浙科版高中生物学必修2遗传与进化第三章遗传的分子基础课时教学课件

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第三节　DNA通过复制传递遗传信息素养导学内容梳理概念突破随堂检测素养导学1.DNA通过半保留方式进行复制(1)探究DNA的复制过程①实验原理a.实验方法: 技术和 技术。b.实验原理:含15N的双链DNA密度较大,离心后的条带分布于离心管的 部;含14N的双链DNA密度较小,离心后的条带分布于离心管的 部;一条链含15N与另一条含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 部。内容梳理同位素示踪离心下上中②实验过程③实验分析a.实验预期预期一:若第二代DNA分子中15N-15N -DNA占1/2,14N-14N -DNA占1/2,而第三代DNA分子中15N-15N -DNA占1/4,14N- 14N-DNA 占3/4,说明DNA复制是 .复制。预期二:若第二代DNA分子中全部是15N-14N-DNA,而第三代DNA分子中15N-14N -DNA占1/2, 14N- 14N -DNA占1/2,说明DNA复制是 复制。b.实验结论实验结果和 的一致,说明DNA的复制是以 的方式进行的。全保留半保留预期二半保留(2)DNA复制的特点及条件亲代DNA间期间期细胞核、线粒体、叶绿体边解旋边复制两条链DNA聚合酶(3)DNA复制的过程(如图)①解旋:DNA复制时,在 的作用下,两条链的配对碱基之间的 断开,碱基暴露出来,形成了两条“模板链”,即母链。②合成子链:每一条母链按照互补配对的原则,腺嘌呤与 核苷酸配对,鸟嘌呤与 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 ,产生一条子链。③形成子代DNA:每条子链与其对应的 盘绕成双螺旋结构,从而形成两个与亲代DNA完全相同的DNA分子。2.DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础(1)保证了多细胞生物体的每个体细胞都携带 的遗传信息,而且 . 细胞在形成过程中也要进行DNA的复制。(2)将亲代的 传给子代,从而保持了前后代 的连续性。解旋酶氢键胸腺嘧啶胞嘧啶磷酸二酯键母链相同生殖遗传信息遗传信息概念突破概念一　DNA通过半保留方式进行复制[概念情境]将蚕豆幼苗放在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷(即3H-T,胸腺嘧啶脱氧核苷酸的组成成分)的培养基中培养一段时间,让3H掺入DNA中,从而使染色体带有放射性,培养过程如图甲。随后,将幼苗转到普通培养基(1H-T)中培养一段时间,图乙是跟踪检测根尖细胞部分染色体某时期变化图。请据图思考并回答以下问题。(1)完成图甲的培养过程,核DNA至少经过几次复制?若某核DNA含有900个胸腺嘧啶脱氧核苷酸,则复制3次共需要多少个腺嘌呤脱氧核苷酸?提示:①根据题意,有丝分裂过程中DNA分子进行半保留复制,第一次有丝分裂结束后,每个双链DNA分子的两条链,其中一条链含有3H(有放射性),另一条链不含3H(无放射性);第二次有丝分裂过程中,DNA分子复制后,一半DNA分子的两条链是含有3H(有放射性)和不含3H(无放射性),另一半DNA分子的两条链都是含有3H(有放射性),所以完成图甲的培养过程,核DNA至少经过2次复制。②在DNA分子中A=T,若某核DNA含有900个胸腺嘧啶脱氧核苷酸,则复制3次需要(23-1)×900=6 300(个)腺嘌呤脱氧核苷酸。(2)在细胞分裂过程中,图乙的B过程一般发生在什么时期?此过程产生的两条染色体中, 3H是如何分布的?提示:在细胞分裂过程中,图乙的B过程为着丝粒分裂,发生在有丝分裂后期;此过程产生的两条染色体中,无放射性的不含3H,有放射性的一条链含有3H,另一条链不含3H。