資源簡介

3.3 DNA的復制學案
【學習目標】
1.生命觀念——結合DNA雙螺旋結構模型，運用結構與功能觀和物質與能量觀，闡明DNA分子通過復制，傳遞遺傳信息。
2.科學思維——分析DNA復制過程，歸納DNA復制過程中相關數量計算，提高邏輯分析和計算能力。
3.科學探究——運用假說一演繹法，探究DNA分子的復制方式為半保留復制。
4.科學思維——分析相關資料，得出基因通常是有遺傳效應的DNA片段。
【學習重難點】
（1）教學重點：DNA復制的條件、過程及特點。
（2）教學難點：DNA復制的過程，特別是半保留復制。
【預習新知】
對DNA復制的推測
(1)提出者：________。
(2)假說內容：
①解旋：DNA復制時，DNA雙螺旋解開，互補的堿基之間的________斷裂。
③特點：新合成的每個DNA分子中，都保留了原來DNA分子中的一條鏈，這種復制方式稱作________。
DNA半保留復制的實驗證據
(1)實驗材料：__大腸桿菌__。
(2)實驗方法：運用了__同位素標記__技術。
(3)實驗過程
(4)實驗結果
①復制一次產生的DNA分子中，一條鏈含14N，另一條鏈含15N，DNA分子密度居中。
②復制兩次產生的DNA分子中，有兩個DNA分子雙鏈均含14N，另兩個DNA分子中一條鏈含15N，另一條鏈含14N。
(5)實驗結論：DNA的復制方式為__半保留復制__。
DNA復制的過程
1.DNA復制的概念：DNA的復制是指以 為模板合成子代DNA的過程。
2.DNA復制的時間：在真核生物中，這一過程是在細胞分裂前的 ，隨著染色體的復制而完成的。
3.DNA復制的原則： 。
4.DNA復制的結果：復制結束后，一個DNA分子就形成了 個完全相同的DNA分子。
5.DNA復制的特點：DNA復制是一個 的過程。
6.DNA復制的條件：
（1）模板：兩條母鏈
（2）原料：
（3）能量：細胞提供的能量（ATP）
（4）酶： 、 等。
7.DNA能夠準確復制的原因：DNA獨特的雙螺旋結構，為復制提供了精確的模板，通過堿基互補配對，保證了復制能夠準確地進行。
8.DNA復制的意義：DNA通過復制，將遺傳信息從親代細胞傳遞給子代細胞，從而保持了 的連續性。
【易錯提示】
（1）沃森和克里克證明DNA分子復制方式是半保留復制（ ）
（2）證明DNA半保留復制的實驗運用了同位素標記技術和離心技術（ ）
（3）DNA解旋后的每一條脫氧核苷酸鏈都可以作為DNA復制的模板（ ）
（4）DNA雙螺旋全部解開后，再開始進行DNA復制（ ）
（5）在DNA復制過程中，解旋酶破壞的是氫鍵，不能將DNA分解成脫氧核苷酸（ ）
答案：
（1）×
（2）√
（3）√
（4）×
（5）√
【深化探究】
探究點一　DNA的復制
1.根據圖1、圖2思考下列問題：
（1）圖1中進行的是什么過程？發生的時期和場所是什么？
提示：DNA復制；有絲分裂間期和減數第一次分裂前的間期，無絲分裂也有DNA復制。真核生物DNA復制的場所有細胞核、線粒體、葉綠體；原核生物DNA復制的場所主要是擬核。
（2）圖1中的酶1和酶2分別是什么酶？分別作用于圖2中的哪個部位？abcd四條脫氧核苷酸鏈中，哪些鏈的堿基排列順序是相同的？
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的堿基排列順序相同，b和d的堿基排列順序相同。
（3）從圖1中是否可以看出DNA復制是半保留復制？為什么？圖1所示的特點還有什么？可用什么方法檢測母鏈和子鏈？
