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(共52张PPT)
第3节 DNA的复制
第3章 基因的本质
无论细胞是有丝分裂还是减数分裂，都要经历一个较长的细胞分裂间期。细胞在分裂间期主要有什么变化？
DNA分子是怎样进行复制的呢
沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著作短文的结尾处写道：“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 a ware of the details of the results presonted there when we devised our structure, which rests mainly though not entirely on published experimental data and stereo-chenical arguments.
It has not escoped our notice that the spscific pairing we have postulated immedintely suggests apossible copying mechanism for the genetis 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
问题探讨
沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著作短文的结尾处写道：“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”。
1.碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
暗示DNA的复制可能要先解开DNA双螺旋的两条链，然后通过碱基互补配对合成互补链。
2.为什么要用“可能”二字？这反应科学研究具有什么特点？
科学研究需要大胆的想象，但是得出结论必须建立在确凿的实验证据之上。
问题探讨
一
对DNA复制的推测
Part One
DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂，两条单链分别作为复制的模板，游离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。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，这种复制方式称作半保留复制。
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
T
脱氧
核糖
P
T
C
脱氧
核糖
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G
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
一、对DNA复制的推测
1. 沃森和克里克假说——半保留复制
脱氧
核糖
P
T
脱氧
核糖
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T
C
脱氧
核糖
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脱氧
核糖
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脱氧
核糖
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5'
3'
脱氧
核糖
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脱氧
核糖
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脱氧
核糖
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脱氧
核糖
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脱氧
核糖
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A
脱氧
核糖
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脱氧
核糖
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脱氧
核糖
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脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
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C
脱氧
核糖
P
1. 沃森和克里克假说——半保留复制
1. 沃森和克里克假说—半保留复制：新复制的DNA分子一半是新的，一半是旧的。
复制一次
亲代DNA
子代DNA
2. 其他假说—全保留复制：新复制的DNA分子直接形成，完全没有旧的部分。
复制一次
亲代DNA
子代DNA
半保留复制
全保留复制
思考与讨论
1、这些观点各有不同，如何来证明哪个观点是正确的？
通过实验验证
2、如果要你来设计实验，你认为关键思路是什么？
区分亲代和子代的DNA，观察母链在新DNA中出现的情况。
思考与讨论
3、DNA是肉眼看不见的，如何做区分亲子代的DNA？
同位素标记法
4、同位素标记法，标记什么元素好？
15N和14N是N元素的两种稳定的同位素（无放射性），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。
二
DNA半保留复制的实验证据
Part Two
二、dna半保留复制的实验证据
