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第16课时 DNA的复制
[目标导读] 1.阅读教材P52“对DNA分子复制的推测”，结合DNA分子的结构特点，了解沃森和克里克对DNA分子复制方式的早期推测。
2.结合教材图3－12，了解DNA半保留复制的实验证据及三条DNA带的分析。
3.结合教材图3－13，归纳DNA分子的复制过程及总结DNA准确复制的原因。
[重难点击] 1.DNA分子的复制过程和特点。
2.DNA复制的有关计算。
1．DNA分子的结构
（1）基本单位：
构成DNA分子的基本单位是[④]脱氧核苷酸，由一分子[①]磷酸、一分子[②]脱氧核糖和一分子[③]含氮碱基连接而成。
（2）整体：
由两条脱氧核苷酸链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
（3）由[②]脱氧核糖和[①]磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。
（4）碱基互补配对原则：
[⑤]A（腺嘌呤）一定与T（胸腺嘧啶）配对；G（鸟嘌呤）一定与[⑦]C（胞嘧啶）配对。
2．结合有丝分裂中DNA含量的变化曲线分析
（1）在真核细胞中，DNA存在于细胞核、线粒体和叶绿体中，有丝分裂间期的DNA含量加倍是由于DNA的复制。
（2）CD段DNA含量减半的原因是细胞质分裂，细胞一分为二。
不考虑突变，产生的两个子细胞中核DNA携带的遗传信息完全相同。
课堂导入
生物亲子代之间是通过遗传物质传递遗传信息的，那么亲代的遗传物质如何“多出一份”来传递给子代？
DNA的复制就是以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程，即1DNA→2DNA。
新产生的DNA分子是一个全新的DNA分子吗？
是否像洗相片似的，有一张底片就可以洗出许多相片来？
这一节我们就一起来学习DNA复制的过程。
探究点一 对DNA分子复制的推测和实验证据
沃森和克里克构建了DNA分子结构模型（如图1），DNA分子作为遗传物质必须能够自我复制传递给下一代，沃森和克里克又根据其特点，提出了遗传物质自我复制的假说。
1．对DNA分子复制的推测
假说：
DNA分子复制时，DNA分子的双螺旋将解开，互补的碱基之间的氢键断裂，解开的两条单链作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸依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。
由于新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，因此，这种复制方式被称做半保留复制（如图2）。
科学家的假说是否正确呢？
1958年，科学家以大肠杆菌为实验材料，运用同位素示踪技术，设计了一个巧妙的实验，证实了DNA的确是以半保留的方式进行复制的。
2．DNA分子复制的实验证据
（1）实验方法：
放射性同位素标记法和离心技术。
（2）实验原理：
如果DNA的两条链都用15N标记，那么这样的DNA分子质量大，离心时应该在试管的底部；两条链中都含有14N，那么这样的DNA分子质量小，离心时应该在试管的上部；两条链中一条含有15N，一条含有14N，那么这样的DNA分子质量居中，离心时应该在试管的中部。
（3）实验过程
（4）在下图中画出预期的实验结果
答案
（5）实验结果和预期的一致，说明DNA的复制是以半保留的方式进行的。
归纳提炼
DNA分子在复制时，以解旋形成的两条链（旧链）为模板，按照碱基互补配对原则吸收脱氧核苷酸与之配对，形成两条子链（新链），新链与旧链螺旋成一个新的DNA分子，所以称之为半保留复制。
活学活用
1．以DNA的一条链“—A—T—C—”为模板，推测经复制后的子链是（ ）
A．“—T—A—G—”B．“—U—A—G—”
C．“—T—A—C—”D．“—T—U—C—”
问题导析
（1）DNA复制中碱基配对原则为A与T配对，G与C配对。
（2）DNA分子中不含有碱基U，这种碱基只在RNA中含有。
答案 A
解析 DNA复制按照碱基互补配对原则进行。
探究点二 DNA分子复制的过程
通过以上实验我们了解了DNA分子复制具有半保留复制的特点，如图为DNA分子复制的过程，结合该图，思考下列内容。
1．概念：
是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
2．时间：
细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期。
3．场所：
细胞核、线粒体和叶绿体。
主要场所是细胞核。
4．条件：
（1）模板：
亲代DNA的两条链；
（2）原料：
