2021-2022学年高中生物新人教版必修第二册 第3章 第3、4节 DNA的复制、基因通常是有遗传效应的DNA片段 学案

第3、4节　DNA的复制、基因通常是有遗传效应的DNA片段

一、DNA的复制

1．对DNA复制的推测

(1)半保留复制

①提出者：沃森和克里克。

②假说内容：DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂。解开的两条单链分别作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸根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。

③结果：新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链。

(2)全保留复制

指DNA复制以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。

2．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和密度梯度离心技术。

(3)实验过程

(4)实验预期

(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。

3．DNA复制的过程

(1)DNA复制的概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。

(2)发生时期：在真核生物中，这一过程是在细胞分裂前的间期，随着染色体的复制而完成的。

(3)过程

(4)结果：一个DNA分子形成了两个完全相同的DNA分子。

(5)特点

①过程：边解旋边复制。

②方式：半保留复制。

(6)准确复制的原因

①DNA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，保证了复制能够准确地进行。

(7)意义：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。

二、基因通常是有遗传效应的DNA片段

1．说明基因与DNA关系的实例

2．DNA片段中的遗传信息

(1)遗传信息：DNA分子中4种碱基的排列顺序。

(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分子有特定的碱基排列顺序。

③稳定性：DNA分子的结构较稳定。

3．与生物体多样性和特异性的关系

DNA的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．证明DNA复制方式的实验只能用同位素标记N。 (　　)

2．在证明DNA复制方式的实验中，从Ⅰ代开始细菌DNA分子中至少有一条链含 14N。                            (　　)

3．DNA复制遵循碱基互补配对原则，新合成的DNA分子中两条链均是新合成的。               (　　)

4．解旋酶和DNA聚合酶的作用部位均为氢键。 (　　)

5．任何生物的基因都是有遗传效应的DNA片段。 (　　)

6．碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性。 (　　)

提示：1．×　DNA的组成元素有C、H、O、N、P，这几种元素都有同位素，所以标记任何一种元素都可以。

2．√

3．×　DNA分子的复制方式为半保留复制，所以子代DNA的两条链中包含了一条母链和一条子链。

4．×　DNA聚合酶作用部位为磷酸二酯键。

5．×　RNA病毒(如烟草花叶病毒、禽流感病毒、埃博拉病毒等)的遗传物质是RNA，其基因是有遗传效应的RNA片段。

6．√

　DNA的复制

1．DNA复制过程的分析

(1)复制的场所

(2)复制的结果：DNA分子复制一次形成两个完全相同的DNA分子，且与亲代DNA分子相同，每个子代DNA分子中一条为母链，另一条为新合成的子链。

(3)子代DNA分子的组成：新合成的链与对应的模板链。

(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。

2．与DNA复制的相关计算

假设将一个全部被15N标记的双链DNA分子(亲代)转移到含14N的培养液中培养n代，结果如下：

从图中可以得到如下规律

(1)DNA分子数

①子n代DNA分子总数为2n个。

②含15N的DNA分子数为2个。

③含14N的DNA分子数为2n个。

④只含15N的DNA分子数为0个。

⑤只含14N的DNA分子数为(2n－2)个。

(2)脱氧核苷酸链数

①子代DNA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

①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需消耗游离的该脱氧核苷酸数为m·(2n－1)个。

②若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，在第n次复制时，需消耗游离的该脱氧核苷酸数为m·2n－1个。

1．DNA聚合酶不能从头合成DNA，只能从3′端延伸DNA链，因此在复制过程中需要RNA引物，下图表示DNA复制过程。

(1)据图可知，DNA聚合酶使两条子链从5′端到3′端，还是从3′端到5′端进行合成？

提示：从5′端到3′端进行。

(2)合成的两条子链间碱基排列顺序相同还是互补？

提示：互补。

(3)DNA聚合酶与DNA连接酶的底物分别是什么？

提示：DNA聚合酶作用于单个脱氧核苷酸，DNA连接酶作用于DNA片段。

2．现有DNA分子两条单链均只含14N(表示为14N14N)的大肠杆菌，若将该大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖两代，再转到含有14N的培养基中繁殖一代，则理论上DNA分子的组成类型和比例分别是多少？

