高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3章 基因的本质第3节 DNA的复制导学案

这是一份高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3章 基因的本质第3节 DNA的复制导学案，共15页。

[学生用书P49]
一、DNA半保留复制的实验证据
1．实验材料：大肠杆菌。
2．实验技术：同位素标记技术和离心技术。
3．实验原理
4.实验过程
5．实验结果
(1)提取亲代DNA→离心→位置靠近试管底部。
(2)繁殖一代后，提取DNA→离心→位置居中。
(3)繁殖两代后，提取DNA→离心→1/2位置居中，1/2位置更靠上。
6．实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的。
二、DNA复制的过程
1．概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
2．时间：细胞分裂前的间期。
3．过程分析
4．结果：形成两个与亲代DNA分子完全相同的子代DNA分子。
5．特点：边解旋边复制、半保留复制。
6．准确复制的原因
(1)DNA独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板。
(2)通过碱基互补配对，保证了复制准确无误地进行。
7．意义：将遗传信息从亲代传给子代，从而保持了遗传信息的连续性。
(1)DNA复制遵循碱基互补配对原则，子代DNA中两条链均是新合成的。(×)
(2)植物细胞的线粒体和叶绿体中也可发生DNA的复制。(√)
(3)在一个细胞周期中，DNA复制过程中的解旋发生在两条DNA母链之间。(√)
(4)DNA复制就是以亲代DNA的一条链为模板合成子代DNA的过程。(×)
(5)DNA复制一旦完成，亲代DNA不再存在，模板链依然存在。(√)
知识点一 DNA的复制[学生用书P49]
1．对DNA复制的拓展理解
(1)复制的场所
eq \a\vs4\al(在自然状态下，,生物的DNA均,在细胞中复制)eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(原核生物\b\lc\{(\a\vs4\al\c1(拟核（主要）,细胞质（如质粒）)),真核生物\b\lc\{(\a\vs4\al\c1(细胞核（主要）,线粒体,叶绿体)),病毒：在活的宿主细胞内))
(2)DNA的复制往往是从多个起点同时进行的，如下图所示：
①解旋酶的作用是破坏碱基间的氢键。
②DNA聚合酶的作用是连接游离的脱氧核苷酸。
2．DNA的半不连续复制
DNA的半不连续复制模型
(1)DNA半保留复制时，DNA的两条链都能作为模板，同时合成两条新的互补链。DNA的两条链是反向平行的，但是，生物体内所有已知的DNA聚合酶只能催化5′→3′方向的延伸。为了解决DNA在复制时两条链能够同时作为模板合成其互补链这个问题，日本学者冈崎等提出DNA的半不连续复制模型(如上图所示)，以图中b链为模板时，最终合成的互补链实际上是由许多沿5′→3′方向合成的DNA片段连接起来的。
(2)DNA复制时，当以a链为模板时，DNA聚合酶可以沿5′→3′方向连续合成新的互补链，这条新的互补链称为前导链。当以b链为模板时，DNA聚合酶也是沿5′→3′方向合成新链片段，即DNA聚合酶从复制叉的位置开始向复制叉移动方向的相反方向合成适宜长度的新链片段，待复制叉向前移动相应的距离后，DNA聚合酶又重复这一过程，从复制叉的位置开始向复制叉移动方向的相反方向合成另一个类似大小的新链片段，随着复制叉的移动会形成许多不连续的片段，这些片段被称为冈崎片段，最后这些冈崎片段被连接成一条完整的子链，这条子链称为后随链。在生物细胞中，这种前导链的连续复制和后随链的不连续复制是普遍存在的，称为DNA合成的半不连续复制。
发展素养
1．DNA复制时，解旋酶作用于DNA的什么部位？(生命观念)
提示：解旋酶作用于连接碱基对的氢键。
2．验证DNA半保留复制，实验开始时，为什么要用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代？(科学探究)
提示：普通的大肠杆菌体内的N都是14N，用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖多代后，可认为大肠杆菌体内的N都是15N标记的。
1．下列关于DNA复制的叙述，正确的是( )
