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学案

第三节　DNA通过复制传递遗传信息

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:同位素示踪技术和离心技术。

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下部;含14N的双链DNA密度较小,离心后的条带分布于离心管的上部;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中部。

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复制是全保留复制。

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复制是半保留复制。

b.实验结论

实验结果和预期二的一致,说明DNA的复制是以半保留的方式进行的。

(2)DNA复制的特点及条件

(3)DNA复制的过程(如图)

①解旋:DNA复制时,在解旋酶的作用下,两条链的配对碱基之间的氢键断开,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,腺嘌呤与胸腺嘧啶核苷酸配对,鸟嘌呤与胞嘧啶核苷酸配对等。最后相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团间形成磷酸二酯键,产生一条子链。

③形成子代DNA:每条子链与其对应的母链盘绕成双螺旋结构,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相同的遗传信息,而且生殖细胞在形成过程中也要进行DNA的复制。

(2)将亲代的遗传信息传给子代,从而保持了前后代遗传信息的连续性。

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。

DNA的复制特点

[典例1] 下列关于DNA复制的叙述中,正确的是(　D　)

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。

[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。

DNA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(　B　)

A.含14N的DNA分子占7/8

B.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1/8

D.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。

[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。

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(　C　)

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

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。

DNA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(　C　)

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

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连续分裂两次,形成四个子细胞,有3种情况出现:第一种情况是4个子细胞都是15NN、14NN;第二种情况是2个细胞是15NN、14NN,1个细胞是15N-14N、15NN,1个细胞是14NN、14NN;第三种情况是2个细胞是15NN、15NN,另外2个细胞是14NN、14NN。

(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。

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(　C　)

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

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。

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。

(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。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。

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。

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:(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。

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。

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　)

A.3次 B.4次 C.5次 D.6次

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(　C　)

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。

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(　C　)

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

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。

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(　B　)

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

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。

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(　D　)

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

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。

概念理解练

1.下列关于DNA分子复制过程的叙述,正确的是(　B　)

A.发生在有丝分裂前期

B.需要DNA聚合酶

C.不需要消耗能量

D.子代DNA由两条新链组成

解析:DNA的复制发生在有丝分裂前的间期或减数第一次分裂前的间期;DNA的复制需要DNA聚合酶、解旋酶;DNA的复制需要ATP供能;DNA复制形成的子代DNA由一条母链和一条新链组成。

2.在“探究DNA的复制过程”活动中,下列技术或操作没有涉及的是(　D　)

A.大肠杆菌的培养

B.DNA的提取

C.密度梯度离心

D.放射性检测

解析:探究DNA的复制过程中,所用生物是大肠杆菌,需要进行大肠杆菌的培养;实验过程中,要提取大肠杆菌的DNA,并进行密度梯度离心;实验过程中,运用了密度梯度离心和同位素标记技术,没有运用放射性检测。

3.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,然后再移入14N培养基中培养,抽取亲代及子代的DNA密度梯度离心分离,如图①～⑤为可能的结果,下列叙述正确的是(　B　)

A.亲代的DNA应为① 

B.子一代DNA应为②

C.子二代DNA应为③ 

D.子三代DNA应为④

解析: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,因此亲代DNA的两条链都是15N,位于试管中的“重带”区,应该为⑤;由于DNA的半保留复制方式,子一代DNA的两条链中一条含有15N,另一条含有14N,位于试管中的“中带”区,应为②;子二代形成的4个DNA分子,有2个DNA分子的两条链都是14N,2个DNA分子的一条链是14N,另一条链为15N,位于“轻带”和“中带”区,应为①;子三代形成的8个DNA,有6个DNA分子的两条链都是14N,2个DNA分子的一条链是14N,另一条链为15N,应为③。

4.如图为DNA分子结构示意图,对该图的描述正确的是(　D　)

A.②和③相间排列,构成了DNA分子的基本骨架

B.④的名称是胞嘧啶脱氧核苷酸

C.当DNA复制时,⑨的形成需要DNA聚合酶催化

D.⑤⑥⑦⑧依次是A、G、C、T　　　　

解析:①和②相间排列,构成了DNA分子的基本骨架;①②③不能构成一个脱氧核苷酸;DNA复制时,⑨(氢键)的形成不需要DNA聚合酶催化。

5.在DNA复制开始时,将大肠杆菌放在含低剂量3H标记的脱氧胸苷

(3H—dT)的培养基中,3H—dT可掺入正在复制的DNA分子中,使其带有放射性标记。几分钟后,将大肠杆菌转移到含高剂量3H—dT 的培养基中培养一段时间。收集、裂解细胞,抽取其中的DNA进行放射性自显影检测,结果如图所示。据图可以做出的推测是(　C　)

