新教材生物人教版必修2學(xué)案3-3DNA的復(fù)制

第3節(jié)DNA的復(fù)制核心素養(yǎng)能力培優(yōu)知識點一對DNA復(fù)制的推測與實驗證據(jù)1．對DNA復(fù)制的推測(1)提出者：沃森和克里克。(2)假說內(nèi)容：①解旋：DNA復(fù)制時，DNA雙螺旋解開，互補的堿基之間的氫鍵斷裂。②復(fù)制eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(模板：DNA解開的兩條單鏈,原料：游離的4種脫氧核苷酸,原則：堿基互補配對原則))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(fù)制方式稱作半保留復(fù)制。2．DNA半保留復(fù)制的實驗證據(jù)(1)實驗技術(shù)：同位素標(biāo)記技術(shù)和離心技術(shù)。(2)實驗原理：(3)實驗過程：(4)實驗結(jié)果：①提取親代DNA→離心→位置靠近試管底部。②繁殖一代后，提取DNA→離心→位置居中。③繁殖兩代后，提取DNA→離心→1/2位置居中，1/2位置更靠上。(5)實驗結(jié)論：DNA的復(fù)制是以半保留的方式進(jìn)行的。DNA半保留復(fù)制的實驗分析(1)實驗過程。①用15N標(biāo)記的NH4Cl培養(yǎng)大腸桿菌多代，獲得15N/15N－DNA。②將大腸桿菌轉(zhuǎn)移到含14N的普通培養(yǎng)液中培養(yǎng)。③在不同時刻收集大腸桿菌并提取DNA。④將提取的DNA進(jìn)行離心，記錄離心后試管中DNA的位置。(2)實驗預(yù)期：離心后出現(xiàn)3條DNA帶。①重帶(密度最大，最靠近試管底部)：15N標(biāo)記的親代雙鏈DNA(15N/15N)。②雜交帶(密度居中，位置也居中，也稱中帶)：一條鏈為15N標(biāo)記、另一條鏈為14N標(biāo)記的子代雙鏈DNA(15N/14N)。③輕帶(密度最小，離試管底部最遠(yuǎn))：兩條鏈都為14N標(biāo)記的子代雙鏈DNA(14N/14N)。(3)實驗結(jié)果：(4)實驗結(jié)論：實驗結(jié)果與實驗預(yù)期相同，由此證明DNA復(fù)制方式為半保留復(fù)制。★思考·討論1．如果將DNA分子的兩條鏈用15N標(biāo)記，轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，試分析子代DNA被標(biāo)記的情況。1．研究人員將含14N—DNA的大腸桿菌轉(zhuǎn)移到15NH4Cl培養(yǎng)液中，培養(yǎng)24h后提取子代大腸桿菌的DNA。將DNA熱變性處理，即解開雙螺旋，變成單鏈；然后進(jìn)行離心，離心管中出現(xiàn)的兩種條帶分別對應(yīng)圖中的兩個峰，則大腸桿菌的細(xì)胞周期為(C)A．4h B．6hC．8h D．12h解析：將含14N—DNA的大腸桿菌轉(zhuǎn)移到15NH4Cl培養(yǎng)液中，培養(yǎng)24h后提取子代大腸桿菌的DNA，DNA變性離心后，得到的14N—DNA單鏈占1/8,15N—DNA單鏈占7/8，則子代DNA共8個，繁殖了3代，細(xì)胞周期為24/3＝8(h)，C正確。★素養(yǎng)·探究——母題追問若用15N標(biāo)記一個DNA分子的兩條鏈，用含14N標(biāo)記的脫氧核苷酸為原料復(fù)制一次。那么，半保留復(fù)制和全保留復(fù)制兩種情況下產(chǎn)生的子代DNA有什么不同？提示：半保留復(fù)制：兩個子代DNA分子都為一條鏈含15N，一條鏈含14N。全保留復(fù)制：一個DNA分子都為兩條鏈含15N，另一個DNA分子都為兩條鏈含14N。2．