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(共64张PPT)
第17讲 DNA分子的结构和复制、基因的本质
课时1-DNA分子的结构
第六单元　遗传的物质基础
结构 功能
在确信DNA是遗传物质之后，人们更迫切的想知道：
DNA是怎样储存遗传信息的？
又是怎样决定生物性状的？
答案就隐藏在DNA的结构中
中关村DNA标志
雅典奥运会开幕式经典场景
1.DNA双螺旋模型的构建
问题1：沃森和克里克在构建DNA模型过程中，利用了他人的哪 些经验和成果？
（1）英国科学家威尔金斯和富兰克林
（2）奥地利著名生物化学家查哥夫
（1）： 20世纪30年代，生化学家发现DNA是由4种脱氧核苷酸分子聚合而成的长链，含4种碱基。
（2）:1951年春，英国生物物理学家 和 在
生物大分子结构会议上展示了 。
威尔金斯
DNA的X射线衍射图谱
富兰克林
威尔金斯和富兰克林DNA的X射线衍射图谱
（a） X 形说明DNA结构是螺旋形的；
（b）菱形说明DNA分子是长链；
沃森和克里克尝试了的不同结构模型：单链螺旋结构模型
三链螺旋结构模型
×
（3）、查哥夫提供的重要信息
(查哥夫
1905 - 2002）
A=T
G=C
（4）：1953年3月7日，沃森和克里克构建出新的DNA模型，在这个模型中，DNA分子是一个双螺旋结构，螺旋内部的碱基之间通过氢键连接成碱基对，磷酸在外侧。
嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对，形成碱基对，且A只和T配对、G只和C配对，这种碱基之间的一一对应的关系就叫做碱基互补配对原则。
2.DNA双螺旋结构
问题2：DNA的初步水解产物和彻底水解产物分别是什么，各有几种？
初步水解:脱氧核苷酸（4种）
彻底水解：磷酸、脱氧核糖、碱基（6种）
（1）DNA分子的化学组成
DNA中文全称:　　　
组成元素:　　　　　　　　
基本单位:　　　　　　　　　
脱氧核糖核酸
C H O N P
脱氧核苷酸
碱 基
磷酸
1’
2’
3’
4’
脱氧
核糖
5’
腺嘌呤脱氧核苷酸
鸟嘌呤脱氧核苷酸
胞嘧啶脱氧核苷酸
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
脱氧核苷酸的种类
A
磷酸
1’
2’
3’
4’
脱氧
核糖
5’
G
磷酸
1’
2’
3’
4’
脱氧
核糖
5’
T
磷酸
1’
2’
3’
4’
脱氧
核糖
5’
C
磷酸
1’
2’
3’
4’
脱氧
核糖
5’
A
T
G
C
磷酸二酯键
1
2
3
4
5
5
问题3：单链中的单个脱氧核苷酸通过什么连接？
归纳：磷酸二酯键
形成—DNA聚合酶、
DNA连接酶
断裂—DNA水解酶、
限制酶
脱去H2O，形成磷酸二酯键
A
T
G
C
A
T
G
C
问题4：DNA两条链之间什么关系，通过什么连接
反向平行；
氢键连接
A
T
G
C
A
T
G
C
A
T
G
C
A
T
G
C
T
A
C
G
A
T
G
C
A
T
G
C
T
A
C
G
氢键
1
1
2
2
3
3
4
5
4
5
归纳：氢键
形成—不需酶
断裂—解旋酶
或加热
（1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。
DNA分子的结构特点
G
A
T
C
A
A
T
T
C
C
G
G
（2）DNA分子的双螺旋结构
（1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。
（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。
DNA分子的结构特点
G
A
T
C
A
A
T
T
C
C
G
G
（2）DNA分子的双螺旋结构
（1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。
（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。
（3）两条链上的碱基通过氢键连结起来，形成碱基对，且A只和T配对(形成二个氢键)、C只和G配对(形成三个氢键),即碱基互补配对原则。
G
A
T
C
A
A
T
T
C
C
G
G
（2）DNA分子的双螺旋结构
A
T
G
C
T
G
A
C
1'
2'
3'
4'
5'
1'
2'
3'
4'
5'
1'
2'
3'
4'
5'
1'
2'
3'
4'
5'
思考：1相邻碱基通过什么连接？
2.DNA分子中有几个游离的磷酸基团 环状DNA分子呢？
3.磷酸、脱氧核糖、碱基数目有什么关系
注意：
1.一条链相邻碱基通过脱氧核糖-磷酸-脱氧 核糖连接;两条链中相邻碱基通过氢键连接
2.链状DNA分子有两个游离的磷酸基团，环状DNA分子不存在游离的磷酸基团
3.每个脱氧核糖与一个或两个磷酸基团相连。
4.磷酸数=脱氧核糖数=碱基数
1.多样性：
在生物体内，一个最短DNA分子也大约有4000个碱基对，请同学们计算DNA分子有多少种？
种 4n(n表示碱基对数)
40004
碱基对排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性，从而能够储存了大量的遗传信息。
2.特异性：
每个DNA分子中的碱基对都有特定排列顺序，构成了每一个DNA分子的特异性。
3.稳定性：
DNA分子外侧的脱氧核糖和磷酸交替连接的方式不变;两条链之间碱基互补配对的方式不变。
（3）DNA分子的结构特点
3.DNA分子结构的相关计算
(1)双链DNA分子中互补碱基两两相等：A=T， G=C
任意两个不互补碱基之和恒等且各占DNA总碱基数的50％
A+G=T+C =A+C=T+G= 50%
（2）互补碱基之和的比例在任意一条链及整个DNA分子中都相同，
若 ，，则 ，
G1＋C1
A1＋T1
＝m
G2＋C2
A2＋T2
＝m
