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高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3节 DNA的复制导学案
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这是一份高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3节 DNA的复制导学案，共14页。学案主要包含了对DNA复制的推测，DNA复制方式的实验探究等内容，欢迎下载使用。
DNA的复制
重难点
题型
分值
重点
DNA半保留复制的实验证据
选择题
2-4
DNA复制的过程
与DNA复制相关的计算
难点
DNA半保留复制的实验证据
与DNA复制相关的实验
核心知识点一： 证明DNA半保留复制的实验
一、对DNA复制的推测
1. 沃森和克里克提出DNA复制的假说：DNA复制时，DNA双螺旋结构解开，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，结合到模板的单链上。新合成的DNA分子中，保留了原来DNA分子中的一条链，将此种复制方式称为半保留复制。
半保留复制模型：
2. 其他科学家提出全保留复制：DNA复制时以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。
全保留复制模型：
二、DNA复制方式的实验探究
1. 实验思路：为确定DNA的复制是半保留复制还是全保留复制，就要通过实验区分亲代和子代的DNA，观察亲代双链在子代中的分布情况。
2. 实验方法：1958年，美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料，运用同位素标记法设计实验。已知15N、14N是N的两种同位素，相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大，利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。
3. 实验的演绎推理：
（1）用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代，大肠杆菌的DNA几乎都是15N标记的。提取其DNA，并进行离心处理，试管中只有一条DNA带，位置靠近试管的底部，说明其密度大，我们可以称之为重带。如图：
（2）如果用含有14NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代，大肠杆菌的DNA几乎都是14N标记的。提取其DNA，并进行离心处理，试管中也是只有一条DNA带，位置靠近试管的上部，说明其密度小，我们可以称之为轻带。
（3）将15N标记的大肠杆菌放到含有14NH4Cl的培养液培养，在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行离心处理，根据离心后试管中DNA的位置判断复制方式。
如果是半保留复制，在子一代大肠杆菌中形成的DNA中则是一条链含有15N，一条链含有14N，将DNA离心后，DNA条带则处于重带和轻带之间，我们称为中带；如图：
如果是全保留复制，在子一代的大肠杆菌中形成的DNA则是两种类型，一种全含15N，一种全含14N，将DNA离心后，会得到两条DNA条带，分别是重带和轻带。如图：
4. 实验实施过程以及结果
将含有15N的大肠杆菌转移到含14N的普通培养液中培养，将第一代细菌的DNA提取并离心后，在试管中只有一条带，位置居中，其中只有一条链被15N标记；将第二代的细菌DNA提取并分离后，试管中出现两条带，一条居中为中带，另一条位置靠上，为轻带。实验结果如下：
5. 实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行。
例题1 在氮源为 14N 和 15N 的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子分别为14N—DNA（相对分子质量为a）和15N—DNA（相对分子质量为b）。将亲代大肠杆菌转移到含14N的培养基上，连续繁殖两代（Ⅰ和Ⅱ），用离心方法分离得到的结果如图所示。下列对此实验的叙述错误的是（ ）
A. Ⅰ代细菌的所有DNA分子中的都含有14N和15N
B. 中带的DNA分子的每条单链相对分子质量均为（a+b）/4
C. 预计繁殖到第n代细菌时DNA分子中含有15N的占1/2n-1
D. 实验结果能够证明DNA分子复制方式为半保留复制
答案：B
解析：本题考查DNA半保留复制的实验探究，难度中等。Ⅰ代细菌的所有DNA分子中的一条链是14N，另一条链是15N，A正确；中带的DNA分子的一条链是14N，另一条链是15N，故每条单链相对分子质量分别为a/2，b/2，B错误；由于亲代均为15N，1个这样的细菌繁殖到第n代细菌时DNA分子总共2n个，其中含有15N的有两个，占2/2n = 1/2n-1，C正确；实验结果能够证明DNA分子复制方式为半保留复制，D正确。
例题2 现有DNA分子的两条单链均只含有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（ ）
A. 有15N14N和14N14N两种，其比例为1：3
B. 有15N15N和14N14N两种，其比例为1：1
C. 有15N15N和14N14N两种，其比例为3：1
D. 有15N14N和14N14N两种，其比例为3：1
答案：D
解析：本题考查DNA分子的半保留复制，难度较大。DNA分子的两条单链均只含有14N，该大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖两代，形成4个DNA，其中2个DNA为15N14N，另外2个DNA为15N15N。；再转到含有14N的培养基中繁殖一代，DNA为15N14N形成的子代DNA中，一个DNA为15N14N，另外1个DNA为14N14N；而DNA为15N15N 形成的2个子代DNA都为15N14N；因此理论上DNA分子的组成类型有15N14N和14N14N两种，其比例为3：1。D正确。