用15N標(biāo)記細(xì)菌的DNA分子，再將它們放入含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)繁殖四代，a、b、c代表三種DNA分子：a只含15N，b同時含14N和15N，c只含14N，則圖中所示這三種DNA分子的比例正確的是(D)解析：親代1個DNA分子復(fù)制4次后，DNA分子總數(shù)為16個，其中，只含15N的DNA分子為0個，同時含14N和15N的有2個，只含14N的DNA分子有14個，它們的比例如題中D項圖所示。知識點二DNA的復(fù)制過程與復(fù)制有關(guān)的計算1．概念：以親代DNA為模板合成子代DNA的過程。2．時間：細(xì)胞分裂前的間期。3．過程：4．特點：邊解旋邊復(fù)制。5．方式：半保留復(fù)制。6．結(jié)果：形成兩個完全相同的DNA。7．意義：將遺傳信息從親代細(xì)胞傳遞給子代細(xì)胞，從而保持了遺傳信息的連續(xù)性。1．DNA復(fù)制的過程分析(1)復(fù)制的場所：eq\x(\a\al(在自然狀態(tài)下，,生物的DNA均,在細(xì)胞中復(fù)制))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(原核生物\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(擬核主要,細(xì)胞質(zhì)如質(zhì)粒)),真核生物\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(細(xì)胞核主要,線粒體,葉綠體)),病毒：在活的宿主細(xì)胞內(nèi)))(2)復(fù)制的結(jié)果：DNA分子復(fù)制一次形成兩個完全相同的DNA分子，且與親代DNA相同，每個子代DNA中一條為母鏈，另一條為新合成的子鏈。(3)子代DNA分子的組成：新合成的鏈與對應(yīng)的模板鏈?！锼伎肌び懻?．如圖為真核細(xì)胞DNA復(fù)制過程的模式圖，據(jù)圖回答相關(guān)問題：(1)據(jù)圖可知，DNA聚合酶使兩條子鏈從5′端到3′端，還是從3′端到5′端進(jìn)行合成？(生命觀念)提示：從5′端到3′端進(jìn)行合成。(2)合成的兩條子鏈間堿基排列順序相同還是互補？(生命觀念)提示：互補。2．與DNA復(fù)制有關(guān)的計算用“圖解法”分析DNA復(fù)制的相關(guān)計算：(1)將含有15N的DNA放在含有14N的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，復(fù)制n次，則：①子代DNA共2n個eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(含15N的DNA：2個,只含15N的DNA：0個,含14N的DNA：2n個,只含14N的DNA：2n－2個))②脫氧核苷酸鏈共2n＋1條：含15N的脫氧核苷酸鏈2條；含14N的脫氧核苷酸鏈(2n＋1－2)條。(2)DNA復(fù)制中消耗的脫氧核苷酸數(shù)：若親代DNA含有某種脫氧核苷酸m個，①經(jīng)過n次復(fù)制需要消耗該種脫氧核苷酸數(shù)為m·(2n－1)。②第n次復(fù)制需要消耗該種脫氧核苷酸數(shù)為m·(2n－1)－m·(2n－1－1)＝m·2n－1個?！锼伎肌び懻?．親代大腸桿菌的DNA中含有15N，在含有14N的培養(yǎng)基中進(jìn)行復(fù)制。(1)大腸桿菌通過哪一種分裂方式進(jìn)行增殖？其分裂次數(shù)和DNA復(fù)制次數(shù)有何關(guān)系？(生命觀念)提示：二分裂；大腸桿菌分裂一次，DNA復(fù)制一次。(2)若將第三代大腸桿菌的DNA提取后進(jìn)行離心，則靠近試管底部、位置居中和靠近試管的上部的DNA數(shù)之比為多少？