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- 2021-09-24 发布
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第3节 DNA的复制
一、DNA分子复制方式的推测和实验证据
1.对DNA分子复制的推测
(1)提出者:沃森和克里克。
(2)假说
①解旋: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。
②复制: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。
(3)特点:新合成的每个DNA分子中,都保留了原来DNA分子中的一条链,这种复制方式被称做半保留复制。
2.DNA分子复制的实验证据(选学)
(1)实验方法:放射性同位素标记法和密度梯度离心技术。
(2)实验原理
①DNA的两条链都用15N标记,那么这样的DNA分子密度最大,离心时应该在试管的底部。
②两条链中都含有14N,那么这样的DNA分子密度最小,离心时应该在试管的上部。
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③两条链中一条含有15N,一条含有14N,那么这样的DNA分子离心时应该在试管的中部。
(3)实验过程
(4)实验结果
①立即取出,提取DNA→离心→全部重带。
②繁殖一代后取出,提取DNA→离心→全部中带。
③繁殖两代后取出,提取DNA→离心→轻带、中带。
(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。
例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。
例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下图所示。下列对此实验的叙述不正确的是( )
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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
C.预计Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质量为
D.上述实验结果证明DNA分子的复制方式为半保留复制
答案 B
解析 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。这样的DNA用离心法分离后,应该全部处在试管的中部。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。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。Ⅲ代细菌DNA分子共有8个,各条单链的相对分子质量之和为(7a+b),则Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质量为。
二、DNA分子复制的过程
1.DNA复制的概念:以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
2.时间:细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期。
3.过程
4.结果:形成两个完全相同的DNA分子。
5.特点
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(1)边解旋边复制。
(2)半保留复制。
6.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。
例3 下图表示DNA分子复制的过程,结合图示,下列有关叙述不正确的是( )
A.DNA复制过程中首先需要解旋酶破坏DNA双链之间的氢键,使两条链解开
B.DNA分子的复制具有双向复制的特点,生成的两条子链的方向相反
C.从图示可知,DNA分子具有多起点复制的特点,缩短了复制所需的时间
D.DNA分子的复制需要DNA聚合酶将单个脱氧核苷酸连接成DNA片段
答案 C
解析 DNA复制需要以DNA的两条链为模板,因此DNA分子复制过程中首先需要解旋酶破坏DNA双链之间的氢键,使两条链解开;由图可知,DNA分子的复制具有双向复制的特点,生成的两条子链方向相反;图示中复制的起点只有1个,不能体现DNA分子具有多起点复制的特点;DNA聚合酶的作用是将单个游离的脱氧核苷酸连接成DNA片段。
例4 下列关于DNA复制的叙述,正确的是( )
A.在细胞有丝分裂间期,发生DNA复制
B.DNA通过一次复制后产生四个子代DNA分子
C.真核生物DNA复制的场所只有细胞核
D.单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链
答案 A
解析 DNA复制发生在细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期,是以亲代DNA的两条链为模板,合成两个子代DNA的过程;真核生物DNA复制的主要场所是细胞核,线粒体、叶绿体内也可进行;DNA复制过程需要解旋酶和DNA聚合酶,不需要DNA(水解)酶。
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1.判断正误
(1)所有的细胞都能进行DNA复制( )
(2)DNA解旋后的每一条脱氧核苷酸链都可以作为DNA复制的模板( )
(3)DNA双螺旋全部解开后,再开始进行DNA复制( )
(4)DNA解旋酶破坏的是氢键,不能将DNA分解成脱氧核苷酸( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)√
2.下列关于DNA复制过程的顺序,正确的是( )
①互补碱基对之间氢键断裂 ②互补碱基对之间氢键合成 ③DNA分子在解旋酶的作用下解旋 ④以解旋后的母链为模板进行碱基互补配对 ⑤子链与母链盘绕成双螺旋结构
A.①③④②⑤ B.③①⑤④②
C.①④②⑤③ D.③①④②⑤
答案 D
解析 DNA复制的基本过程是:解旋→合成子链→双链螺旋化,在解旋时互补碱基对之间的氢键断裂,在合成子链时重新形成新的氢键。
3.DNA的复制保持了亲子代间遗传信息的连续性,DNA的复制不可能发生在( )
A.细胞核 B.叶绿体
C.线粒体 D.核糖体
答案 D
4.下列有关探究DNA复制过程的说法,不正确的是( )