核心知识点二：DNA的复制以及相关的计算
一、DNA的复制
1. 概念：以亲代DNA为模板，合成子代DNA的过程。
2. 时间：有丝分裂的间期或减数第一次分裂前的间期。
3. 过程
4. 特点：边解旋边复制。
5. 方式：半保留复制。
6. 结果：形成两个完全相同的DNA分子。
7. 意义：将遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。
归纳总结：
DNA复制之“二、二、三、四”
知识拓展：真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图
（1）图中显示DNA分子复制是从多个起点开始的，但多起点并非同时进行；
（2）图中显示DNA分子复制是边解旋边双向复制的；
（3）真核生物的这种复制方式的意义在于提高了复制速率；
（4）一个细胞周期中每个起点只起始1次。
二、DNA分子复制中有关计算
DNA分子的复制为半保留复制，一个DNA分子复制n次，其结果分析如下：
（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DNA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
①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需消耗脱氧核苷酸数为m·（2n－1）个；
②第n次复制所需该脱氧核苷酸数＝2n个DNA分子中该脱氧核苷酸数－2n－1个DNA分子中该脱氧核苷酸数＝2n·m－m·2n－1＝m·（2n－2n－1）＝m·2n－1。
解题技巧：“DNA复制”相关题目的4点“注意”
（1）注意“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别，前者包括所有的复制，但后者只包括第n次的复制。
（2）注意碱基的单位是“对”还是“个”。
（3）切记在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分子都只有两个。
（4）看清试题中问的是“DNA分子数”还是“链数”，是“含”还是“只含”等关键词，以免掉进陷阱。
例题1 下列关于DNA复制的叙述，正确的是（ ）
A. 在细胞有丝分裂和减数第一次分裂前的间期发生DNA复制
B. DNA 复制后，两条母链形成一个DNA分子，两条子链形成一个DNA分子
C. DNA双螺旋结构全部解开以后才开始DNA的复制
D. DNA聚合酶可以将两个游离的脱氧核苷酸连接形成磷酸二酯键
答案：A
解析：本题考查DNA复制的过程，难度中等。细胞分裂间期的生理过程是完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成，A正确；解旋后DNA分别以两条母链为模板按照碱基互补配对原则合成两条子链，所以子代DNA分子中一个为母链，一条为子链，B错误；DNA分子的复制是边解旋边复制，不是双螺旋结构全部解链后，才开始DNA的复制，C错误；DNA聚合酶促进单个脱氧核苷酸连接到正在合成的子链上，形成磷酸二酯键，而不是将两个游离的脱氧核苷酸连接形成磷酸二酯键，D错误。
例题2 15N标记的含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60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. 含有14N的DNA分子占7/8
B. 含有15N的DNA分子占1/8
C. 复制过程中需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸700个
D. 复制结果共产生8个DNA分子
答案：B
解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。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，A错误；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，故最终有2个子代DNA分子含15N，所以含有15N的DNA分子占1/8，B正确；含有100个碱基对200个碱基的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，解得A=40个，故复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为（24﹣1）×40=600（个），C错误；复制4次后产生24=16个DNA分子，D错误。
（答题时间：30分钟）
1. 细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，使细菌的DNA皆含有15N，然后再移入含14N的培养基中培养，提取其子代的DNA进行梯度离心，下图①-⑤为可能的结果，下列叙述错误的是（ ）
A. 第一次分裂的子代DNA应为⑤
B. 第二次分裂的子代DNA应为①
C. 第三次分裂的子代DNA应为③
D. 亲代的DNA应为⑤
2. 将含15N—DNA的大肠杆菌转移到含14N的培养液中，连续繁殖三代后，将其DNA进行密度梯度离心，得到的结果如图甲所示。然后加入解旋酶再离心，得到的结果如图乙所示。下列叙述错误的是（ ）
A. N层中的DNA只含15N标记
B. M层与N层的DNA数之比是3 ： 1
C. N'层中的DNA单链只含15N标记
D. M'层与N'层中的DNA单链数之比是7 ： 1
3. 下列有关DNA复制过程的叙述中，正确的顺序是（ ）
①互补碱基对之间氢键断裂 ②互补碱基对之间氢键形成 ③DNA分子在解旋酶的作用下解旋 ④以两条母链为模板，游离的脱氧核苷酸为原料，进行碱基互补配对 ⑤子链与母链盘旋成双螺旋结构
A. ①③④⑤② B. ③①⑤④②
C. ①④②⑤③ D. ③①④②⑤
4. 下面关于DNA分子结构与复制的叙述中，错误的是（ ）
A. 双链DNA分子含有四种脱氧核苷酸
B. 每个脱氧核糖分子上均连接着一个磷酸和一个碱基
C. DNA复制不仅发生于细胞核中，也发生在线粒体和叶绿体中
D. DNA分子复制过程中，DNA聚合酶可以催化形成磷酸二酯键
