人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3章 基因的本质第3节 DNA的复制学案及答案

这是一份人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3章 基因的本质第3节 DNA的复制学案及答案，共15页。学案主要包含了DNA半保留复制的实验证据，DNA复制的概念等内容，欢迎下载使用。
基础知识·双基夯实
一、DNA半保留复制的实验证据
1．实验材料：__大肠杆菌__。
2．实验方法：运用__同位素标记__技术。
3．实验过程
eq \x(标记)—eq \b\lc\|\rc\ (\a\vs4\al\c1(用放射性__15N__标记细菌的DNA))
↓
eq \x(培养)—eq \b\lc\|\rc\ (\a\vs4\al\c1(把细菌转入含14N物质为唯一氮源,的培养基中))
↓一段时间
eq \x(分离)—取细菌，分离__DNA__进行密度梯度离心
4．实验结果
(1)复制一次产生的DNA分子中，一条链含14N，另一条链含__15N__，DNA分子密度居中。
(2)复制两次产生的DNA分子中，有两个DNA分子的双链均含__14N__，另两个DNA分子中一条链含__15N__，另一条链含14N。
5．实验结论：DNA的复制方式为__半保留复制__。
二、DNA复制的概念、过程及特点
(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)场所：主要是__细胞核__。
(4)过程：
(5)结果：一个DNA分子形成了__两__个与亲代__完全相同__的DNA分子。
(6)特点：①__边解旋边复制__；②__半保留复制__。
(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。
三、基因通常是有遗传效应的DNA片段
1．基因与DNA分子的关系
2．DNA片段中的遗传信息
(1)遗传信息：蕴藏在4种碱基的__排列顺序__之中。
(2)特点
①多样性：碱基__排列顺序__的千变万化。
②特异性：每一个DNA分子的碱基有特定__排列顺序__。
(3)与生物体多样性和特异性的关系
①DNA的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的__物质基础__。
②生物体的多样性和特异性是DNA分子多样性和特异性的客观体现。
3．对RNA病毒而言，基因就是有遗传效应的RNA片段
有的病毒体内只有RNA和蛋白质，其遗传物质就是RNA，如艾滋病病毒、流感病毒等。对这类病毒而言，基因就是有遗传效应的RNA片段。
〔学霸记忆〕
1．DNA复制需要DNA模板、4种脱氧核苷酸为原料以及酶和能量等。
2．DNA复制的特点是边解旋边复制和半保留复制。
3．DNA通过复制将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性。
4．遗传信息蕴藏在DNA的4种碱基的排列顺序中。
5．基因通常是有遗传效应的DNA片段，对少数病毒而言，基因是有遗传效应的RNA片段。
〔活学巧练〕
判断下列叙述的正误
(1)由于半保留复制，子代DNA分子继承亲代一半的遗传信息。( × )
(2)子代DNA分子中都含有一条母链和一条子链，称为半保留复制。( √ )
(3)在DNA双链完全解开后，DNA聚合酶与DNA结合，催化DNA的复制。( × )
(4)DNA复制只以亲代DNA分子的一条链为模板。( × )
(5)DNA复制时通过碱基互补配对保证复制的准确性。( √ )
(6)DNA分子复制时，两条子链的合成方向是相反的。( √ )
(7)一条染色体上有许多基因，基因在染色体上呈线性排列。( √ )
(8)不管是原核生物还是真核生物，体内所有基因的碱基总数均小于DNA分子的碱基总数。( √ )
〔思考〕
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．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。
3．如何描述基因(或DNA)和染色体的关系？细胞中的基因都位于染色体上吗？(生命观念)
提示：染色体是基因(或DNA)的主要载体，基因在染色体上呈线性排列。真核生物细胞的线粒体、叶绿体中的少量DNA以及原核细胞中的DNA分子，都没有参与形成染色体，因此这些结构中的基因不在染色体上。
课内探究·名师点睛
知识点
DNA半保留复制的实验证据和DNA复制的过程及特点
要点归纳
1．关于DNA复制的早期推测
