学年高中生物第4章遗传的分子基础第2节DNA分子的结构和复制第2课时DNA分子的复制学案.docx
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学年高中生物第4章遗传的分子基础第2节DNA分子的结构和复制第2课时DNA分子的复制学案
第2课时 DNA分子的复制
1.阐明DNA分子的复制过程、特点。
(重点)
2.通过探究DNA复制活动,培养抽象思维能力。
(难点)
3.探讨DNA复制的生物学意义。
DNA分子复制的过程及特点
1.DNA分子复制的含义及复制方式的证明
(1)含义
以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。
(2)DNA复制方式的证明
①方法
同位素示踪法。
②原理
含15N的双链DNA密度大,含14N的双链DNA密度小,一条链含14N、一条链含15N的双链DNA分子密度居中。
③过程
a.用放射性同位素15N标记大肠杆菌的DNA。
b.将被标记的大肠杆菌转入以含14N物质为唯一氮源的培养液中培养。
c.分别取完成一次细胞分裂和二次细胞分裂的大肠杆菌,并将其中的DNA分子分离出来,进行密度梯度超速离心和分析。
④结果
⑤结论
DNA的复制方式为半保留复制。
2.DNA分子复制的过程
(1)时期:
细胞有丝分裂间期和减数第一次分裂的间期。
(2)场所:
主要是细胞核。
(3)条件:
①模板:
DNA分子的两条链。
②原料:
游离的4种脱氧核苷酸。
③能量:
ATP。
④酶:
解旋酶、DNA聚合酶等。
(4)过程
(5)特点
①边解旋边复制;②半保留复制。
(6)准确复制的原因和意义
①原因
a.DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板;
b.通过碱基互补配对,保证了复制能够精确地进行。
②意义:
使遗传信息从亲代传给子代,从而确保了遗传信息的连续性。
探讨
:
图中A、B、C分别表示什么过程?
【提示】 A:
解旋;B:
合成子链;C:
形成子代DNA。
探讨
:
碱基互补配对原则是怎样的?
【提示】 A与T、T与A、C与G、G与C配对。
探讨
:
子代DNA分子中是否含有亲代DNA?
【提示】 子代DNA分子是由亲代DNA的一条单链和新合成的子代DNA单链共同组成的。
探讨
:
图中过程是否一定准确无误?
【提示】 不一定,可能出现差异。
1.不同生物的DNA分子复制的场所
病毒:
在活的宿主细胞内
2.DNA复制所需的酶:
是指一个酶系统,不仅仅是指解旋酶和DNA聚合酶,还包括DNA连接酶等。
(1)解旋酶的作用是破坏碱基间的氢键。
(2)DNA聚合酶的作用是连接游离的脱氧核苷酸。
(3)DNA连接酶的作用是连接DNA片段。
3.DNA复制后两DNA分子的位置
核DNA复制后位于两姐妹染色单体上。
4.子DNA分开的时间及去向
细胞分裂过程中,细胞核中两个子DNA随着丝点分裂姐妹染色单体分开而分开,即两个子DNA分开于有丝分裂后期或减数第二次分裂后期。
5.DNA分子复制对DNA作为遗传物质的意义
(1)边解旋、边复制,多个起点同时进行,节省时间、效率高。
(2)新DNA分子双链为“一母一子”,因此复制更为精确,使遗传信息更加稳定。
稳定的遗传信息从亲代传递给子代,从而使生物的前后代保持了一定的连续性。
巧记DNA分子复制的“一、二、三、四”
1.(2016·无锡高一检测)下列关于DNA复制的叙述,正确的是( )
A.在细胞有丝分裂间期和减数第一次分裂的间期,发生DNA复制
B.DNA通过一次复制后产生4个DNA分子
C.DNA双螺旋结构全部解旋后,才开始复制
D.单个脱氧核苷酸在DNA解旋酶的作用下连接合成新的子链
【解析】 DNA通过一次复制后产生2个DNA分子;DNA分子复制时,边解旋边复制;单个脱氧核苷酸在DNA聚合酶的作用下连接合成新的子链。
【答案】 A
2.如图为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图,有关叙述错误的是( )
A.图中DNA分子复制是从多个起点同时开始的
B.图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的
C.真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶
D.真核生物的这种复制方式提高了复制速率
【解析】 图中DNA分子的复制是从多个起点开始的,但并不是同时开始的。
图中DNA分子的复制是边解旋(需解旋酶)边双向复制的。
【答案】 A
DNA半保留复制的实验分析及相关计算
下图表示一个被15N标记的DNA分子在14N的环境中,经过两次有丝分裂时,细胞中染色体和DNA的变化情况。
探讨
:
经过两次有丝分裂,该DNA分子共复制出几条DNA分子?