提示：有15N14N和14N14N两种，其比例为3∶1。

1．如图为真核生物染色体上DNA分子复制过程的示意图。下列有关叙述，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分子的复制过程需要解旋酶

D．真核生物的这种复制方式提高了复制速率

A　[从题图中可以看出DNA分子复制有多个起点，但不是同时开始的，因为复制环有大有小，A错误；图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的，B正确；真核生物DNA分子的复制过程需要解旋酶、DNA聚合酶等参与，C正确；真核生物的DNA分子具有多个复制起点，这种复制方式加速了复制过程，提高了复制速率，D正确。]

　DNA复制的三个易错点

(1)DNA复制的场所并非只在细胞核中，线粒体、叶绿体中也能进行DNA复制。

(2)并非所有细胞都进行DNA复制，只有分裂的细胞才能进行DNA复制。

(3)DNA复制并非单向进行，而是双向多起点复制，且各个复制起点并不是同时开始的。

2．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

C　[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项正确；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项正确；子代噬菌体中有16个含31P，C项错误；噬菌体DNA第4次复制共需要腺嘌呤脱氧核苷酸＝(16－8)(m－n)＝8(m－n)个，D项正确。]

　基因通常是有遗传效应的DNA片段

1．全方位理解“基因”

(1)本质上，基因是有遗传效应的DNA或RNA片段。

(2)结构上，基因是含有特定遗传信息的核苷酸序列。

(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。

2．染色体、DNA、基因、脱氧核苷酸的关系

3．基因、染色体、蛋白质、性状的关系

(1)对于真核细胞来说，染色体是基因的主要载体；线粒体和叶绿体中也含有基因。

(2)对于原核细胞来说，基因存在于拟核中的DNA分子或质粒上，DNA是裸露的，并没有与蛋白质一起构成染色体，因此，没有染色体这一载体。

果蝇由于易饲养、繁殖速度快、染色体数目相对较少，经常被用于遗传学实验材料，如图为果蝇某一条染色体上的几个基因示意图，仔细识图，回答下列问题：

(1)这条染色体上黄身基因R与基因S、基因N是否为等位基因？这几个基因之间不同的根本原因是什么？

提示：位于同一条染色体上，不是等位基因。根本原因是碱基对的排列顺序不同。

(2)基因S和基因R之间的区域，是否具有一定的遗传效应？为什么？

提示：不一定，基因作为控制生物性状的基本单位，在基因S和基因R之间的区域，可能还有新的基因，也可能是没有遗传效应的脱氧核苷酸序列。

1．历经近百年的发展，分子遗传学对于遗传物质有了充分的认识。下面关于遗传物质概念图的相关叙述，错误的是(　　)

A．D有四种，E在H上呈线性排列

B．同源染色体同一位置上存在的基因可能不同

C．所有E的总和构成F且E在F上的排列顺序代表遗传信息

D．E通常是具有遗传效应的F片段

C　[根据含氮碱基不同，D脱氧核苷酸分为四种，E基因在H染色体上呈线性排列，A正确；同源染色体同一位置上存在相同基因或等位基因，B正确；除E外，F中还有无遗传效应的片段，遗传信息是基因中脱氧核苷酸的排列顺序，DNA上的非基因片段不包含遗传信息，C错误；E基因通常是具有遗传效应的DNA片段，D正确。]

　与遗传有关物质的两个易错点

(1)染色体是DNA的主要载体；真核细胞的线粒体、叶绿体中也含有DNA。

(2)RNA病毒的基因是有遗传效应的RNA片段。

2．下列有关DNA多样性的叙述，正确的是(　　)

A．DNA分子多样性的原因是DNA分子空间结构千变万化

B．含有200个碱基的DNA分子，碱基对可能的排列方式有4200种

C．DNA分子的多样性和特异性是生物多样性和特异性的基础

D．DNA分子的多样性是指一个DNA分子上有许多个基因

C　[DNA分子的多样性是指DNA分子中碱基对的排列顺序多种多样；DNA分子的多样性和特异性是生物多样性和特异性的物质基础；含有200个碱基的DNA分子中，碱基对可能的排列方式有4100种。]

运用DNA 复制的相关知识，分析比较图中大肠杆菌和哺乳动物DNA复制的复制起点、复制方向等，可对涉及的相关问题进行解释、推理，做出合理判断或得出正确结论。

1．据图比较大肠杆菌和哺乳动物DNA分子复制的异同点。(科学思维)