(科學(xué)思維)提示：026。3．真核細(xì)胞中DNA復(fù)制如圖所示，下列表述錯誤的是(C)A．多起點雙向復(fù)制能保證DNA復(fù)制在短時間內(nèi)完成B．每個子代DNA都有一條核苷酸鏈來自親代C．復(fù)制過程中氫鍵的破壞和形成都需要DNA聚合酶的催化D．DNA分子的準(zhǔn)確復(fù)制依賴于堿基互補配對原則解析：DNA復(fù)制過程中氫鍵的破壞需要解旋酶的催化，但氫鍵的形成不需要酶的催化?！菊`區(qū)警示】DNA復(fù)制的三個易錯點(1)DNA復(fù)制的場所并非只在細(xì)胞核中，線粒體、葉綠體中也能進(jìn)行DNA復(fù)制。(2)并非所有細(xì)胞都進(jìn)行DNA復(fù)制，只有分裂的細(xì)胞才能進(jìn)行DNA復(fù)制。(3)DNA復(fù)制并非單向進(jìn)行，而是雙向多起點復(fù)制，且各個復(fù)制起點并不是同時開始的。★素養(yǎng)·探究1——情境遷移這個小機(jī)器是DNA復(fù)印機(jī)，也叫做PCR儀，在體外完成DNA復(fù)制，使DNA片段在數(shù)量上呈指數(shù)增加，可以在短時間內(nèi)獲得大量的特定基因片段。DNA復(fù)制機(jī)完成DNA復(fù)制需要加入哪些物質(zhì)？(科學(xué)思維)提示：模板DNA、引物、4種脫氧核苷酸、DNA聚合酶等。4．下列關(guān)于DNA復(fù)制的敘述，正確的是(B)A．DNA復(fù)制時，嚴(yán)格遵循A—U、C—G的堿基互補配對原則B．DNA復(fù)制時，兩條脫氧核糖核苷酸鏈都作為模板C．DNA分子全部解旋后，才開始進(jìn)行DNA復(fù)制D．脫氧核苷酸必須在DNA酶作用下才能連接形成新的子鏈解析：DNA分子中沒有堿基U；DNA分子是邊解旋邊復(fù)制的；脫氧核苷酸必須在DNA聚合酶的作用下才能連接形成新的子鏈。5．若將胡蘿卜細(xì)胞置于含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養(yǎng)液中，培養(yǎng)至第二次分裂中期。下列敘述正確的是(A)A．每條染色體中的兩條染色單體均含3HB．每個DNA的兩條脫氧核苷酸鏈均含3HC．每個DNA中均只有一條脫氧核苷酸鏈含3HD．每條染色單體均只有一個DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈含3H解析：DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，將胡蘿卜細(xì)胞置于含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養(yǎng)液中，第二次分裂DNA復(fù)制后，會出現(xiàn)有一條鏈被3H標(biāo)記的雙鏈DNA和雙鏈都被3H標(biāo)記的雙鏈DNA，這種情況下，一個雙鏈DNA參與構(gòu)成一條染色單體，故每條染色單體都含有3H標(biāo)記，A項正確；第二次分裂中期，既會出現(xiàn)兩條脫氧核苷酸鏈均含3H的DNA分子也會出現(xiàn)只有一條脫氧核苷酸鏈含3H的DNA分子，B項、C項、D項均錯誤?！锼仞B(yǎng)·探究2——母題追問(1)科學(xué)思維——演繹與推理上題第一次分裂過程中，由同一DNA復(fù)制而來的兩個含3H的DNA何時發(fā)生分離？為什么？提示：后期，同一DNA復(fù)制而來的兩個含3H的DNA分子位于同一條染色體的兩條染色單體上，隨染色單體的分離而分離。(2)生命觀念——結(jié)構(gòu)與功能觀若胡蘿卜細(xì)胞中含有18條染色體，則上題中胡蘿卜細(xì)胞處于第一次分裂后期時，細(xì)胞中含有多少條含3H的染色體？提示：36條。