A．在细胞分裂前的间期会发生DNA复制
B．一个DNA通过一次复制后产生四个DNA分子
C．DNA双螺旋结构全部解链后，开始DNA的复制
D．单个脱氧核苷酸在DNA水解酶的作用下连接合成新的子链
答案：A
2．(2020·河南新乡高一检测)DNA在复制时，其双链首先解开，形成复制叉后先合成RNA引物，然后引导子链的合成。下图为DNA复制部分过程示意图，以下叙述正确的是( )
A．酶A催化合成RNA引物，则酶A是RNA聚合酶
B．酶B能将冈崎片段连接成一条链，则酶B是DNA聚合酶
C．DNA聚合酶催化两个游离的脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键
D．DNA酶为DNA水解为脱氧核苷酸提供了活化能
解析：选A。催化合成RNA的酶是RNA聚合酶，A正确；将冈崎片段连成脱氧核苷酸链的酶是DNA连接酶，B错误；DNA聚合酶只能将游离的脱氧核苷酸连接到脱氧核苷酸链上，不能催化两个游离的脱氧核苷酸形成磷酸二酯键，C错误；酶催化作用的机理是降低化学反应的活化能，而不是提供活化能，D错误。
知识点二 DNA复制的相关计算[学生用书P50]
某DNA分子中，含有p个碱基对，其中腺嘌呤为q个，该DNA分子用15N标记，其复制所需原料含14N，其连续复制n次。过程如下图所示。
(1)DNA分子数
(2)脱氧核苷酸链数
(3)消耗脱氧核苷酸数
发展素养
亲代大肠杆菌的DNA中含有15N，在含有14N的培养基中进行复制。
(1)大肠杆菌通过哪一种分裂方式进行增殖？其分裂次数和DNA复制次数有何关系？(生命观念)
提示：二分裂。大肠杆菌分裂一次，DNA复制一次。
(2)若将第三代大肠杆菌的DNA提取后进行离心，则靠近试管底部、位置居中和靠近试管的上部的DNA数之比为多少？(科学思维)
提示：0∶2∶6。
1．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
答案：C
2．下列关于DNA的相关计算中，正确的是( )
A．具有1 000个碱基对的DNA，腺嘌呤有600个，则每一条链上都具有胞嘧啶200个
B．具有m个胸腺嘧啶的DNA片段，复制n次后共需要2n·m个胸腺嘧啶
C．具有m个胸腺嘧啶的DNA片段，第n次复制需要2n－1·m个胸腺嘧啶
D．无论是双链DNA还是单链DNA，A＋G所占的比例均是1/2
解析：选C。根据碱基互补配对原则，具有1 000个碱基对的DNA，A＋T＋C＋G＝2 000个，A＝T＝600个，C＝G＝400个，但在该DNA分子的每一条链上，所具有的胞嘧啶不一定是200个，A项错误；具有m个胸腺嘧啶的DNA片段，复制n次后共需要(2n－1)·m个胸腺嘧啶，B项错误；具有m个胸腺嘧啶的DNA片段，第n次复制共需要(2n－1)·m－(2n－1－1)·m＝2n－1·m个胸腺嘧啶，C项正确；在双链DNA分子中，A＋G所占的比例是1/2，在单链DNA分子中，A＋G所占的比例不一定是1/2，D项错误。
eq \a\vs4\al()
画图法解决染色体和DNA复制的问题
第一步：画出含有染色体的细胞图，并画出相应染色体上的DNA分子。
第二步：用不同颜色区分特殊链或将有关信息标在线段上。如下图所示：
第三步：与题结合，处理问题，必须分清含有同位素标记的是DNA的单链还是双链。
[随堂检测][学生用书P51]
1．(2020·江西南昌高一检测)下列关于DNA复制的叙述，正确的是( )
A．DNA复制时，亲代DNA中只有一条链是模板
B．精原细胞略微增大进行DNA复制
C．DNA复制在核糖体上进行
D．DNA复制时，以其周围游离的脱氧核糖核酸为原料
解析：选B。DNA复制时，亲代DNA中的两条链都是模板，A项错误；精原细胞略微增大，说明细胞处于分裂前的间期，正在进行DNA复制，B项正确；DNA复制主要在细胞核中进行，蛋白质合成在核糖体上进行，C项错误；DNA复制时，以其周围游离的单体——脱氧核糖核苷酸为原料，D项错误。
2．在一个细胞周期中，DNA复制过程中的解旋发生在( )
A．两条DNA母链之间
B．DNA子链与其互补的母链之间
C．两条DNA子链之间
D．DNA子链与其非互补的母链之间
解析：选A。DNA复制过程中的解旋发生在两条DNA母链之间，A符合题意。
3．(2020·湖南长沙高一期中)将一个用15N标记的DNA放到含14N的环境中培养，让其连续复制3次，将每次复制产物置于试管内进行离心，下图中分别代表复制1次、2次、3次后的离心结果的是( )
A．c、e、f B．a、e、d
C．a、b、d D．c、d、f