5. 保证准确无误地进行DNA复制的关键步骤是（ ）
A. 解旋酶促使DNA的两条互补链分离
B. 游离的脱氧核苷酸上的碱基与母链碱基进行互补配对
C. 配对的脱氧核苷酸之间连接成与母链互补的子链
D. 模板母链与互补子链盘绕成双螺旋结构
6. 某个被15N标记的DNA分子中，含有碱基5000对，A+T占碱基总数的34%，若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制2次，下列叙述正确的是（ ）
A. 15N存在于DNA的脱氧核糖和含氮碱基中
B. 子代中含15N的DNA分子占3/4
C. 复制2次需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸9900个
D. 复制过程中首先需要解旋酶断开磷酸二酯键
7. 研究人员将1个含14N-DNA的大肠杆菌转移到15N-DNA培养液中，培养24h后提取子代大肠杆菌的DNA。将DNA加热处理，即解开双螺旋，变成单链；然后进行密度梯度离心，试管中出现的两种条带含量如下图所示。下列说法正确的是 （ ）
A. 子代DNA分子共有8个，其中1个DNA分子含有14N
B. 该试验可用来探究DNA的半保留复制方式和细胞周期持续时间
C. 解开DNA双螺旋的实质是破坏核苷酸之间的磷酸二酯键
D. 若直接将子代DNA分子进行密度梯度离心，则相应的条带含量比为1：3
8. 一个双链均被32P标记的DNA由5000个碱基对组成，其中腺嘌呤占20%，将其置于只含31P的环境中复制3次。下列叙述不正确的是（ ）
A. 该DNA分子中含有氢键的数目为1.3×104
B. 复制过程需要2.4×104个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸
C. 子代DNA分子中含32P的单链与含31P的单链之比为1：7
D. 子代DNA分子中含32P与只含31P的分子数之比为1：3
9. DNA复制可以通过设想来进行预测，可能的情况是：全保留复制、半保留复制、分散复制。
（1）根据图中的示例对三种复制作出可能的假设：①如果是全保留复制，则一个DNA分子形成两个DNA分子，其中一个是亲代的，而另一个是新形成的。
②如果是半保留复制，则新形成的两个DNA分子，各有_____________________。
③如果是分散复制，则新形成的DNA分子中_______________________________。
（2）究竟是哪种复制方式呢？请大家设计实验来证明DNA的复制方式。
实验步骤：
①在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N—DNA（对照）。
②在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N—DNA（亲代）。
③将亲代15N大肠杆菌转移到含14N的培养基中，再连续繁殖两代（Ⅰ和Ⅱ），用密度梯度离心法分离。
实验预测：
①如果与对照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带，即一条轻带（14N/14N）和_____________，则可以排除______________；
②如果子代Ⅰ只有一条______，则可以排除________但不能肯定是___________；
③如果子代Ⅰ只有一条中等密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定，若子代Ⅱ可以分出__________和__________，则可以排除__________，同时肯定______________；
④如果子代Ⅱ不能分出__________密度两条带，则排除___________，同时确定为_______________。
10. 如图甲是DNA分子局部组成示意图，图乙表示DNA分子复制的过程。请回答有关DNA分子的相关问题：
（1）沃森和克里克构建了如图甲的DNA双螺旋结构模型，该模型用________________解释DNA分子的多样性。从主链上看，两条单链的方向________，从碱基关系看，两条单链________。
（2）若已知DNA一条单链的碱基组成是ATGCCAT，则与它互补的另一条链的碱基组成为________；若DNA分子的2条链分别为m链和n链，若m链中的（A＋G）/（T＋C）＝0.8时，在n链中，这种比例是________。
（3）图乙的DNA复制过程中除了需要模板和酶外，还需要____________________等条件；由图乙可知延伸的子链紧跟着解旋酶，这说明DNA分子复制是________。
（4）DNA分子的_______________为复制提供了精确的模板，通过______________保证了复制能够准确地进行。
1. A 解析：本题考查与DNA半保留复制相关的实验，难度中等。细菌的DNA被15N标记后，放在14N培养基中培养，复制1次形成2个DNA分子，每个DNA分子都是一条链含有15N，另一条链一条含有14N，离心形成中带，即图中的②，A错误；复制两次后形成了4个DNA分子，2个DNA分子都是一条链含有15N，另一条链含有14N，离心形成中带；另外两个DNA分子都只含有14N，离心形成轻带，即图中①，B正确；随着复制次数增加（三次及三次以上），离心后都含有中带和轻带两个条带，轻带相对含量增加，即图中③，C正确；细菌在15N培养基中繁殖数代后，使细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，DNA分子的两条链都含有15N，离心形成重带，即图中的⑤，D正确。
2. A 解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。DNA分子的复制方式为半保留复制，将含15N—DNA的大肠杆菌转移到含14N的培养液中，连续繁殖三代后，得到8个DNA分子，其中2个DNA分子一条链含15N，另一条链含14N，另外6个DNA分子只含14N，将子代DNA进行密度梯度离心后，中带（N）占1/4，轻带（M）占3/4，即M层与N层的DNA数之比是3 ： 1；若在子代DNA中加入解旋酶后，将形成2条含15N的链和14条含14N的链，离心后，含14N的链分布在M'层，含15N的链分布在N'层，即M'层与N'层中的DNA单链数之比是7 ： 1；综上分析，A正确，BCD错误。
