必修2《遗传与进化》第3节 DNA的复制学案

这是一份必修2《遗传与进化》第3节 DNA的复制学案，共18页。学案主要包含了问题探讨，思考·讨论，旁栏思考题，练习与应用，师问导学，过程评价等内容，欢迎下载使用。
课程标准
概述DNA分子通过半保留方式进行复制
素养达成
1.通过DNA的复制，认同生命的延续与发展观；理解遗传信息，认同DNA的遗传物质观。(生命观念)
2．分析DNA复制过程，归纳DNA复制过程中相关数量计算，提高逻辑分析和计算能力。(科学思维)
3．运用假说－演绎法，探究DNA半保留复制。(科学探究)
设疑激趣
杰克逊是美国杰出的歌手、词曲创作人、舞蹈家、表演家、慈善家，2009年6月25日辞世，享年50岁。多少歌迷为此心碎，多少人对此难以置信，难道我们真的永远无法再看到他了吗？一些生命复制技术专家相信，起死回生的复制技术成真，只是时间上的问题而已。要实现复制人的梦想，必须对DNA进行复制。请思考：
(1)什么是DNA的复制？
(2)DNA复制需要哪些条件？
夯基提能·分层突破——互动·探究·智涂
学习主题一 对DNA复制的推测
活动1 科学家在研究DNA的复制方式时，提出了两种复制模式：全保留复制和半保留复制(如图所示)
请据图回答问题：
1．用什么技术区分来自模板DNA的母链与新合成的DNA子链？
2．如何测定子代DNA带有同位素的情况？
3．若DNA复制的方式为全保留复制，上述实验结果会怎样？
活动2 在DNA复制过程中需要解旋酶和DNA聚合酶，这两种酶的作用分别是什么？
活动3 DNA的复制为什么需要适宜的温度和pH?
活动4 如果将DNA分子的两条链用15N标记，转移到含14N的培养基中培养，复制2次后，含15N的DNA、含14N的DNA、含15N的DNA链、含14N的DNA链各是多少？
易错提醒
(1)该实验在探究过程中使用的方法是假说—演绎法。
(2)在实验过程中一定要注意提取DNA的时间，应以大肠杆菌繁殖一次所用的时间为间隔。
1.对DNA复制的推测
2.DNA半保留复制的实验证据分析
(1)实验方法：同位素标记法和密度梯度离心法。
(2)实验原理：含15N的双链DNA密度大，含14N的双链DNA密度小，一条链含14N、一条链含15N的双链DNA分子密度居中。
(3)实验假设：DNA以半保留的方式复制。
(4)实验预期：离心后应出现3条DNA带。
①重带(密度最大)：两条链都为15N标记的亲代双链DNA。
②中带(密度居中)：一条链为14N标记，另一条链为15N标记的子代双链DNA。
③轻带(密度最小)：两条链都为14N标记的子代双链DNA。
(5)实验过程
(6)过程分析
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→1/2轻带、1/2中带。
(7)实验结论：DNA的复制是以半保留方式进行的。
1．(合格考)下列有关探究DNA复制过程的说法，不正确的是( )
A．实验利用了同位素标记法
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
D．实验结果说明了DNA具有半保留复制的特点
2．(合格考)细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后再将其移入含14N的培养基中培养，抽取亲代及子代的DNA离心分离，下图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是( )
A.子一代DNA应为②
B．子二代DNA应为①
C．子三代DNA应为④
D．亲代的DNA应为⑤
3．(等级考)“探究DNA的复制过程”实验中，科学家设计了以NH4Cl为氮源培养大肠杆菌的同位素示踪实验，下列叙述不正确的是( )
A．可先将大肠杆菌放入以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养
B．15N/15N­DNA、15N/14N­DNA、14N/14N­DNA的密度各不相同
C．可对每一代大肠杆菌直接做密度梯度离心，无需破碎细胞处理
D．分析子一代与子二代的离心结果可得出DNA分子的复制方式
学习主题二 DNA的复制
活动1 阅读教材P55～56，结合图3－10，探究下列问题：
1．DNA复制时有几条模板链？新合成的DNA中的两条链全是子链吗？
2．DNA复制时，用什么方法识别DNA中哪一条链是母链，哪一条链是子链？DNA复制所形成的子代DNA是否是亲代DNA链和子代DNA链随机结合的？
3．若将某一试管中加入缓冲液、ATP、解旋酶、DNA模板和四种脱氧核苷酸，并置于适宜的温度下，能否完成DNA的复制？并分析其原因。
4．若1个DNA含有m个腺嘌呤，则复制n次需要多少游离的腺嘌呤脱氧核苷酸？
5．DNA复制具有准确性，那么在任何情况下，DNA复制产生的子代DNA与亲代DNA都完全相同吗？
活动2 根据图1、图2思考下列问题：
