第3章-基因的本質(zhì)-第3節(jié)-DNA的復(fù)制

第3節(jié)

DNA的復(fù)制預(yù)習(xí)梳理

預(yù)習(xí)檢測任務(wù)活動任務(wù)一DNA半保留復(fù)制的實驗證據(jù)任務(wù)二DNA復(fù)制的過程任務(wù)三DNA復(fù)制的相關(guān)計算備用習(xí)題學(xué)習(xí)目標(biāo)素養(yǎng)目標(biāo)

1.運用假說—演繹法探究DNA的復(fù)制方式,概述DNA通過半保留方式進行復(fù)制。

2.通過對DNA半保留復(fù)制方式的學(xué)習(xí),理解DNA的準(zhǔn)確復(fù)制是遺傳信息穩(wěn)定傳遞的基礎(chǔ)。

1.通過DNA半保留復(fù)制方式的學(xué)習(xí),形成生命的物質(zhì)觀和進化觀。

2.運用假說—演繹法探究DNA的復(fù)制方式,培養(yǎng)假說演繹的科學(xué)思維。

(1)提出者:

。

(2)假說:DNA復(fù)制方式為

。

(3)內(nèi)容①解旋:DNA復(fù)制時,DNA

解開,互補的堿基之間的

斷裂。

②復(fù)制:

分別作為復(fù)制的模板,游離的脫氧核苷酸根據(jù)

原則,通過形成

,結(jié)合到作為模板的單鏈上。

(4)結(jié)果:新合成的每個DNA分子中,都保留了原來

。

一、對DNA復(fù)制的推測預(yù)習(xí)梳理1.半保留復(fù)制沃森和克里克半保留復(fù)制氫鍵雙螺旋解開的兩條單鏈堿基互補配對氫鍵DNA分子中的一條鏈預(yù)習(xí)梳理2.全保留復(fù)制新合成的DNA復(fù)制以DNA雙鏈為模板,子代DNA的雙鏈都是

。

二、DNA半保留復(fù)制的實驗證據(jù)預(yù)習(xí)梳理1.實驗者:

。

2.實驗材料:

。

3.實驗方法:

技術(shù)和離心技術(shù)。

本實驗可以利用離心技術(shù)的原因:15N和14N是相對原子質(zhì)量不同的兩種穩(wěn)定同位素,含15N的DNA比含14N的DNA密度

,因此,利用離心技術(shù)可以在試管中分離開含有相對原子質(zhì)量不同的氮元素的DNA。

4.實驗結(jié)論:DNA的復(fù)制是以

的方式進行的。

梅塞爾森和斯塔爾大腸桿菌大同位素標(biāo)記半保留三、DNA復(fù)制的過程預(yù)習(xí)梳理1.DNA復(fù)制的概念:以

為模板合成

的過程。

2.時間:在真核生物中,這一過程是在

期隨著

的復(fù)制而完成的。

3.過程:DNA復(fù)制是一個

的過程,需要

、

、

和

等基本條件。

4.意義:將

從親代細(xì)胞傳遞給子代細(xì)胞,從而保持了

的連續(xù)性。

親代DNA子代DNA染色體細(xì)胞分裂前的間邊解旋邊復(fù)制模板原料能量酶遺傳信息遺傳信息預(yù)習(xí)檢測(1)DNA復(fù)制是以親代DNA分子的一條鏈為模板合成子代DNA的過程。

(

)(2)探究DNA復(fù)制采用的實驗方法是放射性同位素標(biāo)記法和離心技術(shù)。

(

)(3)有絲分裂和減數(shù)分裂前的間期,每個核DNA分子均會發(fā)生多次復(fù)制。

(

)×××[解析]

DNA復(fù)制是以親代DNA(的兩條鏈)為模板合成子代DNA的過程,并不是以親代DNA分子的一條鏈為模板。[解析]

探究DNA復(fù)制采用的實驗方法是同位素標(biāo)記法和離心技術(shù)。[解析]

