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    2024年高中生物新教材同步学案 必修第二册 第3章 第3节 DNA的复制(含解析)
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    高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第3节 DNA的复制优秀学案

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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的复制优秀学案,共13页。


    一、对DNA复制的推测及DNA半保留复制的实验证据
    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观点:DNA复制方式为半保留复制。
    ③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。
    ④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)实验方法:同位素标记技术和密度梯度离心技术。
    (2)实验原理:只含15N的DNA密度大,只含14N的DNA密度小,一条链含14N、一条链含15N的双链DNA密度居中。因此,利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。
    (3)探究DNA的复制方式
    ①提出问题:DNA以什么方式复制?
    ②作出假设:DNA以半保留方式复制。
    ③演绎推理(预期实验结果)
    离心后应出现三条DNA带;
    a.重带(密度最大):两条链都为15N标记的亲代双链DNA。
    b.中带(密度居中):一条链为14N标记,另一条链为15N标记的子代双链DNA。
    c.轻带(密度最小):两条链都为14N标记的子代双链DNA。
    ④实验验证
    ⑤实验结论:DNA的复制是以半保留的方式进行的。
    判断正误
    (1)沃森和克里克以大肠杆菌为实验材料,运用同位素标记技术证明DNA复制方式是半保留复制( )
    (2)证明DNA为半保留复制的研究过程中运用了假说—演绎法( )
    答案 (1)× (2)√
    解析 (1)梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料,运用同位素标记技术证明DNA复制方式是半保留复制。
    任务一:探究DNA的复制方式
    科学家曾提出DNA复制方式的三种假说:全保留复制、半保留复制和分散复制(复制完成后,亲代DNA双链被切成片段后,分散进入子代复制品的每条链中),如图所示。
    请据图回答下列问题:
    (1)用什么技术区分来自模板DNA的母链与新合成的DNA子链?
    提示 同位素标记技术。
    (2)如何测定子代DNA带有同位素的情况?
    提示 对DNA进行离心,观察其在离心管中的分布。
    (3)若DNA复制的方式是全保留复制,请你预期实验结果并完善表格:
    (4)若DNA复制的方式是分散复制,则第一代和第二代出现条带的数量及位置如何?
    提示 第一代只出现1条中带,第二代只出现1条位于中带和轻带之间的条带。
    (5)科学家的实验结果显示第一代只出现一条中带,这个结果排除了哪种复制方式?
    提示 排除了全保留的复制方式。
    (6)科学家的实验结果显示第二代出现了一条中带和一条轻带,这个结果可以进一步将哪种复制方式排除掉?
    提示 排除了分散复制的方式。
    1.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( )
    答案 D
    解析 因为DNA的复制为半保留复制,因此亲本DNA的两条链将分别进入不同的子代DNA分子中,A、B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中只有两个DNA分子中含第二次复制出的子链(黑色表示),C错误,D正确。
    2.将在含15NH4Cl的培养液中培养了若干代的某真核细胞转移到含14NH4Cl的培养液中培养,让细胞连续进行有丝分裂,并进行密度梯度离心。下列相关说法中,不正确的是( )
    A.细胞经过一次分裂和离心后,DNA位于试管的中层
    B.细胞经过两次分裂和离心后,一半DNA位于试管的中层,另一半DNA位于上层