1958年，美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料，运用同位素示踪技术和密度梯度离心技术，设计了一个巧妙的实验，证明了DNA的确是以半保留的方式复制的。
思考与讨论
阅读教材第54页“思考与讨论”，证明Dna半保留复制的实验。
2. 科研方法：假说-演绎法
1. 实验材料：大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
同位素标记法：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，从而区分亲代和子代的DNA。
密度梯度离心法：利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。
二、dna半保留复制的实验证据
3. 科学方法：同位素标记法、密度梯度离心法
含15N的DNA比含14N的DNA密度大，因此，利用离心技术可以在试管中分离开含有相对原子质量不同的氮元素的DNA。
3. 科学方法：同位素标记法、密度梯度离心法
4. 实验过程：
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代，大肠杆菌DNA几乎都是15N标记的
转移到含14NH4Cl的培养液中
在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将DNA离心，记录离心后试管中DNA的位置
第一代
第二代
提取DNA，离心
提取DNA，离心
提取DNA，离心
尝试画出1个DNA分子分别按照半保留复制、
全保留复制的方式复制两次的图解模型。
半保留复制
全保留复制
+
+
复制一次
复制一次
15N
14N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
15N
14N
15N
14N
P
F1
F2
15N
15N
5. 演绎推理
15N/15N
重带
15N/14N
14N/14N
15N/14N
轻带中带
中带
假设DNA的复制是半保留复制
第二代
第一代
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
含14N的培养液
第二代
含14N的培养液
第一代
提出DNA离心
提出DNA离心
5. 演绎推理
假设DNA的复制是全保留复制
15N
15N
P
F1
F2
14N
14N
提出DNA离心
重带
轻带重带
轻带
重带
15N
15N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
15N/15N
14N/14N
15N/15N
14N/14N
15N/15N
6. 实验结果
转移到含14N的培养液中
第一代
第二代
提取DNA，离心
提取DNA，离心
提取DNA，离心
15N/ 15N-DNA
15N/ 14N-DNA
15N/ 14N-DNA
14N/ 14N-DNA
实验结果证明：DNA的复制是以半保留的方式进行的。
假说—演绎法
提出假说
演绎推理
实验验证
提出问题
得出结论
DNA以什么方式进行复制？
推理、演练该复制模式下得到子代DNA的可能情况，预测可能实验结果
假设可能的复制方式
DNA以半保留方式进行复制
证明DNA半保留复制的实验
DNA复制方式的探究历程
三
DNA分子复制的过程
Part Three
三、dna复制的过程
1. 概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
DNA复制
亲代DNA
子代DNA
3. 场所：
①真核生物主要在细胞核（线粒体、叶绿体）
②原核生物主要在拟核
③病毒在宿主细胞
2. 时间：细胞分裂前的间期（S期）
（1）解旋：利用能量，在解旋酶作用下，氢键断裂，DNA双螺旋的两条链解开。
C
G
T
A
T
A
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G
G
C
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3'
5'
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A
3'
5'
ATP
解旋酶
4.过程
（2）合成子链：DNA聚合酶等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。
C
C
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5'
3'
T
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T
G
A
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C
G
A
G
C
T
T
5'
3'
DNA聚合酶
4.过程
注：氢键形成不需酶，磷酸二酯键形成需DNA聚合酶
（3）重新螺旋：每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
C
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5'
3'
T
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T
T
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C
G
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A
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A
T
A
T
A
5'
3'
4.过程
4.过程
能量
解旋
脱氧核苷酸
DNA聚合酶
双螺旋结构
5. 条件
解旋酶（氢键断裂）
DNA聚合酶（形成磷酸二酯键）
氢键的形成是自发的，不需要能量和酶
（1）模板：亲代DNA的两条链
（2）原料：4种游离的脱氧核苷酸
