2023-2024学年高一生物人教版（2019）必修第二册 学案 3.3 DNA的复制

第3节　DNA的复制
【学习目标】
1.通过对DNA复制方式的推测及对探究DNA复制方式实验的分析,再一次体会假说—演绎法。(科学思维、科学探究)
2.通过图解分析,构建DNA复制的过程,明确DNA能精确复制的原因。(生命观念、科学思维)
3.结合DNA的功能和细胞分裂,理解DNA复制的意义。(科学思维)
【自主预习】
一、对DNA复制的推测
1.半保留复制
(1)提出者:　沃森和克里克　。
(2)内容:DNA复制时,DNA双螺旋解开,互补的碱基之间的　氢键　断裂,解开的　两条单链　分别作为复制的模板,游离的　脱氧核苷酸　根据　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)结果:新合成的每个DNA分子中,都保留了原来DNA分子中的　一　条链。
2.全保留复制
概念: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.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密度介于两者之间。
2.实验过程及结果
3.关于试管中三个条带的分析
重带:两条链均只含15N,即此DNA中两条链均为亲代链。
中带:一条链含14N,另一条链含15N,即此子代DNA中只含有一条初始亲代链。
轻带:两条链均只含14N,即此子代DNA中不含亲代链。
4.实验结果
(1)细胞分裂一次产生的DNA分子中,一条链含　14N　,另一条链含　15N　,DNA分子密度　居中　。
(2)细胞再分裂一次产生的DNA分子中,有两个DNA分子的双链均只含　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　。
三、DNA复制的过程
1.DNA复制的概念:指以　亲代DNA　为模板合成　子代DNA　的过程。
2.发生时期:在真核生物中,这一过程是在　细胞分裂前的间　期,随着染色体的复制而完成的。
3.复制过程
4.复制特点
(1)　边解旋边复制　。
(2)　半保留　复制。
5.准确复制的原因
(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。
6.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　遗传信息　的连续性。
【合作探究】
任务1　对DNA复制的推测及实验验证
活动1　阅读课本P53~54,科学家假设的DNA两种复制方式如下图所示,请据图回答下列问题
1.要想证明DNA的复制方式,关键是什么
提示　关键是通过实验区分亲代与子代的DNA。
2.要在实验中直观地标记母链和子链,应采取怎样的方法
提示　同位素标记法。
3.如果用同位素进行标记,可标记什么元素
提示　可标记C、H、O、N、P。
4.实验开始时,为什么要用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌,让大肠杆菌繁殖若干代
提示　普通的大肠杆菌体内的N都是14N,用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌,让大肠杆菌繁殖多代后,可认为大肠杆菌的DNA都是15N标记的。
5.亲代大肠杆菌的DNA是用15N标记的,放在含有14NH4Cl的普通培养液中进行培养。
(1)繁殖一代后取出,第一代只出现一条居中的DNA带,这个结果排除了哪种复制方式 第二代出现了中带和轻带两条条带,说明什么
提示　全保留复制。说明DNA的复制方式为半保留复制。
(2)假如全保留复制是正确的,连续培养两代后实验的结果又会是怎样的
提示　1/4重带(15N/15N—DNA)、3/4轻带(14N/14N—DNA)。
认知生成
DNA半保留复制的实验证据
例1　(2023·河南联考)关于DNA的复制方式有三种假说:全保留复制、半保留复制和弥散复制(子代DNA的每条链都由亲代链的片段与新合成的片段随机拼接而成)。科研小组同学以细菌为材料,进行了以下两组实验来探究DNA的复制方式。下列叙述错误的是(　　)。
实验一:将14N细菌置于15N培养基中培养一代并离心。
实验二:将15N细菌置于14N培养基中连续培养两代并离心。
A.若实验一的离心结果为重带和轻带,则DNA的复制方式为全保留复制
B.若实验一的离心结果为中带,则DNA的复制方式是半保留复制
C.若实验二的离心结果为中带和轻带,则DNA的复制方式不是全保留复制