    C.细胞经过三次分裂和离心后,3/4的DNA位于试管的中层,1/4的DNA位于试管的上层
    D.该实验可以证明DNA的复制方式是半保留复制
    答案 C
    解析 细胞经过三次分裂和离心后,有3/4的DNA位于试管的上层,1/4的DNA位于试管的中层,C错误。
    二、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)边解旋边复制;(2)半保留复制。
    6.准确复制的原因
    (1)DNA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: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。
    判断正误
    (1)DNA复制时新合成的两条链碱基排列顺序相同( )
    (2)DNA双螺旋结构全部解旋后,开始DNA的复制( )
    (3)单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链( )
    (4)真核细胞的DNA复制只发生在细胞核中( )
    (5)解旋酶和DNA聚合酶的作用部位均为氢键( )
    答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
    解析 (1)DNA复制时新合成的两条链碱基排列顺序互补。
    (2)DNA边解旋边复制。
    (3)单个脱氧核苷酸在DNA聚合酶的作用下连接合成新的子链。
    (4)真核细胞的DNA复制可发生在细胞核、线粒体和叶绿体中。
    (5)解旋酶作用部位是氢键,DNA聚合酶的作用部位是两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。
    任务二:DNA复制的相关计算规律
    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。
    DNA复制的起点和方向
    (1)原核生物:单起点双向复制
    (2)真核生物:多起点双向复制
    在复制速率相同的前提下,图中DNA是从其最右边开始复制的,这种复制方式提高了DNA复制的效率。
    3.如图为某真核细胞中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.解旋酶能使双链DNA解开,该过程不需要消耗ATP
    D.两条新的子链通过氢键形成一个新的DNA分子
    答案 B
    解析 酶①是解旋酶,作用于氢键,酶②是DNA聚合酶,催化脱氧核苷酸的连接,A错误;新的子链与母链通过氢键形成一个新的DNA分子,D错误。
    4.未被32P标记的某DNA分子中含有1 000个碱基对,其中鸟嘌呤300个,以含32P的化合物为原料,DNA分子连续复制三次。下列有关叙述错误的是( )
    A.所有子代DNA分子都含有32P
    B.子代DNA分子中,可能出现只有一条链含32P
    C.第三次复制过程中需要消耗腺嘌呤脱氧核苷酸4 900个
    D.子代DNA分子中不含32P的脱氧核苷酸链占总链数的1/8
    答案 C
    解析 在DNA分子中,G=C=300(个),则A=T=700(个),则第三次复制过程中需要消耗腺嘌呤脱氧核苷酸数=700×(23-22)=2 800(个),C错误。
    题组一 DNA半保留复制的实验证据
    1.(2023·湖北荆门高一质检)研究人员分别在含15NH4Cl和14NH4Cl的培养液中培养大肠杆菌,用以研究DNA的复制特点。图甲代表的化合物由①②③三部分构成;图乙是利用离心技术将提取到的大肠杆菌DNA进行检测得到的结果。下列有关说法错误的是( )
    A.让大肠杆菌在含15NH4Cl培养液中繁殖多代后,取其DNA离心检测,可得Ⅱ所示结果
    B.让大肠杆菌在含14NH4Cl培养液中繁殖多代后,取其DNA离心检测,可得Ⅰ所示结果
    C.将15N标记的大肠杆菌置于含14NH4Cl培养液中培养2代后,取其DNA离心检测,可得Ⅲ所示结果
    D.将14N标记的大肠杆菌置于含15NH4Cl培养液中培养2代后,取其DNA离心检测,15N标记的是图甲的①处
    答案 D
    解析 15N标记的是图甲的③处,D错误。
    2.(2023·宁夏银川高一期末)用假说—演绎法进行DNA复制的研究时,将14N标记的大肠杆菌放在含有15N的培养基中培养,使其分裂2次。下列叙述错误的是( )
