2020学年高中生物 第3章 基因的本质 第3节 DNA的复制学案 新人教版必修2

2020学年高中生物 第3章 基因的本质 第3节 DNA的复制学案 新人教版必修2

第3节　DNA的复制 一、DNA分子复制方式的推测和实验证据 ‎1．对DNA分子复制的推测 ‎(1)提出者：沃森和克里克。‎ ‎(2)假说 ‎①解旋：DNA分子复制时，DNA分子的双螺旋将解开，互补的碱基之间的氢键断裂。‎ ‎②复制：解开的两条单链作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸依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)特点：新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，这种复制方式被称做半保留复制。‎ ‎2．DNA分子复制的实验证据(选学)‎ ‎(1)实验方法：放射性同位素标记法和密度梯度离心技术。‎ ‎(2)实验原理 ‎①DNA的两条链都用15N标记，那么这样的DNA分子密度最大，离心时应该在试管的底部。‎ ‎②两条链中都含有14N，那么这样的DNA分子密度最小，离心时应该在试管的上部。‎ 13‎ ‎③两条链中一条含有15N，一条含有14N，那么这样的DNA分子离心时应该在试管的中部。‎ ‎(3)实验过程 ‎(4)实验结果 ‎①立即取出，提取DNA→离心→全部重带。‎ ‎②繁殖一代后取出，提取DNA→离心→全部中带。‎ ‎③繁殖两代后取出，提取DNA→离心→轻带、中带。‎ ‎(5)实验结果和预期的一致，说明DNA的复制是以半保留的方式进行的。‎ 例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 答案　D 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。‎ 例2　在氮源为14N和15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子分别为14N－DNA(相对分子质量为a)和15N－DNA(相对分子质量为b)。将亲代大肠杆菌转移到含14N的培养基上，再连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ)，用某种离心方法分离得到的结果如下图所示。下列对此实验的叙述不正确的是(　　)‎ 13‎ A．Ⅰ代细菌DNA分子中一条链是14N，另一条链是15N B．Ⅱ代细菌含15N的DNA分子占全部DNA分子的 C．预计Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质量为 D．上述实验结果证明DNA分子的复制方式为半保留复制 答案　B 解析　15N－DNA在14N的培养基上进行第一次复制后，产生的两个子代DNA分子均含有一条15N的DNA链和一条14N的DNA链。这样的DNA用离心法分离后，应该全部处在试管的中部。Ⅰ代的两个DNA分子再分别进行复制，它们所产生的两个子代DNA分别为全14N－DNA分子和14N、15N－DNA分子。此时，将该DNA作离心处理，产生的DNA沉淀应该分别位于试管的上部和中部。含15N的DNA分子占全部DNA分子的。Ⅲ代细菌DNA分子共有8个，各条单链的相对分子质量之和为(‎7a＋b)，则Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质量为。‎ 二、DNA分子复制的过程 ‎1．DNA复制的概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。‎ ‎2．时间：细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期。‎ ‎3．过程 ‎4．结果：形成两个完全相同的DNA分子。‎ ‎5．特点 13‎ ‎(1)边解旋边复制。‎ ‎(2)半保留复制。‎ ‎6．意义：将遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。‎ 例3　下图表示DNA分子复制的过程，结合图示，下列有关叙述不正确的是(　　)‎ A．DNA复制过程中首先需要解旋酶破坏DNA双链之间的氢键，使两条链解开 B．DNA分子的复制具有双向复制的特点，生成的两条子链的方向相反 C．从图示可知，DNA分子具有多起点复制的特点，缩短了复制所需的时间 D．DNA分子的复制需要DNA聚合酶将单个脱氧核苷酸连接成DNA片段 答案　C 解析　DNA复制需要以DNA的两条链为模板，因此DNA分子复制过程中首先需要解旋酶破坏DNA双链之间的氢键，使两条链解开；由图可知，DNA分子的复制具有双向复制的特点，生成的两条子链方向相反；图示中复制的起点只有1个，不能体现DNA分子具有多起点复制的特点；DNA聚合酶的作用是将单个游离的脱氧核苷酸连接成DNA片段。‎ 例4　下列关于DNA复制的叙述，正确的是(　　)‎ A．