3. D 解析：本题考查DNA分子的复制过程，难度中等。DNA分子的复制是一个边解旋边复制的过程。复制开始时，DNA分子首先利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把两条螺旋的双链解开，这个过程叫解旋，此时互补碱基对之间氢键断裂。然后，以解开的每一段母链为模板，以周围环境中游离的四种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，在DNA聚合酶的作用下，各自合成与母链互补的一段子链，在此过程中，涉及到互补碱基对之间氢键的形成。随着解旋过程的进行，新合成的子链也不断地延伸，同时，每条子链与其模板母链盘绕成双螺旋结构，从而各形成一个新的DNA分子。综上分析，A、B、C均错误，D正确。
4. B 解析：本题考查DNA的结构和复制，难度中等。DNA的基本单位为脱氧核苷酸，所以每个DNA分子一般都含有四种脱氧核苷酸，A正确；DNA分子中两个脱氧核苷酸之间通过磷酸与脱氧核糖之间形成的磷酸二酯键，但是DNA分子左链的末端和右链的首端只连着一个磷酸，其余脱氧核糖链接两个磷酸，B错误；DNA存在于细胞核、线粒体和叶绿体，故DNA复制不仅发生于细胞核中，也发生在线粒体和叶绿体中，C正确；DNA分子复制过程中，DNA聚合酶可以催化形成磷酸二酯键，D正确。
5. B 解析：本题考查DNA复制的特点，难度中等。解旋酶促使DNA的两条互补链分离，为复制提供模板，A错误；游离的脱氧核苷酸与母链进行碱基互补配对确保准确无误地进行复制，B正确；在DNA聚合酶的作用下，配对的脱氧核苷酸之间连接成与母链互补
6. C 解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。DNA复制方式是半保留复制，根据题意，被15N标记的DNA分子中，含有碱基5000对，A+T占碱基总数的34%，则A=T=1700个，G=C=3300个；若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制2次，则产生的4个DNA分子中，只有2个DNA分子含有15N标记。15N存在于DNA的含氮碱基中，脱氧核糖不含N，A错误；由题意可知，该15N标记的DNA分子在14N的培养基中连续复制2次，形成的4个DNA分子中，有2个DNA含有15N，即占1/2，B错误；根据题意知，G=C=3300个，该DNA分子复制2次，增加3个DNA分子，需要的游离的胞嘧啶脱氧核苷酸是3300×3=9900，C正确；复制过程中首先需要解旋酶断开碱基之间的氢键，D错误。
7. D 解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。子代DNA分子共有8个，其中2个DNA分子含有14N，A错误；因本实验是对DNA单链进行的离心分析，若DNA进行的是全保留复制，也会得到上述结果，故用该试验探究DNA的半保留复制方式不够严谨，B错误；解开DNA双螺旋的实质是破坏两条单链之间的氢键，C错误；得到的8个DNA分子中，有2个为14N-15N，6个为15N-15N，故若直接将子代DNA分子进行密度梯度离心，则相应的条带含量比为1：3，D正确。
8. B 解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。根据以上分析可知，DNA中A=T═2000，C=G=3000，A、T碱基对之间的氢键有2个，C、G碱基对之间的氢键有3个，因此该DNA分子中含有氢键的数目为2000×2+3000×3=1. 3×104（个），A正确；复制过程需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为3000×（23－1）=2. 1×104（个），B错误；由题意知被32P标记的DNA单链有2条，含有31P的单链是2×8－2=14（条），因此子代DNA分子中含32P的单链与含31P的单链之比为1∶7，C正确；子代DNA分子中含32P的DNA分子有2个，只含31P的分子数是6个，二者之比是1∶3，D正确。
9.（1）②一条链来自亲代DNA分子，另一条链是新形成的 ③每条链中一些片段是母链而另一些则是子链片段
（2）①一条重带（15N/15N） 半保留复制和分散复制 ②中等密度带 全保留复制 半保留复制或分散复制 ③中等密度带 轻密度带 分散复制 半保留复制
④中等和轻 半保留复制 分散复制
解析：本题考查与DNA复制方式相关的实验探究，难度较大。
（1）②如果是半保留复制，则以亲代DNA的两条链分别为模板，新形成的两个DNA分子，各有一条链来自亲代DNA分子，另一条链是新形成的。③如果是分散复制，根据题意和图示分析，新形成的DNA分子中每条链中一些片段是母链而另一些则是子链片段。
（2）实验预测：①如果与对照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带，即一条轻带（14N/14N）和一条重带（15N/15N），说明是全保留复制，而不可能是半保留复制和分散复制。②如果子代Ⅰ只有一条中等密度带，则不可能是全保留复制，可能是半保留复制或者分散复制。③如果子代Ⅰ只有一条中等密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定，若子代Ⅱ可以分出中等密度带和轻密度带，说明是半保留复制，而不是分散复制。④如果子代Ⅱ不能分出中等和轻密度两条带，说明是分散复制，而不是半保留复制。
10. （1）碱基对排列顺序的多样性 反向平行 互补 （2）TACGGTA 1.25
（3）原料、能量 边解旋边复制 （4）独特的双螺旋结构 碱基互补配对原则
解析：本题考查DNA的结构与DNA的复制，难度中等。
（1）在DNA的双螺旋结构中，沃森和克里克用碱基对排列顺序的多样性解释DNA分子的多样性，因为在不同的DNA中由磷酸和脱氧核糖形成的基本骨架是一样的。从主链上看，两条单链的方向是反向平行的，从碱基上看，两条单链互补。
（2）根据碱基互补配对原则，一条单链的碱基组成是ATGCCAT，则与它互补的另一条链的碱基组成是TACGGTA，DNA的一条链中（A＋G）/（T＋C）＝0.8，另条链中该比值为另一条链的倒数，比例为1.25。
