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3.3 DNA的复制
第三章基因的本质
学习目标
1.运用假说-演绎法探究DNA的复制方式。
2.掌握DNA复制的条件、过程和特点。
3.理解DNA的准确复制是遗传信息稳定传递的基础。
（第一课时）
问题探讨
沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇
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？
2.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
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，但是得出结论必须建立在确凿的证据之上。
§3.3 DNA的复制
《核酸的分子结构》论文节选
（1）半保留复制：沃森和克里克提出
（1）DNA复制，DNA双螺旋 ，互补的碱基之间的 断裂。
（2）解开的两条单链分别作为复制的 ，游离的脱氧核苷酸根据 原则，通过形成氢键，结合到作为模板的单链上。
（3）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 。
解开
氢键
模板
碱基互补配对
半保留复制
一. 对DNA复制的推测
1.提出问题：
DNA以什么方式复制？
2.提出假说:
复制一次
1.提出问题：
2.提出假说:
DNA以什么方式复制？
（2）全保留复制：新复制出的分子直接形成，没有旧的部分。
复制一次
亲代DNA
子代DNA
一. 对DNA复制的推测
（3）弥散复制：新复制的分子中新旧都有，但分配是随机组合的。
复制一次
亲代DNA
子代DNA
证明DNA半保留复制的实验
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
2．提出假设
半保留复制
全保留复制
弥散复制
3．演绎推理
DNA复制是一种半保留式的复制 。
每个子代DNA均由1条母链和1条子链组成。
问题1：如果DNA是半保留复制，复制后得到的子一代DNA和子二代DNA的组成是怎样的 （请同学们绘图表示）
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
1. 提出问题：
DNA以什么方式复制？
问题2：如果要在实验中直观地区别、“标识”母链或子链,可以采取什么办法
3．演绎推理
①同位素标记法
（15N无放射性）
②密度梯度离心法
问题3：如果用同位素(放射性)进行标记,用什么元素
可用C、H、O、N、P
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
资料：15N和14N是N元素的两种稳定的同位素，含15N的DNA比含14N的DNA密度大。
3．演绎推理
问题4：要验证上述预测，就要分别观察亲代和子代的情况，但实验中，复制后的DNA分子混合在一起的，不易分离。怎么解决这个问题？
密度梯度离心
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
15N/15N-DNA（重链）、15N/14N-DNA（中链）、
14N/14N-DNA（轻链）、
这3种DNA离心后在试管在位置如右图所示：
14N/14N—DNA
15N/14N—DNA
15N/15N—DNA
轻带
中带
重带
通过密度梯度离心使其发生分层（15N质量大于14N）
CsCl密度梯度离心法
高密度带
中密度带
低密度带
15N
14N
15N
15N
14N
14N
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
氯化铯离心分离时，盐离子由于受到强大的离心力而被拉向离心管底部，同时溶液中存在的扩散作用与离心力相对抗，使Cs+与Cl-分散在整个溶液中，CsCl经过离心后，溶液达到一个平衡状态，扩散和沉淀的两种相对力量保持平衡，形成一个连续的CsCl浓度梯度，溶液的密度在离心管底部最大，顶部最小。如果DNA分子溶解在CsCl中，它们会逐渐集中在一条狭窄的带上，则DNA分子的密度恰好与那一点的CsCl密度相等。若用同位素标记DNA分子，则使DNA的密度不同，然后利用DNA能吸收紫外线的特点，用光源照射在照相底板上就出现了DNA的不同位置。
密度梯度离心法原理
如果是……复制，第一代和第二代离心后试管中DNA的位置如何？
实验结果预测：
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
3．演绎推理
1.提出问题：
2.提出假说:
DNA以什么方式复制？
①半保留复制 ②全保留复制 ③分散复制
3.演绎推理：
4.实验验证：
15N
14N
14N
14N
15N
14N
P:
F1:
F2:
细胞再 分裂一次
15N
15N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
排除DNA的复制是全保留复制
排除DNA复制是分散复制
5.得出结论：