A.复制起始区在高放射性区域

B.DNA复制为半保留复制

C.DNA复制从起始点向两个方向延伸

D.DNA复制方向为a→c

解析:根据放射性自显影结果可知,中间低放射性区域是复制开始时在含低剂量3H标记的脱氧胸苷(3H—dT)的培养基中进行复制的结果;两侧高放射性区域是将大肠杆菌转移到含高剂量3H—dT的培养基中进行复制的结果,因此可判断DNA复制从起始点(中间)向两个方向延伸;该实验不能证明DNA复制为半保留复制。

6.DNA分子解旋的实质是(　A　)

A.破坏碱基对之间的氢键

B.破坏各元素间的化学键

C.破坏碱基与脱氧核糖间的氢键

D.破坏磷酸与脱氧核糖间的化学键

解析:解旋是指复制时,DNA分子利用细胞代谢提供的能量,在解旋酶的作用下,把DNA分子的两条螺旋的双链解开,从而破坏了DNA分子两条链之间的碱基对,而连接碱基对的是氢键,所以DNA复制时,解旋的实质主要是破坏碱基对之间的氢键。

7.某DNA分子含m对碱基,其中腺嘌呤有A个。下列有关此DNA在连续复制时所需的胞嘧啶脱氧核苷酸数目的叙述中,错误的是(　D　)

A.在第一次复制时,需要(m-A)个

B.在第二次复制时,需要2(m-A)个

C.在第n次复制时,需要2n-1(m-A)个

D.在n次复制过程中,总共需要2n(m-A)个

解析:1个DNA分子复制一次,可产生2个DNA分子,由于每个DNA分子中含有胞嘧啶脱氧核苷酸(m-A)个,所以复制一次时,需要(m-A)个;在第二次复制时,2个DNA分子会形成4个DNA分子,相当于形成2个新DNA,所以需要2(m-A)个;在第n次复制后,会形成2n个DNA分子,所以需要(2n-2n-1)(m-A)=2n-1(m-A)个;在n次复制过程中,1个DNA分子变为2n个DNA分子,总共需要(2n-1)(m-A)个。

8.(2018·浙江4月选考) 某研究小组进行“探究DNA的复制过程”的活动,结果如图所示。其中培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl。a、b、c表示离心管编号,条带表示大肠杆菌DNA离心后在离心管中的分布位置。下列叙述错误的是(　B　)

A.本活动运用了同位素示踪和密度梯度离心技术

B.a管的结果表明该管中的大肠杆菌是在含14 NH4Cl的培养液中培

养的

C.b管的结果表明该管中的大肠杆菌的DNA都是14N –15N-DNA

D.实验结果说明DNA分子的复制是半保留复制

解析:由题意“培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl”和“条带表示大肠杆菌DNA离心后在离心管中的分布位置”可知,本活动运用了同位素示踪和密度梯度离心技术;分析图示可知,a管中的DNA密度最大,表明该管中的大肠杆菌是在含15NH4Cl的培养液中培养的;b管中的DNA密度介于a、c管之间,表明该管中的大肠杆菌的DNA都是14NN-DNA;实验结果说明DNA分子的复制是半保留复制。

9.将蚕豆根尖置于含放射性3H标记胸腺嘧啶的培养液中,培养一个细胞周期的时间。取出根尖,移至不含放射性物质的培养液中,继续培养两个细胞周期的时间。在第一个、第二个和第三个细胞周期取样,检测中期细胞染色体上的放射性分布。下列判断不正确的是(　C　)

A.第一个细胞周期中的染色体均如图甲所示

B.第二个细胞周期中的染色体均如图乙所示

C.第三个细胞周期中1/4的染色体如图丙所示

D.图丙所示染色体仅出现在第三个细胞周期

解析:DNA分子的复制方式为半保留复制,将蚕豆根尖置于含放射性3H标记胸腺嘧啶的培养液中,培养一个细胞周期的时间,则第一个细胞周期的放射性检测结果是每条染色体含有两条染色单体,两条染色单体都含有放射性,如图甲所示;取出根尖,移至不含放射性物质的培养液中,则第二个细胞周期的放射性检测结果是每条染色体含有两条染色单体,其中一条染色单体含有放射性,另一条染色单体不含放射性,即符合图乙;第三个细胞周期的放射性检测结果是有一半染色体不含放射性,另一半染色体的姐妹染色单体中,有一条染色单体含有放射性,另一条染色单体不含放射性,第三个细胞周期中1/2的染色体如丙所示,1/2 的染色体如乙所示;根据选项A、B、C的解释,图丙所示染色体仅出现在第三个细胞周期。