G＋C
A＋T
＝m
配对的两碱基之和在单双链中所占比例相等
DNA两互补链中，不配对的两碱基之和的比值乘积为1
（3）非互补碱基之和的比例在两条互补链中互为倒数，在整个DNA分子中为1，
若 , , 则 ，
T2 ＋C2
A2＋G2
＝
1
a
T ＋C
A＋G
＝1
T1 ＋C1
A1＋G1
＝a
（4）不同生物的DNA分子中，其互补配对的碱基之和的比值不同，代表了每种生物DNA分子的特异性。
（A+C）：（T+G）=1不能反映种间差异。
（A+T）：（C+G）不同生物一般不同，
反映种间差异。
1、某生物细胞DNA分子的碱基中，腺嘌呤的
分子数占18%，则鸟嘌呤的分子数占 .
32%
2、DNA的一条链中A+G/T+C=2，另一条链中相应的比是----------，整个DNA分子中相应的比是________
3、DNA的一条链中A+T/C+G=2，另一条链中相应的比是——— ，整个DNA分子中相应的比是———。
0.5
1
2
2
4、某DNA分子的一条单链中，A占20％，T占30％，则该DNA分子中的C占全部碱基的 。
25%
5、双链DNA分子中，G占碱基总数的38％，其中一条链中的T占碱基总数的5％，那么另一条链中的T占碱基总数的 。
7%
⑤根据碱基比例对核酸样品进行判定
是否含
有U
是
否
则含有RNA
为DNA
A+C
T+G
是否=1
是
否
可能是双链DNA可能是单链DNA
则为单链
DNA
某同学想制作一段具有10对碱基对的DNA片段模型，他在准备材料时至少需要：
(1)代表磷酸的球形塑料片几个？
(2)代表四种碱基的长方形塑料片几个？
(3)代表脱氧核糖的五边形塑料片几个？
(4)可组装出几种该DNA片段模型？
20
20
20
410
制作脱氧核苷酸
制作出一个个含有不同碱基的脱氧核苷酸模型
4.制作DNA双螺旋结构模型
将制成的脱氧核苷酸模型连接成长链。
制作脱氧核苷酸链
制作DNA平面结构模型：将两条链间的碱基连接。
碱基互补配对原则
A
T
G
C
T
A
C
G
制作脱氧核苷酸链
制作DNA空间结构模型：双手分别提起两端，拉直双链，向右旋转一下，即可得到一个DNA分子的双螺旋空间结构模型。
制作脱氧核苷酸链
①DNA中两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，A—T含2个氢键，G—C含3个氢键。
②DNA中并不是所有的脱氧核糖都连着两个磷酸基团，两条链各有一个脱氧核糖连着一个磷酸基团。
③双链DNA中A与T分子数相等，G与C分子数相等，但A＋T的量不一定等于G＋C的量。
④DNA中，当(A＋G)/(T＋C)＝1时，可能是双链DNA，也可能是单链DNA。
特别提醒：有关DNA结构的7点提醒
⑤并非所有的DNA分子均具“双链”，有的DNA分子为单链。
⑥DNA的特异性是由碱基的排列顺序决定的，而不是由配对方式决定的，配对方式只有四种：A—T、C—G、T—A、G—C。
⑦并非所有DNA片段都是基因，基因是有遗传效应的DNA片段，不是连续分布在DNA上的，而是由碱基序列将不同的基因分隔开。
特别提醒：有关DNA结构的7点提醒
小结：
1.沃森和克里克以富兰克林和威尔金斯提供的DNA衍射图谱和查哥夫提出A=T,C=G的基础下构建了DNA的双螺旋结构模型
一条脱氧核苷酸链
2.DNA的基本单位
DNA的双螺旋结构
3.双螺旋结构：①反向平行 ②基本骨架③碱基互补配对
4.DNA具有多样性、特异性、稳定性
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
G
T
C
A
1. 胞嘧啶
2. 腺嘌呤
3. 鸟嘌呤
4. 胸腺嘧啶
5. 脱氧核糖
6. 磷酸
7. 胸腺嘧啶脱氧核苷酸
8. 碱基对
9. 氢键
10. 一条脱氧核苷酸链的片段
　DNA的分子结构模式图，说出图中1－10的名称。
课时2-DNA分子的复制
第六单元　遗传的物质基础
1.DNA半保留复制的推测和实验证据
假说—演绎法
（1）【提出问题】DNA复制的方式是哪种？
（2）【作出假设】
沃森和克里克提出假说：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
最早提出的DNA复制方式
全保留复制：
新复制出的分子直接形成，完全没有旧的部分。
复制一次
亲代DNA
子代DNA
半保留复制：形成的分子一半是新的，一半是旧的。
复制一次
亲代DNA
子代DNA
沃森、克里克
分散复制（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
问题一：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。
问题二：DNA是肉眼看不可见的，如何做区分亲代和子代的DNA,又如何进行实验观察呢？
一
同位素标记法
问题三：如果用同位素进行标记,用什么元素
可用C、H、O、N、P
14N 15N
问题4:要验证上述预测，就要分别观察亲代和子代的情况，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？
15N
15N
15N
14N
14N
14N
密度梯度离心
重带
中带
轻带
问题5.能否画出DNA半保留复制和全保留复制两代的示意图
①科学家：1958年，美国生物学家梅塞尔森（M.Meselson）和 斯塔尔（F.Stahl）
④科学方法：同位素标记法、密度梯度离心法
③科研方法：假说-演绎法
②实验材料：大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
二
同位素标记法
密度梯度离心法
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。
利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA
（3）【演绎推理，实验验证】