提示：可以，因為兩條母鏈進入到兩個子代DNA分子中，新形成的子代DNA分子中只有一條鏈是親代的母鏈。圖中還能看出DNA分子是邊解旋邊復制；可采用同位素標記法檢測母鏈、子鏈。
（4）DNA分子復制受到各種外界因素的干擾時，堿基序列會發生變化嗎？
提示：堿基序列可能會發生改變，使后代DNA分子與親代DNA分子不同，遺傳信息發生改變。
2. 如圖為真核生物染色體上DNA分子復制過程示意圖，請據圖分析DNA復制效率較高的原因。
提示：（1）從多個起點開始進行復制；（2）邊解旋邊復制；（3）每個起點都是同時向兩個方向進行復制。
【探究應用】
下列關于DNA復制的敘述中，正確的是（　　）
A.DNA的復制只發生于有絲分裂間期
B.DNA的復制只能發生于細胞核中
C.DNA的復制需要解旋酶和DNA聚合酶，原料是八種游離的核苷酸
D.DNA復制有精確的模板并嚴格遵守堿基互補配對原則，所以能準確地將遺傳信息傳遞給子代
解析　DNA的復制發生于有絲分裂間期和減數第一次分裂前的間期，A錯誤；DNA復制也可以發生于線粒體和葉綠體中，B錯誤；DNA的復制原料是四種游離的脫氧核苷酸，C錯誤；DNA復制有精確的模板，并嚴格遵守堿基互補配對原則，所以DNA中的遺傳信息可以準確地傳遞給后代，D正確。
答案　D
【一題多變】
（1）在DNA復制過程中需要解旋酶和DNA聚合酶，這兩種酶的作用分別是什么？
提示：解旋酶的作用是將兩條脫氧核苷酸鏈打開，DNA聚合酶的作用是將單個的脫氧核苷酸連接到3′端。
（2）DNA的復制為什么需要適宜的溫度和pH
提示：因為DNA復制過程需要酶，而酶的活性受溫度和pH的影響。
項目 具體內容
復制時間 有絲分裂的間期和減數第一次分裂前的間期
復制場所 細胞核（線粒體和葉綠體）
需要條件 （1）模板：解旋后的兩條DNA單鏈 （2）原料：4種脫氧核苷酸 （3）能量：ATP中的化學能 （4）酶：解旋酶、DNA聚合酶等
復制模型
復制過程 （1）解旋：在解旋酶的作用下，把兩條螺旋的雙鏈解開 （2）合成子鏈：以解開的每一條母鏈為模板，以游離的4種脫氧核苷酸為原料，遵循堿基互補配對原則，在有關酶的作用下，各自合成與母鏈互補的子鏈 （3）形成子代DNA：每條子鏈與其對應的母鏈盤繞成雙螺旋結構，從而形成2個與親代DNA完全相同的子代DNA分子
復制特點 （1）半保留復制　（2）邊解旋邊復制 （3）多起點復制　（4）雙向復制
復制結果 形成兩個完全相同的DNA分子，每個DNA分子的兩條鏈中一條為母鏈，一條為子鏈
復制意義 通過復制，將遺傳信息從親代傳遞給子代，保持了遺傳信息的連續性
探究點二　與DNA復制相關的計算
如圖為DNA的連續復制過程，請分析回答：
（1）第一代中的DNA分子體現了什么DNA復制方式？若子代DNA分子中有一個兩條鏈都為14N，一個兩條鏈都為15N，又是什么復制方式？
提示：半保留復制；全保留復制。
（2）第n代中，含有親代鏈的DNA分子數為多少？不含親代鏈的DNA分子數為多少？含有子代鏈的DNA分子數呢？
提示：2個，2n－2個，2n個。
（3）第n代中，親代脫氧核苷酸鏈數為幾條？新合成的脫氧核苷酸鏈數為多少條？
提示：2條，2n＋1－2條。
（4）假如一個DNA分子中有m個腺嘌呤（A），則該DNA分子復制n次需要多少個腺嘌呤？第n次復制需要多少個腺嘌呤？
提示：（2n－1）·m；2n－1·m。
【探究應用】
假如某大腸桿菌的DNA分子用15N標記后其相對分子質量為a，用14N標記后其相對分子質量為b。現將用15N標記后的大腸桿菌，培養在含有14N的培養基中，則子一代、子二代的DNA分子平均相對分子質量分別為（　　）
