方向是从子链的5'端向3'端延伸，B正确；C、图中每个复制起点都是向两边延伸，说明DNA分子复制是边解旋边双向复制的，C正确；D、真核生物的多起点、双向复制的复制方式提高了复制速率，D正确。故选BCD。
5.答案：D
解析：本题考查DNA半保留复制的实验证据。由题意可知，含15N的样品比14N样品重，只含15N的样品离心后处在离心管的下方，图甲是在15N培养基中培养的结果，为重带；转入含14N的培养基后，由于DNA的半保留复制，繁殖一代后全部DNA均为一条链含15N，一条链含14N，离心后处于离心管中部，为中带，与图丙结果吻合；繁殖两代后，一条链含15N、一条链含14N的DNA占50%，两条链均含14N的DNA占50%，为中带和轻带，与图丁结果吻合；繁殖三代后，一条链含15N、一条链含14N的DNA占25%，两条链均含14N的DNA占1-25%=75%。结合上述分析可知，出现丁的结果需要繁殖两代，所以时间为40分钟，A错误；图乙的结果不会出现，转入14N培养基繁殖一代应为图丙的结果，B错误；1个两条链均被15N标记的DNA分子转入14N培养基中繁殖三代后含有15N的DNA分子有2个，而所有DNA分子中都含有14N，C错误；图丙的结果出现后，将此时的DNA热变性后离心，发现有一半的DNA链位于轻带，另一半位于重带，即一半含14N，分析可得出DNA半保留复制的结论，D正确。