科学家先用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代，这时，大肠杆菌DNA几乎都是15N标记的。然后，将大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的普通培养基中。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。
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
转移到含14NH4Cl的培养液中
大肠杆菌在含14NH4Cl的培养液中生长
⑤实验过程
15N
14N
14N
14N
15N
14N
亲 代
子一代
子二代
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
假设DNA的复制是半保留复制
二
【演绎推理】
亲 代
子一代
子二代
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
假设DNA的复制是全保留复制
15N
15N
14N
14N
14N
14N
15N
15N
二
P:
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
高密度带
中密度带
中密度带
15N
14N
15N
14N
假设DNA的复制是分散复制
二
【实验验证】
证明DNA的复制是半保留复制
排除DNA的复制是全保留复制
排除DNA的复制是分散型复制
亲 代
子一代
子二代
细胞再分裂一次
15N
14N
15N
15N
14N
14N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
15N
14N
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
二
⑥实验结论
问题六：第一代结果和第二代结果排除了哪种复制方式
四
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
假说——演绎法
4.证明DNA半保留复制的实验
得出结论
DNA复制方式的探究历程:
小结：
课时3-DNA分子的复制
第六单元　遗传的物质基础
DNA的复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
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。
1.概念：
2.DNA复制场所
真核细胞：
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。
二.DNA的复制
问题1.
（1）解旋：在能量的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开，氢键断裂。
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
4.过程
问题2.
解旋—合成子链—形成子代DNA
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
DNA聚合酶形成磷酸二酯键
(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。
(3).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'
5 DNA复制需要的基本条件
① 模板
② 原料
③ 酶
④ 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)
问题3.
注：
两条母链的碱基顺序 ；
两条子链的碱基顺序 ；
新合成的2个DNA碱基顺序 。
互补
相同
互补
6 DNA复制方向
模 板 链：3’→5’
合成子链方向：5’→3’
原因：DNA聚合酶只能从引物3′端延伸DNA链
7 DNA复制结果
1个DNA分子 2个完全相同的DNA分子
8.DNA复制的特点
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
（1）边解旋边复制
（2）半保留复制
问题4.
9.DNA精确复制的原因
（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。
10 DNA复制的意义
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。
问题5.
PCR技术与体内DNA复制的比较
问题6
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
DNA聚合酶不能催化DNA新链从头合成，只能催化dNTP加入核苷酸链的3'-OH末端。
因而复制之初需要一段RNA(DNA)引物的3’一OH端为起点，合成5’→3’方向的新链。
模 板 链：3’→5’
合成子链方向：5’→3’
DNA聚合酶只能从引物3′端延伸DNA链
拓展
复 制 原 点
复制原点处的A和T特别多，相对氢键少，不稳定，DNA容易解旋。
DNA分子复制时不是随机起始的，而是从特定的位点开始的，这一特定的位点叫做复制原点。想想复制原点是含A和T多，还是G和C多？
(1)真核细胞内DNA复制的复制原点
① 多复制起点
②双向复制
③半不连续复制
图中的复制环大小不一，因为它们的复制时间有先后，右侧最早，左侧最晚。
意义：提高了复制速率，减少了变异的发生。
复 制 原 点
热图分析
(2)原核细胞内DNA复制的复制原点
复 制 原 点
明确DNA复制、“剪切”与“水解”中的四种酶

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