（3）DNA的复制需要模板、酶、原料、能量等，从图中可以看出DNA的复制具有边解旋边复制的特点。
（4）DNA分子的独特双螺旋结构为复制提供了精确的模板，通过碱基互补配对原则保证了复制能够准确进行。
DNA的复制
重难点
题型
分值
重点
DNA半保留复制的实验证据
选择题
2-4
DNA复制的过程
与DNA复制相关的计算
难点
DNA半保留复制的实验证据
与DNA复制相关的实验
核心知识点一： 证明DNA半保留复制的实验
一、对DNA复制的推测
1. 沃森和克里克提出DNA复制的假说：DNA复制时，DNA双螺旋结构解开，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，结合到模板的单链上。新合成的DNA分子中，保留了原来DNA分子中的一条链，将此种复制方式称为半保留复制。
半保留复制模型：
2. 其他科学家提出全保留复制：DNA复制时以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。
全保留复制模型：
二、DNA复制方式的实验探究
1. 实验思路：为确定DNA的复制是半保留复制还是全保留复制，就要通过实验区分亲代和子代的DNA，观察亲代双链在子代中的分布情况。
2. 实验方法：1958年，美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料，运用同位素标记法设计实验。已知15N、14N是N的两种同位素，相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大，利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。
3. 实验的演绎推理：
（1）用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代，大肠杆菌的DNA几乎都是15N标记的。提取其DNA，并进行离心处理，试管中只有一条DNA带，位置靠近试管的底部，说明其密度大，我们可以称之为重带。如图：
（2）如果用含有14NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代，大肠杆菌的DNA几乎都是14N标记的。提取其DNA，并进行离心处理，试管中也是只有一条DNA带，位置靠近试管的上部，说明其密度小，我们可以称之为轻带。
（3）将15N标记的大肠杆菌放到含有14NH4Cl的培养液培养，在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行离心处理，根据离心后试管中DNA的位置判断复制方式。
如果是半保留复制，在子一代大肠杆菌中形成的DNA中则是一条链含有15N，一条链含有14N，将DNA离心后，DNA条带则处于重带和轻带之间，我们称为中带；如图：
如果是全保留复制，在子一代的大肠杆菌中形成的DNA则是两种类型，一种全含15N，一种全含14N，将DNA离心后，会得到两条DNA条带，分别是重带和轻带。如图：
4. 实验实施过程以及结果
将含有15N的大肠杆菌转移到含14N的普通培养液中培养，将第一代细菌的DNA提取并离心后，在试管中只有一条带，位置居中，其中只有一条链被15N标记；将第二代的细菌DNA提取并分离后，试管中出现两条带，一条居中为中带，另一条位置靠上，为轻带。实验结果如下：
5. 实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行。
例题1 在氮源为 14N 和 15N 的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子分别为14N—DNA（相对分子质量为a）和15N—DNA（相对分子质量为b）。将亲代大肠杆菌转移到含14N的培养基上，连续繁殖两代（Ⅰ和Ⅱ），用离心方法分离得到的结果如图所示。下列对此实验的叙述错误的是（ ）
A. Ⅰ代细菌的所有DNA分子中的都含有14N和15N
B. 中带的DNA分子的每条单链相对分子质量均为（a+b）/4
C. 预计繁殖到第n代细菌时DNA分子中含有15N的占1/2n-1
D. 实验结果能够证明DNA分子复制方式为半保留复制
答案：B
解析：本题考查DNA半保留复制的实验探究，难度中等。Ⅰ代细菌的所有DNA分子中的一条链是14N，另一条链是15N，A正确；中带的DNA分子的一条链是14N，另一条链是15N，故每条单链相对分子质量分别为a/2，b/2，B错误；由于亲代均为15N，1个这样的细菌繁殖到第n代细菌时DNA分子总共2n个，其中含有15N的有两个，占2/2n = 1/2n-1，C正确；实验结果能够证明DNA分子复制方式为半保留复制，D正确。
例题2 现有DNA分子的两条单链均只含有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（ ）
A. 有15N14N和14N14N两种，其比例为1：3
B. 有15N15N和14N14N两种，其比例为1：1
C. 有15N15N和14N14N两种，其比例为3：1
D. 有15N14N和14N14N两种，其比例为3：1
答案：D
解析：本题考查DNA分子的半保留复制，难度较大。DNA分子的两条单链均只含有14N，该大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖两代，形成4个DNA，其中2个DNA为15N14N，另外2个DNA为15N15N。；再转到含有14N的培养基中繁殖一代，DNA为15N14N形成的子代DNA中，一个DNA为15N14N，另外1个DNA为14N14N；而DNA为15N15N 形成的2个子代DNA都为15N14N；因此理论上DNA分子的组成类型有15N14N和14N14N两种，其比例为3：1。D正确。
核心知识点二：DNA的复制以及相关的计算
一、DNA的复制
1. 概念：以亲代DNA为模板，合成子代DNA的过程。
2. 时间：有丝分裂的间期或减数第一次分裂前的间期。
3. 过程
4. 特点：边解旋边复制。
5. 方式：半保留复制。
6. 结果：形成两个完全相同的DNA分子。