10.请根据如图回答下列相关问题。

(1)图中所示为　　　   　过程,该过程发生在　　　　　　　　　(时期)。 

(2)②过程称为　　　　。 

(3)③过程必须遵循　　　　　　原则。 

(4)分析DNA分子复制过程所需要的条件是　　　　      　　、

　　　　　　　　、能量和　　　　　　　　酶等。 

(5)若该DNA分子中含14N,原料脱氧核苷酸中含15N放射性同位素,则复制3次后,含14N的单链与含15N的单链比例为　　　　。 

解析:(1)题图中所示为DNA复制过程,该过程发生在细胞分裂的间期(有丝分裂或减数分裂前的间期)。

(2)由题图可知,②过程为解旋过程。

(3)③是以亲代链为模板合成子代链的过程,该过程必须遵循碱基互补配对原则。

(4)DNA分子复制过程所需要的条件是模板、4种游离的脱氧核苷酸、能量、DNA聚合酶、解旋酶等。

(5)若该DNA分子中含14N,原料脱氧核苷酸中含15N放射性同位素,根据DNA半保留复制特点,复制3次后形成8个DNA分子共16条链,其中只有2条链含14N,另外14条链含15N,因此含14N单链与含15N的单链比例为1∶7。

答案:(1)DNA复制　细胞分裂的间期(有丝分裂或减数分裂前的间期)

(2)解旋

(3)碱基互补配对

(4)模板　4种游离的脱氧核苷酸　DNA聚合酶、解旋

(5)1∶7

素养提升练

11.假设某大肠杆菌中只含31P的DNA相对分子质量为a,只含32P的DNA相对分子质量为b。现将只含32P标记的大肠杆菌转移到只含31P的培养基中,连续分裂4次,则子代中DNA分子的平均相对分子质量为(　B　)

A.    B.

C. D.

解析:由于1个只含有31P的DNA分子的相对分子质量为a,则每条链的相对分子质量为;1个只含有32P的DNA分子的相对分子质量为b,则每条链的相对分子质量为。连续分裂4次得到子代DNA分子共24=16(个),这16个DNA分子共32条链,其中有2条是含有32P标记的,共30条是含有31P标记的,因此总相对分子质量为 ×30+×2=15a+b。所以每个DNA的平均相对分子质量为。

12.若将处于G1期的胡萝卜愈伤组织细胞置于含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养液中,培养至第二次分裂中期。下列叙述正确的是(　A　)

A.每条染色体中的两条染色单体均含3H

B.每个DNA分子的两条脱氧核苷酸链均含3H

C.每个DNA分子中均只有一条脱氧核苷酸链含3H

D.每条染色体均只有一个DNA分子的两条脱氧核苷酸链含3H

解析:若将处于G1期的胡萝卜愈伤组织细胞置于含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养液中,在间期的S期时DNA复制1次,所以第一次细胞分裂完成后得到的2个子细胞都是每一条染色体的DNA都有1条链被标记,培养至第二次分裂中期,每条染色体中的两条染色单体均含3H标记。

13.将15N标记的大肠杆菌(其DNA经密度梯度离心后如甲图),转至以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养,每20分钟繁殖一代,收集并提取DNA,进行密度梯度离心,如图为离心结果模拟图。已知大肠杆菌DNA中胞嘧啶个数为X。下列有关叙述正确的是(　A　)

A.出现丁图结果时,含母链的DNA占所有DNA的1/2

B.乙是转入14N培养基中复制一代的结果

C.出现丙结果至少需要40分钟

D.出现丁结果至少需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸4X

解析:丁图结果为1/2中、1/2轻,所以出现丁图结果时,含母链的DNA占所有DNA的1/2;转入14N培养基中复制一代的结果是产生2个DNA,且均为一条链为14N,另一条链为15N,对应图丙;据分析可知,出现丙结果至少需要20分钟;转入14N培养基中复制二代的结果是产生4个DNA,其中15N标记的只有2个DNA(一条链为14N,另一条链为15N),其余的

2个DNA均为14N标记,对应图丁,出现丁结果至少需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸3X。