（3）能量：ATP
（4）酶：
6. 方向：
子链的5’端→ 3’端或母链3’端→5’端
7. 特点：
边解旋边复制
半保留复制
DNA复制
TCTTGCTC
AGAACGAG
AGAACGAG
TCTTGCTC
AGAACGAG
TCTTGCTC
+
①2条母链碱基顺序是什么关系？
②2条子链碱基顺序是什么关系？
③新的2个DNA碱基顺序是什么关系？
互补
互补
相同
8. 结果：
1个DNA分子形成2个完全相同的DNA分子
TCTTGCTC
AGAACGAG
（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。
AGAACGAG
TCTTGCTC
AGAACGAG
TCTTGCTC
+
9. DNA准确复制的原因
10. 意义：
DNA通过复制，会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。
四
DNA分子复制的计算
Part Four
DNA复制过程图解
亲代
15N
15N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
复制1次
复制2次
复制3次
2
4
8
=21
=22
=23
（1）子代DNA（含14N） 分子数：
（2）含亲代链（15N）的DNA分子数：
注：无论复制多少次，含15N的DNA分子数始终是2个。
（3）不含亲代链（只含14N）的DNA分子数：
（4）只含15N的DNA分子数：
2n个
2个
2n-2个
1. DNA分子数计算（复制n次）
0个
[例题1]一个DNA被15N标记的大肠杆菌，在只含14N的培养液中繁殖3代，第三代中含有15N的DNA分子有___个，不含15N的DNA分子有___个，含有14N的DNA分子有____个，不含14N的DNA分子有____个，只含有14N的DNA分子有___个。
2
6
8
0
6
练习
2. 脱氧核苷酸链数（复制n次）
（1）子代DNA分子中脱氧核苷酸链数：
（2）亲代脱氧核苷酸（15N）链数：
注：无论复制多少次，含15N的链数始终是2条。
（3）新合成的脱氧核苷酸（14N）链数：
2n＋1条
2条
2n＋1-2条
[例题2]用15N标记的一条双链DNA分子，在14N标记的培养液中连续复制两次，其后代DNA单链中，含14N和15N的DNA链的比值为( )
A．1∶1 B. 2∶1 C．3∶1 D．4∶1
[例题3]一个由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．1／10 B．1／5 C．1／16 D．1／25
C
C
练习
3. 消耗的脱氧核苷酸数
若亲代DNA分子含某种脱氧核苷酸m个
m（ 2n-1）
C：400个
C：400个
C：400个
400个
400个
400个
400个
亲代中C：400个
F1：共2个400个
F2：共4个400个
F3：共8个400个
Fn：共2n个400个
（1）第n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数：
m （2n-2n-1）= m ·2n-1
消耗1个400个
消耗2个400个
消耗4个400个
消耗2n-1个400个
（2）经过n次复制后共需要消耗该脱氧核苷酸数：
[例题4]某DNA分子有2000个脱氧核苷酸，已知它的一条单链上碱基A∶G∶T∶C＝1∶2∶3∶4，若该分子复制一次，则需要腺嘌呤脱氧核苷酸的数量是( )
A. 200个 B. 300个 C．400个 D．800个
[例题5]一个DNA分子中有碱基A20个，占全部碱基的20％，若DNA连续复制2次，需要碱基C( )
A. 20个 B．30个 C. 90个 D. 120个
C
C
练习
第一
注意“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别，前者包括所有的复制，但后者只包括第n次的复制。
第二
第三
注意碱基的单位是“对”还是“个”。
切记在DNA复制过程中，无论复制了几次，含有亲代脱氧核苷酸链的DNA分子仅有两个。
第四
看清试题中问的是“DNA分子数”？还是“链数”？是“含”还是“只含”等关键词，以免掉进陷阱。
关于“DNA复制的计算”的四点“注意”
五
DNA复制与细胞
分裂染色体标记问题
Part Five
1. 有丝分裂中子染色体标记情况
（1）1条染色体（母链被15N标记，在含14N的培养基中培养）
规律：复制一次，子染色体都带标记；
复制两次，子染色体一半带有标记。
（2）2条染色体
①
②
③
④
①②组合有 个子细胞带有标记
①④组合有 个子细胞带有标记
③④组合有 个子细胞带有标记
2
3
4
①
②
③
④
（2）2条染色体
规律：复制一次，子细胞中每条染色体都带有标记；
复制两次，4个子细胞带有标记的有2、3、4个三种情况。
思考： 如果是2n条染色体，4个子细胞带有标记情况？
①
②
③
④
2或3或4
思考： 如果是2n条染色体，4个子细胞中最多和组少有多少
条染色体被标记？
①
②
③
④
0~2n
规律：形成的4个子细胞中的每条染色体均带有标记。
2. 减数分裂中子染色体标记情况（一对同源染色体）
15N标记
五、DNA复制与细胞分裂染色体标记问题
3. 规律总结：一个含有2n条染色体的细胞，其染色体DNA的两条链都被标记，连续分裂两次，产生4个子细胞。
（2）若进行减数分裂，则含有标记的子细胞数为4；每个细胞中有n条染色体被标记。
（1）若进行有丝分裂，则含有标记的子细胞数为2或3或4；一个子细胞中被标记染色体数为0~2n条。
[例题4]用32P标记玉米体细胞（含有20条染色体）的DNA分子双链，再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养，在第二次细胞分裂的中期、后期及所产生的子细胞中被32P标记的染色体数分别为（ ）
A. 20、40、20 B. 20、20、20
C. 20、20、0～20 D. 20、40、0～20
C
练习
2023
本节结束！

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