1．图1中进行的是什么过程？发生的时期和场所是什么？
2．图1中的酶1和酶2分别是什么酶？分别作用于图2中的哪个部位？abcd四条脱氧核苷酸链中，哪些链的碱基排列顺序是相同的？
3．从图1中是否可以看出DNA复制是半保留复制？为什么？图1所示的特点还有什么？可用什么方法检测母链和子链？
4．DNA复制受到各种外界因素的干扰时，碱基序列会发生变化吗？
活动3 如图为真核生物染色体上DNA复制过程的示意图，请据图分析DNA复制效率较高的原因。
方法技巧
巧记DNA的复制——“一所，两期，三步，四条件”
“一所”是指复制的场所主要是细胞核；“两期”是指复制的时期主要是有丝分裂前的间期和减数分裂Ⅰ前的间期；“三步”是指“三个步骤”即解旋、形成子链、母链与子链形成新的DNA；“四条件”是指原料、模板、能量和酶。
误区提醒
DNA复制相关计算时四个易错点
(1)复制次数：“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别：前者包括所有的复制，后者只是最后一次复制。
(2)碱基数目：注意碱基的数目单位是“对”还是“个”。
(3)复制模板：在DNA复制过程中，无论复制了几次，含有亲代脱氧核苷酸单链的DNA都只有两个。
(4)关键词语：看清是“DNA分子数”还是“链数”，“含”还是“只含”等关键词。
1.全面理解DNA的复制
(1)DNA复制的场所：主要是在细胞核。
真核生物：细胞核、线粒体、叶绿体，其中主要场所是细胞核。
原核生物：拟核、细胞质(如质粒的复制)。
病毒：宿主细胞内。
(2)真核生物细胞核中DNA复制发生的时间：在体细胞中发生在有丝分裂前的间期；在有性生殖过程中发生在减数分裂Ⅰ前的间期。
(3)复制所需的酶是指一个酶系统，不仅仅是指解旋酶和DNA聚合酶，还包括DNA连接酶等。
①解旋酶的作用是破坏碱基对间的氢键。
②DNA聚合酶的作用是连接游离的脱氧核苷酸。
③DNA连接酶的作用是连接DNA片段。
(4)两个子代DNA的位置及分开时间：复制产生的两个子代DNA分子位于一对姐妹染色单体上，由着丝粒连在一起，在有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期着丝粒分裂时分开，分别进入两个子细胞中。
(5)DNA复制的方向：5′－端→3′－端
(6)复制过程图解
2．DNA复制的有关计算
将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养，复制n次，则：
(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：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m(2n－1)个；第n次复制，消耗该脱氧核苷酸数为m·2n－1个。
1．(合格考)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链结构相同
D．DNA的复制是半保留复制
2．(合格考)下列关于真核细胞中DNA复制的叙述，错误的是( )
A．子链的延伸方向是5′→3′
B．复制过程不需要能量的驱动
C．复制主要发生在细胞核中
D．复制是边解旋边复制的过程
3．(等级考)如图为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图，有关叙述错误的是( )
A．图中DNA分子复制是从多个起点同时开始的
B．图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的
C．真核生物DNA分子复制过程中解旋酶作用于氢键
D．真核生物的这种复制方式提高了复制速率
4．(等级考)用一个32P标记的噬菌体侵染在31P环境中培养的大肠杆菌，已知噬菌体DNA上有m个碱基对，其中胞嘧啶有n个。下列叙述不正确的是( )
A．大肠杆菌为噬菌体增殖提供原料和酶等
B．噬菌体DNA含有(2m＋n)个氢键
C．该噬菌体繁殖4次，子代中只有14个含有31P
D．噬菌体DNA第4次复制共需要8(m－n)个腺嘌呤脱氧核苷酸
强化落实·学业达标——归纳·提升·素养
网络建构
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主干落实
1. DNA复制需要DNA模板、4种脱氧核苷酸做原料以及酶和能量。
2．DNA复制的特点是边解旋边复制和半保留复制。
3．DNA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。
4．DNA通过复制，保持了遗传信息的连续性。
高效课堂·实践运用——巩固·达标·反馈
1.下列关于人体细胞内DNA复制的叙述，错误的是( )
A．主要在细胞核内复制
B．复制以两条DNA母链为模板
C．复制以4种核糖核苷酸为原料
D．DNA复制会消耗能量
