資源簡介

第3節(jié)　DNA的復制
【學習目標】
1.通過對DNA復制方式的推測及對探究DNA復制方式實驗的分析,再一次體會假說—演繹法。(科學思維、科學探究)
2.通過圖解分析,構建DNA復制的過程,明確DNA能精確復制的原因。(生命觀念、科學思維)
3.結合DNA的功能和細胞分裂,理解DNA復制的意義。(科學思維)
【自主預習】
一、對DNA復制的推測
1.半保留復制
(1)提出者:　沃森和克里克　。
(2)內容:DNA復制時,DNA雙螺旋解開,互補的堿基之間的　氫鍵　斷裂,解開的　兩條單鏈　分別作為復制的模板,游離的　脫氧核苷酸　根據(jù)　堿基互補配對　原則,通過形成　氫鍵　,結合到作為模板的單鏈上。
(3)結果:新合成的每個DNA分子中,都保留了原來DNA分子中的　一　條鏈。
2.全保留復制
概念:指DNA復制以DNA雙鏈為模板,子代DNA的雙鏈都是　新合成的　。
二、DNA半保留復制的實驗證據(jù)
1.實驗原理:只含15N的DNA密度　大　,只含14N的DNA密度　小　,一條鏈含14N、一條鏈含15N的雙鏈DNA密度介于兩者之間。
2.實驗過程及結果
3.關于試管中三個條帶的分析
重帶:兩條鏈均只含15N,即此DNA中兩條鏈均為親代鏈。
中帶:一條鏈含14N,另一條鏈含15N,即此子代DNA中只含有一條初始親代鏈。
輕帶:兩條鏈均只含14N,即此子代DNA中不含親代鏈。
4.實驗結果
(1)細胞分裂一次產生的DNA分子中,一條鏈含　14N　,另一條鏈含　15N　,DNA分子密度　居中　。
(2)細胞再分裂一次產生的DNA分子中,有兩個DNA分子的雙鏈均只含　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　。
三、DNA復制的過程
1.DNA復制的概念:指以　親代DNA　為模板合成　子代DNA　的過程。
2.發(fā)生時期:在真核生物中,這一過程是在　細胞分裂前的間　期,隨著染色體的復制而完成的。
3.復制過程
4.復制特點
(1)　邊解旋邊復制　。
(2)　半保留　復制。
5.準確復制的原因
(1)DNA獨特的　雙螺旋　結構,為復制提供了精確的模板。
(2)通過　堿基互補配對　,保證了復制能夠準確地進行。
6.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　遺傳信息　的連續(xù)性。
【合作探究】
任務1　對DNA復制的推測及實驗驗證
活動1　閱讀課本P53~54,科學家假設的DNA兩種復制方式如下圖所示,請據(jù)圖回答下列問題
1.要想證明DNA的復制方式,關鍵是什么
提示　關鍵是通過實驗區(qū)分親代與子代的DNA。
2.要在實驗中直觀地標記母鏈和子鏈,應采取怎樣的方法
提示　同位素標記法。
3.如果用同位素進行標記,可標記什么元素
提示　可標記C、H、O、N、P。
4.實驗開始時,為什么要用含有15NH4Cl的培養(yǎng)液培養(yǎng)大腸桿菌,讓大腸桿菌繁殖若干代
提示　普通的大腸桿菌體內的N都是14N,用含有15NH4Cl的培養(yǎng)液培養(yǎng)大腸桿菌,讓大腸桿菌繁殖多代后,可認為大腸桿菌的DNA都是15N標記的。
5.親代大腸桿菌的DNA是用15N標記的,放在含有14NH4Cl的普通培養(yǎng)液中進行培養(yǎng)。
(1)繁殖一代后取出,第一代只出現(xiàn)一條居中的DNA帶,這個結果排除了哪種復制方式 第二代出現(xiàn)了中帶和輕帶兩條條帶,說明什么
提示　全保留復制。說明DNA的復制方式為半保留復制。
(2)假如全保留復制是正確的,連續(xù)培養(yǎng)兩代后實驗的結果又會是怎樣的
提示　1/4重帶(15N/15N—DNA)、3/4輕帶(14N/14N—DNA)。
認知生成
DNA半保留復制的實驗證據(jù)
例1　(2023·河南聯(lián)考)關于DNA的復制方式有三種假說:全保留復制、半保留復制和彌散復制(子代DNA的每條鏈都由親代鏈的片段與新合成的片段隨機拼接而成)。科研小組同學以細菌為材料,進行了以下兩組實驗來探究DNA的復制方式。下列敘述錯誤的是(　　)。
實驗一:將14N細菌置于15N培養(yǎng)基中培養(yǎng)一代并離心。
實驗二:將15N細菌置于14N培養(yǎng)基中連續(xù)培養(yǎng)兩代并離心。
A.若實驗一的離心結果為重帶和輕帶,則DNA的復制方式為全保留復制
B.若實驗一的離心結果為中帶,則DNA的復制方式是半保留復制
C.若實驗二的離心結果為中帶和輕帶,則DNA的復制方式不是全保留復制
D.若實驗二改為連續(xù)培養(yǎng)三代并離心,結果只出現(xiàn)一個條帶,則DNA的復制方式可能為彌散復制
【答案】　B