四种脱氧核苷酸；（3）酶：
解旋酶和DNA聚合酶；（4）能量。
5．过程
（1）解旋：
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。
（2）合成子链：
以解开的每一段母链为模板，在DNA聚合酶等酶的作用下，利用细胞中游离的四种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的子链。
（3）形成子代DNA：
每条子链与其对应的母链盘旋成双螺旋结构，从而形成两个与亲代DNA完全相同的DNA分子。
6．功能：
传递遗传信息。
7．DNA分子复制的意义：
DNA分子通过复制，将遗传信息从亲代传给了子代，从而保持了遗传信息的连续性。
8．DNA分子能够准确复制的原因有：
（1）DNA分子独特的双螺旋结构提供精确模板；
（2）通过碱基互补配对原则保证了复制准确地进行。
9．两条子链延伸的方向不同，其原因可能是DNA分子中的两条链是反向平行的，因此子链的延伸方向也是相反的。
10．从DNA分子复制的过程和结果两个方面总结其特点分别为边解旋边复制和半保留复制。
归纳提炼
活学活用
2．判断下列说法的正误。
（1）DNA复制只发生在有丝分裂间期（ ）
（2）DNA双螺旋全部解链后，开始DNA复制（ ）
（3）单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接成子链，并且2条子链形成子代DNA分子（ ）
（4）DNA的复制需要消耗能量（ ）
问题导析
（1）DNA复制发生在细胞分裂间期，不只是有丝分裂间期。
（2）DNA复制为边解旋边复制，并且是多起点复制。
（3）DNA复制为一条母链与一条新合成的子链结合形成一个新的DNA分子。
（4）DNA复制过程中解旋和形成磷酸二酯键都需要消耗能量。
答案
（1）×
（2）× （3）× （4）√
解析
（1）减数第一次分裂前的间期也发生DNA复制。
（2）DNA边解旋边复制。
（3）DNA半保留复制。
探究点三 有关DNA分子复制的计算
如果用15N标记DNA分子的两条链，让其在含有14N的环境中复制。
结合DNA分子半保留复制的特点，完成下面表格：
世代
DNA分子结构特点
DNA中脱氧核苷酸链的特点
分子总数
细胞中的DNA分子在离心管中的位置
不同DNA分子占全部DNA分子之比
链的总数
含14N、15N的链所占的比例
含15N
含14N和15N
只含14N
含15N
含14N
0
1
全部在下部
1
0
0
2
1
0
1
2
全部在中部
0
1
0
4
1/2
1/2
2
4
1/2中部，1/2上部
0
1/2
1/2
8
1/4
3/4
3
8
1/4中部，3/4上部
0
1/4
3/4
16
1/8
7/8
根据上表归纳：
若培养n代，结果是：
1．DNA分子数
（1）子代DNA分子总数＝2n个。
（2）含15N的DNA分子数＝2个。
（3）含14N的DNA分子数＝2n个。
（4）只含15N的DNA分子数＝0个。
（5）只含14N的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）含15N的脱氧核苷酸链数＝2条。
（3）含14N的脱氧核苷酸链数＝（2n＋1－2）条。
3．消耗的脱氧核苷酸数
设亲代DNA分子中含有某种脱氧核苷酸m个，则：
（1）经过n次复制，共需消耗游离的该脱氧核苷酸m·（2n－1）个。
（2）在第n次复制时，共需消耗游离的该脱氧核苷酸m·2n－1个。
归纳提炼
1．子代DNA分子中，含14N的有2n个，只含14N的有（2n－2）个，做题时应看准是“含”还是“只含”。
2．无论复制多少次，含15N的DNA分子始终是2个，占总数比例为
。
3．子代DNA分子的链中，总链数2n×2＝2n＋1条。
含15N的链始终是2条，占总数比例为
＝
。
做题时，应看准是“DNA分子数”还是“链数”。
活学活用
3．某一个DNA分子中，A为200个，复制数次后，消耗周围环境中含A的脱氧核苷酸3000个，该DNA分子已经复制了几次（ ）
A．4次B．3次
C．5次D．6次
问题导析 经过n次复制，共需消耗游离的该脱氧核苷酸m·（2n－1）个。
答案 A
解析 利用DNA复制规律得知，经过n次复制利用腺嘌呤脱氧核苷酸数目3000＝（2n－1）·200，得n＝4。
1．体外进行DNA复制的实验，向试管中加入有关的酶、4种脱氧核苷酸和ATP,37℃下保温。
下列叙述中正确的是（ ）
A．能生成DNA，DNA的碱基比例与4种脱氧核苷酸的比例一致
B．不能生成DNA，因为缺少DNA模板
C．能生成DNA，DNA的碱基比例不确定，且与酶的来源有一定的关联
D．不能生成DNA，因为实验中缺少酶催化的适宜的体内条件
答案 B
解析 DNA复制需要的条件是模板、原料、酶、能量等，题目的条件缺少模板，不能生成DNA。