分别是哪一种?
【提示】 4条,分别是:
15N-14N、14N-14N、15N-14N、14N-14N。
探讨
:
第二次分裂后子细胞中有无含15N的DNA?
【提示】 有一半细胞含有15N的DNA。
探讨
:
第二次有丝分裂中期染色体是否被15N标记?
【提示】 由图可知,第二次有丝分裂中期细胞中染色体已经复制(如图e),两条染色单体中有一条含有15N。
1.DNA半保留复制的实验分析
(1)实验预期:
离心后出现3条DNA带。
①重链带(密度最大,最靠近试管底部):
15N标记的亲代双链DNA(15N/15N)。
②杂合链带(密度居中,位置也居中,也称中带):
一条链为15N标记、另一条链为14N标记的子代双链DNA(15N/14N)。
③轻链带(密度最小,离试管底部最远):
两条链都为14N标记的子代双链DNA(14N/14N)。
(2)实验结果分析
亲代的结果说明DNA分子还没有复制;子一代试管中为杂合链带说明DNA复制了一次。
子二代试管中既有杂合链带又有轻链带,说明这时DNA分子复制了两次。
(3)结论:
DNA复制时总是保留一条母链,新合成一条子链,这样的复制方式叫做半保留复制。
2.一个DNA分子无论复制多少代,DNA原有的两条链不变,一直作为模板,分别进入两个子代DNA分子中。
已知某全部N原子被15N标记的DNA分子作为亲代,转移到含14N的培养基中培养复制若干代,其结果分析如表:
世代
DNA分子结构特点
DNA中脱氧核
苷酸链的特点
分子总数
细胞中
的DNA
分子在
离心管
中的位置
不同DNA分子占全
部DNA分子之比
链的总数
含14N、15N
链占全部
链数之比
仅含
15N
含14N、
15N
仅含
14N
含
15N
含
14N
亲代
1
全部在
下部
1
0
0
2
1
0
1
2
全部在
中部
0
1
0
4
1/2
1/2
2
4
1/2中部,
1/2上部
0
1/2
1/2
8
1/4
3/4
3
8
1/4中部,
3/4上部
0
1/4
3/4
16
1/8
7/8
n
2n
中部,
1-
上部
0
1-
2n+1
1-
3.DNA的复制为半保留复制,一个DNA分子复制n次,则有:
(1)DNA分子数
①子代DNA分子数=2n个。
②含有亲代DNA链的子代DNA分子数=2个。
③不含亲代链的子代DNA分子数=(2n-2)个。
(2)脱氧核苷酸链数
①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数=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。
(3)消耗的脱氧核苷酸数
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。
4.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,该染色体便带标记。
(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。
1.已知一条完全标记上15N的DNA分子在含14N的培养基中经n次复制后,仅含14N的DNA分子总数与含15N的DNA分子总数之比为7∶l,则n是( )
A.2 B.3
C.4 D.5
【解析】 DNA分子复制是半保留复制,所以无论这个DNA分子复制多少次,总有两个DNA分子各有一条链带有15N标记,因此仅含14N的DNA分子总数应为14个,复制n次后,共得到16个DNA分子;由公式2n=16可知DNA分子复制了4次。
【答案】 C
2.若用32P标记人的“类胚胎干细胞”的DNA分子双链,再将这些细胞转入不含32P的培养液中培养,在第二次细胞分裂的中期、后期,一个细胞中的染色体总数和被32P标记的染色体数分别是( )【导学号:
21920042】
A.中期是46和46、后期是92和46
B.中期是46和46、后期是92和92
C.中期是46和23、后期是92和23
D.中期是46和23、后期是46和23
【解析】 “类胚胎干细胞”进行有丝分裂,根据题意可知,第一次有丝分裂的结果为每个DNA分子一条链含有32P,另一条链含有31P,所以第二次有丝分裂中期染色体总数为46条,每条染色体都有32P标记,其中每条染色体含有两条姐妹染色单体,一条染色单体DNA两条链含有31P,另一条染色单体DNA一条链含有32P,另一条链含有31P;第二次有丝分裂后期,着丝点分裂,染色单体分开,染色体总数为92,其中46条含有32P标记。
【答案】 A
