苏教版 (2019)必修2《遗传与进化》DNA分子通过半保留方式进行复制第2课时教学设计及反思

第2课时　DNA分子的复制

一、对DNA分子复制的推测与验证

1．DNA分子的复制

以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。

2．推测

(1)有人提出“全保留复制模型”，即亲代的双螺旋形态结构完全不变，其子代只是全新的复制品；

(2)也有人提出“分散复制模型”，即亲代的DNA会分散进入子代复制品的每条链中，亲代和子代的DNA都是旧DNA和新DNA的混合体；

(3)还有些人提出“半保留复制模型”，即以亲代DNA的每条链为模板合成一条互补链，再与互补链组成子代DNA。

3．证明DNA分子半保留复制的实验

(1)科学家：米西尔森和斯塔尔。

(2)实验材料：大肠杆菌。

(3)实验方法：运用同位素标记技术和密度梯度离心技术。

(4)实验过程

(5)结果分析

①离心处理后，子一代DNA分子为杂合链带(含14N和15N)，原因在于新合成的每个DNA分子中，都含有原来DNA分子中的一条链(15N)和以该链为模板新合成的一条互补链(14N)。

②子二代DNA分子应该为轻链带(含14N)和杂合链带(含14N和15N)。

二、DNA分子的半保留复制

1．概念：在新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，因此，这种复制方式被称为DNA半保留复制。

2．场所：主要在细胞核。

3．条件：(1)模板：DNA分子的两条脱氧核苷酸链。

(2)原料：细胞中四种脱氧核苷酸。

(3)能量和酶等。

4．过程

5．特点

(1)过程：边解旋边复制。

(2)方式：半保留复制。

6．结果：一个DNA分子形成两个完全相同的DNA分子。

7．精确复制的原因：在DNA半保留复制中，双螺旋结构为复制提供了模板，碱基互补配对原则保证了复制的精确进行。

8．意义：正是DNA分子的半保留复制，确保了遗传信息代代传递的连续性。

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．任何生物的基因都是有遗传效应的DNA片段。 (　　)

5．碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性。 (　　)

[答案]　1．×　提示：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．×　提示：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．×　提示：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。

5．√

　DNA分子的复制

1．不同生物的DNA分子复制的场所

2．DNA分子复制所需的酶：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间的氢键。

(2) DNA聚合酶的作用是连接游离的脱氧核苷酸。

(3)DNA连接酶的作用是连接DNA片段。

3．DNA分子复制的基本条件

(1)模板：解旋的DNA分子的两条单链；

(2)原料：细胞中游离的4种脱氧核苷酸；

(3)能量：主要通过水解ATP提供；

(4)酶：DNA聚合酶(形成磷酸二酯键)、解旋酶(打开氢键)等。

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第二次分裂后期着丝粒分裂时分开，分别进入两个子细胞中。

5．DNA分子复制对DNA作为遗传物质的意义

(1)边解旋、边复制，多个起点同时进行，节省时间、效率高。

(2)新DNA分子双链为“一母一子”，因此复制更为精确，使遗传信息更加稳定。稳定的遗传信息从亲代传递给子代，从而使生物的前后代保持了一定的连续性。

应用实践：1．如图为真核细胞DNA复制过程的模式图，据图回答相关问题：

(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。

2．这个小机器是DNA复印机，也叫做PCR仪，在体外完成DNA复制，使DNA片段在数量上呈指数增加，可以在短时间内获得大量的特定基因片段。DNA复印机完成DNA复制需要加入哪些物质？(科学思维)

提示：模板DNA、引物、4种脱氧核苷酸、DNA聚合酶等。

1．真核细胞中DNA复制如下图所示，下列叙述错误的是(　　)

A．多起点双向复制能保证DNA复制在短时间内完成

B．每个子代DNA都有一条核苷酸链来自亲代

C．复制过程中氢键的破坏和形成都需要DNA聚合酶的催化

D．DNA分子的准确复制依赖于碱基互补配对原则

C　[多起点双向复制能保证DNA复制在短时间内完成，提高复制效率，A正确；DNA为半保留复制，每个子代DNA都有一条核苷酸链来自亲代，B正确；DNA解旋酶破坏碱基对的氢键，使DNA双链解旋，DNA聚合酶形成磷酸二酯键，C错误；碱基对之间严格的碱基互补配对原则，保证了遗传信息准确地从亲代DNA传向子代DNA，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．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。据图可以作出的推测是(　　)

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复制的方向为a→c

C　[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，A错误；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，可判断DNA复制从起始点(中间)向两个方向延伸，C正确、D错误；该实验不能证明DNA复制为半保留复制，B错误。]