在DNA分子复制的早期研究中，科学家们提出了三个模型：全保留复制模型、弥散复制模型和半保留复制模型。
比较如下：
全保留复制：亲代DNA分子两条链不变，子代DNA分子的两条链都是新合成的。
半保留复制：新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链。
弥散复制：亲代DNA分子的两条链分散成短片段，与新合成的子代DNA分子的两条链分散成的短片段混杂在一起，不能分出亲代DNA单链。
如下图所示：
2．巧记DNA复制的“一所、两期、三步、四条件”
3.DNA“准确”复制的原因
(1)DNA具有独特的双螺旋结构，能为复制提供精确的模板
(2)DNA通过碱基互补配对，保证了复制准确地进行。
4．DNA复制的相关知识归纳
(1)场所：主要场所是细胞核，但在拟核、线粒体、叶绿体中也能进行DNA复制。
(2)能进行DNA复制的生物：一切以DNA为遗传物质的生物。
(3)真核生物细胞核中DNA复制发生的时间：在有丝分裂间期或减数分裂Ⅰ前的间期。
(4)DNA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：破坏碱基间的氢键。
②DNA聚合酶：连接游离的脱氧核苷酸。
③DNA连接酶：连接DNA片段。
(5)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。
典例剖析
典例1 (2022·山东省菏泽市高一期中)下列关于DNA分子复制过程的有关叙述，错误的是( A )
A．DNA分子复制时在全部解旋之后才开始碱基配对
B．解旋后以两条链各为模板合成两条新的子链
C．在复制过程中需要的条件有模板、酶、原料和能量等
D．一个DNA连续复制3次，理论上能得到8个完全相同的DNA
[解析] DNA分子复制是边解旋边复制，而不是在全部解旋之后才开始碱基配对，A错误；由于DNA复制是半保留复制，因此解旋后分别以两条链为模板合成两条新的子链，B正确；在复制过程中需要的条件有模板(DNA的双链)、酶(解旋酶和DNA聚合酶等)、原料(游离的脱氧核苷酸)和能量(ATP水解提供)等，C正确；一个DNA连续复制3次，理论上能得到23＝8个完全相同的DNA，D正确。故选A。
变式训练1
(2022·河北省石家庄市高一下学期期末)用15N标记一个DNA分子的两条链，并在14N的培养液中培养，复制3次得到子代DNA分子，下列有关叙述正确的是( D )
A．子代DNA分子中带有15N标记的链占1/4
B．子代DNA分子的每条链同时含有14N和15N
C．子代DNA分子中含有15N标记的DNA分子占1/8
D．子代DNA分子中只含有14N标记的DNA分子占3/4
[解析] 最开始含15N的DNA有两条链，复制3次后共有8个DNA分子16条链，子代DNA分子中带有15N标记的链有2条，占2/16＝1/8，A错误；DNA是半保留复制的，不会每条链都含14N和15N，B错误；最开始含15N的DNA两条链只能进入两个子代DNA，因此子代DNA分子中含有15N标记的DNA分子只有2个，占2/8＝1/4，C错误；复制三次后子代8个DNA，有2个DNA同时含有14N和15N，其余6个DNA只含有14N标记，6/8＝3/4，D正确。故选D。
知识点
基因通常是有遗传效应的DNA片段
要点归纳
1．基因与DNA、染色体之间的关系
2．全方位理解“基因”
(1)本质上，基因是有遗传效应的DNA片段。
(2)结构上，基因是含有特定遗传信息的脱氧核苷酸序列。
(3)功能上，基因是遗传物质的结构和功能的基本单位。
(4)位置上，基因在染色体上呈线性排列。
典例剖析
典例2 (2022·河北省沧州市河间市四中高一下学期期中)如图是科学家对果蝇一条染色体上的基因测定结果，下列有关该图说法正确的是( D )
A．控制朱红眼与深红眼的基因是等位基因
B．控制白眼和朱红眼的基因在遗传时遵循基因的分离定律
C．在后代中能表现出该染色体上所有基因控制的性状
D．基因在染色体上呈线性排列
[解析] 据图分析，控制朱红眼与深红眼的基因在同一条染色体上，不属于等位基因，等位基因应该位于一对同源染色体上，A错误；控制白眼与朱红眼的基因在同一条染色体上，遗传时不分离，所以不遵循基因的分离定律，B错误；由于基因的选择性表达，该染色体上的基因在后代中不一定都表达，C错误；基因在染色体上呈线性排列，D正确。故选D。
变式训练2
(2022·安徽省池州市高一期末)基因是描述遗传物质的概念。下列相关说法错误的是( C )
A．对绝大多数生物来说，基因是有遗传效应的DNA片段
B．基因组成不同的细胞，往往具有不同的性状表现