3.含有32P和含31P的磷酸,两者化学性质相同,都可参与DNA分子的组成,但32P比31P质量大。
将某哺乳动物的细胞放在含有31P的培养基中,连续培养数代后得到G0代细胞,然后将G0代细胞移到含有32P的培养基中培养,经过第一、二次细胞分裂后,分别得到G1、G2代细胞。
再从G0、G1、G2代细胞中提取出DNA,经密度梯度离心后得到的结果如下图所示。
由于DNA分子质量不同,因此在离心管内的分布不同。
若①②③分别表示轻、中、重3种DNA分子的位置,请回答下列问题:
(1)G0、G1、G2三代DNA分子离心后的试管分别是图中的:
G0________;G1________;G2________。
(2)图中①②两条带中DNA分子所含的同位素P分别是:
条带①________,条带②________。
(3)上述实验结果证明DNA的复制方式是________。
DNA的自我复制能使生物的________保持相对稳定。
【解析】 32P是31P的同位素,分子量要比31P大,32P-DNA分子最重,在试管的最下部;31P-DNA分子最轻,在试管的最上部;一条链含32P,另一条链含31P的DNA分子质量居中,位于试管的中间。
分析过程可参考下图(以1个DNA分子为例)。
【答案】
(1)A B D
(2)31P 31P和32P
(3)半保留复制 遗传特性
1.(2016·徐州高一检测)有关DNA复制的叙述,正确的是( )
A.有丝分裂分裂期和减数分裂过程中进行复制
B.全部解旋之后才开始碱基配对
C.复制后每个新DNA分子含一条母链和一条子链
D.复制的场所是细胞核和核糖体
【解析】 DNA复制发生在有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期;DNA复制的特点之一是边解旋边复制;DNA复制方式是半保留复制,即复制后每个新DNA分子含一条母链和一条子链;复制的场所主要是细胞核,此外在线粒体和叶绿体中也能进行DNA的复制。
【答案】 C
2.(2016·深圳高一检测)DNA分子的半保留复制方式使DNA( )
A.分子结构具有相对稳定性
B.能精确地进行自我复制,保证代与代之间的连续性
C.能够精确地指导蛋白质合成
D.产生可遗传变异的机会
【解析】 DNA分子的半保留复制方式使DNA能精确地进行自我复制,保证代与代之间的连续性。
【答案】 B
3.在DNA复制过程中,保证复制准确无误进行的关键步骤是( )
【导学号:
21920043】
A.解旋酶破坏氢键并使DNA双链分开
B.游离的脱氧核苷酸与母链碱基互补配对
C.与模板链配对的游离脱氧核苷酸连接成子链
D.子链与模板链盘绕成双螺旋结构
【解析】 DNA精确复制的原因一方面是DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板,二是通过碱基互补配对,保证了复制能够精确地进行。
【答案】 B
4.若有一个控制有利性状的DNA分子片段为
,要使其数量增多,可进行人工复制,复制时应给予的条件错误的是( )
A.ATGTG或TACAC单链
B.4种脱氧核苷酸(A、U、G、C)
C.解旋酶和DNA聚合酶等
D.能量
【解析】 模板来自已知DNA分子片段的单链ATGTG或TACAC;原料为组成DNA分子的基本单位——含A、T、G、C的4种脱氧核苷酸;酶包括解旋酶和DNA聚合酶等。
【答案】 B
5.(2016·无锡高一检测)某DNA分子共有a个碱基对,其中含胞嘧啶m个,则该DNA分子复制3次,需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数为( )
A.7(2a-m)B.8(a-m)
C.7(a-m)D.8(2a-m)
【解析】 在DNA分子中,遵循碱基互补配对原则,其中A=T,G=C,题中所给C=m(个),则T=(2a-2m)/2=a-m(个)。
该DNA分子复制3次,需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数=23×(a-m)-(a-m)=7(a-m)。
【答案】 C
课堂小结:
网络构建
核心回扣
1.DNA复制发生在有丝分裂间期和减数第一次分裂间期。
2.新合成的每一个DNA分子都保留了亲代DNA分子的一条链。
3.DNA分子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精确地进行。
4.DNA分子复制时是边解旋边复制。
5.DNA分子通过复制,将遗传信息传递给子代。
学业分层测评
(建议用时:
45分钟)