A.本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
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D.本实验结果说明了DNA具有半保留复制的特点
答案 C
解析 探究DNA复制的实验是利用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。
5.如图为DNA复制的图解,请据图回答下列问题:
(1)DNA复制发生在___________________________期。
(2)②过程称为____________。
(3)③中的子链是____________。
(4)③过程必须遵循____________原则。
(5)子代DNA分子中只有一条链来自亲代DNA分子,由此说明DNA复制具有____________的特点。
答案 (1)有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间
(2)解旋 (3)Ⅱ、Ⅲ (4)碱基互补配对 (5)半保留复制
[对点训练]
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题组一 DNA分子复制的实验证据
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复制为半保留复制,因此亲本DNA的两条链将进入不同的子代DNA分子中,故A、B项错误;因为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项中只有两个DNA分子中含第二次复制出的子链(黑色表示),故C项错误,D项正确。
2.将在含15NH4Cl的培养液中培养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,则下列说法中不正确的是( )
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,的DNA位于试管的中层,的DNA位于试管的上层
D.该实验可以证明DNA的复制是半保留复制
答案 C
解析 细胞经过一次分裂和离心后,所形成的每个子代DNA分子中的两条链中一条链含15N,另一条链含14N,位于试管的中层,A项正确;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,B项正确;细胞经过三次分裂和离心后,有的DNA位于试管的上层,的DNA位于试管的中层,C项错误;该实验可以证明DNA的复制是半保留复制,D项正确。
3.在生命科学研究中,“同位素示踪技术”是经常使用的研究手段。将大肠杆菌的DNA分子用3H标记后,放在普通培养基中繁殖两代,并跟踪检测子代细菌的放射性(如图所示),该实验有力地证明了( )
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A.DNA分子复制需要3H
B.DNA分子通过复制进行繁殖
C.DNA分子进行半保留复制
D.DNA分子复制需要在细菌体内进行
答案 C
4.某DNA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所示;然后加入解旋酶再离心,得到结果如图②所示。则下列有关分析中正确的是( )
A.X层中的DNA只有14N标记,Y层中的DNA只有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
答案 B
解析 由于DNA复制为半保留复制,故X层为中带,应是含有15N和14N的DNA,A错误;由于DNA复制3次,产生了8个DNA,共有16条链,则Z含有2条14N链,W含有14条15N链。由题意可知,每个DNA含胞嘧啶3 000×15%=450(个),故W层中含15N链的胞嘧啶为450×14÷2=3 150(个),B正确;W层与Z层核苷酸数之比为14∶2=7∶1,C错误;X层为2个DNA,Y层为6个DNA,故X层氢键数为Y层的,D错误。
题组二 DNA分子复制的过程
5.下列有关真核细胞DNA分子复制的叙述,正确的是( )
A.复制形成的两个子代DNA分子共4个游离的磷酸基团
B.DNA复制时只以一条脱氧核苷酸链作为模板
C.DNA聚合酶催化碱基对之间的连接
D.复制过程中先全部解旋,再进行半保留复制
答案 A
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解析 每个DNA分子含有2个游离的磷酸基团,因此复制形成的两个子代DNA分子共有4个游离的磷酸基团,A正确;DNA复制时两条脱氧核苷酸链都作为模板,B错误;DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸间形成磷酸二酯键从而连接成DNA片段,C错误;DNA复制过程中边解旋,边进行半保留复制,D错误。
6.(2018·太原高一检测)DNA分子复制时解旋酶作用于下列哪一结构( )
答案 D
解析 解旋酶的作用是破坏碱基对之间的氢键,使DNA双螺旋解开,只有D项属于DNA上的碱基对。
7.DNA一般能准确复制,其原因是( )
①DNA规则的双螺旋结构为复制提供模板 ②DNA复制发生于细胞周期的间期 ③碱基互补配对是严格的 ④产生的两个子代DNA均和亲代DNA相同
A.②④ B.②③ C.①④ D.①③
答案 D
解析 DNA规则的双螺旋结构在解旋后为DNA复制提供两条模板,严格的碱基互补配对原则保证了DNA复制的准确性,保证了子代DNA是以亲代DNA提供的两条链为模板合成的。
8.DNA分子经过诱变,某位点上的一个正常碱基(设为X)变成了尿嘧啶,该DNA连续复制两次,得到的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,推测“X”可能是( )
A.胸腺嘧啶 B.胞嘧啶
C.腺嘌呤 D.胸腺嘧啶或腺嘌呤
答案 B
解析 据半保留复制的特点,DNA分子经过两次复制后,突变链形成的两个DNA分子中含有U—A、A—T碱基对,而另一条正常,正常链形成的两个DNA分子中含有G—C、C—G碱基对,因此被替换的可能是G,也可能是C。
9.在生物实验室内模拟生物体DNA复制所必需的条件是( )
①酶类 ②游离4种脱氧核苷酸 ③ATP ④DNA分子 ⑤适宜的温度 ⑥适宜的pH
A.①②③④ B.②③④⑤
C.①②③⑤⑥ D.①②③④⑤⑥
答案 D
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解析 DNA复制所必需的4个条件是模板、原料、酶和能量,在体外模拟DNA复制时,还需考虑到酶的活性受到温度及pH的影响,故正确选项为D。