有絲分裂和減數(shù)分裂前的間期,每個核DNA分子僅發(fā)生一次復(fù)制。預(yù)習(xí)檢測(4)DNA復(fù)制的原料為四種脫氧核苷酸。 (

)(5)DNA聚合酶催化母鏈和子鏈之間的脫氧核苷酸相連接。

(

)(6)DNA復(fù)制完成后,新形成的DNA子鏈與DNA母鏈完全不同。

(

)√××[解析]DNA復(fù)制的原料為四種脫氧核苷酸,分別為腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥嘌呤脫氧核苷酸、胸腺嘧啶脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸。[解析]

DNA聚合酶以解開的每一條母鏈為模板,以細(xì)胞中游離的4種脫氧核苷酸為原料,按照堿基互補配對原則,催化合成與母鏈互補的一條子鏈。[解析]

由于復(fù)制是以DNA的雙鏈為模板,遵循堿基互補配對原則,所以新形成的DNA子鏈與DNA模板鏈互補,與另一條母鏈相同。任務(wù)活動任務(wù)一DNA半保留復(fù)制的實驗證據(jù)【情境】

閱讀教材P53、P55DNA半保留復(fù)制的實驗證據(jù)內(nèi)容,P54“思考·討論”證明DNA半保留復(fù)制的實驗。[分析](1)實驗原理:只含15N的雙鏈DNA分子密度

(重帶),只含14N的雙鏈DNA分子密度

(輕帶),一條鏈含14N、一條鏈含15N的雙鏈DNA分子密度居中(中帶)。

輕帶:離心后在試管的上部;中帶:離心后在試管的

部;重帶:離心后在試管的

部

。

大小中下任務(wù)活動(2)實驗假設(shè):DNA分子以半保留方式復(fù)制。

(3)實驗預(yù)期:第一代離心后應(yīng)出現(xiàn)中帶DNA,第二代離心后出現(xiàn)輕帶和中帶DNA。

(4)實驗過程任務(wù)活動(5)結(jié)果分析①直接提取DNA→離心→全部位于

。

②細(xì)胞分裂一次(即細(xì)菌繁殖一代)取出:提取DNA→離心→全部位于

。

③細(xì)胞分裂兩次(即細(xì)菌繁殖兩代)取出:提取DNA→離心→

。

(6)實驗結(jié)論:DNA復(fù)制是以

的方式進行的。

重帶中帶半保留1/2位于中帶、1/2位于輕帶任務(wù)活動【資料】

沃森和克里克提出DNA分子半保留復(fù)制假說后,有人提出DNA分子全保留復(fù)制的假說,也有人提出DNA分子彌散復(fù)制的假說。彌散復(fù)制是指以親代為模板進行的部分復(fù)制,在復(fù)制過程中親本DNA雙鏈被切割成小片段,分散在新合成的兩個DNA雙鏈分子中,DNA分子復(fù)制方式的三種假說圖解如下:任務(wù)活動[分析](1)實驗中第

代的離心結(jié)果證明DNA分子復(fù)制方式不是全保留復(fù)制。

(2)第

代的實驗結(jié)果證明DNA的復(fù)制方式不是彌散復(fù)制。

一二任務(wù)活動例1DNA分子的半保留復(fù)制是指

(

)A.DNA分子中的一條鏈進行復(fù)制,另一條鏈不復(fù)制B.DNA分子中的一半復(fù)制,另一半不復(fù)制C.每一個子代DNA分子均保留了其親代DNA分子中的一條單鏈D.一個DNA分子復(fù)制后產(chǎn)生兩個DNA分子,其中一個為親代DNA分子,另一個為子代DNA分子C[解析]DNA分子復(fù)制時,分別以解開的兩條單鏈為模板,合成兩條新鏈,每條新鏈和相應(yīng)的模板鏈構(gòu)成一個新的DNA分子,因此每一個子代DNA分子均保留了其親代DNA分子中的一條單鏈,故選C。任務(wù)活動例2[2023·重慶八中月考]某生物興趣小組將大腸桿菌在含15N的培養(yǎng)基中繁殖數(shù)代后,使大腸桿菌DNA的含氮堿基都含有15N。然后再將其轉(zhuǎn)入含14N的培養(yǎng)液中培養(yǎng),提取親代及子代的DNA,離心分離,如圖①~⑤為可能的結(jié)果。下列有關(guān)敘述,錯誤的是 (

