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第三章 基因的本质
第3节 DNA 的复制
学习目标 核心素养
1.概述DNA分子的复制。 2.探究DNA复制的生物学意义。 1.通过对探究DNA复制方式的实验的分析，再一次体会“假说—演绎法”。了解对DNA复制方式的早期推测。说出DNA半保留复制方式的实验证据。
2.通过动手制作模型，培养观察能力，动手能力及空间想象能力等，形成结构与功能观。
3.掌握DNA复制的过程和特点。
DNA分子是怎样由一个复制成两个的呢？
DNA作为遗传物质必须要保持前后代的连续性。从数目上分析，DNA复制的结果是一个DNA变成两个DNA。
和
问题探讨
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
讨论
1.碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
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。
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？
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。
“我们并非没有注意到，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。”
复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基间氢键断裂，解开的两条单链分别作为模板，游离的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中都保留了原来DNA中的一条链，这种复制方式称作半保留复制。
：
DNA分子复制时，DNA分子的双螺旋_____，互补的碱基之间的氢键_____，________________分别作为复制的模板，游离的____________根据__ __________原则，通过形成_____，结合到作为模板的单链上。由于新合成的每个DNA分子中，都保留了原来的DNA分子中的一条链，因此，这种复制方式称__________
碱基互补配对
断裂
解开的两条单链
脱氧核苷酸
氢键
半保留复制
解开
沃森和克里克紧接着发表第二篇论文，提出了遗传物质自我复制的假说：
一、对DNA分子复制的推测
1、全保留复制：新复制出的分子直接形成，完全没有旧的部分；
2、半保留复制：形成的分子一半是新的，一半是旧的；
3、分散复制：新复制的分子中新旧都有，但分配是随机组合的
复制一次
复制一次
复制一次
沃森和克里克紧接着发表第二篇论文，提出了遗传物质自我复制的假说
思考分析
1、如果你是科学家，你的假设是么？
2、DNA是肉眼看不见的，如何才能分辨DNA呢？
同位素示踪技术
密度梯度离心
1958年，米西尔森和斯坦尔采用含15N同位素的NH4Cl培养大肠杆菌，放在正常的培养液里繁殖，然后用梯度离心技术测定分裂时DNA复制时的密度变化，证实了DNA的半保留复制
二、DNA半保留复制的实验证据
实验者
实验材料
实验方法
背景知识
美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔
大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
同位素标记技术
①15N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；
②利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA；
大肠杆菌繁殖速度快，20分钟分裂一次（DNA也复制）并且容易培养。故可作为实验材料。
细菌的DNA复制需要原料，原料来自培养基。只需在培养基里添加含有15N 的营养物质，繁殖多代后，大肠杆菌就几乎都含有15N/15N-DNA ，培养完成后，分别从不同大肠杆菌中提取 14N/14N-DNA 和 15N/15N-DNA 的DNA并离心，从而确定轻DNA和重DNA在试管中的分布作为参照。
普通的大肠杆菌的DNA一般是 14N/14N-DNA ，如何培养才能得到含15N/15N-DNA 的大肠杆菌？
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
14N
14N
15N
15N
你觉得这两种DNA最大的区别是什么？
分子质量
轻DNA
重DNA
如何依据两种DNA分子质量不同这一特点来区分两种DNA？
离心
14N
15N
中DNA
轻带
中带
重带
14N /14N －DNA
15N/14N－DNA
15N/15N－DNA
15N
14N
P
含氮碱基
背景知识
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
15N
15N
亲代DNA
15N
15N
14N
14N
15N
15N
14N
14N
按全保留复制演绎推理
离心后试管中会出现2条位置不同的带
含14N的培养基中培养20分钟
重带
DNA复制一次
1/2重带
1/2轻带
DNA复制二次
1/4重带
3/4轻带
假设DNA以全保留方式复制
14N
14N
14N
14N
演绎推理
15N
15N
亲代DNA
14N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
按半保留复制演绎推理
离心后试管中会出现3条位置不同的带
含14N的培养基中培养20分钟
重带
DNA复制一次
DNA复制二次
轻带
1/2中带
中带
假设DNA以半保留方式复制
演绎推理
半保留复制
大肠杆菌
15NH4Cl培养液
提取DNA
离心
15N/15N-DNA
14NH4Cl培养液
细胞分裂一次
第一代
提取DNA
离心
细胞分裂两次
第二代
提取DNA
离心
全保留复制
所以DNA的复制的确是半保留
重带
中带
轻带
1/2中带
实验结果
原则
时间
场所
条件 模板
原料
能量
酶
方向
特点
意义
DNA复制的过程
原则 碱基互补配对
时间 有丝和减一的间期
场所 细胞核、线粒体、叶绿体
条件 模板 亲代DNA的两条链
原料 4种游离的脱氧核苷酸
能量 ATP
酶 解旋酶、DNA聚合酶等
方向 从子链的5' 端向 3' 端延伸
特点 半保留复制；边解旋边复制；
意义 遗传信息的传递
DNA复制的过程
三、DNA复制的过程
1.概念
DNA的复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