C．染色体上的基因呈线性排列，它和性状也是线性对应关系
D．生物体基因的碱基序列保持不变，其表型也可能发生改变
[解析] 基因通常是有遗传效应的DNA片段，但对RNA病毒而言，基因是有遗传效应的RNA片段，A正确；基因是有遗传效应的DNA片段，基因不同，其指导合成的蛋白质往往不同，控制的性状表型也有差异，B正确；基因在染色体上线性排列，但基因和性状不是简单的线性对应关系，C错误；即使生物体基因的碱基序列保持不变，但由于某些环境因素的影响，其表型也可能发生改变，D正确。故选C。
指点迷津·拨云见日
一、解答DNA分子复制中相关计算题的规律方法
DNA分子的复制方式为半保留复制，若将一个被15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养(复制)n代，其结果分析如图所示。
1．DNA分子数
(1)子代DNA分子总数：2n个。
(2)含15N的DNA分子数：2个。
(3)含14N的DNA分子数：2n个。
(4)只含15N的DNA分子数：0个。
(5)只含14N的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)含15N的脱氧核苷酸链数：2条。
(3)含14N的脱氧核苷酸链数：(2n＋1－2)条。
3．DNA复制消耗游离的脱氧核苷酸数的计算
设亲代DNA分子中含有某种脱氧核苷酸m个，则：
(1)经过n次复制，共需消耗游离的该种脱氧核苷酸为m·(2n－1)个。
(2)在第n次复制时，共需消耗游离的该脱氧核苷酸为m·2n－1个。
典例3 (2022·河南南阳市期末)用15N标记含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60个。该DNA分子在14N培养基中连续复制4次，其结果可能是( A )
A．含有14N的DNA占100%
B．复制过程中需游离腺嘌呤脱氧核苷酸640个
C．含15N的单链占1/8
D．子代DNA中嘌呤与嘧啶之比是2∶3
[解析] DNA复制的特点是半保留复制，每个子代DNA都是由一条母链和一条新合成的子链构成。由于DNA分子的复制是半保留复制，复制4次形成16个DNA，其中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15N的单链占1/16，A正确；C错误；含有100个碱基对200个碱基的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，则A＝40个，因此复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸：(24－1)×40＝600，B错误；双链DNA中嘌呤等于嘧啶，D错误。故选A。
二、DNA复制原理的应用
1．减数分裂中染色体标记情况：
如果用3H标记细胞中的DNA分子，然后将细胞放在正常环境中培养，让其进行减数分裂，结果染色体中的DNA标记情况如图所示：
由图可以看出，减数分裂过程中细胞虽然连续分裂2次，但DNA只复制1次，所以四个子细胞中所有DNA分子均呈杂合状态，即“3H/1H”。
2．有丝分裂中染色体标记情况：
如果用3H标记细胞中的DNA分子，然后将细胞放在正常环境中培养，连续进行2次有丝分裂，与减数分裂过程不同，因为有丝分裂是复制1次分裂1次，因此这里实际上包含了2次复制。
由图可以看出，第一次有丝分裂形成的两个子细胞中所有DNA分子均呈杂合状态，即“3H/1H”。第二次有丝分裂复制后的染色体上两条染色单体中只有一条染色单体含有3H，即DNA分子为“3H/1H”，而另一条染色单体只有1H，即DNA分子为“1H/1H”，在后期时两条染色单体的分离是随机的，所以最终形成的子细胞中可能都含有3H，也可能不含3H，含有3H的染色体条数是0～2n条(体细胞染色体条数是2n)。
典例4 (2022·山东省泰安市十九中高一下学期期中)假设将含有一对同源染色体的精原细胞的DNA分子用15N标记，并供给14N 的原料。该细胞进行减数分裂产生的4个精细胞中，含15N标记的DNA的精子所占的比例是( D )
A．0B．25%
C．50%D．100%
[解析] 含有一对同源染色体的精原细胞，每个DNA分子的双链均用15N标记，以14N的脱氧核苷酸为原料，依据DNA分子的半保留复制，在减数第一次分裂前的间期DNA完成复制后，每个亲代DNA分子经过复制形成的2个子代DNA分子都有1条链含有15N、另一条链含有14N，这两个DNA分子分别存在于同1条染色体所含有的2条姐妹染色单体上；减数第一次分裂结束所形成的2个次级精母细胞中的每条染色单体都含有15N；在减数第二次分裂后期，着丝粒分裂，染色单体分离成为染色体，分别移向细胞两极，所以减数第二次分裂结束所形成的4个精细胞都含有15N；精细胞变形发育形成精子。可见，含15N标记的DNA的精子所占的比例是100%。故选D。