)A.該實驗運用了離心法和放射性同位素示蹤法B.根據(jù)含14N或15N的DNA離心后的位置,⑤為親代、②為子一代C.若出現(xiàn)圖中③的結(jié)果(帶寬比3∶1),則親代DNA進行了3次復(fù)制D.第一次分裂結(jié)束的子代DNA分離后若為②,可以排除全保留復(fù)制的學(xué)說A任務(wù)活動[解析]本實驗的研究方法是離心法和同位素標(biāo)記法,15N和14N不具有放射性,A錯誤。親代DNA兩條鏈均含有15N,離心后為⑤,在含14N的培養(yǎng)液中增殖一代,則形成的兩個DNA均為一條鏈含15N、一條鏈含14N,離心后為②,B正確。由子一代DNA繼續(xù)增殖,得到的子二代中共4個DNA,離心后應(yīng)為1/2中帶(14N/15N)、1/2輕帶(14N/14N),即圖①;子二代繼續(xù)增殖形成的子三代共8個DNA,兩個DNA的一條鏈含15N、一條鏈含14N,其余6個DNA的兩條鏈均含14N,離心后應(yīng)為1/4中帶(14N/15N)、3/4輕帶(14N/14N),即圖③,C正確。⑤中的DNA兩條鏈都含15N,若以此為模板在含14N的培養(yǎng)液中進行全保留復(fù)制,結(jié)果應(yīng)該是出現(xiàn)重帶和輕帶,若出現(xiàn)②,可否認(rèn)全保留復(fù)制,D正確。任務(wù)活動任務(wù)二DNA復(fù)制的過程【資料】

閱讀教材P55~P56關(guān)于DNA復(fù)制過程的內(nèi)容,分析圖DNA復(fù)制的示意圖。[分析](1)補充圖中DNA復(fù)制過程的空白內(nèi)容。解旋酶兩條鏈脫氧核苷酸兩DNA聚合酶堿基互補配對5'→3'雙螺旋任務(wù)活動(2)復(fù)制的結(jié)果:

。

(3)復(fù)制的特點:

、半保留復(fù)制。

(4)準(zhǔn)確復(fù)制的原因①DNA分子獨特的

結(jié)構(gòu),為復(fù)制提供了精確的模板。

②通過

,保證了復(fù)制能夠準(zhǔn)確地進行。

形成兩個完全相同的DNA分子邊解旋邊復(fù)制堿基互補配對雙螺旋任務(wù)活動例3下列有關(guān)DNA復(fù)制的說法,正確的是

(

)A.人體成熟的紅細(xì)胞中能發(fā)生DNA的復(fù)制B.DNA復(fù)制時,先將DNA雙鏈全部解旋然后再進行復(fù)制C.堿基互補配對和DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)有利于DNA的準(zhǔn)確復(fù)制D.宿主細(xì)胞能為病毒DNA的復(fù)制提供原料、場所、模板和酶C任務(wù)活動[解析]人體成熟的紅細(xì)胞中沒有細(xì)胞核和線粒體,不再進行分裂,所以不能發(fā)生DNA的復(fù)制,A錯誤;DNA復(fù)制時,不是先將DNA雙鏈全部解旋然后再進行復(fù)制,而是邊解旋邊復(fù)制,B錯誤;堿基互補配對和DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)有利于DNA的準(zhǔn)確復(fù)制,C正確;一般情況下,宿主細(xì)胞能為病毒DNA的復(fù)制提供原料、場所和酶,但模板是由病毒DNA提供的,D錯誤。任務(wù)活動例4[2023·河北張家口期末]DNA通過復(fù)制將親代的遺傳信息傳遞給子代,下列有關(guān)敘述正確的是(