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
转移到含14NH4Cl
培养液中
（细胞分裂1次）
细胞再分裂1次
提取DNA 离心
提取DNA 离心
提取DNA 离心
轻带
中带
重带
15NH4Cl
培养液
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
4．验证假设
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
梅塞尔森
斯塔尔
1958年
大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
亲代
子一代
DNA
复制一次
子二代
DNA
复制一次
离心
离心
离心
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N培养液
14N培养液
14N培养液
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
5．得出结论
重带
中带
轻带
中带
实验结论：DNA的复制方式为半保留复制
作出假说
演绎推理
实验验证
2、推测可能的复制方式
3、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
5、结论：DNA复制是半保留复制
1、DNA是如何复制的
提出问题
半保留复制
全保留复制
弥散复制
假说——演绎法
DNA复制方式的探究历程
4、证明DNA半保留复制的实验
得出结论
二. DNA半保留复制的实验证据（假说演绎法）
1、DNA复制概念
2、DNA复制的时间
3、DNA复制的场所
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程
三. DNA复制的过程（p55）
细胞分离前的间期
真核细胞中主要是细胞核，线粒体和叶绿体中也存在；
原核细胞中主要是拟核，细胞质（质粒）中也存在；
病毒的DNA复制过程在宿主细胞中
（噬菌体侵染大肠杆菌）
三. DNA复制的过程
⑴解旋：
在ATP的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开。
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
3'
5'
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
3'
5'
ATP
解旋酶
断开氢键
三. DNA复制的过程
条件：
细胞提供ATP
需要解旋酶的作用
结果：
氢键断裂，双链打开
4、DNA复制过程
⑵以母链为模板进行碱基配对：
游离的脱氧核苷酸按碱基互补配对原则随机地与两条母链的碱基配对，确定子链的脱氧核苷酸排列顺序。
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
3'
5'
A
C
G
C
A
A
G
C
T
A
G
T
C
A
T
T
A
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
形成氢键
三. DNA复制的过程
4、DNA复制过程
⑶合成子链：
在DNA聚合酶的催化下从子链的5'端把子链的脱氧核苷酸聚合成脱氧核苷酸链。
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
3'
5'
A
C
G
C
A
A
G
C
T
A
G
T
C
A
T
T
A
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
A
C
G
C
A
A
G
C
T
A
G
T
C
A
T
T
A
DNA聚合酶
5'
3'
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
5'
3'
ATP
ATP
合成方向：子链的5’端→ 3’端
形成磷酸二酯键
三. DNA复制的过程
解开的每一条母链
四种脱氧核苷酸
DNA聚合酶等
碱基互补配对原则
5′端至3′端
方向：
原则：
酶 ：
原料：
模板：
4、DNA复制过程
⑷形成子代DNA分子：
每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
A
3'
5'
A
C
G
C
A
A
G
C
T
A
G
T
C
A
T
T
A
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
5'
3'
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
3'
5'
T
T
A
C
G
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
5'
3'
重新螺旋
三. DNA复制的过程
4、过程与条件
模板
原料
酶
能量
亲代DNA
的两条链
游离的4种
脱氧核苷酸
DNA解旋酶
DNA聚合酶等
由细胞提供
(如ATP提供)
新合成的子链