[学业达标]
1.沃森和克里克在发表了DNA分子双螺旋结构的论文后,又提出了DNA自我复制的假说。
下列有关假说内容的叙述不正确的是( )
A.DNA复制时,双螺旋将解开,互补的碱基之间的氢键断裂
B.以解开的两条单链为模板,以游离的脱氧核苷酸为原料,依据碱基互补配对原则,通过氢键结合到作为模板的单链上
C.形成的DNA分子包括一条模板单链和一条新链
D.形成的两个DNA分子是由两条母链、两条子链分别结合而成
【解析】 沃森和克里克提出的DNA自我复制的假说为半保留复制,即形成的DNA分子包括一条母链和一条子链。
【答案】 D
2.(2016·嘉兴高一检测)如果把某细胞中的一个DNA分子用重氢标记,这个细胞连续进行3次有丝分裂,则含有标记链的DNA分子数和细胞总数分别是
( )
A.2,2 B.4,2
C.2,8 D.4,8
【解析】 有丝分裂中,一个细胞分裂形成两个细胞,因此1个细胞连续进行3次有丝分裂,结果形成8个细胞。
由于DNA分子是半保留复制,用重氢标记某细胞中的一个DNA分子,该DNA分子的两条标记链始终存在于2个子代DNA分子中。
故本题选C。
【答案】 C
3.(2016·深圳高一检测)研究人员利用一种量化单分子测序技术,探测到人类细胞中一类新型小分子RNA,在基因转录方面代表着一个全新的种类,并证实了哺乳动物细胞能通过直接复制RNA分子来合成RNA。
下列关于RNA复制的说法中,正确的是( )【导学号:
21920044】
A.需要4种游离的脱氧核苷酸为原料
B.所需能量主要通过有氧呼吸产生
C.需要DNA聚合酶催化
D.具有半保留复制的特点
【解析】 RNA复制需要以核糖核苷酸为原料;催化DNA复制的酶为DNA聚合酶,RNA复制不需要DNA聚合酶催化;RNA一般为单链,不具有半保留复制特点。
【答案】 B
4.如图表示DNA分子复制的片段,图中a、b、c、d表示各条脱氧核苷酸链。
一般地说,下列各项中正确的是( )
A.a和c的碱基序列互补,b和c的碱基序列相同
B.a链中
的比值与d链中同项比值相同
C.a链中
的比值与b链中同项比值相同
D.a链中
的比值与c链中同项比值不同
【解析】 DNA复制的特点是半保留复制,b链是以a链为模板合成的,a链和b链合成一个子代DNA分子,a链中
的值等于b链中
的值。
【答案】 C
5.如图所示为DNA分子复制的片段,一般地说,下列叙述正确的是( )
A.复制出四个DNA分子
B.a和c的碱基序列互补
C.b和c的碱基序列相同
D.b和d的碱基序列相同
【解析】 由图示可知,DNA复制了一次,形成两个DNA分子,以a链为模板合成由a链、b链构成的子代DNA,以d链为模板合成由c链、d链构成的子代DNA,两个子代DNA分子中,a链和c链碱基序列相同,b链和d链碱基序列相同。
【答案】 D
6.把培养在含轻氮(14N)环境中的细菌转移到含重氮(15N)的环境中培养相当于繁殖一代的时间,然后放回原来的环境中培养相当于连续繁殖两代的时间后,分析细菌DNA分子组成,则正确答案应为( )
选项
DNA分子
轻氮型
中间型
重氮型
A
-
B
-
C
-
D
-
【解析】 细菌繁殖一代后,DNA分子为中间型,连续繁殖两代后,形成的8个DNA分子中,中间型有2个,占
;轻氮型有6个,占
。
【答案】 A
7.用15N标记含有100个碱基对的DNA分子,其中有胞嘧啶60个,该DNA分子在14N的培养基中连续复制5次。
下列有关判断错误的是( )
A.含有15N的DNA分子有两个
B.只含有14N的DNA分子占15/16
C.复制过程中需要腺嘌呤脱氧核苷酸1280个
D.复制结果共产生32个DNA分子
【解析】 该DNA分子共复制5次,DNA的总数应为25=32个。
因为亲代DNA分子中两条脱氧核苷酸链都含有15N,复制后两条含有15N的脱氧核苷酸链不会消失,所以仍有2个DNA分子有15N,所占比率是2/32,其余都不含有15N,即只含有14N的DNA分子占(32-2)/32=15/16。
因为C=60,所以G=60,那么A+T=100×2-60×2=80,则A=80/2=40。
复制5次需要腺嘌呤脱氧核苷酸的数量为40×(25-1)=1240个。
【答案】 C
8.某DNA分子中含有1000个碱基对(P元素只是32P)。
若将该DNA分子放在只含31P的脱氧核糖核苷酸的培养液中让其复制两次,则子代DNA分子的相对分子质量平均比原来( )
A.减少1500B.增加1500
C.增加1000D.减少1000
【解析】 复制两次后形成4个DNA分子,8条单链中有6条含31P,2条含32P,相对分子质量平均减少