(3)若该图甲中DNA分子经过诱变,某位点上一个正常碱基(设为P)变成了尿嘧啶。该DNA连续复制两次,得到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,请分析“P”应为何种碱基。提示:根据DNA半保留复制的特点,DNA分子经过2次复制后,以突变链为模板复制形成的2个DNA分子相应位点上的碱基对为U—A、A—T,而另一条正常,以正常链为模板复制形成的两个DNA分子相应位点上的碱基对为G—C、C—G,因此被替换的可能是G或C。突破点1DNA的复制特点[典例1] 下列关于DNA复制的叙述中,正确的是(　 　)A.DNA复制只以亲代的一条DNA链为模板B.在DNA聚合酶作用下,两条链配对的碱基之间的氢键断开C.形成子链时,相邻核苷酸的核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键D.DNA复制形成的子代DNA分子中的碱基数量遵循卡伽夫法则解析:DNA复制是以亲代的两条DNA链分别为模板;在解旋酶作用下,两条链配对的碱基之间的氢键断开;形成子链时,相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键;DNA复制形成的子代DNA分子中的碱基数量遵循卡伽夫法则。D [概念误区] 有关DNA复制过程的几个易错点(1)DNA复制时并不是两条链全部解旋后再复制产生新链,而是边解旋边复制。(2)DNA复制时,氢键断裂需要DNA解旋酶,但这并不是氢键断裂的唯一方式,如高温加热也能使氢键断裂,另外转录过程中在RNA聚合酶的作用下,氢键也会断裂。(3)在DNA复制过程中,在解旋酶的作用下,两条链间的氢键断裂,暴露的碱基吸引配对的脱氧核苷酸与之配对,最后相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团之间形成磷酸二酯键,形成子链。(4)在细胞分裂时,染色体上的DNA分子复制后,两条链进入两条姐妹染色单体中,会在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期分离。突破点2DNA复制过程中的数量变化[典例2] 用15N标记含有200个碱基对的DNA分子,其中有胞嘧啶120个。该DNA分子在含14N 的培养基中连续复制4次,其结果可能是( 　　)A.含14N的DNA分子占7/8B.共需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸1 200个C.含15N 的脱氧核苷酸链占1/8D.子代DNA分子中嘌呤与嘧啶之比是2∶3解析:由于DNA分子的复制是半保留复制,最终只有2个子代DNA各含1条15N链,1条14N链,其余DNA都含14N,故全部子代DNA都含14N;含有200个碱基对400个碱基的DNA分子,其中有胞嘧啶120个,可得A=80个,故复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸(24-1)×80=1 200(个);DNA复制为半保留复制,不管复制几次,最终子代DNA都保留亲代DNA的2条母链,故16个DNA分子中,含有15N的脱氧核苷酸链占2/32=1/16;子代DNA分子中嘌呤与嘧啶之比是1∶1。B [拓展延伸] DNA复制过程中的一些比例关系DNA复制为半保留复制,若将亲代DNA分子复制 n代,其结果分析如下:(1)第n代DNA分子总数为2n个。①含有亲代链的DNA分子数为2个。②不含亲代链的DNA分子数为(2n-2)个。③含子代链的DNA分子数为2n个。(2)第n代脱氧核苷酸链总数为2n+1条。①亲代脱氧核苷酸链数为2条。