2．大肠杆菌在含有15N标记的NH4Cl培养液中培养后，再转移到含有14N的普通培养液中培养，8小时后提取DNA进行分析，得出含15N的DNA占总DNA的比例为1/16，则大肠杆菌的分裂周期是（ ）
A．2小时B．4小时
C．1.6小时D．1小时
答案 C
解析 假设该细胞分裂了n次，则DNA分子复制了n次，由题意可得关系式：
2∶2n＝1∶16,2n＝32，n＝5,8小时细胞分裂了5次，因此该细胞分裂的周期是8÷5＝1.6小时。
3．用15N标记细菌的DNA分子，再将其放入含14N的培养基上连续繁殖4代，a、b、c为三种DNA分子：
a只含15N，b同时含14N和15N，c只含14N。
图中表示这三种DNA分子的比例正确的是（ ）
答案 D
解析 15N标记细菌DNA分子，放在含14N的培养基上复制4次形成16个DNA分子。
则：
①只含15N的DNA分子：
0个；②同时含15N、14N的DNA分子：
2个；③只含14N的DNA分子：
14个。
4．含有32P或31P的磷酸，两者化学性质几乎相同，都可参与DNA分子的组成，但32P比31P质量大。
现将某哺乳动物的细胞放在含有31P磷酸的培养基中，连续培养数代后得到G0代细胞。
然后将G0细胞移至含有32P磷酸的培养基中培养，经过第1、2次细胞分裂后，分别得到G1、G2代细胞。
再从G0、G1、G2代细胞中提取DNA，经密度梯度离心后得到结果（如图）。
由于DNA分子质量不同，因此在离心管内的分布不同。
若①、②、③分别表示轻、中、重3种DNA分子的位置，请回答下列问题：
（1）G0、G1、G23代DNA离心后的试管分别是图中的：
G0________、G1________、G2________。
（2）G2代在①、②、③3条带中的DNA数的比例是_____________________________。
（3）图中①、②两条带中DNA分子所含的同位素磷分别是：
条带①________，条带②________。
（4）上述实验结果证明DNA的复制方式是____________________。
DNA的自我复制能使生物的__________保持相对稳定。
答案
（1）A B D
（2）0∶1∶1 （3）31P 31P、32P （4）半保留复制 遗传特性
解析 首先应该看懂图解，知道轻、中、重3种DNA划分的标准：
由两条链含31P的脱氧核苷酸组成的是轻DNA；由一条含31P的脱氧核苷酸链和另一条含32P的脱氧核苷酸组成的链形成的是中DNA；由含32P的脱氧核苷酸组成的是重DNA。
DNA分子的复制是半保留复制，即复制后形成的子代DNA中，每个DNA分子都只含有一条子链，另一条则为母链。
根据题意：
G0代细胞中的DNA全部是由含31P的脱氧核苷酸组成，是轻DNA；G1代是以G0代细胞中的DNA为模板，以含32P的脱氧核苷酸为原料形成的两个DNA分子，每一个DNA分子中，母链含31P，子链含32P，是中DNA；G2代是以G1代为模板，以含32P的脱氧核苷酸为原料形成的4个DNA分子，有2个DNA分子母链含31P，子链含32P，是中DNA，另2个DNA分子母链、子链都含有32P，是重DNA。
基础过关
知识点一 对DNA分子复制的推测和实验证据
1．沃森和克里克在发表了DNA分子双螺旋结构的论文后，又提出了DNA自我复制的假说。
下列有关假说内容的叙述，不正确的是（ ）
A．DNA复制时，双螺旋将解开，互补的碱基之间的氢键断裂
B．以解开的两条单链为模板，以游离的脱氧核苷酸为原料，依据碱基互补配对原则，通过氢键结合到作为模板的单链上
C．形成的DNA分子包括一条模板单链和一条新链
D．形成的两个DNA分子是由两条母链、两条子链分别结合而成
答案 D
解析 沃森和克里克提出的DNA自我复制的假说为半保留复制，即形成的DNA分子包括一条母链和一条子链。
2．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，再连续繁殖两代（Ⅰ和Ⅱ），用某种离心方法分离得到的结果如图所示。
下列对此实验的叙述不正确的是（ ）
A．Ⅰ代细菌DNA分子中一条链是14N，另一条链是15N
B．Ⅱ代细菌含15N的DNA分子占全部DNA分子的1/4
C．预计Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质量为（7a＋b）/8
D．上述实验结果证明DNA复制方式为半保留复制
答案 B
解析 15N－DNA转移到14N的培养基上后，该DNA再进行复制时就会以14N为原料。
由于大肠杆菌的DNA是双链DNA，这种DNA在复制时采取半保留复制，也就是说，15N－DNA在14N的培养基上进行第一次复制后，产生的两个子代DNA分子均含有一条15N的DNA链和一条14N的DNA链（混合型DNA分子）。
这样的DNA用离心法分离后，应该全部处在试管的中部。