)A.復(fù)制過程中,解旋酶和DNA酶分別作用于氫鍵和磷酸二酯鍵B.減數(shù)分裂前的間期,復(fù)制產(chǎn)生的子代DNA隨同源染色體的分開而分離C.子鏈延伸時,游離的脫氧核苷酸與脫氧核苷酸鏈的3'-端相連D.DNA復(fù)制是以全保留的方式進行的,而且是邊解旋邊復(fù)制C任務(wù)活動[解析]復(fù)制過程中,解旋酶作用于氫鍵,DNA聚合酶作用于磷酸二酯鍵,DNA復(fù)制的過程中不需要DNA酶參與,A錯誤;減數(shù)分裂前的間期,復(fù)制產(chǎn)生的子代DNA在減數(shù)第二次分裂的后期隨著姐妹染色單體的分開而分離,B錯誤;DNA復(fù)制過程中,游離的脫氧核苷酸連接到脫氧核苷酸鏈3'-端,C正確;DNA復(fù)制方式為半保留復(fù)制,D錯誤。任務(wù)活動[歸納總結(jié)]DNA復(fù)制的“一、二、三、四”一所:復(fù)制的場所主要為細(xì)胞核。二期:復(fù)制的時期為細(xì)胞分裂前的間期,即有絲分裂前的間期、減數(shù)分裂前的間期。三步:復(fù)制的步驟為解旋→復(fù)制、延伸(合成子鏈)→恢復(fù)雙螺旋,體現(xiàn)了邊解旋邊復(fù)制的特點。四條件:即任務(wù)活動任務(wù)三DNA復(fù)制的相關(guān)計算【情境】

某DNA分子用15N標(biāo)記,其復(fù)制所需原料用14N標(biāo)記,連續(xù)復(fù)制4次。[分析](1)子代DNA中含15N的DNA分子數(shù)與只含14N的DNA分子數(shù)之比是

。

(2)DNA復(fù)制n次與第n次復(fù)制各形成多少個DNA分子?

1∶7DNA復(fù)制n次形成2n個DNA分子,第n次復(fù)制形成2n-1個DNA分子。任務(wù)活動DNA復(fù)制為半保留復(fù)制,若將親代DNA分子復(fù)制n代,其結(jié)果分析如圖:(1)子代DNA分子數(shù)為2n個。①含有親代鏈的DNA分子數(shù)為2個。②不含親代鏈的DNA分子數(shù)為2n-2個。③含子代鏈的DNA有2n個。任務(wù)活動(2)子代脫氧核苷酸鏈數(shù)為2n+1條。①親代脫氧核苷酸鏈數(shù)為2條。②新合成的脫氧核苷酸鏈數(shù)為2n+1-2條。(3)消耗的脫氧核苷酸數(shù)①若一親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個,經(jīng)過n次復(fù)制需要消耗該脫氧核苷酸數(shù)為m·(2n-1)個。任務(wù)活動分析:一個親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個,經(jīng)過n次復(fù)制共產(chǎn)生子代DNA分子2n個,可知子代DNA分子中共含有該種脫氧核苷酸2n·m個,因此復(fù)制過程需要消耗該種脫氧核苷酸數(shù)為m·2n-m=m·(2n-1)個。②第n次復(fù)制所需該脫氧核苷酸數(shù)為m·2n-1個。分析:一親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個,第n次復(fù)制共合成子代DNA分子2n-1個,因此需要消耗該脫氧核苷酸數(shù)為m·2n-1個。任務(wù)活動[易錯提醒]DNA復(fù)制相關(guān)計算的3個易錯點(1)“DNA復(fù)制了n次”和“第n次復(fù)制”的區(qū)別,前者包括所有的復(fù)制,但后者只包括最后一次復(fù)制。(2)在DNA復(fù)制過程中,無論復(fù)制了幾次,含有親代脫氧核苷酸單鏈的DNA分子都只有兩個。(3)看清堿基的數(shù)目單位是“對”還是“個”,“DNA分子數(shù)”還是“鏈數(shù)”,“含”還是“只含”等關(guān)鍵詞。任務(wù)活動例5[2023·河北石家莊二中月考]某雙鏈DNA分子共有含氮堿基1400個,其中一條鏈上(A+T)∶(G+C)=2∶5。該DNA分子連續(xù)復(fù)制兩次共需游離的胸腺嘧啶脫氧核苷酸 (