在细胞有丝分裂间期，发生DNA复制 B．DNA通过一次复制后产生四个子代DNA分子 C．真核生物DNA复制的场所只有细胞核 D．单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链 答案　A 解析　DNA复制发生在细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期，是以亲代DNA的两条链为模板，合成两个子代DNA的过程；真核生物DNA复制的主要场所是细胞核，线粒体、叶绿体内也可进行；DNA复制过程需要解旋酶和DNA聚合酶，不需要DNA(水解)酶。‎ 13‎ ‎1．判断正误 ‎(1)所有的细胞都能进行DNA复制(　　)‎ ‎(2)DNA解旋后的每一条脱氧核苷酸链都可以作为DNA复制的模板(　　)‎ ‎(3)DNA双螺旋全部解开后，再开始进行DNA复制(　　)‎ ‎(4)DNA解旋酶破坏的是氢键，不能将DNA分解成脱氧核苷酸(　　)‎ 答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√‎ ‎2．下列关于DNA复制过程的顺序，正确的是(　　)‎ ‎①互补碱基对之间氢键断裂　②互补碱基对之间氢键合成　③DNA分子在解旋酶的作用下解旋　④以解旋后的母链为模板进行碱基互补配对　⑤子链与母链盘绕成双螺旋结构 A．①③④②⑤ B．③①⑤④②‎ C．①④②⑤③ D．③①④②⑤‎ 答案　D 解析　DNA复制的基本过程是：解旋→合成子链→双链螺旋化，在解旋时互补碱基对之间的氢键断裂，在合成子链时重新形成新的氢键。‎ ‎3．DNA的复制保持了亲子代间遗传信息的连续性，DNA的复制不可能发生在(　　)‎ A．细胞核 B．叶绿体 C．线粒体 D．核糖体 答案　D ‎4．下列有关探究DNA复制过程的说法，不正确的是(　　)‎ A．本实验利用了同位素示踪法 ‎ B．细胞有丝分裂一次意味着DNA复制一次 C．密度梯度超速离心后，DNA在试管中的位置与相对分子质量无关 13‎ D．本实验结果说明了DNA具有半保留复制的特点 答案　C 解析　探究DNA复制的实验是利用15N标记亲代细胞的DNA，在含14N的培养液中连续分裂两次(在分裂的间期DNA都复制一次)，分别取分裂一次和分裂两次的细胞DNA，进行密度梯度超速离心，DNA在试管中的位置取决于DNA分子所含同位素的情况，即相对分子质量的大小；实验结果说明了DNA具有半保留复制的特点。‎ ‎5．如图为DNA复制的图解，请据图回答下列问题：‎ ‎(1)DNA复制发生在___________________________期。‎ ‎(2)②过程称为____________。‎ ‎(3)③中的子链是____________。‎ ‎(4)③过程必须遵循____________原则。‎ ‎(5)子代DNA分子中只有一条链来自亲代DNA分子，由此说明DNA复制具有____________的特点。‎ 答案　(1)有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间 ‎(2)解旋　(3)Ⅱ、Ⅲ　(4)碱基互补配对　(5)半保留复制 ‎[对点训练]‎ 13‎ 题组一　DNA分子复制的实验证据 ‎1．某亲本DNA分子双链均以白色表示，以灰色表示第一次复制出的DNA子链，以黑色表示第二次复制出的DNA子链，该亲本双链DNA分子连续复制两次后的产物是(　　)‎ 答案　D 解析　因为DNA复制为半保留复制，因此亲本DNA的两条链将进入不同的子代DNA分子中，故A、B项错误；因为第二次复制时得到的4个DNA分子中，都有一条DNA子链是在第二次复制时形成的，而C项中只有两个DNA分子中含第二次复制出的子链(黑色表示)，故C项错误，D项正确。‎ ‎2．将在含15NH4Cl的培养液中培养若干代的某真核细胞转移到含14NH4Cl的培养液中培养，让细胞连续进行有丝分裂，并进行密度梯度离心，则下列说法中不正确的是(　　)‎ A．细胞经过一次分裂和离心后，DNA位于试管的中层 B．细胞经过两次分裂和离心后，一半DNA位于试管的中层，另一半DNA位于上层 C．细胞经过三次分裂和离心后，的DNA位于试管的中层，的DNA位于试管的上层 D．该实验可以证明DNA的复制是半保留复制 答案　C 解析　细胞经过一次分裂和离心后，所形成的每个子代DNA分子中的两条链中一条链含15N，另一条链含14N，位于试管的中层，A项正确；细胞经过两次分裂和离心后，一半DNA位于试管的中层，另一半DNA位于上层，B项正确；细胞经过三次分裂和离心后，有的DNA位于试管的上层，的DNA位于试管的中层，C项错误；该实验可以证明DNA的复制是半保留复制，D项正确。‎ ‎3．在生命科学研究中，“同位素示踪技术”是经常使用的研究手段。将大肠杆菌的DNA分子用3H标记后，放在普通培养基中繁殖两代，并跟踪检测子代细菌的放射性(如图所示)，该实验有力地证明了(　　)‎ 13‎ A．DNA分子复制需要3H B．DNA分子通过复制进行繁殖 C．