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第3节
DNA的复制
第3章 基因的本质
沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道：“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制。”
in the following communications. We were not aware of the details of the results presented there when we devised our structure, which rests mainly though not entirely on published experimental data and stereo-chemical arguments.
It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the gengtic material.
Full details of the structure, including the con-ditions assumed in building it , together with a set of co-ordinates for the atoms, will be published elsewhere.
《核酸的分子结构》论文节选
碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
这句话中为什么要用“可能”二字？这反映科学研究具有什么特点？
问题探讨
碱基互补配对原则是指DNA两条链的碱基之间有准确的一一对应关系，暗示DNA的复制可能需要先解开DNA双螺旋的两条链，然后通过碱基互补配对合成互补链。
科学研究需要大胆的想象，但得出结论必须建立在确凿的证据之上。
半保留复制
全保留复制
如何来证明哪个观点是正确的？
对DNA复制的推测
提出问题
要通过实验“探究DNA复制是哪种方式？”关键思路是什么？
关键思路：通过实验区分亲代和子代的DNA。
看不见的DNA分子，如何观察？
DNA以什么方式复制？
作出假设
DNA以半保留方式复制（全保留）
DNA半保留复制的实验证据
同位素标记技术
资料：15N和14N是N元素的两种稳定的同位素，这两种同位素的相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大；
DNA半保留复制的实验证据
如何做区分亲代和子代的DNA？
科学家：梅塞尔森（M.Meselson）和斯塔尔（F.Stahl）
密度梯度离心
利用离心技术可以在试管中区分含有不同质量N元素的DNA。
DNA半保留复制的实验证据
不同密度的DNA分子应如何区分？？
15NH4Cl
14N/ 14N-DNA
繁殖若干代
15N/ 15N-DNA
目的？
15N/ 15N-DNA
14NH4Cl
再分裂一次
分裂一次
提取DNA离心
提取DNA离心
DNA复制一次
DNA再复制一次
得到的大肠杆菌DNA几乎都是15N标记
大肠杆菌
15N/ 15N-DNA
15N/ 15N-DNA
14N/ 14N-DNA
15N/ 15N
14N/ 14N
14N/ 14N
14N/ 14N
亲代
子一代
演绎推理
全保留复制
全部位于
重带
1/2位于轻带
1/2位于重带
3/4位于轻带
1/4位于重带
离心
离心
离心
DNA
复制一次
子二代
DNA
复制一次
15N/ 15N
14N/ 14N
15N/ 15N
14N/ 14N
15N/ 15N
15N/ 15N-DNA
15N/ 14N-DNA
14N/ 15N-DNA
15N/ 14N
14N/ 15N
14N/ 14N
14N/ 14N
亲代
子一代
演绎推理
半保留复制
全部位于
重带
全部位于
中带
1/2位于轻带
1/2位于中带
离心
离心
离心
DNA
复制一次
子二代
DNA
复制一次
15N/ 15N
14N/ 15N
14N/ 14N
14N/ 15N
结论：
DNA的复制是
半保留复制
细胞再分裂一次
转移到含14NH4Cl
的培养液中
分裂一次
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
实验验证
亲代
子一代
DNA
复制一次
子二代
DNA
复制一次
15N/ 15N-DNA
15N/ 14N
14N/ 15N
14N/ 14N
14N/ 14N
15N/ 14N
14N/ 15N
得出结论
发现问题
提出假说
演绎推理
实验验证
科学研究的方法——假说演绎法
半保留复制、全保留复制
推理、探究几种复制模式下得到子代DNA的可能情况，预测可能实验结果
结论：DNA复制是半保留复制
DNA是如何复制的
证明DNA半保留复制的实验
物理、化学技术对生物学研究具有重要意义！
概念
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程
时间
真核细胞：细胞核（主要）、线粒体和叶绿体；
原核细胞：拟核
病毒：宿主细胞中（如：噬菌体侵染大肠杆菌）
细胞分裂前的间期
场所
DNA复制的过程
过程
解旋——在能量驱动下，解旋酶将DNA双螺旋解开
合成子链——DNA聚合酶以解开的每一条母链为模板，以游离的4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一条子链
复旋——随着解旋进行，子链不断延伸，每条新子链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构
过程
解旋酶
5’
3’
DNA聚合酶
3’
5’
5’
3’
5’
3’
子链皆由5’向3’端进行延伸
解旋酶
使氢键断开
连接脱氧核苷酸单体
形成磷酸二酯键
断开氢键的方式：
解旋酶
加热等
DNA
聚合酶
DNA
聚合酶
过程
资料：哺乳动物的DNA分子展开可达2米，科学家在研究DNA的复制时，在适宜情况下人工合成DNA，实验过程如下：
完全解旋需要7小时
DNA分子
ATP
解旋酶
原料
ATP
DNA聚合酶
得到子代DNA需要8小时
A组实验
B组实验
DNA聚合酶
4种脱氧核苷酸
DNA分子
ATP
解旋酶
得到子代DNA只需要7.5小时
边解旋边复制
边解旋边复制 (从过程上看)
半保留复制 (从结果上看)
①模板：
②原料：
③能量
④ 酶：
亲代DNA的两条链
4种游离的脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶等
ATP
形成两个完全相同的DNA分子
条件
特点
结果
DNA复制的过程
方向
从子链的5' 端向 3' 端延伸
(1)DNA分子独特的双螺旋结构提供了精确的模板。
(2)通过碱基互补配对保证了复制的准确进行。
意义
准确复制的原因
将遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。
DNA复制的过程
真核生物 DNA 的复制从多个起点开始进行，使得复制能在较短时间内完成。
女性子宫肌瘤细胞中最长的DNA分子达36mm，DNA复制速度约为4μm/min(1mm=1000μm)，但复制过程仅需40min左右即完成。据此推测DNA复制可能具有什么特点？
DNA的相关计算
亲代DNA分子经n次复制后，则
①子代DNA分子数：
②含15N的DNA分子数：
④不含15N的DNA分子数：
2n个
2个
2n-2个
⑤含15N的DNA分子数与子代DNA分子数之比为：
2/ 2n
③只含15N的DNA分子数：
0个
DNA复制中的有关计算
①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数：
② 15N脱氧核苷酸链数：
③新合成的脱氧核苷酸链数：
2n+1条
2条
2n+1-2条
DNA复制中的有关计算
亲代DNA分子经n次复制后，则
m（ 2n-1）
（1）则经过n次复制共需要消耗
腺嘌呤脱氧核苷酸个数为：
（2）第n次复制需要消耗腺嘌呤脱氧
核苷酸个数为：
m（ 2n-2n-1）= m × 2n-1
DNA复制中的有关计算
若DNA分子含有腺嘌呤脱氧核苷酸m个，则
假定某高等生物体细胞内的染色体数是10条，其中染色体中的DNA用3H胸腺嘧啶标记，将该体细胞放入不含有标记的培养液中连续培养2代，则在第二次有丝分裂后期，一个细胞中没有被标记的染色体数为 （ ）
5 条 B. 40 条
C. 20 条 D. 10 条
D

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