2.DNA复制场所
真核细胞：主要在细胞核中，但在线粒体、叶绿体也有DNA的复制；
原核细胞：主要在拟核中，在质粒处也有DNA的复制。
3.发生时期(真核 生物)
细胞分裂前的间期(有丝分裂前的间期、减数分裂前的间期)，随着染色体的复制而完成。
C
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A
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C
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T
A
3'
5'
三、DNA复制的过程
4.过程：随着染色体的复制而完成。
⑴解旋：在能量的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开。
C
C
G
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3'
5'
ATP
解旋酶
三、DNA复制的过程
4.过程：随着染色体的复制而完成。
⑵定序：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
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T
三、DNA复制的过程
4.过程：随着染色体的复制而完成。
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
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DNA聚合酶
5'
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5'
3'
ATP
ATP
三、DNA复制的过程
4.过程：随着染色体的复制而完成。
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
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5'
3'
6、DNA复制的特点:
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
5、DNA复制的条件
7、DNA复制的结果
保持了遗传信息的连续性　
ATP
9、DNA准确复制的原因
①DNA具有独特的双螺旋结构，能为复制提供精确的模板。
②碱基具有互补配对的能力，保证了复制能够准确地进行。
氢键
共价键
解旋
8、DNA复制的意义
DNA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。
小结：
DNA复制是一个边解旋边复制的过程，需要模板、原料、能量和酶等基本条件。DNA独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板，通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。DNA通过复制，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。
思考：结合教材P56页拓展应用2分析DNA复制共有哪些特点？
⑴边解旋边复制；
　⑵半保留复制；
　⑶多起点复制；
　⑷双向复制。
DNA聚合酶都只能催化5’→3’延伸
复制时，两条子代DNA的合成的方向？
拓展应用
请你推测DNA复制时形成多个复制泡的原因？
某生物DNA的电镜照片
复制泡
拓展：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。
DNA复制的推测
DNA复制实验证据
DNA复制
全保留复制
半保留复制
实验过程
实验结果
实验结论
基本条件
过程
特点
用15N标记DNA大肠杆菌放在含有14N的培养液中培养，在不同时刻提取DNA并进行分离
亲代：一条DNA带（底部）
第一代：一条DNA带（中间）
第二代：两条DNA带（中间、上部）
DNA复制是半保留复制
解旋
合成子链
重新螺旋
模板
酶
能量
原料
DNA的两条链
四种脱氧核苷酸
边解旋边复制
解旋酶
DNA聚合酶
证明
参与
参与
科学思维训练
1、有关DNA半保留复制的计算方法
(1)1个DNA分子连续复制n代，共产生 个子代DNA分子，子代DNA分子中共有单链 条；其中，旧链 条，新链 条。
(2)若一个亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，则：
①经过连续n次复制，需消耗游离的该脱氧核苷酸数目为 个。
②第n次复制时，需消耗游离的该脱氧核苷酸 个。
2n
2n＋1
2
2n＋1－2
m·(2n－1)
m·2n－1
2、计算原料用量（消耗的某脱氧核苷酸数）
若将用15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养n代，亲代DNA分子中某脱氧核苷酸的数量，记为m，则
经过n次复制，需要消耗的该脱氧核苷酸数为
第n次复制，需要消耗的该脱氧核苷酸数为
已知某DNA分子含有500个碱基对，其中一条链上A∶G∶T∶C＝1∶2∶3∶4。该DNA分子连续复制数次后，消耗周围环境中含G的脱氧核苷酸2 100个，则该DNA分子已经复制了(　　)
A.3次 B.4次 C.5次 D.6次
答案　A
3、细胞分裂与DNA复制综合应用的原理阐释
复制
15N
15N
15N
14N
15N
　
复制
一个有15N标记的染色体在14N的培养基中复制后形成两个染色单体，这两个染色单体的标记性是否相同？
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，在不含有标记的原料中进行有丝分裂。
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，在不含有标记的原料中进行减数分裂。
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，在不含有标记的原料中进行连续两次分裂，产生４个子细胞。
总结：
1.若进行有丝分裂，则含有标记的子细胞数为２或３或４
2.若进行减数分裂，则含有放射性的子细胞数为４。
一个细胞中最多有2n条染色体被标记
每个细胞中有n条染色体被标记

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