DNA分子进行半保留复制 D．DNA分子复制需要在细菌体内进行 答案　C ‎4.某DNA含有3 000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所示；然后加入解旋酶再离心，得到结果如图②所示。则下列有关分析中正确的是(　　)‎ A．X层中的DNA只有14N标记，Y层中的DNA只有15N标记 B．W层中含15N标记的胞嘧啶3 150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 答案　B 解析　由于DNA复制为半保留复制，故X层为中带，应是含有15N和14N的DNA，A错误；由于DNA复制3次，产生了8个DNA，共有16条链，则Z含有2条14N链，W含有14条15N链。由题意可知，每个DNA含胞嘧啶3 000×15%＝450(个)，故W层中含15N链的胞嘧啶为450×14÷2＝3 150(个)，B正确；W层与Z层核苷酸数之比为14∶2＝7∶1，C错误；X层为2个DNA，Y层为6个DNA，故X层氢键数为Y层的，D错误。‎ 题组二　DNA分子复制的过程 ‎5．下列有关真核细胞DNA分子复制的叙述，正确的是(　　) ‎ A．复制形成的两个子代DNA分子共4个游离的磷酸基团 B．DNA复制时只以一条脱氧核苷酸链作为模板 C．DNA聚合酶催化碱基对之间的连接 D．复制过程中先全部解旋，再进行半保留复制 答案　A 13‎ 解析　每个DNA分子含有2个游离的磷酸基团，因此复制形成的两个子代DNA分子共有4个游离的磷酸基团，A正确；DNA复制时两条脱氧核苷酸链都作为模板，B错误；DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸间形成磷酸二酯键从而连接成DNA片段，C错误；DNA复制过程中边解旋，边进行半保留复制，D错误。‎ ‎6．(2018·太原高一检测)DNA分子复制时解旋酶作用于下列哪一结构(　　)‎ 答案　D 解析　解旋酶的作用是破坏碱基对之间的氢键，使DNA双螺旋解开，只有D项属于DNA上的碱基对。‎ ‎7．DNA一般能准确复制，其原因是(　　)‎ ‎①DNA规则的双螺旋结构为复制提供模板　②DNA复制发生于细胞周期的间期　③碱基互补配对是严格的　④产生的两个子代DNA均和亲代DNA相同 A．②④ B．②③ C．①④ D．①③‎ 答案　D 解析　DNA规则的双螺旋结构在解旋后为DNA复制提供两条模板，严格的碱基互补配对原则保证了DNA复制的准确性，保证了子代DNA是以亲代DNA提供的两条链为模板合成的。‎ ‎8．DNA分子经过诱变，某位点上的一个正常碱基(设为X)变成了尿嘧啶，该DNA连续复制两次，得到的4个子代DNA分子相应位点上的碱基对分别为U—A、A—T、G—C、C—G，推测“X”可能是(　　)‎ A．胸腺嘧啶 B．胞嘧啶 C．腺嘌呤 D．胸腺嘧啶或腺嘌呤 答案　B 解析　据半保留复制的特点，DNA分子经过两次复制后，突变链形成的两个DNA分子中含有U—A、A—T碱基对，而另一条正常，正常链形成的两个DNA分子中含有G—C、C—G碱基对，因此被替换的可能是G，也可能是C。‎ ‎9．在生物实验室内模拟生物体DNA复制所必需的条件是(　　)‎ ‎①酶类　②游离4种脱氧核苷酸　③ATP　④DNA分子　⑤适宜的温度　⑥适宜的pH A．①②③④ B．②③④⑤‎ C．①②③⑤⑥ D．①②③④⑤⑥‎ 答案　D 13‎ 解析　DNA复制所必需的4个条件是模板、原料、酶和能量，在体外模拟DNA复制时，还需考虑到酶的活性受到温度及pH的影响，故正确选项为D。‎ ‎10.如图为DNA分子复制过程，其中a、b、c、d表示脱氧核苷酸链。下列叙述中正确的是(　　)‎ A．体外复制需要ATP和核糖体 B．a和d的碱基序列肯定相同 C．b中的比值与c相同 D．b中的比值与c相同 答案　C 解析　DNA复制需要模板、原料、酶和能量等必要条件，而核糖体是细胞内合成蛋白质的场所，A错误；由图可知，a、d是模板DNA的两条链，故a与d的碱基互补配对，B错误；b与c碱基互补配对，的比值相同，C正确；b中的比值是c中该比值的倒数，D错误。‎ ‎11．如图为真核细胞DNA分子复制过程模式图。据图分析，下列相关叙述中错误的是(　　)‎ A．由图示可知，DNA分子复制的方式是半保留复制 B．由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 答案　D 解析　由图示可以看出，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，DNA分子复制的方式为半保留复制；由图中的箭头可知，两条链上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′端向3′端延伸；图示解旋的过程中只需要解旋酶的催化，而不需要DNA聚合酶的催化。‎ 13‎ ‎12．女性子宫瘤最长的DNA分子可达‎36 mm，DNA复制速度约为4 μm/min，但复制过程仅需40 min左右即可完成，这可能是因为(　　)‎ A．