新教材浙科版高中生物必修2学案第3章第3节DNA通过复制传递遗传信息

第三节DNA通过复制传递遗传信息课标内容要求核心素养对接概述DNA分子通过半保留方式进行复制。1.阐明DNA复制的过程、特点和意义。(生命观念)2．通过探究DNA的复制过程，尝试运用证据解释现象，学会运用证据解释原理的科学思维方法。(科学思维、科学探究)一、DNA通过半保留方式进行复制1．DNA复制的含义及意义DNA的复制是指新DNA的合成就是产生两个跟亲代DNA完全相同的新DNA分子的过程。以复制方式合成DNA，使得遗传信息在传递过程中保持不变。2．半保留方式进行复制的推测人们根据DNA双螺旋结构两条链之间的碱基互补配对，而联想到遗传物质可能具有的精确复制机制——只要DNA分子一条链上的碱基序列确定了，根据碱基互补配对原则便决定了另一条链的碱基序列，即DNA的双螺旋结构为DNA分子的复制提供了精确的模板。二、探究DNA的复制过程1．探究方法科学家用同位素示踪技术标记DNA，便可以研究新合成的DNA分子的组成情况，从而确定DNA分子是如何进行复制的。2．探究过程(1)他们先将大肠杆菌放入以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养若干代，使大肠杆菌的DNA都被同位素15N标记。提取大肠杆菌中的DNA分子，进行密度梯度离心。与长期在以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养的大肠杆菌DNA进行比较，含有15N的DNA分子在离心管的下部形成条带，含有14N的DNA分子在离心管的上部形成条带。(2)然后将含有15N－DNA的大肠杆菌转入只含有14N的普通培养液中培养，分别取完成一次细胞分裂的细菌(细胞数增加一倍)和完成两次细胞分裂的细菌，并将细菌中的DNA分离出来，做密度梯度超速离心和分析。3．结果预测实验设计者认为，含15N的双链DNA密度较大，离心后的条带分布于离心管的下部；含14N的双链DNA密度较小，离心后的条带分布于离心管的上部；一条链含15N与另一条链含14N的双链DNA密度应该介于双链均含15N的DNA和双链均含14N的DNA之间，离心后的条带应分布于离心管的中部。这一实验的过程和结果如图所示。4．结果分析根据同位素示踪实验的结果，新合成的双链DNA分子中，有一条链是来自亲代的DNA，另一条链则是新合成的。细胞中DNA的复制是以亲代的一条DNA链为模板，按照碱基互补配对原则，合成另一条具有互补碱基的新链，复制出的DNA分子与亲代DNA分子完全相同，因此细胞中DNA的复制称为半保留复制。三、DNA复制过程1．假说—演绎法探究DNA复制(1)DNA复制模式的基础在构建DNA分子的结构模型时，沃森和克里克事实上已经提供了DNA分子的复制模式。他们充分了解DNA双螺旋的两条链碱基互补的重要性。(2)他们假设DNA复制时碱基对之间的氢键断裂，两条链解开并彼此分离。然后，每条链都可以作为模板，按照碱基互补配对原则在其上形成一条新的互补链。结果得到两个完全相同的DNA分子。(3)实验证实1958年，梅塞尔森和斯塔尔用上述实验证明DNA的复制确如沃森和克里克所描述的那样，是一种半保留的复制机制。2．DNA复制的过程科学实验证明，DNA复制时，在解旋酶的作用下，两条链的配对碱基之间的氢键断开，碱基暴露出来，形成了两条“模板链”，即母链。随着DNA的不断解旋，新的子链也逐渐合成，即边解旋边复制。每一条母链按照互补配对的原则，腺嘌呤与胸腺嘧啶核苷酸配对，鸟嘌呤与胞嘧啶核苷酸配对等。最后相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团间形成磷酸二酯键，产生一条子链，每条子链与其母链盘绕成双螺旋结构。这样，原来的一个双螺旋DNA分子就变成了两个双螺旋DNA分子。这两个新形成的DNA分子是相同的，并且与亲代DNA分子相同。这一过程还需要DNA聚合酶的参与，即DNA的复制是一个酶促合成过程，同时需要能量。DNA半保留复制如图所示：四、DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础DNA的复制不仅保证了多细胞生物体的每个体细胞都携带相同的遗传信息，而且生殖细胞在形成过程中也要进行DNA的复制。这一复制过程使亲代的遗传信息传递给子代，从而保持了前后代遗传信息的连续性。因此，子代能够继承亲代的性状。判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)1．证明DNA半保留复制的实验运用了同位素示踪技术和离心技术。 ()提示：√2．沃森和克里克证明DNA分子复制方式是半保留复制。 ()提示：×梅塞尔森和斯塔尔证明DNA分子复制方式是半保留复制。3．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。 ()提示：√4．