②新合成的脱氧核苷酸链数为(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,共需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n-1)个。②第n次复制所需该种脱氧核苷酸数为m·2n-1个。突破点3探究DNA的半保留式复制[典例3] 假设DNA复制仅具有半保留、全保留复制两种可能,下列有关叙述错误的是(　 　)A.本实验中用32P替代15N可以得到相同的实验结论B.本实验中用R型肺炎链球菌替代大肠杆菌可以得到相同的实验结论C.仅从该实验的第二代结果分析不能得出DNA复制具有半保留复制的特点D.科学家在设计本实验前,提出了DNA复制方式的假设C 解析:DNA分子的组成元素是C、H、O、N、P,本实验中用32P替代15N可以得到相同的实验结论;R型肺炎链球菌和大肠杆菌都属于细菌,本实验中用R型肺炎链球菌替代大肠杆菌可以得到相同的实验结论;该实验假设DNA复制仅具有半保留、全保留复制两种可能,若为全保留复制,第二代应该会出现轻带和重带两种条带,而该实验仅出现中带,因此仅从该实验的第二代结果分析能得出DNA复制具有半保留复制的特点;科学家采用了假说-演绎法,即其在设计本实验前,提出了DNA复制方式的假设。突破点4DNA复制与细胞分裂的关系[典例4] 果蝇体细胞含有8条染色体。现有一个不带标记的果蝇体细胞,放在含32P培养基中培养,使其连续分裂两次,下列叙述正确的是(　 　)A.第一次分裂中期,每条染色体每条脱氧核苷酸链都有32P标记B.第一次分裂后期,每条染色体的每条染色单体都有32P标记C.第二次分裂中期,每个细胞的16条染色单体都被32P标记D.第二次分裂后期,每个细胞共有16条脱氧核苷酸链被32P标记C 解析:第一次分裂中期,由于DNA的半保留复制,所以每条染色体上的DNA分子中只有一条脱氧核苷酸链有32P标记;第一次分裂后期,着丝粒已分裂,所以不含染色单体;第二次分裂中期,由于放在含32P培养基中培养,所以每个细胞的16条染色单体都被32P标记;第二次分裂后期,每个细胞有16条染色体、32条脱氧核苷酸链,其中有24条脱氧核苷酸链被32P标记。[拓展延伸] 图形法演示DNA复制与细胞分裂相结合的相关内容(以15N标记为例)(1)有丝分裂过程①一个细胞经过一次有丝分裂,产生了两个子细胞,每个子细胞和亲代细胞一样都含有相同数目的染色体,并且每个细胞中的每一条染色体上的DNA分子都保留了亲代细胞DNA分子的一条链(15N),体现了DNA分子半保留复制的特点。(2)减数分裂过程一个性原细胞经过减数分裂,产生了四个子细胞。每个子细胞的染色体数目较性原细胞减少了一半,并且每个子细胞中的每条染色体上的DNA分子都保留了性原细胞DNA分子的一条链(子细胞DNA两条链均为15N-14N),即半保留复制。概念二　DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础[概念情境]资料显示,PCR技术(聚合酶链式反应技术)成为分子生物学实验的一种常规手段。该技术在试管中进行DNA的人工复制(如图所示),这种体外DNA复制的原理和生物体内基本相似,通过PCR技术,在很短时间内,将DNA扩增几百万倍甚至几十亿倍,使分子生物实验所需的遗传物质不再受限于只从生物体中获得。请据图思考并回答以下问题。(1)加热至94 ℃的目的是使样品中DNA的氢键断裂,这一过程在生物体细胞内是靠什么完成的?提示:解旋酶。(2)PCR技术和生物体内的DNA复制一样,都遵循碱基互补配对原则,但也存在差异,请从DNA复制的特点角度回答。提示:图中显示PCR是把母链DNA的双链彻底解开才进行复制,而生物体内的DNA复制特点是边解旋边复制。(3)通过PCR技术可以在短时间内获得数量庞大的相同DNA分子,显示了DNA复制的意义是什么?提示:DNA复制是遗传物质从亲代向子代传递的基础,从而保持了前后代遗传信息的连续性。