D.若实验二改为连续培养三代并离心,结果只出现一个条带,则DNA的复制方式可能为弥散复制
【答案】　B
【解析】　若实验一的离心结果为重带(两条链均为15N)和轻带(两条链均为14N),则DNA的复制方式为全保留复制,A正确;若实验一的离心结果为中带(一条链为15N,一条链为14N;或者两条链上均含有15N和14N),则DNA的复制方式是半保留复制或弥散复制,B错误;若实验二的离心结果为中带和轻带,则DNA的复制方式不可能是全保留复制,若为全保留复制,则一定有重带,C正确;若DNA的复制方式为弥散复制,则不论复制几次离心后只有一条密度带,若实验二改为连续培养三代并离心,结果只出现一个条带,则DNA的复制方式可能为弥散复制,D正确。
对点练1　细菌在15N培养基中繁殖数代后,其DNA的含氮碱基均含有15N,然后再移入14N培养基中培养,提取其子代的DNA离心,下图①~⑤为可能的结果,下列叙述错误的是(　　)。
A.第一次分裂的子代DNA应为⑤
B.第二次分裂的子代DNA应为①
C.第三次分裂的子代DNA应为③
D.亲代的DNA应为⑤
【答案】　A
【解析】　经第一次分裂所形成的子代DNA应均为15N/14N,如图②,A错误;第二次分裂的子代DNA为15N/14N和14N/14N,且数量比为1∶1,如图①,B正确;第三次分裂的子代DNA为15N/14N和14N/14N,且数量比为1∶3,如图③,C正确;亲代DNA为15N/15N,如图⑤,D正确。
任务2　探究DNA复制的过程
活动2　阅读课本P55~56,分析DNA复制的过程,结合图1、图2思考并回答下列问题
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 分别作用于图2中的哪个部位(用字母表示)
提示　酶1是解旋酶,作用是将两条脱氧核苷酸链打开;酶2是DNA聚合酶,作用是将单个的脱氧核苷酸连接起来。解旋酶作用于f,DNA聚合酶作用于e。
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和c的碱基排列顺序相同,b和d的碱基排列顺序相同。
3.DNA分子的哪些结构特点保证了其能够精确复制
提示　DNA分子独特的双螺旋结构,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。
4.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
提示　是。因为两条母链进入两个子代DNA分子中,新形成的子代DNA分子中只有一条链是来自亲代DNA的母链。从图1中还能看出DNA分子是边解旋边复制的。
5.DNA复制效率高是因为半保留复制还是因为边解旋边复制
提示　是因为边解旋边复制。
6.DNA的复制需要消耗ATP吗 为什么需要适宜的温度和pH
提示　需要。因为DNA复制过程需要酶,而酶的活性受温度和pH的影响。
7.DNA复制n次与第n次复制各形成多少个DNA
提示　DNA复制n次形成2n个DNA,DNA第n次复制形成2n-1个DNA。
认知生成
1.分析各类生物体中DNA分子复制的场所
(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。
(3)DNA病毒:宿主细胞内。
2.下图为真核生物染色体上DNA分子复制过程的示意图,据图分析,DNA复制效率较高的原因有:
(1)从多个起点开始复制。
(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的。
3.复制可简记为“1个主要场所(细胞核),2个时期(有丝分裂前的间期和减数分裂前的间期),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)”。
例2　(2023·黑龙江统考)下列关于DNA复制的叙述,正确的是(　　)。
A.方式为半保留复制
B.过程不消耗能量
C.只在细胞核内进行
D.模板为一条母链
【答案】　A
【解析】　DNA复制的过程需要消耗能量,B错误;真核生物线粒体和叶绿体中也含有DNA,DNA复制的过程主要在细胞核内进行,其次是线粒体和叶绿体,而原核生物的DNA复制在拟核、质粒进行,C错误;DNA复制的过程以亲代DNA的两条链作为模板,D错误。
对点练2　DNA复制开始时,将大肠杆菌放在含低剂量3H标记的脱氧胸苷(3H-dT)的培养基中,3H-dT可掺入正在复制的DNA分子,使其带有放射性。短时间后迅速将大肠杆菌转移到含高剂量3H-dT的培养基中。一段时间后,抽取大肠杆菌的DNA检测其放射性,结果如图。据图可以得出的结论是(　　)。