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA解旋酶
游离的脱氧核苷酸
三. DNA复制的过程
5、DNA复制条件
人体细胞某DNA的长度为200×10-9m，复制速度为5 ×10-9m/s，但经检测却发现此DNA的复制只需5s的时间。此事实说明什么？
具多个复制起点，使得复制能在较短时间内完成。
知识拓展
图中DNA分子是边解旋边双向复制的；
图中DNA分子在复制速率相同的前提下，由于复制环大小不一，所以复制的时间不同，其中右侧最早（右侧环大，先复制；左侧环小，后复制）
真核生物的这种复制方式大大提高了复制速率；
三. DNA复制的过程
真核生物与原核生物DNA复制的区别
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。
原核生物 DNA 的复制只有一个复制起点。
三. DNA复制的过程
知识拓展
（2）边解旋边复制
（1）半保留复制
（3）多起点复制
三. DNA复制的过程
加快复制速度
加快复制速度
6、DNA复制特点
（4）双向复制
从子链的5’-端向 3’- 端延伸
（1）DNA分子规则的 结构，为复制提供了精确的模板；
（2） 原则，保证了复制能够准确地进行。
将 从亲代传给子代，从而保持遗传信息的 。
7、DNA精确复制的原因
8、DNA复制的意义
你认为DNA复制会百分之百准确吗？如果复制出现错误，可能会产生什么影响？
会出错，可能导致基因突变，引起生物体性状的改变。
双螺旋
碱基互补配对
遗传信息
连续性
三. DNA复制的过程
（使亲子代保持连续性）
AGAACGAG
TCTTGCTC
AGAACGAG
TCTTGCTC
+
TCTTGCTC
AGAACGAG
小结--DNA复制的过程
1、概念：
2、场所（真核）：
3、时期：
4、条件
5、复制过程：
6、复制特点
7、准确复制原因
8、复制的生物学意义：
细胞分裂前的间期
模板：
原料：
能量：
酶：
DNA的两条母链
4种游离的脱氧核苷酸
ATP
细胞核（主）、线粒体、叶绿体
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程（DNA→DNA）
解旋酶、DNA聚合酶
解旋 → 子链延伸 → 螺旋化，形成子代DNA
①独特的双螺旋提供精确的模板
①边解旋边复制
②半保留复制
②严格遵循碱基互补配对原则
保持遗传信息的连续性
三. DNA复制的过程
③双向复制 ④多起点复制
1、下列关于DNA复制过程的正确顺序是
①互补碱基对之间氢键断裂
②互补碱基对之间形成氢键
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子链与母链盘旋成双螺旋状结构
A.①③④②⑤ B.①④②⑤③
C.①③⑤④② D.③①④②⑤
D
练习
三. DNA复制的过程
2、如图为真核细胞中DNA复制过程的模式图,据图分析,下列相关叙述错误的是
A.由图示得知,DNA分子复制的方式为半保留复制
B.解旋酶能使DNA双链解开,但需要消耗ATP
C.DNA在复制过程中是先进行解旋,后进行半保留复制
D.从图中可以看出合成两条子链的方向是相反的
C
练习
三. DNA复制的过程
复制代数 1 2 3 … n
DNA数 2 8 …
15N/15N 0 0 …
15N/14N … 2
14N/14N 0 …
脱氧核苷酸链数 …
15N链数 2 …
14N链数 …
4
2n
0
0
2
2
2
16
2n+1
2
2
14
2n+1-2
2n-2
2
4
2
8
2
6
6
&补充. DNA分子复制的计算
14N
14N
15N
15N
亲代15N标记DNA经n次复制后Fn：
①DNA分子(含14N的DNA)数：
②含15N的DNA分子数：
③不含15N的DNA(含14N的DNA)分子数：
2n个
2个
2n-2个
例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。
6
8
0
6
⑤母链和子链的条数分别是：
2条
2n＋1-2 条
④子代DNA分子中脱氧核苷酸条数是：
2n＋1 条
2
&补充. DNA分子复制的计算
①
子一代
②
子二代
亲代
①
③
子三代
消耗的脱氧核苷酸数
若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸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
第n次复制需要消耗该脱氧核苷酸个数为：
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
经过n次复制后共需要消耗该脱氧核苷酸个数为：
&补充. DNA分子复制的计算
例：一个有m个碱基对的DNA分子，其中含有腺嘌呤脱氧核苷酸a个。
1）复制n次，需要多少鸟嘌呤脱氧核苷酸；
2）第n次复制，需要多少鸟嘌呤脱氧核苷酸。
解：
1） A=T=a G=C=(2m-2a)/2=m-a
(2n-1)(m-a)
2）2n-1(m-a)
1.减数分裂中染色体标记情况分析
以一个细胞中的所有DNA的两条链被标记为例
&补充. 带标记细胞问题的计算