解析：选A。DNA的复制特点是半保留复制，一个用15N标记的DNA在含14N的环境中培养，复制1次后，每个DNA分子的一条链含15N，一条链含14N，离心后DNA全部位于中密度带，对应图中的c；复制2次后，产生4个DNA分子，其中含15N和14N的DNA分子有2个，只含14N的DNA分子有2个，离心后一半DNA位于中密度带，一半DNA位于低密度带，对应图中的e；复制3次后，产生8个DNA分子，其中含15N和14N的DNA分子有2个，只含14N的DNA分子有6个，离心后少部分DNA位于中密度带，大部分DNA位于低密度带，对应图中的f。
4．下图表示DNA复制的过程。结合图示判断，下列有关叙述错误的是( )
A．DNA复制过程中首先需要解旋酶破坏DNA双链间的氢键，使两条链解开
B．DNA的复制具有双向进行的特点，生成的两条子链的延伸方向相反
C．DNA的复制需要DNA聚合酶将单个脱氧核苷酸连接成DNA片段
D．DNA复制形成的两条子链都是连续合成的
解析：选D。DNA复制过程的第一步是解旋，需要用解旋酶破坏DNA双链之间的氢键，使两条链解开，A项正确；由题图可知，DNA的复制具有双向进行的特点，生成的两条子链的延伸方向相反，B项正确；DNA的复制需要DNA聚合酶将单个脱氧核苷酸连接成DNA片段，C项正确；由题图可知，DNA复制合成两条子链时，前导链的合成是连续的，后随链的合成是不连续的，D项错误。
5．在氮源分别为14N和15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分别为14N/14N­DNA(拟核DNA相对分子质量为a)和15N/15N­DNA(拟核DNA相对分子质量为b)。将一个15N标记的亲代大肠杆菌(15N/15N­DNA)转移到含14N的培养基上，让其连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ)，用某种离心方法分离得到的结果如下图所示。下列关于此实验的叙述不正确的是( )
A．Ⅰ代大肠杆菌DNA分子中一条链含14N，另一条链含15N
B．Ⅱ代大肠杆菌含15N的DNA分子占全部DNA分子的1/4
C．预计Ⅲ代大肠杆菌拟核DNA分子的平均相对分子质量为(7a＋b)/8
D．上述实验结果证明DNA的复制方式为半保留复制
解析：选B。将一个亲代大肠杆菌(15N/15N­DNA)转移到含14N的培养基上后，由于DNA复制方式为半保留复制，15N/15N­DNA在含14N的培养基上进行第一次复制后，产生的两个子代DNA分子均为14N/15N­DNA，这样的DNA用离心法分离后，应该分布在中带位置。Ⅰ代大肠杆菌的两个DNA分子再分别进行复制，产生的四个子代DNA分子中，有两个为14N/14N­DNA分子，另外两个为14N/15N­DNA分子，此时进行离心处理，DNA应该分布于轻带和中带位置，且含15N的DNA分子占全部DNA分子的1/2。Ⅲ代大肠杆菌拟核DNA分子共有8个，其相对分子质量之和为7a＋b，平均相对分子质量为(7a＋b)/8。
6．一个用15N标记的DNA分子有1 200个碱基对，其中腺嘌呤700个。该DNA在不含15N的溶液中复制2次，则( )
A．复制完成后，含15N的腺嘌呤共有1 400个
B．复制完成后，不含15N的DNA分子总数与含15N的DNA分子总数之比为3∶1
C．复制过程中，共消耗胞嘧啶1 500个
D．复制完成后，含15N的DNA分子的两条链都含15N
解析：选C。该DNA分子有1 200个碱基对，腺嘌呤700个，由于在不含15N的溶液中复制，所以复制完成后含15N的腺嘌呤仍是700个，A错误；DNA的复制方式是半保留复制，复制完成后，不含15N的DNA分子有2个，含15N的DNA分子也有2个，故其数量之比为1∶1，B错误；在该DNA中有胞嘧啶(2 400－700×2)/2＝500(个)，复制2次共需要胞嘧啶500×3＝1 500(个)，C正确；含15N的DNA分子只有1条链被15N标记，D错误。
7．(2020·江苏南京高一检测)下图为真核生物DNA的结构(图甲)及发生的生理过程(图乙)，请据图回答下列问题：
(1)图甲为DNA的结构示意图，其基本骨架由________和________(填序号)交替排列构成，④为____________。
(2)从图乙可看出，该过程是从________(填“单”或“多”)个起点开始复制的，从而________复制速率；图乙中所示的酶为________酶，作用于图甲中的________(填序号)。