7. 意义：将遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。
归纳总结：
DNA复制之“二、二、三、四”
知识拓展：真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图
（1）图中显示DNA分子复制是从多个起点开始的，但多起点并非同时进行；
（2）图中显示DNA分子复制是边解旋边双向复制的；
（3）真核生物的这种复制方式的意义在于提高了复制速率；
（4）一个细胞周期中每个起点只起始1次。
二、DNA分子复制中有关计算
DNA分子的复制为半保留复制，一个DNA分子复制n次，其结果分析如下：
（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DNA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
①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需消耗脱氧核苷酸数为m·（2n－1）个；
②第n次复制所需该脱氧核苷酸数＝2n个DNA分子中该脱氧核苷酸数－2n－1个DNA分子中该脱氧核苷酸数＝2n·m－m·2n－1＝m·（2n－2n－1）＝m·2n－1。
解题技巧：“DNA复制”相关题目的4点“注意”
（1）注意“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别，前者包括所有的复制，但后者只包括第n次的复制。
（2）注意碱基的单位是“对”还是“个”。
（3）切记在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分子都只有两个。
（4）看清试题中问的是“DNA分子数”还是“链数”，是“含”还是“只含”等关键词，以免掉进陷阱。
例题1 下列关于DNA复制的叙述，正确的是（ ）
A. 在细胞有丝分裂和减数第一次分裂前的间期发生DNA复制
B. DNA 复制后，两条母链形成一个DNA分子，两条子链形成一个DNA分子
C. DNA双螺旋结构全部解开以后才开始DNA的复制
D. DNA聚合酶可以将两个游离的脱氧核苷酸连接形成磷酸二酯键
答案：A
解析：本题考查DNA复制的过程，难度中等。细胞分裂间期的生理过程是完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成，A正确；解旋后DNA分别以两条母链为模板按照碱基互补配对原则合成两条子链，所以子代DNA分子中一个为母链，一条为子链，B错误；DNA分子的复制是边解旋边复制，不是双螺旋结构全部解链后，才开始DNA的复制，C错误；DNA聚合酶促进单个脱氧核苷酸连接到正在合成的子链上，形成磷酸二酯键，而不是将两个游离的脱氧核苷酸连接形成磷酸二酯键，D错误。
例题2 15N标记的含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60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. 含有14N的DNA分子占7/8
B. 含有15N的DNA分子占1/8
C. 复制过程中需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸700个
D. 复制结果共产生8个DNA分子
答案：B
解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。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，A错误；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，故最终有2个子代DNA分子含15N，所以含有15N的DNA分子占1/8，B正确；含有100个碱基对200个碱基的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，解得A=40个，故复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸的数目为（24﹣1）×40=600（个），C错误；复制4次后产生24=16个DNA分子，D错误。
（答题时间：30分钟）
1. 细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，使细菌的DNA皆含有15N，然后再移入含14N的培养基中培养，提取其子代的DNA进行梯度离心，下图①-⑤为可能的结果，下列叙述错误的是（ ）
A. 第一次分裂的子代DNA应为⑤
B. 第二次分裂的子代DNA应为①
C. 第三次分裂的子代DNA应为③
D. 亲代的DNA应为⑤
2. 将含15N—DNA的大肠杆菌转移到含14N的培养液中，连续繁殖三代后，将其DNA进行密度梯度离心，得到的结果如图甲所示。然后加入解旋酶再离心，得到的结果如图乙所示。下列叙述错误的是（ ）
A. N层中的DNA只含15N标记
B. M层与N层的DNA数之比是3 ： 1
C. N'层中的DNA单链只含15N标记
D. M'层与N'层中的DNA单链数之比是7 ： 1
3. 下列有关DNA复制过程的叙述中，正确的顺序是（ ）
①互补碱基对之间氢键断裂 ②互补碱基对之间氢键形成 ③DNA分子在解旋酶的作用下解旋 ④以两条母链为模板，游离的脱氧核苷酸为原料，进行碱基互补配对 ⑤子链与母链盘旋成双螺旋结构
A. ①③④⑤② B. ③①⑤④②
C. ①④②⑤③ D. ③①④②⑤
4. 下面关于DNA分子结构与复制的叙述中，错误的是（ ）
A. 双链DNA分子含有四种脱氧核苷酸
B. 每个脱氧核糖分子上均连接着一个磷酸和一个碱基
C. DNA复制不仅发生于细胞核中，也发生在线粒体和叶绿体中
D. DNA分子复制过程中，DNA聚合酶可以催化形成磷酸二酯键
5. 保证准确无误地进行DNA复制的关键步骤是（ ）
A. 解旋酶促使DNA的两条互补链分离
B. 游离的脱氧核苷酸上的碱基与母链碱基进行互补配对
C. 配对的脱氧核苷酸之间连接成与母链互补的子链
D. 模板母链与互补子链盘绕成双螺旋结构