A.DNA复制从起点向两个方向延伸
B.DNA复制方式为半保留复制
C.DNA复制为边解旋边复制的过程
D.DNA复制遵循碱基互补配对原则
【答案】　A
【解析】　据图分析,DNA复制的起点位于右侧中部。刚开始进行DNA复制时利用的原料之一为低剂量3H标记的脱氧胸苷(3H-dT),此时合成的DNA片段将出现弱放射性。一段时间后,合成DNA的原料之一更换为高剂量3H-dT,此时合成的DNA片段将出现强放射性。结合实验结果,复制起点的两侧均表现为弱放射性,是最初合成的片段;远离起点的部位表现为强放射性,是较后合成的片段。因此可以得出的结论是DNA复制从起点向两个方向延伸,A正确;从图中看不出子代DNA两条链的标记情况,因此无法判断DNA复制方式是否为半保留复制,B错误;图中DNA呈双链状态,无法判断DNA复制是否为边解旋边复制的过程,C错误;图中未显示具体的碱基种类,因此无法判断DNA复制是否遵循碱基互补配对原则,D错误。
任务3　DNA复制的有关计算
活动3　一个被 15N标记的DNA分子转移到含14N的培养基中复制n代 ,结果如下图所示,从图中可以得到以下规律
DNA分子数 子代DNA分子总数 　　
含15N的DNA分子数 　　
含14N的DNA分子数 　　
只含15N的DNA分子数 　　
只含14N的DNA分子数 　　
脱氧核苷酸链数 子代DNA分子中脱氧核苷酸链数 　　
含15N的脱氧核苷酸链数 　　
含14N的脱氧核苷酸链数 　　
消耗的脱氧核 苷酸数(设亲代 DNA中含有某 种脱氧核苷酸 m个)　 　　 经过n次复制,共需消耗游离的该种脱氧核苷酸数 　　
第n次复制时,共需消耗游离的该种脱氧核苷酸数 　　
提示　2n　2　2n　0　2n-2　2n+1　2　2n+1-2　(2n-1)m　m×2n-1
认知生成
DNA复制的相关计算的两个注意点
1.分析被标记物质所占的比例时,应注意求的是DNA数还是脱氧核苷酸链数,看准是“含”还是“只含”;还应注意培养液中化学元素的不同。
2.在计算消耗的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3　(2023·济宁校考)将用15N标记的1个DNA分子放在含有14N的培养基中,让其复制3次,则含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例、含有15N的脱氧核苷酸链占全部DNA单链的比例依次是(　　)。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
A.1/2、1/4 B.1/4、1/8
C.1/4、1 D.1/8、1/8
【答案】　B
【解析】　将用15N标记的1个DNA分子放在含有14N的培养基中,让其复制3次,共形成8个子代DNA分子,共16条链,根据DNA半保留复制,其中有2个DNA分子中有一条链含有15N,其余6个DNA分子只含14N。据分析可知,含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例是2/23=1/4,含有15N的脱氧核苷酸链占全部DNA单链的比例为2/(23×2)=1/8,B符合题意。
对点练3　(2023·宁波统考)含有100个碱基对的1个DNA分子片段中,A+T占30%,如果连续复制2次,则需游离的胞嘧啶脱氧核糖核苷酸数量为(　　)。
A.280个 B.210个
C.120个 D.90个
【答案】　B
【解析】　DNA复制2次,产生4个DNA分子,相当于新合成3个。含有100个碱基对的1个DNA分子片段中,A+T占30%,所以这个DNA含30个腺嘌呤,根据碱基互补配对原则,则有30个胸腺嘧啶,而DNA中嘧啶数等于嘌呤数且各占一半,即100个,所以胞嘧啶的数量是100-30=70个,因此复制2次共需要3×70=210个胞嘧啶脱氧核苷酸,B符合题意。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
判断正误。 (1)沃森和克里克以大肠杆菌为材料,运用同位素标记技术证明DNA复制方式是半保留复制。 (×) (2)DNA双螺旋结构全部解旋后,开始DNA的复制。 (×) (3)证明DNA复制方式的实验只能用同位素标记N。 (×) (4)在证明DNA复制方式的实验中,从第一代开始细菌DNA分子中至少有一条链含14N。 (√)
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