子Ⅰ代的两个DNA分子再分别进行复制，它们所产生的两个子代DNA分别为全14N－DNA分子和14N、15N－DNA分子（混合型DNA分子）。
此时，将该DNA作离心处理，产生的DNA沉淀应该分别位于试管的上部和中部。
含15N的DNA分子占全部DNA分子的1/2。
Ⅲ代细菌DNA分子共有8个，其相对分子质量之和为（7a＋b），平均相对分子质量为（7a＋b）/8。
3．细胞每次分裂时DNA都复制一次，每次复制都是（ ）
A．母链和母链，子链和子链，各组成一个子代DNA
B．每条子链和与它碱基互补配对的母链组成子代DNA
C．每条子链随机地和两条母链之一组成子代DNA
D．母链降解，重新形成两个子代DNA
答案 B
解析 每次复制形成的两个子代DNA都是由每条子链和与它碱基互补配对的母链组成。
知识点二 DNA分子的复制过程
4．如图为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图，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
答案 A
解析 从图中可以看出有多个复制起点，但由于复制环的大小不同，所以复制起始的时间有先有后。
DNA分子复制是边解旋边双向复制的，真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶、DNA聚合酶等酶的参与。
这种半保留复制的模式不仅保持了前后代的稳定性，而且每次复制都可产生两个DNA分子，提高了复制效率。
5．假设一个DNA分子中含有1000个碱基对，将这个DNA分子放在含32P标记的脱氧核苷酸的培养基中让其复制一次，则新形成的一个DNA分子的相对分子质量比原来增加了（ ）
A．1000B．2000
C．500D．无法确定
答案 A
解析 DNA分子含有1000个碱基对，每条链含1000个碱基，复制1次后新形成的DNA保留母链的一条。
利用32P的原料合成新链，每条新链质量增加1000。
6．女性子宫瘤最长的DNA分子可达36mm，DNA复制速度约为4μm/min，但复制过程仅需40min左右即可完成，这可能是因为（ ）
A．边解旋边复制
B．只有一个复制起点，但解旋之后可以向着两个方向复制
C．以半保留方式复制
D．复制起点多，分段同时复制
答案 D
解析 真核细胞中的DNA分子复制起点多，并且同时复制，所以比较迅速。
知识点三 有关DNA分子复制的计算
7．下列关于遗传的物质基础的叙述，正确的是（ ）
A．同一生物个体的不同细胞中DNA分子数均相同
B．具有A个碱基对、m个腺嘌呤的DNA分子片段，完成n次复制共需（A－m）（2n－1）个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸
C．在一个细胞的分化过程中，核DNA的数量会发生变化
D．含2对同源染色体的精原细胞（DNA均被15N标记），在供给14N的环境中进行一次减数分裂，产生的4个精子中含14N的精子所占的比例为50%
答案 B
解析 同一生物个体的不同细胞中DNA分子数不一定相同，如体细胞中的DNA分子数是2N，生殖细胞是N；每个DNA分子片段的胞嘧啶脱氧核苷酸数是（A－m）个，完成n次复制共需胞嘧啶脱氧核苷酸数是（2n－1）·（A－m）个；细胞分化过程中核DNA数量不发生变化；DNA分子的复制方式是半保留复制，因此减数分裂形成的精子都含14N。
8．下面是在电子显微镜下拍摄的某生物细胞DNA复制过程中的图像。
有关叙述正确的是（ ）
A．此图反映出的DNA复制模式，可作为DNA双向复制的证据
B．此过程必须遵循碱基互补配对原则，任一条链中A＝T，G＝C
C．若将该DNA进行彻底水解，产物是脱氧核苷酸和四种碱基
D．若该DNA分子的一条链中（A＋T）/（G＋C）＝a，则互补链中该比值为1/a
答案 A
解析 在一条链中A与T不一定相等；DNA彻底水解是指脱氧核苷酸也被水解；DNA分子中互补碱基之和相等。
能力提升
9．假如某大肠杆菌的DNA分子用15N标记后其相对分子质量为a，用14N标记后其相对分子质量为b。
现将用15N标记后的大肠杆菌，培养在含有14N的培养基中，则子一代、子二代的DNA分子平均相对分子质量分别为（ ）
A．（a＋b）/2；（a＋3b）/4B．a＋b；a＋3b
C．（a＋b）/2；（a＋b）/2D．a＋b；（a＋b）/3
答案 A
解析 在子一代的两个DNA分子中，都是一条单链含有14N，一条单链含有15N，所以每个DNA分子的平均相对分子质量为（a＋b）/2；在子二代的四个DNA分子中，有两个只含有14N，另两个是一条单链含有15N、一条单链含有14N，所以平均相对分子质量为[（a＋b）＋2b]/4＝（a＋3b）/4。