14.物质X与胸腺嘧啶脱氧核苷酸结构类似,可与碱基A配对。当染色体上的DNA两条脱氧核苷酸链均含有X时,经染料Y染色显浅色,其余均显深色。现有果蝇某体细胞1个,置于含物质X的培养液中连续分裂2次,得到4个子细胞。若对这些细胞的染色体进行上述染色,则下列可能出现的现象是(　B　)

A.4个细胞的染色体均为8条浅色

B.4个细胞的染色体均为4条浅色、4条深色

C.1个细胞的染色体均为浅色,3个细胞的染色体均为深色

D.1个细胞的染色体均为深色,3个细胞的染色体均为浅色

解析:4个细胞中,8条染色体均为浅色的最多是2个;由于细胞分裂过程中,一个DNA复制形成的2个DNA分子移向两极是随机的,因此可能会出现形成的4个细胞的染色体均为4条浅色、4条深色的情况;由分析可知,第二次分裂时由一个细胞形成的子细胞两条DNA单链都含有X物质的DNA分子数是0～8个,一个细胞第二次分裂形成的2个细胞,如果一个细胞的染色体上的所有DNA的两条链都含有X,另一个细胞的染色体上的DNA都只有一条链含有X;另一个细胞进行第二次分裂,一定含有两条链都含有X的DNA分子,因此另外3个细胞的染色体不可能均为浅色;由于DNA的两条链都被标记才能表现为浅色,细胞分裂2次,细胞内染色体都被染成浅色的细胞最多是2个。

15.科学工作者关于DNA复制曾提出过三种假说:半保留复制、全保留复制和弥散复制,三种假说的复制过程如图1所示。他们对这三种假说进行了演绎推理,并根据推理过程进行了相关实验,实验结果如图2所示。

回答下列问题。

(1)科学工作者提出假说并演绎推理后,选用某种大肠杆菌作为实验材料,进行了一系列的实验研究,最终确定了DNA的复制方式,这样的研究方法称为　　　　　　　　。他们选用大肠杆菌作为实验材料的优点:一是其易培养,繁殖速度快,安全性高;二是　　　　       

　　　　　　　　　　　　　　,有利于分离提纯DNA。 

(2)科学工作者根据DNA复制的三种假说进行演绎推理,将含15N标记DNA的大肠杆菌,接种到含14N的培养基中繁殖一代,提取DNA后进行

　　　　　       　　　,若是全保留复制方式,则离心管中将出现

　　　　　　　　带,而实际结果是只有一条中带,由此可以说明DNA的复制方式是　　　　　　　　　　　　。 

(3)为了进一步确定DNA的复制方式,需要让子一代的大肠杆菌在含14N的培养基中再繁殖一代,当离心管中出现　　　　　　　　带时,可确定是半保留复制。或可以将子一代DNA分子进行解旋处理后再离心,当离心管中出现　　　　带时,则为半保留复制方式。 

解析:(1)科学工作者提出假说并演绎推理后,选用某种大肠杆菌作为实验材料,进行了一系列的实验研究,最终确定了DNA的复制方式,这样的研究方法称为假说演绎法。由于大肠杆菌是单细胞、原核生物,选用它作为实验材料的优点:一是其易培养,繁殖速度快,安全性高;二是其只有一个拟核DNA,并且不形成染色体或DNA不与蛋白质结合形成染色体,有利于分离提纯DNA。

(2)将含15N标记的大肠杆菌转移到14N的培养基中,若是全保留复制方式,繁殖一代,得到子代DNA中全为15N和全为14N,提取DNA后进行密度梯度离心,若是全保留复制方式,则离心管中将出现一轻一重两条带,而实际结果是只有一条中带,由此可以说明DNA的复制方式是半保留复制或弥散复制。

(3)为了进一步确定DNA的复制方式,需要让子一代的大肠杆菌在含14N的培养基中再繁殖一代,进行密度梯度离心,如果离心后DNA分子在离心管中出现一中一轻两条带(即1/2在中带,1/2在轻带)时,可确定是半保留复制。或可以将子一代DNA分子(一条链是15N,另一条链是14N)进行解旋处理后形成单链DNA,再离心,当离心管中出现一轻一重两条带时,则为半保留复制方式。

答案:(1)假说演绎法　其只有一个拟核DNA,并且不形成染色体　(2)密度梯度离心　一轻一重两条　半保留复制或弥散复制　(3)一中一轻两条　一轻一重两条