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　在子一代的兩個DNA分子中，都是一條單鏈含有14N，一條單鏈含有15N，所以每個DNA分子的平均相對分子質量為（a＋b）/2；在子二代的四個DNA分子中，有兩個只含有14N，另兩個是一條單鏈含有15N、一條單鏈含有14N，所以平均相對分子質量為[（a＋b）＋2b]/4＝（a＋3b）/4。
答案　A
【一題多變】
（1）假如兩條鏈都含15N為重鏈，兩條鏈都含14N為輕鏈，兩條鏈中一條含15N一條含14N為中鏈。則本題中子一代和子二代分別出現幾條帶？每條帶所占的比例是多少？
提示：子一代中只有一條帶，全部是中鏈；子二代中有輕鏈和中鏈兩條帶，各占1/2。
（2）隨著復制次數的增加，中鏈和輕鏈所占的比例有何變化規律？
提示：中鏈所占的比例逐漸減小，輕鏈所占的比例逐漸增大。
1.脫氧核苷酸鏈數的計算
（1）子代DNA分子中脫氧核苷酸總鏈數＝2n＋1條；
（2）親代脫氧核苷酸鏈數＝2條；
（3）新合成的脫氧核苷酸鏈數＝（2n＋1－2）條。
2.所需脫氧核苷酸數的計算
若一親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個，則：
（1）經過n次復制，共需消耗游離的該脫氧核苷酸m·（2n－1）個。
（2）第n次復制時，需消耗游離的該脫氧核苷酸m·2n－1個。
3.與染色體、細胞數目相關的計算
研究DNA分子的半保留復制時，常涉及計算后代帶放射性標記的DNA、染色體或細胞所占比例的問題，此時要注意：
（1）一個DNA分子含兩條DNA鏈，只要有一條DNA鏈帶標記該DNA分子便帶標記。
（2）每條染色體含一個或兩個DNA分子，只要有一條DNA鏈帶標記便帶標記。
（3）每個細胞含多條染色體，每條染色體的情況是一樣的，只需分析一條染色體（減數分裂時只需分析一對同源染色體）即可。
【鞏固訓練】
1.如圖表示DNA復制過程示意圖，①代表參與DNA復制過程的一種酶，②③④分別代表一條鏈，a和b為經復制得到的兩個DNA。下列敘述錯誤的是( )
A.①是解旋酶，其參與的過程會消耗能量
B.兩條子鏈的延伸方向都是從5'端到3'端
C.圖中③鏈上的堿基排列順序一般和④鏈相同
D.a和b在減數分裂Ⅰ末期分別進入兩個子細胞
2.玉米條紋病毒的遺傳物質是單鏈環狀DNA分子。下圖為該病毒DNA在玉米細胞內的復制過程。相關敘述正確是( )
A.復制時A與U、G與C進行配對
B.復制時以四種脫氧核糖核苷酸為原料
C.形成子代DNA時親本DNA邊解旋邊復制
D.新合成的互補鏈是子代病毒的遺傳物質
3.PCR是一項在生物體外復制特定DNA片段的核酸合成技術，與人體細胞內DNA分子復制相比，下列有關敘述錯誤的是( )
A.都遵循堿基互補配對原則 B.DNA聚合酶作用的最適溫度不同
C.都是邊解旋邊復制的過程 D.復制方式都是半保留復制
4.下圖為真核生物染色體上DNA分子復制過程示意圖，有關敘述正確的是( )
A.圖中DNA分子復制是從多個起點同時開始的
B.DNA復制時子鏈是從子鏈的5’端向3’端延伸的
C.圖中DNA分子復制是邊解旋邊雙向復制的
D.真核生物的這種復制方式提高了復制速率
5.1958年，科學家設計了DNA復制的同位素示蹤實驗，實驗的培養條件與方法是（1）在含15N的培養基中培養若干代，使DNA均被15N標記，離心結果如圖甲；（2）轉至含14N的培養基培養，每20分鐘繁殖一代；（3）取出每代大腸桿菌的DNA樣本，離心。圖乙、丙、丁是某學生畫的結果示意圖。下列有關推論，正確的是( )
A.出現丁的結果需要60分鐘
B.乙是轉入14N培養基中繁殖一代的結果