10．具有A个碱基对的一个DNA分子片段，含有m个腺嘌呤，该片段第n次复制需要多少个游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸（ ）
A．（2n－1）·（A－m）
B．2n－1·（A－m）
C．（2n－1）·（A/2－m）
D．2n·（A/2－m）
答案 B
解析 DNA复制n次形成2n个DNA，与亲代DNA一致，亲代DNA分子中的G＝（
－m）个，则第n次复制需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸为2n－1×（
－m）。
11．细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后再将其移入含14N的培养基中培养，抽取亲代及子代的DNA，离心分离，如图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是（ ）
A．子一代DNA应为②B．子二代DNA应为①
C．子三代DNA应为④D．亲代的DNA应为⑤
答案 C
解析 由题意可知，子一代的DNA应为全中（14N/15N），即图②；子二代DNA应为1/2中（14N/15N）、1/2轻（14N/14N），即图①；子三代DNA应为1/4中（14N/15N）、3/4轻（14N/14N），即图③，而不是全轻（14N/14N）；亲代的DNA应为全重（15N/15N），即图⑤。
12．DNA分子片段复制的情况如图所示，图中a、b、c、d表示脱氧核苷酸链的片段。
如果没有发生变异，下列说法不正确的是（ ）
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＋T）/（G＋C）的比值与b中（A＋T）/（G＋C）的比值相同
D．a中（A＋G）/（T＋C）的比值与d中（A＋G）/（T＋C）的比值一般不相同
答案 B
解析 a和d互补，b和c互补，如果不发生变异，a和c及b和d的碱基组成相同。
某条脱氧核苷酸链上（A＋T）/（G＋C）的比值与其互补链上的比值相同，而（A＋G）/（T＋C）的比值与其互补链上的比值一般不相同，所以C项和D项中的说法均正确。
13．一个用15N标记的DNA分子，放在没有标记的环境中培养，复制5次后标记的DNA分子占DNA分子总数的（ ）
A．1/4B．1/8
C．1/16D．1/32
答案 C
解析 DNA复制是半保留复制，复制5次，形成32个DNA分子，其中被标记的有2个。
14．如图是DNA分子复制的图解，请据图回答下列问题：
（1）图中的[1]表示________过程，需要________酶等酶的作用。
（2）图中的[2]过程表示以母链为模板进行的碱基的____________，参与配对的物质是游离在周围的____________________________________________________________________。
（3）图中的[3]过程表示形成两个新的________分子，这一过程包括子链中脱氧核苷酸的________与______交互连接以及子链与母链在空间结构上的________化。
参与此过程的酶有____________等。
（4）分析DNA复制过程所需条件应是：
场所一般在____________内；模板是_______________，原料是______________；酶需要__________、__________等；能量由________提供。
（5）DNA复制，一般是严格的________复制，DNA复制的遗传学意义是为________在上下代之间的________准备了物质基础。
遗传信息的传递使亲代生物的性状可在子代得到表现，例如（试举一例）_____________________________________________________________。
答案
（1）解旋 解旋
（2）互补配对 4种脱氧核苷酸
（3）DNA 脱氧核糖 磷酸 螺旋 DNA聚合酶 （4）细胞核 原DNA母链 脱氧核苷酸 解旋酶 DNA聚合酶 ATP （5）半保留 遗传信息 传递 子女长得像父母
解析
（1）图中[1]表示解旋过程，需要解旋酶的作用。
解旋酶的作用是打开两条链之间的氢键。
（2）图中[2]表示以母链为模板进行碱基互补配对的过程，参与配对的物质是周围环境中游离的四种脱氧核苷酸。
（3）图中[3]过程表示形成两个新的DNA分子，这一过程包括子链中脱氧核苷酸的脱氧核糖与磷酸交互连接以及子链与母链在空间结构上的螺旋化，参与此过程的酶有DNA聚合酶等。
（4）DNA主要分布在细胞核中，复制的场所主要是细胞核。
基本条件有模板（原DNA母链）、原料（游离的脱氧核苷酸）、酶（解旋酶、DNA聚合酶等）、能量（A
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