在DNA复制过程中，解旋酶破坏的是氢键，不能将DNA分解成脱氧核苷酸。 ()提示：√5．DNA复制时解旋酶与DNA聚合酶不能同时发挥作用。 ()提示：×DNA复制时边解旋边复制。DNA的实验探究与实验过程1．科学家早期对DNA复制方式的三种推测2．DNA分子的复制过程合作探究：1.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14N­DNA(相对分子质量为a)和15N­DNA(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。(1)Ⅰ代细菌DNA分子的结构是怎样的？提示：Ⅰ代细菌DNA分子中只有一条链被15N标记。(2)预计Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质量是多少？提示：预计Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质量为eq\f(7a＋b,8)。2．下图为真核细胞DNA复制过程模式图，据图思考相关问题：(1)DNA分子中，共有几种碱基对？分别是什么？提示：4种；A－T、T－A、G－C和C－G。(2)DNA复制时，碱基互补配对的方式共有几种？分别是什么？提示：2种；A与T，G与C。(3)DNA复制时，新合成的子链与其模板链的方向是相同的还是相反的？提示：相反的。1．如图表示利用大肠杆菌探究DNA复制方式的实验，下列叙述正确的是()A．可用噬菌体代替大肠杆菌进行上述实验B．可用(NH4)eq\o\al(\s\up1(35),\s\do1(2))SO4、(NH4)eq\o\al(\s\up1(32),\s\do1(2))SO4分别代替15NH4Cl、14NH4Cl进行上述实验C．试管③中b带的DNA的两条链均含有14ND．仅比较试管②和试管③的结果不能证明DNA复制为半保留复制D[噬菌体是病毒，不能用普通培养基培养，因此不能用噬菌体代替大肠杆菌进行上述实验，A错误；S不是DNA的特征元素，因此不能用含有标记S的化合物代替15NH4Cl、14NH4Cl进行上述实验，B错误；试管③中a带的DNA的两条链均含有14N，而b带的DNA的一条链含有14N、一条链含有15N，C错误；仅比较试管②和试管③的结果不能证明DNA复制为半保留复制，D正确。]2．如图所示为某DNA复制过程的部分图解，其中rep蛋白具有解旋的功能。下列相关叙述错误的是()A．rep蛋白可破坏A与C、T与G之间形成的氢键B．DNA结合蛋白可能具有防止DNA单链重新形成双链的作用C．DNA复制具有边解旋边复制和半保留复制的特点D．随从链之间的缺口需要DNA连接酶将其补齐A[rep蛋白具有解旋功能，破坏的是A与T、G与C之间的氢键，A错误；从题图中可看出有了DNA结合蛋白后，碱基对之间不能再形成氢键，可以防止DNA单链重新形成双链，B正确；DNA连接酶可以将随从链之间的缺口通过磷酸二酯键连接，从而形成完整的单链，D正确。]与DNA复制有关的计算DNA分子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DNA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①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为m·(2n－1)个。②第n次复制需该脱氧核苷酸数＝m·2n－1个。合作探究：1.已知某DNA分子含有500个碱基对，其中一条链上A∶G∶T∶C＝1∶2∶3∶4。该DNA分子连续复制数次后，消耗周围环境中含G的脱氧核苷酸2100个，则该DNA分子已经复制了多少次？提示：3次。2．假如某大肠杆菌的DNA分子用15N标记后其相对分子质量为a，用14N标记后其相对分子质量为b。现将用15N标记后的大肠杆菌，培养在含有14N的培养基中，则子一代、子二代的DNA分子平均相对分子质量分别为多少？提示：(a＋b)/2、(a＋3b)/4。1．用15N标记含有100个碱基对的DNA分子(其中有腺嘌呤60个)，该DNA分子在含14N的培养基中连续复制4次。下列有关判断错误的是()A．含有15N的DNA分子有两个B．含有14N的DNA分子占总数的7/8C.第4次复制消耗胞嘧啶脱氧核苷酸320个D．复制共产生16个DNA分子B[由于DNA分子的复制是半保留复制，亲代DNA分子的两条链始终存在于子代的两个DNA分子中，因此含有15N的DNA分子有两个，A正确；该DNA分子是在含14N的培养基中复制的，新形成的子链均含有14N，故所有DNA分子都含14N，B错误；根据碱基互补配对原则，DNA分子含有100个碱基对，其中腺嘌呤有60个，则胞嘧啶有40个，第4次复制需消耗胞嘧啶脱氧核苷酸数＝24－1×40＝320(个)，C正确；1个DNA分子经过4次复制，共产生DNA分子数＝24＝16(个)，D正确。]2．