【方法規(guī)律】畫圖法解決染色體和DNA復(fù)制問題操作如下：第一步：畫出含有染色體的細(xì)胞圖，并畫出相應(yīng)染色體上的DNA分子。第二步：用不同顏色區(qū)分特殊鏈或?qū)⒂嘘P(guān)信息標(biāo)在線段上。如圖：第三步：與題結(jié)合，處理問題，必須分清含有同位素標(biāo)記的是DNA的單鏈還是雙鏈。6．一個用15N標(biāo)記的DNA分子有1200個堿基對，其中腺嘌呤700個。該DNA分子在不含15N的溶液中復(fù)制2次，則(C)A．復(fù)制完成后，含15N的腺嘌呤共有1400個B．復(fù)制完成后，不含15N的DNA分子總數(shù)與含15N的DNA分子總數(shù)之比為31C．復(fù)制過程中，共消耗胞嘧啶脫氧核苷酸1500個D．復(fù)制完成后，含15N的DNA分子的兩條鏈都含15N解析：該DNA分子有1200個堿基對，腺嘌呤700個，由于在不含15N的溶液中復(fù)制，所以復(fù)制完成后含15N的腺嘌呤仍是700個，A錯誤；DNA分子的復(fù)制是半保留復(fù)制，復(fù)制完成后，不含15N的DNA分子有2個，含15N的DNA分子也有2個，故其數(shù)量之比為11，B錯誤；在該DNA分子中有胞嘧啶(2400－700×2)/2＝500(個)，復(fù)制2次共需要胞嘧啶500×3＝1500(個)，C正確；含15N的DNA分子只有1條鏈被15N標(biāo)記，D錯誤。課題調(diào)研：計算類題目——DNA的復(fù)制[典范例題]圖1表示細(xì)胞生物遺傳信息傳遞的某過程，圖2表示DNA結(jié)構(gòu)片段。請回答下列問題：(1)圖1所示的遺傳信息傳遞過程是________，其中不同于圖2的堿基互補配對方式是________。(2)科學(xué)家在探究DNA復(fù)制特點時運用的主要技術(shù)是________________。若把圖2所示DNA放在含15N的培養(yǎng)液中復(fù)制3代，子代中含14N的DNA所占比例為________。在DNA復(fù)制過程中作用于b點的酶是________。(3)若通過PCR技術(shù)(連續(xù)復(fù)制)共得到32個圖2中的DNA片段，則至少要向試管中加入________個腺嘌呤脫氧核苷酸。[模板構(gòu)建·思路導(dǎo)引]eq\a\vs4\al(明原理)明確計算所依據(jù)的原理，本題涉及遺傳信息的傳遞，即DNA復(fù)制，其典型特點是半保留復(fù)制eq\a\vs4\al(理關(guān)系)結(jié)合計算所依據(jù)的原理，理順數(shù)量關(guān)系。DNA復(fù)制時分別以兩條鏈為模板進(jìn)行復(fù)制，即復(fù)制方式為半保留復(fù)制，子代DNA只保留親代的一條鏈，需要注意標(biāo)記的對象是親代DNA鏈，還是新合成的子鏈eq\a\vs4\al(準(zhǔn)計算)根據(jù)堿基互補配對原則進(jìn)行準(zhǔn)確計算，同時注意一些方法技巧的靈活運用，如DNA復(fù)制所需原料的計算[規(guī)范答案·警示失誤](1)轉(zhuǎn)錄A—U(2)同位素示蹤技術(shù)1/8解旋酶錯答：第二空答為1/4錯因：沒有注意圖2中DNA分子只有一條鏈含有14N，誤以為DNA兩條模板鏈都被14N標(biāo)記。(3)124錯答：128錯因：忽略了通過DNA連續(xù)復(fù)制得到的32個DNA分子中包含原來的親代DNA的兩條鏈，實際上新合成的DNA分子相當(dāng)于31個。[解題技巧]在高中生物教材中有些知識都可以量化，由此衍生出一些數(shù)據(jù)計算型題目，這類題目主要是依據(jù)生物學(xué)基本原理，運用數(shù)學(xué)工具來解決生物學(xué)中的定量問題，其核心在于通過定量計算考查學(xué)生對相關(guān)概念、原理和生理過程的理解和掌握程度。