边解旋边复制 B．只有一个复制起点，但解旋之后可以向着两个方向复制 C．以半保留方式复制 D．复制起点多，同时分段复制 答案　D 解析　真核细胞中的DNA分子复制起点多，并且同时分段复制，所以DNA的复制比较迅速。‎ ‎ [综合强化]‎ ‎13．如图为高等植物细胞中DNA复制过程模式图。请根据图示过程，回答下列问题：‎ ‎(1)由图示可知，1个DNA分子复制出乙、丙2个DNA分子的方式是________________。‎ ‎(2)细胞中DNA复制的场所为____________________；在复制完成后，乙、丙分开的时期为________________________________________________________________________。‎ ‎(3)把乙(只含14N)放在含15N的培养液中培养，复制2次后子代DNA单链中含15N的DNA单链所占的比例是________________。‎ 答案　(1)半保留复制　(2)细胞核、线粒体和叶绿体　有丝分裂后期和减数第二次分裂后期　(3) ‎14．(2018·曲阜师大高一期中)下图为真核细胞中发生的一项生理过程示意图，请据图回答下列问题：‎ ‎(1)图中表示的生理过程是__________，此过程发生的主要场所是____________。‎ ‎(2)该过程首先需要在__________酶作用下把两条链解开；需要____________直接供能。‎ ‎(3)已知一个亲代DNA分子有P个碱基，其中腺嘌呤Q个，连续进行此项生理过程n次，共消耗游离的胞嘧啶脱氧核苷酸________个。‎ 13‎ ‎(4)该过程得到的子代DNA与亲代相同，原因是______________________________。‎ 答案　(1)DNA复制　细胞核　(2)解旋　ATP ‎(3)(2n－1)(－Q)　(4)DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了准确的模板，在复制过程中遵循碱基互补配对原则 ‎15．DNA的复制方式可以通过设想来进行预测，可能的情况是全保留复制、半保留复制、弥散复制三种。究竟是哪种复制方式呢？下面设计实验来证明DNA的复制方式。‎ 实验步骤：‎ a．在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N－DNA(对照)。‎ b．在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N－DNA(亲代)。‎ c．将亲代15N大肠杆菌转移到氮源为14N的培养基中，再连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ)，用密度梯度离心法分离，不同相对分子质量的DNA分子将分布在试管中的不同位置上。‎ 实验预测：‎ ‎(1)如果与对照(14N/14N)相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带：一条________带和一条________带，则可以排除____________________________________。‎ ‎(2)如果子代Ⅰ只有一条中密度带，则可以排除________，但不能肯定是__________________________。‎ ‎(3)如果子代Ⅰ只有一条中密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定：若子代Ⅱ可以分出__________和__________，则可以排除弥散复制，同时肯定半保留复制；如果子代Ⅱ不能分出________密度两条带，则排除______________，同时确定为______________。‎ ‎(4)有人提出：第一代(Ⅰ)的DNA用解旋酶处理后再离心就能直接判断DNA的复制方式，如果轻带和重带各占，则一定为半保留复制。你认为这位同学的说法是否正确？________，原因是________________________________________________________________________。‎ 答案　(1)轻密度(14N/14N)　重密度(15N/15‎ 13‎ N)　半保留复制和弥散复制　(2)全保留复制　半保留复制还是弥散复制　(3)一条中密度带　一条轻密度带　中、轻　半保留复制　弥散复制　(4)不正确　无论半保留复制还是全保留复制，如果研究DNA单链的情况，结果是一致的，无法区分 解析　从题目中的图示可知，深色为亲代DNA的脱氧核苷酸链(母链)，浅色为新形成的子代DNA的脱氧核苷酸(子链)。因此全保留复制后得到的子代DNA分子，一个是原来的两条母链重新形成的亲代DNA分子，一个是两条子链形成的子代DNA分子；半保留复制后得到的每个子代DNA分子的一条链为母链，一条链为子链；弥散复制后得到的每个子代DNA分子的单链都是由母链片段和子代片段间隔连接而成的。‎ 13‎