【解析】　若實驗一的離心結果為重帶(兩條鏈均為15N)和輕帶(兩條鏈均為14N),則DNA的復制方式為全保留復制,A正確;若實驗一的離心結果為中帶(一條鏈為15N,一條鏈為14N;或者兩條鏈上均含有15N和14N),則DNA的復制方式是半保留復制或彌散復制,B錯誤;若實驗二的離心結果為中帶和輕帶,則DNA的復制方式不可能是全保留復制,若為全保留復制,則一定有重帶,C正確;若DNA的復制方式為彌散復制,則不論復制幾次離心后只有一條密度帶,若實驗二改為連續(xù)培養(yǎng)三代并離心,結果只出現(xiàn)一個條帶,則DNA的復制方式可能為彌散復制,D正確。
對點練1　細菌在15N培養(yǎng)基中繁殖數(shù)代后,其DNA的含氮堿基均含有15N,然后再移入14N培養(yǎng)基中培養(yǎng),提取其子代的DNA離心,下圖①~⑤為可能的結果,下列敘述錯誤的是(　　)。
A.第一次分裂的子代DNA應為⑤
B.第二次分裂的子代DNA應為①
C.第三次分裂的子代DNA應為③
D.親代的DNA應為⑤
【答案】　A
【解析】　經第一次分裂所形成的子代DNA應均為15N/14N,如圖②,A錯誤;第二次分裂的子代DNA為15N/14N和14N/14N,且數(shù)量比為1∶1,如圖①,B正確;第三次分裂的子代DNA為15N/14N和14N/14N,且數(shù)量比為1∶3,如圖③,C正確;親代DNA為15N/15N,如圖⑤,D正確。
任務2　探究DNA復制的過程
活動2　閱讀課本P55~56,分析DNA復制的過程,結合圖1、圖2思考并回答下列問題
圖1
圖2
1.圖1中的酶1和酶2分別是什么酶 各有什么作用 分別作用于圖2中的哪個部位(用字母表示)
提示　酶1是解旋酶,作用是將兩條脫氧核苷酸鏈打開;酶2是DNA聚合酶,作用是將單個的脫氧核苷酸連接起來。解旋酶作用于f,DNA聚合酶作用于e。
2.圖1中的a、b、c、d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　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.DNA分子的哪些結構特點保證了其能夠精確復制
提示　DNA分子獨特的雙螺旋結構,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。
4.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
提示　是。因為兩條母鏈進入兩個子代DNA分子中,新形成的子代DNA分子中只有一條鏈是來自親代DNA的母鏈。從圖1中還能看出DNA分子是邊解旋邊復制的。
5.DNA復制效率高是因為半保留復制還是因為邊解旋邊復制
提示　是因為邊解旋邊復制。
6.DNA的復制需要消耗ATP嗎 為什么需要適宜的溫度和pH
提示　需要。因為DNA復制過程需要酶,而酶的活性受溫度和pH的影響。
7.DNA復制n次與第n次復制各形成多少個DNA
提示　DNA復制n次形成2n個DNA,DNA第n次復制形成2n-1個DNA。
認知生成
1.分析各類生物體中DNA分子復制的場所
(1)真核生物:細胞核(主要場所)、葉綠體、線粒體。
(2)原核生物:擬核、細胞質。
(3)DNA病毒:宿主細胞內。
2.下圖為真核生物染色體上DNA分子復制過程的示意圖,據(jù)圖分析,DNA復制效率較高的原因有:
(1)從多個起點開始復制。
(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的。
3.復制可簡記為“1個主要場所(細胞核),2個時期(有絲分裂前的間期和減數(shù)分裂前的間期),3個步驟(解旋、合成新鏈、形成子代DNA),4個條件(模板、酶、原料和能量)”。
例2　(2023·黑龍江統(tǒng)考)下列關于DNA復制的敘述,正確的是(　　)。
A.方式為半保留復制
B.過程不消耗能量
C.只在細胞核內進行
D.模板為一條母鏈
【答案】　A
【解析】　DNA復制的過程需要消耗能量,B錯誤;真核生物線粒體和葉綠體中也含有DNA,DNA復制的過程主要在細胞核內進行,其次是線粒體和葉綠體,而原核生物的DNA復制在擬核、質粒進行,C錯誤;DNA復制的過程以親代DNA的兩條鏈作為模板,D錯誤。
對點練2　DNA復制開始時,將大腸桿菌放在含低劑量3H標記的脫氧胸苷(3H-dT)的培養(yǎng)基中,3H-dT可摻入正在復制的DNA分子,使其帶有放射性。短時間后迅速將大腸桿菌轉移到含高劑量3H-dT的培養(yǎng)基中。一段時間后,抽取大腸桿菌的DNA檢測其放射性,結果如圖。據(jù)圖可以得出的結論是(　　)。
A.DNA復制從起點向兩個方向延伸
B.DNA復制方式為半保留復制