具有A个碱基对的DNA分子片段，含有m个腺嘌呤，该片段完成n次复制需要多少个游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸()A．2n(A－m) B．(2n－1)(A－m)C．(2n－1)(A/2－m) D．2n(A/2－m)B[DNA分子片段中含有A个碱基对，其中含有m个腺嘌呤，因为在DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数等于碱基总数的一半，故该片段中鸟嘌呤脱氧核苷酸的数目为A－m，完成n次复制形成DNA的数目为2n个，去掉模板DNA，实际该过程中新合成的DNA数目为2n－1个，则该复制过程需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸的数目为(2n－1)×(A－m)个，故选B。][课堂小结]知识网络构建核心语句背诵1.DNA的复制是指新DNA的合成就是产生两个跟亲代DNA完全相同的新DNA分子的过程。2.探究DNA复制的实验方法，科学家利用了同位素示踪技术和离心技术。3.细胞中DNA的复制是以亲代的一条DNA链为模板，按照碱基互补配对原则，合成另一条具有互补碱基的新链，复制出的DNA分子与亲代DNA分子完全相同，因此细胞中DNA的复制称为半保留复制。4.1958年，梅塞尔森和斯塔尔用上述实验证明DNA的复制确如沃森和克里克所描述的那样，是一种半保留的复制机制。5.DNA复制需要解旋酶、DNA聚合酶的催化，具有边解旋边复制和半保留复制的特点。6.DNA的复制不仅保证了多细胞生物体的每个体细胞都携带相同的遗传信息，而且还保持了前后代遗传信息的连续性。1．下列有关DNA复制过程的叙述中，正确的顺序是()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以两条母链为模板，游离的脱氧核苷酸为原料，进行碱基互补配对⑤子链与母链盘旋成双螺旋结构A．①③④②⑤ B．③①⑤④②C．①④②⑤③ D．③①④②⑤D[DNA复制时，DNA分子利用细胞提供的能量，在解旋酶作用下解旋(即③)；互补碱基对之间氢键断裂(即①)；然后以两条母链为模板，在DNA聚合酶作用下，利用游离的脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与模板链互补的新子链(即④)；子链与模板链通过氢键连接(即②)；最后子链与母链盘旋成双螺旋结构(即⑤)；故正确的顺序是③①④②⑤，D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，并进行离心。下列相关说法中，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位于试管的上层C．细胞经过三次分裂和离心后，3/4的DNA位于试管的中层，1/4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C[细胞经过一次分裂和离心后，所形成的每个子代DNA分子的两条链中一条链含15N，另一条链含14N，位于试管的中层，A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位于试管的上层，B正确；细胞经过三次分裂和离心后，有3/4的DNA位于试管的上层，1/4的DNA位于试管的中层，C错误；该实验可以证明DNA的复制是半保留复制，D正确。]3．如图为真核细胞DNA复制过程模式图，下列分析错误的是()A．酶①能使DNA双链的配对碱基之间的氢键断开B．图中可体现出边解螺旋边复制及半保留复制的特点C．在复制完成后，甲、乙可在有丝分裂后期、减数分裂Ⅱ后期分开D．若该DNA分子中复制前有1000个碱基对，其中A有200个，则图示过程完成共需C300个D[酶①作用于DNA的两条母链之间，使DNA双链的配对碱基之间的氢键断开，为解旋酶，酶②为DNA聚合酶，利用四种脱氧核苷酸合成子链，A正确；新形成的甲、乙两条DNA分子中均含有一条亲代DNA母链，符合半保留复制以及边解旋边复制的特点，B正确；在细胞分裂过程中，甲、乙两条DNA所携带的遗传信息相同，位于一条染色体的两条姐妹染色单体上，因此甲、乙的分离即为姐妹染色单体的分离，发生在有丝分裂后期、减数分裂Ⅱ后期，C正确；根据碱基互补配对原则，该DNA分子中复制前有1000个碱基对，其中A＝200个，则C＝G＝800个，复制一次所需要的胞嘧啶为(2－1)×800＝800(个)，D错误。]4．女性子宫肌瘤细胞中最长的DNA分子可达36mm，DNA复制速度约为4μm/min，但复制过程仅需40min左右即完成。这是因为DNA分子()A．边解旋边复制B．每个复制点双向复制，使子链迅速延伸C．以半保留方式复制D．复制起点多，分段同时复制D[根据题意知，长为36mm的DNA分子进行复制，如果只从一个位点复制需要的时间是3