2．某DNA的两条链均被3H标记，将该DNA在不含标记元素的环境中连续复制两次，则所形成的4个子代DNA分子为( )
3．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连接 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
4．下图为某真核细胞中DNA复制过程的模式图，下列叙述正确的是( )
A．DNA分子在酶①的作用下水解成脱氧核苷酸，酶②催化碱基对之间的连接
B．在复制过程中解旋和复制是同时进行的
C．解旋后以一条母链为模板合成两条新的子链
D．两条新的子链通过氢键形成一个新的DNA分子
5．在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N－DNA(对照)；在氮源为15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N－DNA(亲代)。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：
请分析回答：
(1)由实验结果可推测第一代(Ⅰ)细菌DNA分子中一条链含________，另一条链含________。
(2)将第一代(Ⅰ)细菌转移到含15N的培养基上繁殖一代，将所得到细菌的DNA用同样方法分离，请参照甲图，将DNA分子可能出现在试管中的位置在乙图中标出。
(3)若将15N－DNA(亲代)的大肠杆菌在14N培养基上连续复制3次，则所产生的子代DNA中全含15N(重DNA)，一条链含15N(中DNA)及两条链均不含15N(轻DNA)的比例为________，在这些子代DNA中，含15N的链与全部子代DNA链的比例为________。
(4)若一个DNA分子的一条单链中A＋GT＋C＝1.5，此比例在其互补链中的比值是________；在整个DNA分子中的比值是________。以该单链为模板合成的子代DNA分子中，A＋G的总含量占________。
疑难解答·全程培优——释疑·解惑·教材
教材第53页►【问题探讨】
1．提示：半保留复制。
2．提示：不确定性；严谨性。
教材第54页►【思考·讨论】
1．15N/14N－DNA 1/214N/14N－DNA 1/215N/14N－DNA
2．第一代出现的结果是1/214N/14N－DNA 1/215N/15N－DNA 第二代出现的结果是3/414N/14N－DNA 1/415N/15N－DNA。
教材第55页►【旁栏思考题】
全保留复制。
教材第56页►【练习与应用】
一、概念检测
1．(1)× DNA的复制随着染色体的复制而完成。
(2)× DNA的复制发生在细胞分裂前的间期。
2．B DNA复制主要发生在真核生物的细胞核内，另外线粒体、叶绿体及原核生物的拟核等也可发生复制，A错误；碱基互补配对原则保证了复制的准确性，B正确；1个DNA分子复制1次产生2个DNA分子，C错误；游离的脱氧核苷酸在DNA聚合酶的作用下合成子链，D错误。
3．C
二、拓展应用
1．提示：可能有31.6×108×2×10－9≈6个碱基会发生错误。产生的影响可能很大，也可能没有影响。
2．提示：真核生物中DNA的复制是从多个起点开始的，这种复制方式提高了复制效率。
第3节 DNA的复制
夯基提能·分层突破
学习主题一
【师问导学】
活动1
1．提示：同位素标记技术。
2．提示：对DNA进行离心，观察其在离心管中的分布。
3．提示：①亲代大肠杆菌：提取DNA→离心→全部是重带。②繁殖一代后取出：提取DNA→离心→1/2重带、1/2轻带。③繁殖两代后取出：提取DNA→离心→1/4重带、3/4轻带。
活动2
提示：解旋酶的作用是将两条脱氧核苷酸链打开，DNA聚合酶的作用是将单个的脱氧核苷酸连接到3′－端。
活动3
提示：因为DNA复制过程需要酶的参与，而酶的活性受温度和pH的影响。
活动4
提示：2个、4个、2条、6条。
【过程评价】
1．解析：探究DNA复制的实验中，用15N标记亲代细胞的DNA，在含14N的培养液中连续分裂两次(在每次分裂前的间期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。
答案：C
2．解析：亲代DNA全为15N，应为⑤，复制一次后，DNA一条链为15N，一条链为14N，应为②；复制两次后形成4个DNA，其中2个全为14N，2个是一条链为15N，一条链为14N，应为①；复制三次后形成8个DNA，其中6个DNA全为14N，2个DNA的一条链为14N，一条链为15N，故C错。
答案：C
3．解析：DNA分子的元素组成包括C、H、O、N、P，可将大肠杆菌放入以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中获得双链被15N标记的DNA分子，A正确；离心后15N/15N­DNA为重密度带、15N/14N­DNA为中密度带、14N/14N­DNA为轻密度带，故三者的密度各不相同，B正确；需要将每一代大肠杆菌破碎，释放出DNA分子进行密度梯度离心，会出现密度带，C错误；子一代均为中密度带，子二代1/2中密度带、1/2轻密度带，说明DNA分子的复制方式是半保留复制，D正确。