教材问题·解疑答惑
问题探讨☞P53
1．半保留复制。
2．用“可能”二字，说明DNA复制方式可能不止一种。这说明科学研究的严谨性的特点。
思考·讨论☞P54
1．第一代全部中带，第二代1/2轻带，1/2中带。
2．繁殖一代后取出，提取DNA→离心→1/2重带、1/2轻带。繁殖两代后取出，提取DNA→离心→1/4重带、3/4轻带。
旁栏思考☞P55
排除了全保留复制。
练习与应用☞P56
一、概念检测
1．(1)× DNA位于染色体上，DNA复制和染色体复制是同时进行的。
(2)× DNA复制在细胞分裂前的间期进行。
2．B DNA的复制主要在细胞核中进行，此外在细胞质的线粒体和叶绿体及原核细胞的拟核中也能进行，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复制1次产生2个DNA，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 根据DNA半保留复制特点，含15N的大肠杆菌只有2个，A错误；复制3次，含有15N的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比例为2/23＝1/4，B错误、C正确；含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例为2/23＝1/4，D错误。
二、拓展应用
1．31.6×108×10－9×2＝6.32个，可能有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(这一问为开放式问题，回答合理即可)。
2．DNA形成多个复制泡是因为DNA复制是从多个起点开始的，这样可缩短DNA复制的时间。
问题探讨☞P57
1．外源生长激素基因在鲤鱼体内得到了表达。
2．DNA分子的一段脱氧核苷酸序列。
思考·讨论☞P58
1．提示：生物体内的DNA分子数目小于基因数目。生物体内所有基因的碱基总数小于DNA分子的碱基总数。这说明基因是DNA上的片段，基因不是连续分布在DNA上的，而是由碱基序列将其分隔开的。
2．提示：此题旨在引导学生理解遗传效应的含义，并不要求唯一答案。可以结合提供的资料来理解，如能使生物体发出绿色荧光等。使转基因鲤鱼生长速率快。
3．提示：基因是有遗传效应的DNA片段。
思考·讨论☞P59
1．提示：4100种
2．提示：碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性，而碱基特定的排列顺序，又构成了每一个DNA分子的特异性。DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。
3．提示：在人类的DNA分子中，脱氧核苷酸序列多样性表现为每个人的DNA几乎不可能完全相同，因此，DNA可以像指纹一样用来鉴别身份。
4．提示：基因不是碱基对随机排列的DNA片段。理论上，所有碱基对的随机排列都能构成基因，但是，在生物的进化过程中，由于自然选择的作用，环境只选择能与其相适应的物质，因此，一些随机排列的脱氧核苷酸序列由于不被选择而消失或无作用。
练习与应用☞P59
一、概念检测
1．B 每种基因具有特定的碱基对排列顺序，不是4种碱基对的随机排列。
2．
二、拓展应用
1．通过基因检测进行鉴定。不同生物的基因是不同的，基因具有特异性。
2．不同人蕴含的遗传信息不同。由于DNA具有特异性，生物的性状由DNA控制；以生物体本身的生物特征来区分生物体个体。
巩固训练·课堂达标
1．(2022·河北省承德市隆化县存瑞中学高一期中)下列关于DNA复制的叙述，正确的是( D )
A．发生在细胞分裂的前期
B．以四种游离的核糖核苷酸为原料
C．只以解开的一条链为模板
D．子代DNA分子中(A＋G)与(T＋C)比值为1
[解析] DNA复制发生在细胞分裂的间期，A错误；复制时以4种游离的脱氧核糖核苷酸作为原料，B错误；复制时DNA需要解开双螺旋结构，解旋后分别以两条链为模板按照碱基互补配对原则合成子链，C错误；双链DNA分子中，A＝T，G＝C，因此(A＋G)与(T＋C)比值为1，D正确。故选D。
2．(2022·福建省福州市八县协作校高一下学期期中)下图是果蝇的核DNA复制模式图，箭头所指的泡状结构称为DNA复制泡，是DNA分子中正在复制的部分。下列有关分析，错误的是( B )
A．复制泡处以被解开的两条母链为模板