此類題目的一般解題思路為：(1)“明原理”——結(jié)合題干信息及知識體系，明確計算所依據(jù)的生物學(xué)原理，如光合作用與細(xì)胞呼吸有關(guān)計算依據(jù)的原理就是光合作用、細(xì)胞呼吸的相互關(guān)系；DNA復(fù)制有關(guān)計算所依據(jù)的原理則是DNA的半保留復(fù)制等。(2)“理關(guān)系”——根據(jù)生物學(xué)原理理順相應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，將題干信息中的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的原理結(jié)合起來。(3)“準(zhǔn)計算”——根據(jù)理順的數(shù)量關(guān)系列出相關(guān)算式，進(jìn)行準(zhǔn)確計算，計算過程需靈活運用解題方法，掌握解題技巧，使計算結(jié)果準(zhǔn)確無誤。課堂對點素養(yǎng)達(dá)標(biāo)一、選擇題1．DNA分子的半保留復(fù)制是指(C)A．DNA分子中的一條鏈進(jìn)行復(fù)制，另一條鏈不復(fù)制B．DNA分子中的一半進(jìn)行復(fù)制，另一半不復(fù)制C．每一個子代DNA均保留了其親代DNA分子中的一條單鏈D．DNA分子復(fù)制后，一個仍為親代DNA，另一個為子代DNA解析：DNA分子復(fù)制時，以DNA分子解旋后的兩條單鏈為模板，且模板鏈與新形成的子鏈間構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)，故新DNA分子總保留原DNA分子的一條鏈，因此又稱半保留復(fù)制。2．1956年美國生物化學(xué)家康貝格首次在試管中人工合成了DNA分子。實驗中，他曾將從大腸桿菌中提取出的DNA聚合酶加入到具有四種豐富的脫氧核苷酸和適量的Mg2＋的人工合成體系中，四種脫氧核苷酸并不能聚合成脫氧核苷酸鏈——并沒有發(fā)生DNA的合成。下列關(guān)于其原因的敘述，錯誤的是(C)A．缺少合成DNA的模板B．缺乏能量供應(yīng)C．試管中缺乏大腸桿菌D．合成過程需要適宜的溫度、pH等條件解析：人工合成DNA只需要模擬細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制需要的條件進(jìn)行，不需要加入生物。3．下列有關(guān)DNA復(fù)制的說法中，正確的是(B)A．DNA復(fù)制時只有一條鏈可以作為模板B．DNA復(fù)制所需要的原料是4種脫氧核苷酸C．DNA復(fù)制的場所只有細(xì)胞核D．DNA復(fù)制的時間只能是有絲分裂間期解析：DNA復(fù)制時需要以解開的兩條鏈為模板。DNA復(fù)制的場所主要是細(xì)胞核，也可以是線粒體和葉綠體，在細(xì)菌體內(nèi)還可以是擬核。DNA復(fù)制發(fā)生在有絲分裂間期和減數(shù)分裂Ⅰ前的間期。DNA復(fù)制時需要的原料是4種脫氧核苷酸。4．下列有關(guān)探究DNA復(fù)制過程的說法不正確的是(C)A．實驗利用了同位素示蹤法B．細(xì)胞有絲分裂一次意味著DNA復(fù)制一次C．密度梯度超速離心后，DNA在試管中的位置與相對分子質(zhì)量無關(guān)D．實驗結(jié)果說明了DNA具有半保留復(fù)制的特點解析：探究DNA復(fù)制的實驗利用15N標(biāo)記親代細(xì)胞的DNA，在含14N的培養(yǎng)液中連續(xù)分裂兩次(在每次分裂的間期DNA都復(fù)制一次)，分別取分裂一次和分裂兩次的細(xì)胞DNA，進(jìn)行密度梯度超速離心，DNA在試管中的位置取決于DNA分子所含同位素的情況，即相對分子質(zhì)量的大小。實驗結(jié)果說明了DNA具有半保留復(fù)制的特點。5．