答案：C
学习主题二
【师问导学】
活动1
1．提示：①两条模板链(亲代DNA分子解开螺旋的两条链)。②不是，是一条母链和一条子链。
2．提示：①同位素标记法。②不是，是亲代DNA链与其互补的子链结合形成的子代DNA。
3．提示：不能。复制条件不完全，缺少DNA聚合酶等。
4．提示：需m·(2n－1)个。因为1个DNA复制n次，共形成2n个DNA，其中有两条脱氧核苷酸链为母链，不需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸。
5．提示：不一定。DNA复制时，会受到各种因素的干扰，碱基序列可能会发生改变，从而使后代DNA与亲代DNA碱基序列不同，导致遗传信息发生改变。
活动2
1．提示：DNA复制；有丝分裂间期和减数分裂Ⅰ前的间期。真核生物DNA复制的场所有细胞核、线粒体、叶绿体；原核生物DNA复制的场所主要是拟核。
2．提示：酶1是解旋酶，作用于f，酶2是DNA聚合酶，作用于e；a和c的碱基排列顺序相同，b和d的碱基排列顺序相同。
3．提示：可以，因为两条母链进入到两个子代DNA中，新形成的子代DNA中只有一条链是亲代的母链。图中还能看出DNA是边解旋边复制的；可采用同位素标记法检测母链和子链。
4．提示：碱基序列可能会发生改变，使后代DNA与亲代DNA不同，遗传信息也发生改变。
活动3
提示：(1)从多个起点开始进行复制；(2)边解旋边复制；(3)每个起点都是同时向两个方向进行复制。
【过程评价】
1．解析：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项错误；该过程中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链碱基互补，B、C项错误；DNA的复制是半保留复制，D项正确。
答案：D
2．解析：DNA复制时，DNA聚合酶不能从头开始合成DNA，而只能从引物的3′端延伸DNA链，因此DNA的合成方向总是从子链的5′端向3′端延伸，A正确；复制过程需要消耗能量，需要能量的驱动，B错误；真核细胞中DNA主要分布在细胞核中，因此复制主要发生在细胞核中，C正确；DNA的边解旋边复制是DNA复制的特点，即复制是边解旋边复制的过程，D正确。
答案：B
3．解析：分析题图可知，图中的三个复制起点复制的DNA片段的长度不同，圈比较大的表示复制开始的时间较早，因此DNA分子复制的起始时间不同，A错误；DNA分子的复制过程是边解旋边复制的，B正确；DNA分子的复制首先要在解旋酶的作用下使双链间的氢键断裂，C正确；真核生物的DNA分子复制具有多个起点，这种复制方式加速了复制进程，提高了复制速率，D正确。
答案：A
4．解析：噬菌体侵染细菌时，只有DNA进入细菌并作为模板控制子代噬菌体的合成，其DNA的复制及表达需要大肠杆菌提供原料、酶和ATP等，A正确；DNA上有m个碱基对，其中胞嘧啶有n个，T有(m－n)个，因此氢键个数＝2(m－n)＋3n＝(2m＋n)个，B正确；子代噬菌体中有16个含31P，C错误；噬菌体DNA第4次复制共需要腺嘌呤脱氧核苷酸＝(m－n)·24－1＝8(m－n)个，D正确。
答案：C
高效课堂·实践运用
1．解析：由于DNA主要分布在细胞核内，所以DNA的复制主要发生在细胞核内，A正确；DNA复制时分别以两条链为模板进行复制，B正确；DNA的基本组成单位为脱氧核苷酸，所以复制时以4种脱氧核苷酸为原料，C错误；DNA复制时需消耗能量(ATP)，D正确。
答案：C
2．解析：DNA是半保留复制，一个双链均被3H标记的DNA复制两次后形成的4个DNA中，只有两分子DNA被3H标记。
答案：C
3．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。
答案：D
4．解析：DNA分子在酶①的作用下打开双链，酶②为DNA聚合酶，在其作用下把脱氧核苷酸连接成链，A错误；解旋后以两条母链为模板合成两条新的子链，C错误；一条新的子链和一条母链通过氢键形成一个新的DNA分子，D错误。
答案：B
5．答案：(1)14N 15N (2)如下图
(3)0∶2∶6 2∶16(或1∶8)
(4)2/3 1 50%
假说
遗传物质自我复制的假说
提出者
沃森和克里克
内容
(1)解旋：DNA复制时，DNA的双螺旋解开，配对碱基之间的氢键断裂
(2)复制：以解开的两条母链作为复制的模板，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
特点
新合成的每个DNA分子中，都保留了原来的DNA分子中的一条链，是半保留复制