10.如图为DNA分子复制过程,其中a、b、c、d表示脱氧核苷酸链。下列叙述中正确的是( )
A.体外复制需要ATP和核糖体
B.a和d的碱基序列肯定相同
C.b中的比值与c相同
D.b中的比值与c相同
答案 C
解析 DNA复制需要模板、原料、酶和能量等必要条件,而核糖体是细胞内合成蛋白质的场所,A错误;由图可知,a、d是模板DNA的两条链,故a与d的碱基互补配对,B错误;b与c碱基互补配对,的比值相同,C正确;b中的比值是c中该比值的倒数,D错误。
11.如图为真核细胞DNA分子复制过程模式图。据图分析,下列相关叙述中错误的是( )
A.由图示可知,DNA分子复制的方式是半保留复制
B.由图中可以看出合成两条子链时,DNA聚合酶移动的方向是相反的
C.子链合成的方向是一定的
D.解旋需解旋酶及DNA聚合酶的催化,且需要消耗ATP
答案 D
解析 由图示可以看出,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,DNA分子复制的方式为半保留复制;由图中的箭头可知,两条链上DNA聚合酶移动的方向是相反的;子链合成的方向是一定的,即只能从5′端向3′端延伸;图示解旋的过程中只需要解旋酶的催化,而不需要DNA聚合酶的催化。
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12.女性子宫瘤最长的DNA分子可达36 mm,DNA复制速度约为4 μm/min,但复制过程仅需40 min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,同时分段复制
答案 D
解析 真核细胞中的DNA分子复制起点多,并且同时分段复制,所以DNA的复制比较迅速。
[综合强化]
13.如图为高等植物细胞中DNA复制过程模式图。请根据图示过程,回答下列问题:
(1)由图示可知,1个DNA分子复制出乙、丙2个DNA分子的方式是________________。
(2)细胞中DNA复制的场所为____________________;在复制完成后,乙、丙分开的时期为________________________________________________________________________。
(3)把乙(只含14N)放在含15N的培养液中培养,复制2次后子代DNA单链中含15N的DNA单链所占的比例是________________。
答案 (1)半保留复制 (2)细胞核、线粒体和叶绿体 有丝分裂后期和减数第二次分裂后期 (3)
14.(2018·曲阜师大高一期中)下图为真核细胞中发生的一项生理过程示意图,请据图回答下列问题:
(1)图中表示的生理过程是__________,此过程发生的主要场所是____________。
(2)该过程首先需要在__________酶作用下把两条链解开;需要____________直接供能。
(3)已知一个亲代DNA分子有P个碱基,其中腺嘌呤Q个,连续进行此项生理过程n次,共消耗游离的胞嘧啶脱氧核苷酸________个。
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(4)该过程得到的子代DNA与亲代相同,原因是______________________________。
答案 (1)DNA复制 细胞核 (2)解旋 ATP
(3)(2n-1)(-Q) (4)DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了准确的模板,在复制过程中遵循碱基互补配对原则
15.DNA的复制方式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、弥散复制三种。究竟是哪种复制方式呢?下面设计实验来证明DNA的复制方式。
实验步骤:
a.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)。
b.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)。
c.将亲代15N大肠杆菌转移到氮源为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,不同相对分子质量的DNA分子将分布在试管中的不同位置上。
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:一条________带和一条________带,则可以排除____________________________________。
(2)如果子代Ⅰ只有一条中密度带,则可以排除________,但不能肯定是__________________________。
(3)如果子代Ⅰ只有一条中密度带,再继续做子代ⅡDNA密度鉴定:若子代Ⅱ可以分出__________和__________,则可以排除弥散复制,同时肯定半保留复制;如果子代Ⅱ不能分出________密度两条带,则排除______________,同时确定为______________。
(4)有人提出:第一代(Ⅰ)的DNA用解旋酶处理后再离心就能直接判断DNA的复制方式,如果轻带和重带各占,则一定为半保留复制。你认为这位同学的说法是否正确?________,原因是________________________________________________________________________。
答案 (1)轻密度(14N/14N) 重密度(15N/15
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N) 半保留复制和弥散复制 (2)全保留复制 半保留复制还是弥散复制 (3)一条中密度带 一条轻密度带 中、轻 半保留复制 弥散复制 (4)不正确 无论半保留复制还是全保留复制,如果研究DNA单链的情况,结果是一致的,无法区分
解析 从题目中的图示可知,深色为亲代DNA的脱氧核苷酸链(母链),浅色为新形成的子代DNA的脱氧核苷酸(子链)。因此全保留复制后得到的子代DNA分子,一个是原来的两条母链重新形成的亲代DNA分子,一个是两条子链形成的子代DNA分子;半保留复制后得到的每个子代DNA分子的一条链为母链,一条链为子链;弥散复制后得到的每个子代DNA分子的单链都是由母链片段和子代片段间隔连接而成的。
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