    A.如果是全保留复制,子一代DNA分子1/2分布在轻带,1/2分布在重带
    B.如果是全保留复制,子二代DNA分子1/4分布在轻带,3/4分布在重带
    C.如果是半保留复制,子一代DNA分子1/2分布在中带,1/2分布在重带
    D.如果是半保留复制,子二代DNA分子1/2分布在中带,1/2分布在重带
    答案 C
    解析 如果是半保留复制,子一代2个DNA分子都是一条链含14N,另一条链含15N,都分布在中带,C错误。
    题组二 DNA复制的过程
    3.DNA分子复制时解旋酶作用于下列哪一结构( )
    答案 D
    解析 解旋酶作用于DNA双链上碱基对之间的氢键。
    4.下列关于真核细胞DNA分子复制的叙述,正确的是( )
    A.该过程不需要消耗能量
    B.需要解旋酶和DNA聚合酶的催化
    C.以DNA分子的一条链作为模板
    D.复制只在细胞核内进行
    答案 B
    解析 真核细胞DNA分子复制需要消耗能量,A错误;真核细胞DNA分子复制以DNA分子的两条链作为模板,C错误;复制可以在细胞核、线粒体、叶绿体中进行,D错误。
    5.(2023·河北省保定市清苑中学高一检测)下列有关 DNA 复制的叙述,错误的是( )
    A.DNA分子的准确复制依赖于碱基互补配对原则和精确的模板
    B.DNA 复制具有边解旋边复制、半保留复制等特点
    C.复制后的一对同源染色体中含有 4 条脱氧核苷酸链
    D.DNA 通过复制,保持了亲代和子代遗传信息的连续性
    答案 C
    解析 复制后的一对同源染色体中含有4条染色单体、4个DNA分子、8条脱氧核苷酸链,C错误。
    6.DNA分子片段复制情况如图所示,图中a、b、c、d均表示脱氧核苷酸链的片段。下列说法错误的是( )
    A.b和c的碱基序列可以互补
    B.a和c的碱基序列可以互补
    C.a中(A+G)/(T+C)的值与d中(A+G)/(T+C)的值一般不相同
    D.a中(A+T)/(G+C)的值与b中(A+T)/(G+C)的值相同
    答案 B
    解析 由题意可知,a和d的碱基序列互补,a和b的碱基序列互补,b和d的碱基序列相同,a和c的碱基序列相同;由于a和d的碱基序列互补,因此二者中(A+G)/(T+C)的值一般不相同;由于a和b的碱基序列互补,因此二者中(A+T)/(G+C)的值相同。
    7.(2023·陕西宝鸡高一期中)如图为果蝇精原细胞的核DNA电镜照片,图中的泡状结构叫作DNA复制泡,是DNA上正在复制的部分。下列说法错误的是( )
    A.果蝇DNA复制与染色体复制是分别独立进行的
    B.图中所示的精原细胞应处于细胞分裂前的间期
    C.复制泡的形成需要解旋酶和DNA聚合酶的参与
    D.果蝇的DNA有多个复制起点有利于加快DNA复制的速率
    答案 A
    解析 在真核细胞中,细胞核内的DNA位于染色体上,DNA的复制与染色体复制是同时进行的,不是分别独立进行的,A错误。
    8.如图表示真核细胞DNA的复制过程,其中有3个复制泡。下列叙述错误的是( )
    A.DNA分子的复制具有边解旋边复制的特点
    B.解开DNA双螺旋结构需要细胞内ATP与解旋酶的参与
    C.子链延伸过程中需要DNA聚合酶催化碱基间氢键的形成
    D.图示复制方式可加快DNA的复制,但各起点可能不是同时开始的
    答案 C
    解析 氢键的形成不需要酶的催化,C错误;图示为真核生物的多起点复制,可加快DNA的复制过程,从各起点的螺旋解开的程度来看,复制可能不是同时开始的,D正确。
    9.(2023·河北承德高一期中)DNA复制过程中,非复制区保持着亲代双链结构,复制区的双螺旋分开,形成两个子代双链,子代双链与亲代双链的相接区域称为复制叉。如图表示DNA复制的部分过程,下列相关叙述错误的是( )
    A.复制叉向前移动需要解旋酶参与
    B.前导链与滞后链的复制方向均为5′-端→3′-端
    C.复制完成后,前导链与滞后链中的碱基序列相同
    D.前导链的合成是连续的,滞后链的合成是不连续的
    答案 C
    解析 复制叉向前移动需要打破碱基对之间的氢键,因此需要解旋酶参与,A正确;观察题图的箭头方向,前导链与滞后链的复制方向均为5′-端→3′-端,B正确;复制完成后,前导链和滞后链的碱基序列互补,C错误。
    10.某DNA分子含有3 000个碱基,其中腺嘌呤占35%。若该DNA分子用15N标记的四种游离脱氧核苷酸为原料复制3次,将全部复制产物进行密度梯度离心,得到结果如图甲;如果将全部复制产物加入解旋酶处理后再离心,则得到结果如图乙。下列有关分析正确的是( )