突破点DNA复制的意义[典例] 如图为有关细胞增殖的概念图,下列说法正确的是(　 　)A.①过程中无纺锤丝和染色体的出现,人的红细胞以此种方式增殖B.进行②过程时,染色体和核DNA在各个时期的数量变化完全相同C.②过程中保持了遗传性状在亲子代之间的连续性D.③过程大约占细胞周期的5%,主要完成DNA的复制和有关蛋白质的合成C解析:分析题图可知,①是无丝分裂,该过程不出现纺锤丝和染色体,人的红细胞不以此种方式增殖;②是有丝分裂,染色体和核DNA在各个时期的数量变化规律不完全相同,如核DNA加倍发生在细胞分裂的间期,染色体加倍发生在细胞分裂期的后期;有丝分裂的意义是保证了细胞的亲代和子代之间遗传性状的稳定性和连续性;②表示有丝分裂、③表示分裂间期,细胞周期中分裂间期持续的时间远远比分裂期要长。[拓展延伸] 细胞分裂过程中均存在DNA复制,但是有丝分裂的结果是产生与亲代相同的子细胞,相当于细胞层次的克隆,实现亲子代细胞遗传物质的稳定性;而减数分裂则是生物有性生殖的前提,通过减数分裂与受精作用,实现亲子代个体遗传物质的稳定性和连续性。素养提升正常细胞可以自主合成组成核酸的核糖和脱氧核糖。现在有某突变细胞群不能自主合成核糖和脱氧核糖,必须从培养基中摄取。为验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸,现提供如下实验材料,请你完成实验方案。(1)实验目的:验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸。(2)实验材料:突变细胞群、基本培养基、核糖核苷酸、14C-核糖核苷酸(有放射性)、脱氧核苷酸、14C 脱氧核苷酸(有放射性)、放射性探测显微仪等。(3)实验原理:DNA主要分布在细胞核中,其基本组成单位是脱氧核苷酸;RNA主要分布在细胞质中,其基本组成单位是核糖核苷酸。正常细胞可以自主合成组成核酸的核糖和脱氧核糖。现在有某突变细胞群不能自主合成核糖和脱氧核糖,必须从培养基中摄取。为验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸,现提供如下实验材料,请你完成实验方案。(4)①实验步骤:第一步:取基本培养基若干,随机分成两组。分别编号为甲组和乙组。第二步:在甲组培养基中加入适量的核糖核苷酸和14C 脱氧核苷酸;在乙组培养基中加入等量 。第三步:在甲、乙两组培养基中分别接种 。在5% CO2恒温培养箱中培养一段时间,使细胞增殖。第四步:分别取出甲、乙两组培养基中的细胞,检测细胞中出现放射性的主要部位。14C 核糖核苷酸和脱氧核苷酸相同数量的突变细胞解析:(4)①分析题意可知,该实验的自变量是放射性标记的核苷酸的种类,按照实验设计的对照原则和单一变量原则,设计实验的步骤如下:第一步:取基本培养基若干,随机分成两组。分别编号为甲组和乙组。第二步:在甲组培养基中加入适量的核糖核苷酸和14C-脱氧核苷酸;在乙组培养基中加入等量14C-核糖核苷酸和脱氧核苷酸。第三步:在甲、乙两组培养基中分别接种相同数量的突变细胞(原因是保证无关变量相同且适宜)。在5% CO2恒温培养箱中培养一段时间,使细胞增殖。第四步:分别取出甲、乙两组培养基中的细胞,检测细胞中出现放射性的主要部位。正常细胞可以自主合成组成核酸的核糖和脱氧核糖。现在有某突变细胞群不能自主合成核糖和脱氧核糖,必须从培养基中摄取。为验证DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸,现提供如下实验材料,请你完成实验方案。(4)②预期结果:甲组培养基中 ;乙组培养基中 。③实验结论:DNA分子复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸。解析:②预期结果:甲组培养基中细胞的放射性主要分布在细胞核中;乙组培养基中细胞的放射性主要分布在细胞质中。