B．形成复制泡不需要消耗能量
C．复制泡的形成与解旋酶的作用有关
D．一个核DNA分子复制时存在多个复制原点
[解析] 复制泡处是DNA分子中正在复制的部分，DNA分子以被解开的两条母链为模板双向复制，A正确；形成复制泡需要断裂氢键，需要消耗能量，B错误；复制泡的形成需要在解旋酶的作用下使DNA解旋(断裂氢键)，C正确；根据图示可以看出，一个核DNA分子复制时存在多个复制原点，产生多个复制泡，可提高DNA复制的效率，D正确。故选B。
3．(2022·山东省泰安市十九中高一下学期期中)DNA分子能够自我复制的结构基础是( A )
A．DNA具有独特的双螺旋结构
B．配对的脱氧核苷酸之间连接成与母链互补的子链
C．磷酸和脱氧核糖交替排列的顺序稳定不变
D．DNA分子具有多样性和特异性
[解析] DNA具有独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板，这是DNA分子能够自我复制的结构基础之一，A正确；配对的脱氧核苷酸之间连接成与母链互补的子链，不是DNA分子能够自我复制的结构基础，B错误；磷酸和脱氧核糖交替排列的顺序稳定不变，这是DNA分子双螺旋结构的主要特点，不是DNA分子能够自我复制的结构基础，C错误；DNA分子具有多样性和特异性，不是DNA分子能够自我复制的结构基础，D错误。故选A。
4．(2022·河北省保定市易县中学高一月考)下图为真核细胞DNA复制过程模式图，相关分析错误的是( D )
A．图示生命活动中可同时发生氢键的断裂和形成
B．图示体现了边解旋边复制及半保留复制的特点
C．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．将该模板DNA置于15N培养液中复制3次后，含15N的脱氧核苷酸链占3/4
[解析] 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DNA解旋酶；在形成子代DNA时，一条母链和一条新形成子链的配对碱基之间有氢键形成，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；将该模板DNA置于15N培养液中复制3次后，共产生DNA分子23＝8个，所以含15N的脱氧核苷酸链占(16－2)/16＝7/8，D错误。故选D。
5．(2022·福建省福州市八县协作校高一下学期期中)下面的图中DNA分子有a和d两条链，将图甲中某一片段放大后如图乙所示，结合所学知识回答下列问题：
(1)图乙中，1是__胞嘧啶__(中文名称)，7是__胸腺嘧啶脱氧(核糖)核苷酸__(全称)，DNA分子的基本骨架由__5和6__(用图中数字表示)交替连接而成；DNA分子两条链上的碱基通过__氢键__连接成碱基对，并且遵循__碱基互补配对__原则。DNA分子中碱基对的排列顺序千变万化，决定了DNA分子结构的__多样__性。
(2)DNA复制是一个__边解旋边复制__的过程，图甲中A和B均是DNA分子复制过程中所需要的酶，其中B能将单个的__(四种)脱氧核苷酸__(原料)连接成子链，则A是__解旋__酶，B是__DNA聚合__酶。
[解析] (1)结合分析可知，图乙中1是胞嘧啶C,7为胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸，脱氧核糖和磷酸交替连接形成DNA分子的基本骨架，即图中5和6交替连接形成长链构成DNA分子的基本骨架，DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且遵循碱基互补配对原则(A与T配对，G与C配对)。DNA分子中碱基对的排列顺序千变万化，决定了DNA分子结构的多样性。(2)图中亲代DNA分子上结合了解旋酶和DNA聚合酶，显然，DNA复制是一个边解旋边复制的过程，图甲中A是解旋酶，B是DNA聚合酶，其中DNA聚合酶能将单个的脱氧核苷酸连接成子链。由图可以看出形成的新DNA分子中都含有一条模板链和一条子链，因此DNA分子的复制是半保留复制。
课标要求
核心素养
概述DNA分子通过半保留方式进行复制；概述多种生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上。
1．结合DNA双螺旋结构模型，运用结构与功能观和物质与能量观，阐明DNA分子通过复制，传递遗传信息。(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分子的复制方式为半保留复制。(科学探究)
4．分析相关资料，得出基因通常是有遗传效应的DNA片段。(科学思维)