    A.X层全部是仅含14N的DNA分子
    B.W层中含15N标记的胞嘧啶脱氧核苷酸有3 150个
    C.X层中含有的氢键数是Y层的1/2
    D.W层与Z层的脱氧核苷酸数之比为4∶1
    答案 B
    解析 DNA分子的复制方式为半保留复制,该DNA分子用含15N标记的脱氧核苷酸为原料复制3次,产生的8个DNA分子中均含15N标记,A错误;在含有3 000个碱基的DNA分子中,腺嘌呤占35%,因此胞嘧啶占15%,共450个,所以W层中含15N标记的胞嘧啶脱氧核苷酸为450×(23-1)=3 150(个),B正确;在DNA分子中,碱基之间通过氢键相连,DNA分子复制3次,产生的8个DNA分子中,2个DNA分子同时含14N和15N,6个DNA分子只含15N,所以X层中含有的氢键数是Y层的1/3,C错误;由于DNA分子复制3次,产生了8个DNA分子,含16条脱氧核苷酸链,其中含15N标记的有14条链,所以W层与Z层的脱氧核苷酸数之比为14∶2=7∶1,D错误。
    11.一个双链被32P标记的DNA片段有100个碱基对,其中腺嘌呤占碱基总数的20%,将其置于含31P的环境中复制3次。下列叙述错误的是( )
    A.该DNA片段中含有胞嘧啶的数目是60个
    B.第三次复制过程需要240个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸
    C.复制3次后,子代DNA中含32P的单链与含31P的单链之比为1∶8
    D.复制3次后,子代DNA中含32P与含31P的分子数之比为1∶4
    答案 C
    解析 该DNA片段有100个碱基对,其中腺嘌呤占碱基总数的20%,则腺嘌呤数目为100×2×20%=40(个),根据碱基互补配对原则,A=T、G=C,故该DNA片段中含有胞嘧啶的数目是eq \f(100×2-40×2,2)=60(个),A正确;第三次复制DNA分子数由4个变为8个,增加4个DNA分子,需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸60×4=240(个),B正确;复制3次后,共得到8个DNA分子,16条DNA单链,其中只有2条单链含32P,含32P的单链与含31P的单链之比为1∶7,C错误;由于DNA的复制为半保留复制,子代DNA均含31P,其中有2个DNA分子含32P,所以子代DNA中含32P与含31P的分子数之比为1∶4,D正确。
    12.将一个未被标记的大肠杆菌(拟核DNA呈环状,共含有m个碱基,其中有a个胸腺嘧啶)放在含有32P-胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中培养,一段时间后检测到如图所示Ⅰ、Ⅱ两种类型的DNA(虚线表示含有放射性的脱氧核苷酸链)。下列有关该实验结果的预测与分析,错误的是( )
    A.DNA第二次复制产生的子代DNA有Ⅰ、Ⅱ两种类型
    B.DNA复制后按照基因的分离定律分配到两个子细胞中
    C.子代DNA分子中包含一条母链和一条子链且没有游离的磷酸基团
    D.复制n次形成的具有放射性的脱氧核苷酸单链数量为2n+1-2
    答案 B
    解析 DNA复制的方式是半保留复制,DNA第一次复制产生的子代DNA都是Ⅰ型,第二次复制产生的DNA分子有两个Ⅰ型、两个Ⅱ型,A正确;大肠杆菌是原核生物,其DNA的遗传不遵循分离定律,B错误;因为此DNA分子为环状,所以不含有游离的磷酸基团,C正确;复制n次形成的2n+1条脱氧核苷酸链中,只有2条是亲代链,因此形成的具有放射性的脱氧核苷酸单链数量为2n+1-2,D正确。
    13.仔细阅读图一和图二,据图回答问题:
    (1)图中④表示的中文名称是____________________________________________________;
    ⑨表示______________。
    (2)图二所示的过程叫____________________________________________________________。
    (3)若用32P标记的1个T2噬菌体侵染未标记的大肠杆菌,在释放出来的300个子代T2噬菌体中,含有32P的T2噬菌体占总数的__________。
    (4)图二中的亲代DNA分子在复制时,一条链上的G变成了C,则该DNA经过n次复制后,发生差错的DNA分子数占______(填字母)。
    A.eq \f(1,2n-1) B.eq \f(1,2) C.eq \f(1,2n) D.eq \f(1,2n+1)