(3)若用1个被32P标记的噬菌体侵染未标记的大肠杆菌，释放出300个子代噬菌体，其中含有32P的噬菌体所占的比例是________。
(4)若图甲中的亲代DNA含有100个碱基对，将一个该DNA分子放在含有用32P标记的脱氧核苷酸培养液中复制一次，则子代一个DNA分子的相对分子质量比亲代增加________。
答案：(1)① ② 胞嘧啶脱氧核苷酸 (2)多 提高 解旋 ⑨ (3)1/150 (4)100
[课时作业][学生用书P123(单独成册)]
1．下列关于DNA复制的叙述，正确的是( )
A．DNA在解旋酶的作用下，水解成脱氧核苷酸
B．有丝分裂前期细胞核中能进行DNA的复制
C．解旋后以一条母链为模板合成两条新的子链
D．复制结束后，每个新DNA中含有一条母链和一条子链
解析：选D。解旋酶作用于氢键，只是解开DNA的双螺旋结构，不能将DNA水解成脱氧核苷酸，A错误。在真核细胞中，DNA复制发生在有丝分裂前的间期和减数分裂前的间期，B错误。DNA复制是半保留复制，解旋后，解开的每一条母链均可作为模板，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一条子链，复制结束后，每个新DNA中含有一条母链和一条子链，C错误，D正确。
2．下图为某真核细胞中DNA复制过程模式图，下列分析正确的是( )
A．酶①和酶②均作用于氢键
B．该过程的模板链是a、d链
C．该过程中的c、d链碱基序列相同
D．DNA复制的特点是半保留复制
解析：选D。图中酶①是解旋酶，酶②是DNA聚合酶，前者作用于氢键，后者作用于磷酸二酯键，A错误；该过程a、b链为模板链，c、d链分别是以a、b链为模板合成的子链，c、d链的碱基序列是互补的，B、C错误；DNA复制具有半保留复制的特点，D正确。
3．下图表示DNA复制的片段，图中a、b、c、d表示脱氧核苷酸链，下列叙述正确的是( )
A．a链和c链的碱基序列互补
B．该过程需要的原料是核糖核苷酸
C．DNA复制时遵循碱基互补配对原则
D．a链上A＝T，C＝G
解析：选C。DNA复制的特点是半保留复制，b链是以a链为模板合成的，c链是以d链为模板合成的，a链和b链的碱基互补，c链和d链的碱基互补，由于a、d链是亲代DNA的两条链，碱基互补，所以a链和c链、b链和d链的碱基序列相同，A错误。DNA复制，需要的原料是脱氧核苷酸，B错误。DNA复制时遵循碱基互补配对原则，在双链DNA中，A＝T、C＝G，单链中不一定如此，C正确，D错误。
4．某双链DNA分子共含有含氮碱基1 400个，其中一条单链上(A＋T)/(G＋C)＝2/5，则该DNA分子连续复制两次，共需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是( )
A．300个 B．400个
C．600个 D．1 200个
解析：选C。由题意可知，该DNA分子中T有200个，复制两次需要的游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是(22－1)×200＝600个，C符合题意。
5．将用15N标记的一个DNA分子置于含14N的脱氧核苷酸培养基中，经过4次连续复制，含15N标记的脱氧核苷酸链占总脱氧核苷酸链的比例是( )
A．1/4 B．1/6
C．1/8 D．1/16
解析：选D。一个含有15N标记的DNA分子经过4次复制得到24＝16个DNA分子，共2×16＝32条脱氧核苷酸链，其中含有15N标记的脱氧核苷酸链只有2条，故含有15N标记的脱氧核苷酸链所占的比例是2/32＝1/16，D符合题意。
6．下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 \\al(35,2)SO4、(NH4)eq \\al(32,2)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14N
D．仅比较试管②和③的结果不能证明DNA复制为半保留复制
解析：选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项错误；DNA中不含S，因此不能用含有35S的化合物进行此实验，B项错误；试管③中a带的DNA的两条链均含14N，而b带的DNA的一条链含14N、一条链含15N，C项错误；仅比较试管②和③的结果，不能证明DNA的复制方式为半保留复制，也可能是全保留复制，D项正确。
7．下图为真核生物DNA复制过程示意图，下列有关分析错误的是( )
A．DNA具有半保留复制、边解旋边复制的特点