C.轉入培養基中繁殖三代后含有14N的DNA占3/4
D.圖丙的結果出現后，將此時的DNA熱變性后離心分析可得出半保留復制的結論
參考答案
1.答案：D
解析：①是解旋酶，其作用是使堿基對之間的氫鍵斷裂，DNA的解旋過程消耗能量，A正確；DNA復制過程中，兩條子鏈的延伸方向都是從5'端到3'端，B正確；圖中③鏈是以②鏈為模板生成的子鏈，其堿基排列順序一般和②鏈的互補鏈④鏈相同，C正確；a和b分布于一條染色體的兩條姐妹染色單體上，而姐妹染色單體的分離發生在減數分裂Ⅱ的后期，在減數分裂Ⅱ的末期，由這兩條染色單體分開得到的兩條染色體分別進入兩個子細胞，D錯誤。
2.答案：B
解析：A、DNA復制時，根據堿基互補配對原則，A和T配對，C和G配對，A錯誤； B、DNA復制時，以四種脫氧核糖核苷酸為原料，B正確； C、以正鏈為模板合成雙鏈DNA分子時，因為是單鏈不需要解旋，C錯誤； D、新合成的互補鏈與親本堿基序列不同，不是子代病毒的遺傳物質，D錯誤。故選：B。
3.答案：C
解析：利用PCR技術擴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，以便根據這一序列合成引物，擴增的過程是目的基因受熱變性后解為單鏈，引物與單鏈相應互補序列結合，然后以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶作用下延伸，如此重復循環多次，因此在PCR過程中并沒有邊解旋邊復制，但人體細胞內DNA分子是邊解旋邊復制的，C錯誤；人體細胞內和PCR過程中DNA分子復制都遵循堿基互補配對原則，都為半保留復制，A、D正確；人體細胞內DNA分子復制所用的DNA聚合酶的最適溫度是37 ℃左右，而PCR過程中用的是耐高溫的DNA聚合酶，這兩種DNA聚合酶作用的最適溫度不同，B正確。
4.答案：BCD
解析：A、圖中有3個復制起點，可以看出DNA分子復制是從多個起點開始的，但3個起點復制長度不一樣，所以不是同時開始的，A錯誤；B、DNA復制時子鏈的延伸方向是從子鏈的5'端向3'端延伸，B正確；C、圖中每個復制起點都是向兩邊延伸，說明DNA分子復制是邊解旋邊雙向復制的，C正確；D、真核生物的多起點、雙向復制的復制方式提高了復制速率，D正確。故選BCD。
5.答案：D
解析：本題考查DNA半保留復制的實驗證據。由題意可知，含15N的樣品比14N樣品重，只含15N的樣品離心后處在離心管的下方，圖甲是在15N培養基中培養的結果，為重帶；轉入含14N的培養基后，由于DNA的半保留復制，繁殖一代后全部DNA均為一條鏈含15N，一條鏈含14N，離心后處于離心管中部，為中帶，與圖丙結果吻合；繁殖兩代后，一條鏈含15N、一條鏈含14N的DNA占50%，兩條鏈均含14N的DNA占50%，為中帶和輕帶，與圖丁結果吻合；繁殖三代后，一條鏈含15N、一條鏈含14N的DNA占25%，兩條鏈均含14N的DNA占1-25%=75%。結合上述分析可知，出現丁的結果需要繁殖兩代，所以時間為40分鐘，A錯誤；圖乙的結果不會出現，轉入14N培養基繁殖一代應為圖丙的結果，B錯誤；1個兩條鏈均被15N標記的DNA分子轉入14N培養基中繁殖三代后含有15N的DNA分子有2個，而所有DNA分子中都含有14N，C錯誤；圖丙的結果出現后，將此時的DNA熱變性后離心，發現有一半的DNA鏈位于輕帶，另一半位于重帶，即一半含14N，分析可得出DNA半保留復制的結論，D正確。

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