6. 某个被15N标记的DNA分子中，含有碱基5000对，A+T占碱基总数的34%，若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制2次，下列叙述正确的是（ ）
A. 15N存在于DNA的脱氧核糖和含氮碱基中
B. 子代中含15N的DNA分子占3/4
C. 复制2次需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸9900个
D. 复制过程中首先需要解旋酶断开磷酸二酯键
7. 研究人员将1个含14N-DNA的大肠杆菌转移到15N-DNA培养液中，培养24h后提取子代大肠杆菌的DNA。将DNA加热处理，即解开双螺旋，变成单链；然后进行密度梯度离心，试管中出现的两种条带含量如下图所示。下列说法正确的是 （ ）
A. 子代DNA分子共有8个，其中1个DNA分子含有14N
B. 该试验可用来探究DNA的半保留复制方式和细胞周期持续时间
C. 解开DNA双螺旋的实质是破坏核苷酸之间的磷酸二酯键
D. 若直接将子代DNA分子进行密度梯度离心，则相应的条带含量比为1：3
8. 一个双链均被32P标记的DNA由5000个碱基对组成，其中腺嘌呤占20%，将其置于只含31P的环境中复制3次。下列叙述不正确的是（ ）
A. 该DNA分子中含有氢键的数目为1.3×104
B. 复制过程需要2.4×104个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸
C. 子代DNA分子中含32P的单链与含31P的单链之比为1：7
D. 子代DNA分子中含32P与只含31P的分子数之比为1：3
9. DNA复制可以通过设想来进行预测，可能的情况是：全保留复制、半保留复制、分散复制。
（1）根据图中的示例对三种复制作出可能的假设：①如果是全保留复制，则一个DNA分子形成两个DNA分子，其中一个是亲代的，而另一个是新形成的。
②如果是半保留复制，则新形成的两个DNA分子，各有_____________________。
③如果是分散复制，则新形成的DNA分子中_______________________________。
（2）究竟是哪种复制方式呢？请大家设计实验来证明DNA的复制方式。
实验步骤：
①在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N—DNA（对照）。
②在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N—DNA（亲代）。
③将亲代15N大肠杆菌转移到含14N的培养基中，再连续繁殖两代（Ⅰ和Ⅱ），用密度梯度离心法分离。
实验预测：
①如果与对照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带，即一条轻带（14N/14N）和_____________，则可以排除______________；
②如果子代Ⅰ只有一条______，则可以排除________但不能肯定是___________；
③如果子代Ⅰ只有一条中等密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定，若子代Ⅱ可以分出__________和__________，则可以排除__________，同时肯定______________；
④如果子代Ⅱ不能分出__________密度两条带，则排除___________，同时确定为_______________。
10. 如图甲是DNA分子局部组成示意图，图乙表示DNA分子复制的过程。请回答有关DNA分子的相关问题：
（1）沃森和克里克构建了如图甲的DNA双螺旋结构模型，该模型用________________解释DNA分子的多样性。从主链上看，两条单链的方向________，从碱基关系看，两条单链________。
（2）若已知DNA一条单链的碱基组成是ATGCCAT，则与它互补的另一条链的碱基组成为________；若DNA分子的2条链分别为m链和n链，若m链中的（A＋G）/（T＋C）＝0.8时，在n链中，这种比例是________。
（3）图乙的DNA复制过程中除了需要模板和酶外，还需要____________________等条件；由图乙可知延伸的子链紧跟着解旋酶，这说明DNA分子复制是________。
（4）DNA分子的_______________为复制提供了精确的模板，通过______________保证了复制能够准确地进行。
1. A 解析：本题考查与DNA半保留复制相关的实验，难度中等。细菌的DNA被15N标记后，放在14N培养基中培养，复制1次形成2个DNA分子，每个DNA分子都是一条链含有15N，另一条链一条含有14N，离心形成中带，即图中的②，A错误；复制两次后形成了4个DNA分子，2个DNA分子都是一条链含有15N，另一条链含有14N，离心形成中带；另外两个DNA分子都只含有14N，离心形成轻带，即图中①，B正确；随着复制次数增加（三次及三次以上），离心后都含有中带和轻带两个条带，轻带相对含量增加，即图中③，C正确；细菌在15N培养基中繁殖数代后，使细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，DNA分子的两条链都含有15N，离心形成重带，即图中的⑤，D正确。
2. A 解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。DNA分子的复制方式为半保留复制，将含15N—DNA的大肠杆菌转移到含14N的培养液中，连续繁殖三代后，得到8个DNA分子，其中2个DNA分子一条链含15N，另一条链含14N，另外6个DNA分子只含14N，将子代DNA进行密度梯度离心后，中带（N）占1/4，轻带（M）占3/4，即M层与N层的DNA数之比是3 ： 1；若在子代DNA中加入解旋酶后，将形成2条含15N的链和14条含14N的链，离心后，含14N的链分布在M'层，含15N的链分布在N'层，即M'层与N'层中的DNA单链数之比是7 ： 1；综上分析，A正确，BCD错误。