體外進(jìn)行DNA復(fù)制的實驗，向試管中加入有關(guān)的酶、四種脫氧核苷酸和ATP,37℃A．能生成DNA，DNA的堿基比例與四種脫氧核苷酸的比例一致B．不能生成DNA，因為缺少DNA模板C．能生成DNA，DNA的堿基比例不確定，且與酶的來源有一定的關(guān)聯(lián)D．不能生成DNA，因為實驗中缺少酶催化的適宜的體內(nèi)條件解析：DNA復(fù)制的四個基本條件是：模板、酶、ATP、原料。沒有加入模板DNA，所以無DNA生成。6．在氮源為14N和15N的培養(yǎng)基上生長的大腸桿菌，其DNA分子分別為14N－DNA(擬核DNA相對分子質(zhì)量為a)和15N－DNA(擬核DNA相對分子質(zhì)量為b)。將15N標(biāo)記的親代大腸桿菌(15N－DNA)轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基上，讓其連續(xù)繁殖兩代(Ⅰ和Ⅱ)，用某種離心方法分離得到的結(jié)果如圖所示。下列關(guān)于此實驗的敘述正確的是(多選)(ACD)A．Ⅰ代大腸桿菌DNA分子中一條鏈含14N，另一條鏈含15NB．Ⅱ代大腸桿菌含15N的DNA分子占全部DNA分子的1/4C．預(yù)計Ⅲ代大腸桿菌擬核DNA分子的平均相對分子質(zhì)量為(7a＋bD．上述實驗結(jié)果證明DNA的復(fù)制方式為半保留復(fù)制解析：將親代大腸桿菌(15N－DNA)轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基上后，DNA就會以14N為原料進(jìn)行復(fù)制。由于DNA復(fù)制方式為半保留復(fù)制，15N－DNA在含14N的培養(yǎng)基上進(jìn)行第一次復(fù)制后，產(chǎn)生的兩個子代DNA分子均含有一條含15N的DNA鏈和一條含14N的DNA鏈(混合型DNA分子)，這樣的DNA用離心法分離后，密度帶應(yīng)該分布在試管的中部，Ⅰ代大腸桿菌的兩個DNA分子再分別進(jìn)行復(fù)制，產(chǎn)生的四個子代DNA分子，其中有兩個為全14N－DNA分子，另外兩個為14N、15N－DNA分子(混合型DNA分子)，此時進(jìn)行離心處理，產(chǎn)生的密度帶應(yīng)該分別位于試管的上部和中部，且含15N的DNA分子占全部DNA分子的1/2。Ⅲ代大腸桿菌擬核DNA分子共有8個，其相對分子質(zhì)量之和為7a＋b，平均相對分子質(zhì)量為(7a＋二、非選擇題7．現(xiàn)有從某生物體內(nèi)提取的一個DNA分子(稱第一代)和標(biāo)記放射性同位素3H的四種脫氧核苷酸，要在實驗中合成新的DNA分子。(1)除上述幾種物質(zhì)外，還必須準(zhǔn)備酶和能量(ATP)，經(jīng)DNA解旋和按照堿基互補配對原則合成與母鏈互補的子鏈的過程，方能形成第二代的DNA。(2)在第二代的一個DNA分子中，有一條含3H的鏈。(3)在第二代的兩個DNA分子中，含有3H鏈的堿基序列相同嗎？為什么？它們是何關(guān)系？不同。因為作為模板的兩條鏈?zhǔn)腔パa的，而新鏈與模板鏈也互補，所以含有3H的兩條鏈的堿基序列不同。它們是互補關(guān)系。(4)在第五代的全部DNA分子中，有兩條不含3H的鏈，占全部DNA分子鏈的eq\f(1,16)。解析：DNA分子的復(fù)制是一種生理活動過程，有DNA分子的解旋、子鏈的合成等復(fù)雜活動，因而需要酶和能量。DNA分子的復(fù)制可用線形圖解表示為(下圖所示)：可見兩條新合成的子鏈也是互補的，對應(yīng)的堿基不同。DNA分子復(fù)制到第五代時，已復(fù)制了四次，形成了24個DNA分子，32條單鏈，只有兩條原來的母鏈保留下來，占全部DNA分子鏈的eq\f(2,32)，即eq\f(1,16)。8．某校的一個生物活