)A.300個

B.400個

C.600個

D.800個C[解析]已知一條單鏈中(A+T)∶(G+C)=2∶5,則雙鏈DNA分子中(A+T)∶(G+C)=2∶5,所以雙鏈DNA分子中A+T=1400×2/7=400(個),又A=T,故T=1/2×400=200(個);該DNA分子連續(xù)復(fù)制兩次共需游離的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的數(shù)目是(22-1)×200=600(個),C正確。任務(wù)活動例6用15N標(biāo)記含有200個堿基對的DNA分子,其中有鳥嘌呤120個,該DNA分子在含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)復(fù)制4次。其結(jié)果不可能是(

)A.含有15N的DNA分子占1/8B.含有14N的DNA分子占7/8C.需消耗腺嘌呤脫氧核苷酸1200個D.復(fù)制結(jié)果是共產(chǎn)生16個DNA分子B任務(wù)活動[解析]DNA復(fù)制為半保留復(fù)制,不管該DNA分子復(fù)制幾次,最終都有2個子代DNA含15N。由題意可知,該DNA分子在含14N的培養(yǎng)基中復(fù)制4次,產(chǎn)生16個DNA分子,所以含有15N的DNA分子占1/8,A正確。由于DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制,最終只有2個子代DNA1條鏈含15N、1條鏈含14N,其余DNA都只含14N,故全部子代DNA都含14N,B錯誤。該DNA分子含有400個堿基,其中有鳥嘌呤120個,則腺嘌呤為80個,故復(fù)制過程中需消耗腺嘌呤脫氧核苷酸(24-1)×80=1200(個),C正確。復(fù)制4次后產(chǎn)生24=16(個)DNA分子,D正確。

當(dāng)堂小結(jié)

備用習(xí)題1.某一DNA分子的兩條鏈用放射性32P標(biāo)記后,在不含32P的培養(yǎng)液中連續(xù)復(fù)制3次,則子代中不含32P的DNA分子個數(shù)是 (

)A.7 B.8

C.2

D.6D[解析]根據(jù)DNA半保留復(fù)制特點,不管一個親代DNA分子復(fù)制幾次,子代DNA分子中都只有兩個含有親代DNA單鏈。因此,用32P標(biāo)記一個DNA分子的兩條鏈,讓該DNA分子在不含32P的培養(yǎng)液中連續(xù)復(fù)制3次,子代DNA分子中含32P的有2個,不含32P的DNA分子個數(shù)是8-2=6。

備用習(xí)題2.一個含500個堿基對的DNA分子片段(被15N標(biāo)記),其中一條鏈中T+A占40%。若將該DNA分子放在含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)復(fù)制3次,下列相關(guān)敘述正確的是 (

)A.該DNA分子中含有A的數(shù)目為400個B.該DNA分子的另一條鏈中T+A占60%C.子代DNA中嘌呤與嘧啶之比是1∶1D.經(jīng)3次復(fù)制后,子代DNA中含14N的單鏈占1/8C

備用習(xí)題[解析]一個含500個堿基對的DNA分子片段,其中一條鏈中T+A占40%,則整個DNA片段中T+A也占40%,又因為A=T,即A占20%,故A=500×2×20%=200(個),A錯誤;該DNA分子的一條鏈中T+A占40%,據(jù)堿基互補配對原則,則另一條鏈中T+A也占40%,B錯誤;雙鏈DNA分子中嘌呤的數(shù)目等于嘧啶的數(shù)目,C正確;經(jīng)3次復(fù)制后,共有8個DNA分子,共16條鏈,其中2條是原DNA的含15N的鏈,14條是新合成的含14N的鏈,占7/8,D錯誤。

備用習(xí)題3.如圖表示發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)的某生理過程,其中a、b、c、d表示脫氧核苷酸鏈。下列敘述正確的是 (