　与DNA复制有关的计算

1．用“图解法”分析DNA复制的相关计算

(1)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子代DNA共2n个

②脱氧核苷酸链共2n＋1条：含15N的脱氧核苷酸链2条；含14N的脱氧核苷酸链(2n＋1－2)条。

(2)DNA复制中消耗的脱氧核苷酸数

若亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，

①经过n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n－1)个。

②第n次复制需要消耗该种脱氧核苷酸数为m·(2n－1)－m·(2n－1－1)＝m·2n－1个。

2．与染色体、细胞数目相关的计算

研究DNA分子的半保留复制时，常涉及计算后代带放射性标记的DNA、染色体或细胞所占比例的问题，此时要注意：

(1)一个DNA分子含两条DNA链，只要有一条DNA链带标记，该DNA分子便带标记。

(2)每条染色体含一个或两个DNA分子，只要有一条DNA链带标记，该染色体便带标记。

(3)每个细胞含多条染色体，每条染色体的情况是一样的，只需分析一条染色体(减数分裂时只需分析一对同源染色体)即可。

合作探究：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？

提示：二分裂；大肠杆菌分裂一次，DNA复制一次。

(2)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？

提示：2个、4个、2条、6条。

(3)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？

提示：0∶2∶6。

1．某基因(14N)含有3 000个碱基，腺嘌呤占35%。若该DNA分子以15N同位素标记的游离脱氧核苷酸为原料复制3次，再将全部复制产物置于试管内离心，进行密度分层，得到结果如图①；然后加入解旋酶再离心，得到结果如图②。则下列有关分析正确的是(　　)

A．X层中的基因只用14N标记，Y层中的基因只用15N标记

B．W层中含15N标记的胞嘧啶3 150个

C．W层与Z层的核苷酸数之比为1∶4

D．X层中含有的氢键数是Y层的3倍

B　[DNA分子的复制是半保留复制，复制3次后，共有8个DNA分子，其中有2个DNA分子的一条链含有14N，另一条链含有15N，另外6个DNA分子只含有15N，离心后，含14N的位于X层(也含有15N)，只含15N的位于Y层，A错误；一个DNA分子中含有A(腺嘌呤)＝T＝3 000×35%＝1 050(个)，G＝C＝(3 000－1 050×2)/2＝450(个)，解旋酶解旋再离心后，含14N的2条链位于Z层，含15N的14条链位于W层，相当于7个完整DNA分子的量，故W层中含15N标记的胞嘧啶是450×7＝3 150(个)，B正确；W层与Z层的核苷酸数之比为7∶1，C错误；X层中含有的氢键数与Y层的氢键数比为2∶6，即Y层中含有的氢键数是X层的3倍，D错误。]

2．若将胡萝卜细胞置于含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．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．每条染色单体均只有一个DNA分子的两条脱氧核苷酸链含3H

A　[DNA的复制方式是半保留复制，将胡萝卜细胞置于含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养液中，第二次分裂DNA复制后，会出现有一条链被3H标记的双链DNA和双链都被3H标记的双链DNA，这种情况下，一个双链DNA参与构成一条染色单体，故每条染色单体都含有3H标记，A项正确；第二次分裂中期，既会出现两条脱氧核苷酸链均含3H的DNA分子，也会出现只有一条脱氧核苷酸链含3H的DNA分子，B项、C项、D项均错误。]

[课堂小结]

1．(多选)下列有关探究DNA复制过程的说法，正确的是(　　)

A．实验利用了同位素示踪法

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

ABD　[探究DNA复制的实验利用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分子所含同位素的情况，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。]

2．如图表示细胞核内某生理过程，其中a、b、c、d表示脱氧核苷酸链。以下说法正确的是(　　)

A．此过程需要能量和尿嘧啶脱氧核苷酸

B．真核细胞中此过程发生的唯一场所是细胞核

C．正常情况下，a、d链都应该到不同的细胞中去

D．b链中(A＋G)/(T＋C)的值一定与c链中的相同

C　[DNA分子中不存在尿嘧啶脱氧核苷酸，A项错误；真核生物细胞中，DNA复制可以发生在细胞核、线粒体和叶绿体中，B项错误；a、d两条链分布到两个DNA分子中，DNA分子经过复制后平均分配给两个子细胞，因此正常情况下a、d链应该到不同的细胞中去，C项正确；由题图可知b链中(A＋G)/(T＋C)的值与c链中的不相同，互为倒数，D项错误。]

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为3 000＝(2n－1)·200，得n＝4。]

4．DNA分子能够自我复制的结构基础是(　　)

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．磷酸和脱氧核苷酸交替排列的顺序稳定不变

D．DNA分子具有多样性和特异性

A　[DNA独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板，而碱基互补配对原则保证了复制能准确无误地进行。]

5．如图为真核细胞DNA复制过程模式图，请根据图示过程回答下列问题：

(1)由图示得知，1个DNA分子复制出乙、丙2个DNA分子，其方式是______________。

(2)DNA解旋酶能使双链DNA解开，但需要细胞提供_________。从图中可以看出合成的两条子链的方向是________(填“相同”或“相反”)的。

(3)真核细胞中DNA复制的场所是______________等；细胞分裂过程中，在复制完成后，乙、丙分开的时期为______________。

(4)DNA分子通过复制，将_______从亲代传给了子代，从而保持了________________的连续性。

[解析]　(1)DNA复制的方式是半保留复制，其特点是边解旋边复制。 (2)解旋过程需要细胞提供能量；DNA的两条脱氧核苷酸链是反向平行的关系，那么以这两条链为模板合成的子链的方向也应该是相反的。              (3)真核细胞内DNA分子复制的场所有细胞核、线粒体和叶绿体等；复制后的DNA分子分别存在于两条染色单体中，染色单体分开发生的时期为有丝分裂后期和减数第二次分裂后期。              (4)DNA分子复制的意义是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。

[答案]　(1)半保留复制　(2)能量(ATP)　相反  (3)细胞核、线粒体和叶绿体　有丝分裂后期、减数第二次分裂后期　(4)遗传信息　遗传信息