提示：(1)相同点：均是边解旋边复制，均是双向复制。

(2)不同点：大肠杆菌是单起点复制；哺乳动物是多起点复制。

2．C图与A图、F图与D图相同，C、F能被如此准确的复制出来，原因是什么？(科学思维)

提示：DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板，碱基互补配对原则保证了DNA分子复制的准确无误。

[课堂小结]

1．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

B　[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； 解旋后分别以一条母链为模板合成两条新的子链，C错；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。]

2．某亲本DNA分子双链均以白色表示，以灰色表示第一次复制出的DNA子链，以黑色表示第二次复制出的DNA子链，该亲本双链DNA分子连续复制两次后的产物是(　　)

A　　　　B　　　　　C　　　　　D

D　[因为DNA的复制为半保留复制，因此亲本DNA的两条链将进入不同的子代DNA分子中，故A、B项错误；第二次复制时得到的4个DNA分子中，都有一条DNA子链是在第二次复制时形成的，而C项中只有两个DNA分子中含第二次复制出的子链(黑色表示)，故C项错误、D项正确。]

3．某一个DNA分子中，A为200个，复制n次后，消耗周围环境中含A的脱氧核苷酸3 000个，则该DNA分子已经复制了几次？(　　)

A．4次　 B．3次

C．5次 D．6次

A　[利用DNA复制规律可知，经过n次复制利用腺嘌呤脱氧核苷酸数目3 000＝(2n－1)·200，得n＝4。]

4．生长在太平洋西北部的一种水母能发出绿色荧光，这种水母的DNA分子上有一段长度为5 170个碱基对的片段——绿色荧光蛋白基因。下列有关叙述错误的是(　　)

A．绿色荧光蛋白基因具有规则的双螺旋结构

B．绿色荧光蛋白基因有A、U、C、G四种碱基

C．绿色荧光蛋白基因是有遗传效应的DNA片段

D．遗传信息蕴藏在碱基对的排列顺序中

B　[基因通常是有遗传效应的DNA片段，DNA是双螺旋结构，因此绿色荧光蛋白基因也具有规则的双螺旋结构，A正确；绿色荧光蛋白基因有A、T、C、G四种碱基，B错误；基因通常是有遗传效应的DNA片段，C正确；遗传信息蕴藏在碱基对的排列顺序中，D正确。]

5．在有关DNA分子的研究中，常用32P来标记DNA分子。用α、β和γ表示ATP或dATP(d表示脱氧)上三个磷酸基团所处的位置(A－Pα～Pβ～Pγ或dA－Pα～Pβ～Pγ)。回答下列问题：

(1)某种酶可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上，同时产生ADP。若要用该酶把32P标记到DNA末端上，那么带有32P的磷酸基团应在ATP的________(填“α”“β”或“γ”)位上。

(2)若用带有32P的dATP作为DNA生物合成的原料，将32P标记到新合成的DNA分子上，则带有32P的磷酸基团应在dATP的________(填“α”“β”或“γ”)位上。

(3)将一个某种噬菌体DNA分子的两条链用32P进行标记，并使其感染大肠杆菌，在不含有32P的培养基中培养一段时间。若得到的所有噬菌体双链DNA分子都装配成噬菌体(n个)并释放，则其中含有32P的噬菌体所占比例为2/n，原因是________________________________________________________________

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[解析]　(1)由题干信息可知，ATP中远离A的磷酸基团是Pγ，当ATP水解后形成的Pγ参与DNA的合成，则32P标记的磷酸基团位于ATP的γ位上。

(2)dATP去掉2个磷酸基团后是合成DNA的原材料，若用32P标记的dATP合成DNA，则标记的磷酸基团应位于靠近A的位置上，即α位上。

(3)DNA的复制是半保留复制，一个噬菌体DNA分子的2条链都用32P标记，原标记的2条链作为模板合成新的DNA，如此反复有且只有2条链被32P标记，最终被分配到2个噬菌体中。

[答案]　(1)γ　(2)α　(3)一个含有32P标记的噬菌体双链DNA分子经半保留复制后，标记的2条单链只能被分配到2个噬菌体的双链DNA分子中，因此在得到的n个噬菌体中有2个带有标记