=1500。
【答案】 A
9.(2016·盐城高一检测)细菌在15N培养基中繁殖数代后,使细菌DNA的含氮碱基皆含有15N,然后再移入14N培养基中培养,抽取其子代DNA经高速离心分离,下图①~⑤为可能的结果,黑色带的宽窄代表DNA量的多少,下列叙述不正确的是( )
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
【解析】 按一个细菌中含有1个DNA分子计,第一次分裂后的两个DNA分子均为15N/14NDNA,在试管中的位置是②,故A项错;第二次分裂后4个DNA中两个为15N/14NDNA,两个为14N/14NDNA,在试管中的位置是①,B项正确;第三次分裂后形成8个DNA分子,两个为15N/14NDNA,6个为14N/14NDNA,应该是图示的③,C项正确;亲代的DNA均为15N/15NDNA,是图⑤所示,D项正确。
【答案】 A
10.如图是DNA分子复制的图解,请据图回答:
(1)图中的[1]表示________过程,需要________酶的作用。
(2)图中的[2]过程表示以母链为模板进行的碱基的互补配对,参与配对的物质是游离在周围的________。
(3)图中的[3]过程表示形成两个新的________分子,参与此过程的酶有________等。
(4)DNA复制一般是严格的________复制,DNA复制的遗传学意义是为________在亲子代之间的________准备了物质基础。
【解析】 本题考查DNA分子复制的条件、过程及意义。
(1)DNA分子的复制是一个边解旋边复制的过程,复制时首先在解旋酶的作用下,双链解开。
(2)DNA复制的模板是原DNA分子的两条链,原料是4种脱氧核苷酸。
(3)新链合成时需要DNA聚合酶等的催化,并且消耗能量。
(4)DNA复制产生的子代DNA与亲代DNA完全相同,保证了遗传信息准确地传给后代,保持了亲子代间遗传信息的连续性。
【答案】
(1)解旋 解旋
(2)脱氧核苷酸
(3)DNA DNA聚合酶
(4)半保留 遗传信息 传递
[能力提升]
11.如图为真核细胞DNA复制过程模式图。
据图分析,下列相关叙述中错误的是( )
A.由图示得知,DNA分子复制的方式是半保留复制
B.从图中可以看出合成两条子链时,DNA聚合酶移动的方向是相反的
C.子链合成的方向是一定的
D.解旋需解旋酶及DNA聚合酶的催化,且需要消耗ATP
【解析】 由图示可知,新合成的每个DNA分子中,都保留了原来DNA分子中的一条链,因此复制的方式是半保留复制;由图中的箭头可知,DNA聚合酶移动的方向是相反的;子链合成的方向是一定的,即只能从5′端到3′端;解旋不需要DNA聚合酶的催化。
【答案】 D
12.(2016·湖北孝感二模)某基因(14N)含有3000个碱基,腺嘌呤占35%。
若该DNA分子以15N同位素标记的游离脱氧核苷酸为原料复制3次,再将全部复制产物置于试管内离心,进行密度分层,得到结果如图①;然后加入解旋酶再离心,得到结果如图②。
则下列有关分析正确的是( )
A.X层中的基因只用14N标记,Y层中的基因只用15N标记
B.W层中含15N标记的胞嘧啶3150个
C.W层与Z层的核苷酸数之比为1∶4
D.X层中含有的氢键数是Y层的3倍
【解析】 DNA分子的复制是半保留复制,复制3次后,共有8个DNA分子,其中有2个DNA分子的一条链含有14N,另一条链含15N,另外6个DNA分子只含有15N,离心后,含14N的位于X层(也含有15N),只含15N的位于Y层,A错误;一个DNA分子中含有A(腺嘌呤)=T=3000×35%=1050个,G=C=(3000-1050×2)/2=450,解旋酶解旋离心后,含14N的2条链位于Z层,其他14条链含15N位于W层,相当于7个完整DNA分子量,W层中含15N标记的胞嘧啶是450×7=3150个,B正确;W层与Z层的核苷酸数之比为7∶1,C错误;X层中含有的氢键数与Y层的氢键数比为2∶6,Y层中含有的氢键数是X层的3倍,D错误。
【答案】 B
13.如图是大肠杆菌的DNA复制示意图。
如果是单起点单向复制,按正常的子链延伸速度,此DNA分子复制约需30s,而实际上复制从开始到结束只需约16s。
据图分析,下列说法不正确的是( )
A.“甲→乙”的场所与真核生物的DNA分子复制场所不同
B.实际复制的时间之所以减半,是因为该DNA分子是从一个起点开始向两个方向复制的
C.把甲放在含15N的培
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