)A.此過程需要ATP和尿嘧啶脫氧核苷酸B.若a、d鏈中共有1000個堿基對,其中腺嘌呤占20%,該過程連續(xù)進行3次,共需要游離的鳥嘌呤脫氧核苷酸2800個C.此過程需雙鏈解旋結(jié)束后才發(fā)生子鏈的合成D.正常情況下a、d鏈都應(yīng)該到不同的細(xì)胞中去D

備用習(xí)題[解析]該過程表示的是DNA復(fù)制,需要的是4種脫氧核苷酸(含氮堿基分別為A、T、G、C),而尿嘧啶是RNA中的特有堿基,A錯誤;一個DNA分子由1000個堿基對組成,其中的腺嘌呤占20%,則鳥嘌呤占(1-20%×2)/2=30%,即鳥嘌呤脫氧核苷酸為1000×2×30%=600(個),該DNA分子復(fù)制3次共需要游離的鳥嘌呤脫氧核苷酸的數(shù)目為(23-1)×600=4200(個),B錯誤;DNA分子復(fù)制是邊解旋邊復(fù)制的過程,C錯誤;DNA復(fù)制是半保留復(fù)制,因此正常情況下a、d鏈都應(yīng)該到不同的細(xì)胞中,D正確。

備用習(xí)題4.DNA復(fù)制時子鏈從5'端到3'端延伸,合成的兩條鏈分別稱為前導(dǎo)鏈和后隨鏈,復(fù)制過程如圖所示,下列相關(guān)敘述正確的是 (

)A.DNA聚合酶作用的部位是氫鍵,DNA連接酶作用的部位是磷酸二酯鍵B.DNA聚合酶沿母鏈的3'端到5'端移動,前導(dǎo)鏈由右向左合成,后隨鏈由左向右合成C.DNA復(fù)制過程中解旋酶將兩條鏈完全解旋后進行復(fù)制,可以減少復(fù)制所需時間D.引物在前導(dǎo)鏈的合成過程中引發(fā)一次,之后可連續(xù)合成,而后隨鏈需一個引物參與B

備用習(xí)題[解析]DNA聚合酶和DNA連接酶作用的部位都是磷酸二酯鍵,A錯誤;DNA復(fù)制時,DNA聚合酶沿母鏈的3'端到5'端移動,子鏈都是由5'端到3'端方向延伸的,前導(dǎo)鏈由右向左合成,后隨鏈由左向右合成,B正確;DNA復(fù)制過程邊解旋邊復(fù)制,可以減少復(fù)制所需時間,C錯誤;DNA復(fù)制時,引物在前導(dǎo)鏈的合成過程中引發(fā)一次,則該鏈的合成是連續(xù)的,另一條后隨鏈的合成是不連續(xù)的,需多個引物參與,最后連成一條完整的DNA鏈,D錯誤。

備用習(xí)題5.某校一個生物興趣小組要進行研究性學(xué)習(xí),對生物學(xué)史上的經(jīng)典實驗進行驗證,也是研究學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。這個小組借助某大學(xué)的實驗設(shè)備,對有關(guān)DNA復(fù)制的方式進行探索,有人認(rèn)為DNA是全保留復(fù)制,也有人認(rèn)為是半保留復(fù)制。這個小組設(shè)計了下列實驗程序,請完成實驗并對結(jié)果進行預(yù)測。(1)實驗步驟:第一步:在氮源為14N的培養(yǎng)基上生長的大腸桿菌,其DNA分子均為14N-DNA分子;在氮源為15N的培養(yǎng)基上生長的大腸桿菌,其DNA分子均為15N-DNA。用某種離心方法分離得到的結(jié)果如圖所示,其DNA分別分布在輕帶和重帶上。

備用習(xí)題第二步:將親代大腸桿菌(含15N)轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基上繁殖一代(Ⅰ),請分析:如果其DNA分布的位置是

,則DNA的復(fù)制方式為全保留復(fù)制;如果DNA分布的位置是

,則是半保留復(fù)制。

第三步:為了進一步驗證第二步的推測結(jié)果,將子一代大腸桿菌轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基上再繁