3. D 解析：本题考查DNA分子的复制过程，难度中等。DNA分子的复制是一个边解旋边复制的过程。复制开始时，DNA分子首先利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把两条螺旋的双链解开，这个过程叫解旋，此时互补碱基对之间氢键断裂。然后，以解开的每一段母链为模板，以周围环境中游离的四种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，在DNA聚合酶的作用下，各自合成与母链互补的一段子链，在此过程中，涉及到互补碱基对之间氢键的形成。随着解旋过程的进行，新合成的子链也不断地延伸，同时，每条子链与其模板母链盘绕成双螺旋结构，从而各形成一个新的DNA分子。综上分析，A、B、C均错误，D正确。
4. B 解析：本题考查DNA的结构和复制，难度中等。DNA的基本单位为脱氧核苷酸，所以每个DNA分子一般都含有四种脱氧核苷酸，A正确；DNA分子中两个脱氧核苷酸之间通过磷酸与脱氧核糖之间形成的磷酸二酯键，但是DNA分子左链的末端和右链的首端只连着一个磷酸，其余脱氧核糖链接两个磷酸，B错误；DNA存在于细胞核、线粒体和叶绿体，故DNA复制不仅发生于细胞核中，也发生在线粒体和叶绿体中，C正确；DNA分子复制过程中，DNA聚合酶可以催化形成磷酸二酯键，D正确。
5. B 解析：本题考查DNA复制的特点，难度中等。解旋酶促使DNA的两条互补链分离，为复制提供模板，A错误；游离的脱氧核苷酸与母链进行碱基互补配对确保准确无误地进行复制，B正确；在DNA聚合酶的作用下，配对的脱氧核苷酸之间连接成与母链互补
6. C 解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。DNA复制方式是半保留复制，根据题意，被15N标记的DNA分子中，含有碱基5000对，A+T占碱基总数的34%，则A=T=1700个，G=C=3300个；若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制2次，则产生的4个DNA分子中，只有2个DNA分子含有15N标记。15N存在于DNA的含氮碱基中，脱氧核糖不含N，A错误；由题意可知，该15N标记的DNA分子在14N的培养基中连续复制2次，形成的4个DNA分子中，有2个DNA含有15N，即占1/2，B错误；根据题意知，G=C=3300个，该DNA分子复制2次，增加3个DNA分子，需要的游离的胞嘧啶脱氧核苷酸是3300×3=9900，C正确；复制过程中首先需要解旋酶断开碱基之间的氢键，D错误。
7. D 解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。子代DNA分子共有8个，其中2个DNA分子含有14N，A错误；因本实验是对DNA单链进行的离心分析，若DNA进行的是全保留复制，也会得到上述结果，故用该试验探究DNA的半保留复制方式不够严谨，B错误；解开DNA双螺旋的实质是破坏两条单链之间的氢键，C错误；得到的8个DNA分子中，有2个为14N-15N，6个为15N-15N，故若直接将子代DNA分子进行密度梯度离心，则相应的条带含量比为1：3，D正确。
8. B 解析：本题考查与DNA复制相关的计算，难度较大。根据以上分析可知，DNA中A=T═2000，C=G=3000，A、T碱基对之间的氢键有2个，C、G碱基对之间的氢键有3个，因此该DNA分子中含有氢键的数目为2000×2+3000×3=1. 3×104（个），A正确；复制过程需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数为3000×（23－1）=2. 1×104（个），B错误；由题意知被32P标记的DNA单链有2条，含有31P的单链是2×8－2=14（条），因此子代DNA分子中含32P的单链与含31P的单链之比为1∶7，C正确；子代DNA分子中含32P的DNA分子有2个，只含31P的分子数是6个，二者之比是1∶3，D正确。
9.（1）②一条链来自亲代DNA分子，另一条链是新形成的 ③每条链中一些片段是母链而另一些则是子链片段
（2）①一条重带（15N/15N） 半保留复制和分散复制 ②中等密度带 全保留复制 半保留复制或分散复制 ③中等密度带 轻密度带 分散复制 半保留复制
④中等和轻 半保留复制 分散复制
解析：本题考查与DNA复制方式相关的实验探究，难度较大。
（1）②如果是半保留复制，则以亲代DNA的两条链分别为模板，新形成的两个DNA分子，各有一条链来自亲代DNA分子，另一条链是新形成的。③如果是分散复制，根据题意和图示分析，新形成的DNA分子中每条链中一些片段是母链而另一些则是子链片段。
（2）实验预测：①如果与对照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带，即一条轻带（14N/14N）和一条重带（15N/15N），说明是全保留复制，而不可能是半保留复制和分散复制。②如果子代Ⅰ只有一条中等密度带，则不可能是全保留复制，可能是半保留复制或者分散复制。③如果子代Ⅰ只有一条中等密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定，若子代Ⅱ可以分出中等密度带和轻密度带，说明是半保留复制，而不是分散复制。④如果子代Ⅱ不能分出中等和轻密度两条带，说明是分散复制，而不是半保留复制。
10. （1）碱基对排列顺序的多样性 反向平行 互补 （2）TACGGTA 1.25
（3）原料、能量 边解旋边复制 （4）独特的双螺旋结构 碱基互补配对原则
解析：本题考查DNA的结构与DNA的复制，难度中等。
（1）在DNA的双螺旋结构中，沃森和克里克用碱基对排列顺序的多样性解释DNA分子的多样性，因为在不同的DNA中由磷酸和脱氧核糖形成的基本骨架是一样的。从主链上看，两条单链的方向是反向平行的，从碱基上看，两条单链互补。
（2）根据碱基互补配对原则，一条单链的碱基组成是ATGCCAT，则与它互补的另一条链的碱基组成是TACGGTA，DNA的一条链中（A＋G）/（T＋C）＝0.8，另条链中该比值为另一条链的倒数，比例为1.25。
（3）DNA的复制需要模板、酶、原料、能量等，从图中可以看出DNA的复制具有边解旋边复制的特点。
（4）DNA分子的独特双螺旋结构为复制提供了精确的模板，通过碱基互补配对原则保证了复制能够准确进行。
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