减数分裂过程中所以四个子细胞中所有DNA分子均呈杂合状态，即“31P//32P”。
1.减数分裂中染色体标记情况分析
&补充. 带标记细胞问题的计算
2.有丝分裂中染色体标记情况分析
第一次分裂：
&补充. 带标记细胞问题的计算
第二次分裂：
后期时，着丝点分裂，这时携带标记元素的染色体向两极移动时（分配时）是随机的，导致细胞的一极含标记元素的染色体的个数为0 ~ 10条（玉米：2N=20）
2.有丝分裂中染色体标记情况分析
&补充. 带标记细胞问题的计算
例1.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
【课堂练习】
§3.3 DNA的复制
例2(16卷Ⅰ29）将一个带有某种噬菌体DNA分子的两条链用32P进行标记，并使其感染大肠杆菌，在不含有32P的培养基中培养一段时间。若得到的所有噬菌体双链DNA分子都装配成噬菌体（n个）并释放，则其中含有32P的噬菌体所占比例为2/n，原因是 。
一个含有32P标记的双链DNA分子经半保留复制后，标记的两条单链只能分配到两个噬菌体的双链DNA分子，因此在得到的n个噬菌体中只有两个带有标记。
例4、现建立“动物精原细胞（2n=4）有丝分裂和减数分裂过程”模型。将染色体DNA都被32P标记的1个精原细胞置于不含32P的培养液中正常培养，分裂为2个子细胞，其中1个子细胞发育为下图细胞①。细胞①和②的染色体组成如图所示，H（h）、R（r）是其中的两对基因。下列叙述正确的是（ ）
A． 细胞②中最多有三条染色体含有32P
B．细胞②和细胞③中含有32P的染色体数相等
C．细胞⑥⑦的基因型相同
D． 细胞④~⑦中含32P的核DNA分子数可能分别是2、1、2、1
A
【课堂练习】
1
1
设标记的为：1 2 3 4
2
2
3
3
4
4
2
3
2
3
1
1
0
2
交换的可能是同为32P
4
4
0
2
1
1
1
1
0
2
交换的可能是同为32P
4
4
0
2
1
1
1
2
0
2
1
1
可能是32P和31P
1、2、2 有标记
2
2’
2’
例题：某科学家做“噬菌体侵染细菌的 实验”时，对噬菌体的DNA用32P标记，让其中一个已标记的噬菌体去侵染未标记的细菌，最后释放出100个噬菌体， 则下列说法正确的是（ ）
A．噬菌体侵染细菌的实验可以证明
DNA是主要的遗传物质
B．最后释放出的100个噬菌体中，有
98个噬菌体的DNA含32P
C．标记噬菌体的方法是用含32P的培
养基培养噬菌体
D．标记噬菌体的方法是用含32P的培养
基培养细菌，再用此细菌培养噬菌体
实验结论：DNA是遗传物质
32P 噬菌体
…
…
98个
2个
31P大肠杆菌
半保留复制
2个
寄生生物
D
随堂演练
§3.3 DNA的复制
一、概念检测
1．DNA复制是在为细胞分裂进行必要的物质准备。据此判断下列相关表述是否正确。
（1）DNA复制与染色体复制是分别独立进行的。 （ ）
（2）在细胞有丝分裂的中期，每条染色体是由两条染色单体组成的，所以DNA的复制也是在这个时期完成的。 （ ）
×
×
2．DNA复制保证了亲子代间遗传信息的连续性。下列关于DNA复制的叙述，正确的是（ ）
A．复制均在细胞核内进行 B．碱基互补配对原则保证了复制的准确性
C．1个DNA分子复制1次产生4个DNA分子
D．游离的脱氧核苷酸在解旋酶的作用下合成子链
B
3．将DNA双链都被15N标记的大肠杆菌放在含有14N的培养基中培养，使其分裂3次，下列叙述正确的是（ ）
A．所有的大肠杆菌都含有15N
B．含有15N的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比例为1/2
C．含有15N的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比例为1/4
D．含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例为1/8
C
§3.3 DNA的复制-练习与应用
二、拓展应用
1．虽然DNA复制通过碱基互补配对在很大程度上保证了复制的准确性，但是，DNA平均每复制109个碱基对，就会产生1个错误。请根据这一数据计算，约有31.6亿个碱基对的人类基因组复制时可能产生多少个错误？这些错误可能产生什么影响？
可能有6个碱基发生错误。产生的影响可能很大，也可能没有影响。
2．已知果蝇的基因组大小为1.8×108bp（bp 表示碱基对），真核细胞中DNA复制的速率一般为50 - 100bp/s。下图为果蝇DNA的电镜照片，图中的泡状结构叫作DNA复制泡，是DNA上正在复制的部分。请你推测果蝇DNA形成多个复制泡的原因。
说明果蝇的DNA有多个复制起点，可同时从不同起点开始DNA的复制，由此加快DNA复制的速率，为细胞分裂做好物质准备。
§3.3 DNA的复制-练习与应用
本周作业
一.完成
同步完成《高考调研》和《一遍过》到3.3（P28）
(完成并双色笔订正 A；完成并未订正 B；未完成 C；)
周日或周一晚自习复查《一遍过》
二.预习
&3.4《基因通常是有遗传效应DNA片段》

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