C.DNA復制為邊解旋邊復制的過程
D.DNA復制遵循堿基互補配對原則
【答案】　A
【解析】　據(jù)圖分析,DNA復制的起點位于右側中部。剛開始進行DNA復制時利用的原料之一為低劑量3H標記的脫氧胸苷(3H-dT),此時合成的DNA片段將出現(xiàn)弱放射性。一段時間后,合成DNA的原料之一更換為高劑量3H-dT,此時合成的DNA片段將出現(xiàn)強放射性。結合實驗結果,復制起點的兩側均表現(xiàn)為弱放射性,是最初合成的片段;遠離起點的部位表現(xiàn)為強放射性,是較后合成的片段。因此可以得出的結論是DNA復制從起點向兩個方向延伸,A正確;從圖中看不出子代DNA兩條鏈的標記情況,因此無法判斷DNA復制方式是否為半保留復制,B錯誤;圖中DNA呈雙鏈狀態(tài),無法判斷DNA復制是否為邊解旋邊復制的過程,C錯誤;圖中未顯示具體的堿基種類,因此無法判斷DNA復制是否遵循堿基互補配對原則,D錯誤。
任務3　DNA復制的有關計算
活動3　一個被 15N標記的DNA分子轉移到含14N的培養(yǎng)基中復制n代 ,結果如下圖所示,從圖中可以得到以下規(guī)律
DNA分子數(shù) 子代DNA分子總數(shù) 　　
含15N的DNA分子數(shù) 　　
含14N的DNA分子數(shù) 　　
只含15N的DNA分子數(shù) 　　
只含14N的DNA分子數(shù) 　　
脫氧核苷酸鏈數(shù) 子代DNA分子中脫氧核苷酸鏈數(shù) 　　
含15N的脫氧核苷酸鏈數(shù) 　　
含14N的脫氧核苷酸鏈數(shù) 　　
消耗的脫氧核 苷酸數(shù)(設親代 DNA中含有某 種脫氧核苷酸 m個)　 　　 經過n次復制,共需消耗游離的該種脫氧核苷酸數(shù) 　　
第n次復制時,共需消耗游離的該種脫氧核苷酸數(shù) 　　
提示　2n　2　2n　0　2n-2　2n+1　2　2n+1-2　(2n-1)m　m×2n-1
認知生成
DNA復制的相關計算的兩個注意點
1.分析被標記物質所占的比例時,應注意求的是DNA數(shù)還是脫氧核苷酸鏈數(shù),看準是“含”還是“只含”;還應注意培養(yǎng)液中化學元素的不同。
2.在計算消耗的脫氧核苷酸數(shù)時要明確是“經過n次復制”還是“第n次復制”。
例3　(2023·濟寧校考)將用15N標記的1個DNA分子放在含有14N的培養(yǎng)基中,讓其復制3次,則含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例、含有15N的脫氧核苷酸鏈占全部DNA單鏈的比例依次是(　　)。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
A.1/2、1/4 B.1/4、1/8
C.1/4、1 D.1/8、1/8
【答案】　B
【解析】　將用15N標記的1個DNA分子放在含有14N的培養(yǎng)基中,讓其復制3次,共形成8個子代DNA分子,共16條鏈,根據(jù)DNA半保留復制,其中有2個DNA分子中有一條鏈含有15N,其余6個DNA分子只含14N。據(jù)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的脫氧核苷酸鏈占全部DNA單鏈的比例為2/(23×2)=1/8,B符合題意。
對點練3　(2023·寧波統(tǒng)考)含有100個堿基對的1個DNA分子片段中,A+T占30%,如果連續(xù)復制2次,則需游離的胞嘧啶脫氧核糖核苷酸數(shù)量為(　　)。
A.280個 B.210個
C.120個 D.90個
【答案】　B
【解析】　DNA復制2次,產生4個DNA分子,相當于新合成3個。含有100個堿基對的1個DNA分子片段中,A+T占30%,所以這個DNA含30個腺嘌呤,根據(jù)堿基互補配對原則,則有30個胸腺嘧啶,而DNA中嘧啶數(shù)等于嘌呤數(shù)且各占一半,即100個,所以胞嘧啶的數(shù)量是100-30=70個,因此復制2次共需要3×70=210個胞嘧啶脫氧核苷酸,B符合題意。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
判斷正誤。 (1)沃森和克里克以大腸桿菌為材料,運用同位素標記技術證明DNA復制方式是半保留復制。 (×) (2)DNA雙螺旋結構全部解旋后,開始DNA的復制。 (×) (3)證明DNA復制方式的實驗只能用同位素標記N。 (×) (4)在證明DNA復制方式的實驗中,從第一代開始細菌DNA分子中至少有一條鏈含14N。 (√)
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