    答案 (1)鸟嘌呤脱氧核苷酸 氢键 (2)DNA的复制 (3)eq \f(1,150) (4)B
    解析 (3)用32P标记1个T2噬菌体,实质标记的是T2噬菌体的DNA分子,由于DNA分子的复制是半保留复制,因此复制形成的DNA分子中有2个含有32P,因此在释放出来的300个子代T2噬菌体中,含有32P的T2噬菌体占总数的eq \f(1,150)。(4)如果亲代DNA分子在复制时,一条链上的G变成了C,则以该错误链为模板合成的DNA都是错误的,以另一条链为模板合成的DNA都是正确的,因此无论复制多少次,发生差错的DNA分子数总是占50%,故选B。
    14.DNA分子双螺旋结构模型提出之后,人们推测DNA可能通过图1中三种方式进行复制。某生物兴趣小组准备通过实验来探究DNA复制方式,基本思路是用14N标记大肠杆菌的DNA双链,然后在含15N的培养基中让其繁殖两代,提取每代大肠杆菌的DNA并作相应处理,可能出现的实验结果如图2。请回答下列问题:
    (1)该实验选择大肠杆菌的原因是_________________________________________________
    ________________________________________________________________________。
    该实验用到的实验技术有____________技术和密度梯度离心技术。若亲代大肠杆菌繁殖一代,出现实验结果1,可以说明DNA复制方式不是全保留复制,理由是_________________
    ________________________________________________________________________。
    (2)若亲代大肠杆菌繁殖两代,出现实验结果2,说明DNA复制方式是____________复制。按照此复制方式:
    ①亲代大肠杆菌繁殖n代(n≥2),实验结果中轻带、中带、重带中DNA分子数量之比应为________________________________________________________________________。
    ②图3中DNA片段2至少需要经过______次复制才能获得DNA片段3。
    答案 (1)大肠杆菌易培养、繁殖快 同位素标记 若为全保留复制,实验结果1应只出现轻带和重带
    (2)半保留 ①0∶2∶(2n-2) ②2
    解析 (1)由于大肠杆菌易培养、繁殖快,故该实验选择大肠杆菌;本实验使用了15N对DNA分子进行标记,应用了同位素标记技术,同时用密度梯度离心技术对DNA分子进行分离;若亲代大肠杆菌繁殖一代,出现实验结果1(离心后只有1条中带) ,可以说明DNA分子的复制可能是半保留复制,也可能是分散复制,但可以排除全保留复制,因为若为全保留复制,则DNA复制一次后形成的2个DNA分子是1个只含14N,另一个只含15N,实验结果应出现一条轻带和一条重带。(2)若DNA复制方式是半保留复制,则亲代大肠杆菌繁殖两代,形成的4个DNA分子,两个只含15N,两个一条链含14N、一条链含15N,经离心出现实验结果2;按照半保留复制方式:①亲代大肠杆菌繁殖n代(n≥2),无论复制多少代,形成的2n个DNA分子,0个只含14N,两个一条链含14N、一条链含15N,2n-2个只含15N,即实验结果中轻带、中带、重带中DNA分子数量之比应为0∶2∶(2n-2)。②图3中与DNA片段3相比,DNA片段2中G/U替换为了A/T,进行第一次复制时会出现A/U(模板链上的碱基U与A配对);进行第二次复制时会出现T与A配对,即至少需要经过2次复制,DNA片段2中G/U可替换为A/T,才能获得DNA片段3。实验结果
    条带数量
    在试管中位置
    DNA含N情况
    亲代
    1
    靠近试管底部
    15N/15N-DNA
    第一代
    1
    位置居中
    15N/14N-DNA
    第二代
    2
    一条带位置居中,一条带位置靠上
    15N/14N-DNA、14N/14N-DNA
    大肠杆菌
    DNA在离心管中的位置及比例
    DNA分子所含N的类型
    亲代
    下部,100%
    15N/15N-DNA
    第一代
    下部50%,上部50%
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    下部25%,上部75%
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