B．DNA复制时两条子链的延伸方向相同
C．DNA不同起点的复制是不同步进行的
D．多起点双向复制提高了DNA的合成速率
解析：选B。DNA具有半保留复制、边解旋边复制的特点，A正确；据图分析，DNA复制时两条子链的延伸方向相反，B错误；DNA不同起点的复制是不同步进行的，C正确；多起点双向复制提高了DNA的合成速率，D正确。
8．用15N标记含有100个碱基对的双链DNA分子，其中有胞嘧啶60个，该DNA分子在含有14N的培养基中连续复制4次。其结果不可能是( )
A．含有15N的DNA分子占1/8
B．复制过程中需要腺嘌呤脱氧核苷酸600个
C．含有14N的DNA分子占7/8
D．复制结果共产生16个DNA分子
解析：选C。该DNA分子在14N培养基中连续复制4次，可得到24＝16(个)DNA分子，其中含有15N的DNA分子占2/16，因为DNA复制的方式为半保留复制，亲代DNA分子的两条链只可能进入两个子代DNA分子中，含有14N的DNA分子占100%，A、D不符合题意，C符合题意；在含有100个碱基对的DNA分子中，若有胞嘧啶60个，则含有腺嘌呤的个数为eq \f(100×2－60×2,2)＝40(个)，则连续复制4次所需腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为40×(24－1)＝600(个)，B不符合题意。
9．分析下图实验过程，据图回答下列问题：
,结果Ｆ
(1)上述实验采用了____________________法。
(2)该实验说明了DNA的复制是以________的方式进行的。
答案：(1)放射性同位素标记 (2)半保留
10．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________酶的作用下把两条链解开。
(3)已知一个亲代双链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。
(4)该过程得到的子代DNA与亲代相同，原因是_____________________
_______________________________________________________________。
解析：(1)分析题图可知，图示为DNA的复制过程，真核细胞中DNA复制发生的主要场所是细胞核。(2)DNA复制首先需要在解旋酶的作用下把两条链解开，该过程需要消耗能量。(3)已知一个亲代DNA分子有p个碱基，其中腺嘌呤q个，则胞嘧啶有p/2－q个，所以连续进行此项生理过程(DNA复制)n次，共消耗游离的胞嘧啶脱氧核苷酸(p/2－q)(2n－1)个。(4)该过程得到的子代DNA与亲代相同，原因是DNA独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板，以及在复制过程中遵循碱基互补配对原则。
答案：(1)DNA复制 细胞核
(2)解旋
(3)(p/2－q)(2n－1)
(4)DNA独特的双螺旋结构为复制提供精确的模板，以及在复制过程中遵循碱基互补配对原则课标要求
核心素养
概述DNA分子通过半保留方式进行复制。
1.生命观念：说出DNA复制的过程和特点。
2.科学思维：根据碱基互补配对原则进行DNA复制的相关计算。
3.科学探究：分析探究DNA复制的实验方法、实验过程和实验结果。
两条链被标记情况
密度大小
离心位置
都是15N
最大
靠近试管的底部
一条15N，一条14N
居中
位置居中
都是14N
最小
靠近试管的上部
子代DNA分子数
2n
含15N的DNA分子数
2
含14N的DNA分子数
2n
只含14N的DNA分子数
2n－2
子代DNA中脱氧核苷酸链数
2n＋1
含15N的脱氧核苷酸链数
2
含14N的脱氧核苷酸链数
2n＋1－2
消耗胸腺嘧啶脱氧核苷酸数
(2n－1)q
消耗胞嘧啶脱氧核苷酸数
(2n－1)(p－q)
核心知识小结
[要点回眸]
[规范答题]
1．DNA半保留复制实验方法：同位素标记技术。
2．DNA复制发生在细胞分裂前的间期。
3．DNA复制需要DNA模板、4种脱氧核苷酸做原料以及酶和能量。
4．DNA聚合酶使两条子链从5′­端到3′­端，进行合成。
5．DNA复制的特点是边解旋边复制和半保留复制。
6．DNA分子独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板；通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。