细胞的放射性主要分布在细胞核中细胞的放射性主要分布在细胞质中随堂检测1.某DNA分子有500个碱基对,其中含有鸟嘌呤脱氧核苷酸300个,该DNA进行连续复制,经测定共消耗了周围环境中1 400个腺嘌呤脱氧核苷酸,则该DNA分子共复制了多少次(　 　)A.3次 B.4次 C.5次 D.6次A解析:由题意知,一个DNA分子含有500个碱基对,即 1 000个脱氧核苷酸,其中鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸为300个,那么该DNA分子中腺嘌呤脱氧核苷酸=(1 000-300×2)÷2=200(个)。该DNA分子复制n次,消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸是(2n-1)×200=1 400,解得n=3。2.下列关于DNA的相关计算,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:具有1 000个碱基对的DNA,腺嘌呤有600个,则DNA中含胞嘧啶400个,因此一条链上的胞嘧啶数为0～400个;具有m个胸腺嘧啶的DNA片段,复制n次后DNA数由1个变为2n个,因此需要(2n-1)·m个胸腺嘧啶,其第n次复制DNA数由2n-1个变为2n个,这一过程需要2n-1·m个胸腺嘧啶;只有在双链DNA中才遵循卡伽夫法则,即A=T、G=C,在单链DNA中不存在这一关系,因此只有双链DNA中(A+G)所占的比例为1/2,单链DNA中该比值不一定为1/2。C 解析:解旋酶在DNA复制过程中起到催化双链DNA解旋的作用,据图可知,解旋酶可结合在复制叉的部位;DNA复制叉在延伸时会断裂氢键,所以需要消耗能量;据图可知,DNA聚合酶能催化前导链和滞后链由5′端向3′端延伸;DNA连接酶在DNA复制过程中将脱氧核苷酸连接在一起,即能催化磷酸二酯键形成。3.如图为某DNA分子半保留复制过程的部分示意图,非复制区与复制区的相接区域会形成Y字形结构,被称为“复制叉”。在复制过程中,DNA连接酶可以将脱氧核苷酸片段连接在一起,据图分析,下列说法错误的是(　 　)A.解旋酶可结合在复制叉的部位B.DNA复制叉的延伸需要消耗能量C.DNA聚合酶能催化前导链和滞后链由3′端向5′端延伸D.DNA连接酶在DNA复制过程中能催化磷酸二酯键形成C 解析:从图甲中看出,复制的起点在中间,向两边双向复制;从图乙中看出,复制环的大小不同,所以它们并不是同时开始复制的;甲、乙两图中DNA分子复制都是边解旋边双向复制的;图乙所示真核生物的多起点、双向复制的复制方式大大提高了复制的速率。4.图甲是大肠杆菌DNA分子复制过程示意图。图乙为真核生物染色体DNA分子复制过程示意图。下列对图甲和图乙的分析,错误的是(　 　)A.图甲说明,原核细胞的DNA复制从起点开始双向进行B.图乙说明,真核细胞的DNA复制从多个位点同时开始C.甲、乙两图中DNA分子复制都是边解旋边双向复制的D.图乙所示真核生物的这种复制方式提高了复制速率B 5.DNA修复是细胞应对DNA受损伤后的一种反应,这种反应可使DNA结构恢复原样,能重新执行它原来的功能,以保持遗传信息的稳定。细胞为了对抗各种形式的DNA损伤,发展出了数种DNA损伤的修复机制。如图是其中一种DNA修复方式的原理图,下列相关叙述错误的是(　 　)A.DNA修复是一类多种酶参与的复杂酶促反应B.酶3在修复过程中遵循碱基互补配对原则C.若DNA发生损伤后未被修复,将可能引起变异的发生D.酶1、酶2作用的是氢键,酶4催化形成的是磷酸二酯键D 解析:由题图可知,DNA修复是一类多种酶参与的复杂酶促反应;由题图可知,酶3在修复过程中遵循碱基互补配对原则;若DNA发生损伤后未被修复,将可能引起变异的发生;酶1、酶2作用的是磷酸二酯键,酶4催化形成的也是磷酸二酯键。点击进入 课时训练