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第三章 基因的本质
第3节 DNA的复制
DNA复制的推测
DNA半保留复制的实验证据
DNA复制的相关计算
随堂练习
DNA复制的过程
DNA的复制
目录
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.这句话中为什么要用“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
1、DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂；
2、解开的两条单链分别作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸依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；
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，这种复制方式被称做半保留复制。
沃森和克里克提出DNA自我复制假说：
一、对DNA复制的推测
半保留
复制
全保留
复制
那么DNA到底是如何复制的
一、对DNA复制的推测
半保留复制假说提出后，也有人提出不同观点，提出了全保留复制、弥散（分散）复制等不同假说。
全保留复制是指DNA复制以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。
弥散复制
弥散复制是指复制结果是亲代的DNA弥散性的分布在子代DNA的任意一条链中
问题1、要通过实验“探究DNA复制是哪种方式？”关键思路是什么？
通过实验区分亲代和子代的DNA。
问题2、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？
实验探究DNA的复制方式是半保留方式复制（全保留、分散）
一、对DNA复制的推测
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，运用同位素标记技术，设计了一个巧妙的实验。
科学方法：同位素标记法、密度梯度离心法
科研方法：假说-演绎法
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
二、DNA半保留复制的实验证据
要证明DNA复制是半保留复制，就需要通过实验区分亲代与子代的DNA。
科学技术方法——密度梯度离心
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、DNA半保留复制的实验证据
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、DNA半保留复制的实验证据
实验验证
二、DNA半保留复制的实验证据
结论：
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
实验验证
二、DNA半保留复制的实验证据
三、DNA复制的过程
概念：DNA复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程
半保留复制、边解旋边复制
场所：主要在细胞核，线粒体、叶绿体和原核生物拟核中也发生DNA复制
1、能量——ATP
2、模板——两条DNA单链
3、原料——游离的4种脱氧核苷酸
4、酶——解旋酶、DNA聚合酶等
通过复制将亲代的遗传信息传给子代，使亲子代保持连续性
时间：有丝分裂间期、减数第一次分裂前的间期
三、DNA复制的过程
1.DNA复制的概念是什么 时间？场所？
2.DNA复制过程需要哪些条件
3.DNA复制过程有何特点
4.DNA复制有何生物学意义
5.DNA复制过程怎么进行
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
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C
G
G
C
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T
A
T
A
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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
三、DNA复制的过程
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
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
T
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G
G
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C
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A
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C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
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A
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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
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T
G
A
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C
G
A
G
C
T
T
形成氢键
三、DNA复制的过程
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
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C
G
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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
三、DNA复制的过程
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。
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'
三、DNA复制的过程
2.特点：
1.条件：
1.半保留复制——准确
2.边解旋边复制
①模板：特定碱基序列
②酶：识别，专一催化
③原则：碱基互补配对
高效
3.双向复制
4.真核生物有多个复制起点
三、DNA复制的过程
1、能量——ATP
2、模板——两条DNA单链
3、原料——游离的4种脱氧核苷酸
4、酶——解旋酶、DNA聚合酶等
一个DNA分子形成两个完全相同的DNA分子
4.结果：
5.意义：
使遗传信息从亲代传递给子代，保持遗传信息的连续性，使本物种保持相对稳定和延续。
从子链的5' 端向 3' 端延伸
3.方向:
6.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。
三、DNA复制的过程
随堂练习
下列关于DNA复制的叙述，不正确的是（ ）
A．边解旋边复制 B．原料需要核糖核苷酸
C．遵循碱基互补配对原则 D．需要能量
【详解】A、DNA复制是边解旋边复制，A正确；
B、DNA精确复制需要的原料是脱氧核糖核苷酸，B错误；
C、DNA复制遵循碱基互补配对原则，C正确；
D、DNA复制需要能量和酶，D正确。
故选B。
B
随堂练习
DNA分子复制过程的基本条件不包括（　　）
A．DNA聚合酶 B．游离的四种脱氧核苷酸
C．模板链 D．RNA聚合酶
【详解】A、DNA复制需要酶，需要DNA聚合酶，A正确；
B、DNA复制需要原料，原料是游离的四种脱氧核苷酸，B正确；
C、DNA复制需要模板，模板是DNA的两条链，C正确；
D、DNA复制需要的酶是DNA聚合酶，不是RNA聚合酶，D错误。
故选D。
D
随堂练习
下列有关 DNA 复制的叙述，错误的是（ ）
A．复制方式是半保留复制
B．需要DNA 聚合酶参与
C．碱基配对方式是A-T、C—G
D．以A、T、G、C四种碱基为原料
【详解】A、DNA分子复制方式是半保留复制，A正确；
B、DNA复制需要DNA聚合酶的催化，B正确；
C、DNA复制以母链为模板合成子链，碱基配对方式是A—T、C—G，C正确；
D、DNA复制以细胞中游离的4种脱氧核苷酸为原料，D错误。
故选D。
D
随堂练习
DNA复制保证了亲子代间遗传信息的连续性。下列关于真核细胞中DNA复制的叙述，正确的是（　　）
A．复制场所主要在细胞质中进行
B．在全部解旋之后才开始碱基配对
C．DNA复制方式为半保留复制
D．1个DNA分子复制一次产生4个DNA分子
【详解】A、DNA复制场所主要在细胞核中进行的，A错误；
B、DNA复制是边解旋边复制，B错误；
C、DNA复制产生的子代DNA分子中，一条为母链，一条为子链，其复制方式是半保留复制，C正确；
D、1个DNA分子复制一次产生2个DNA分子，D错误。
故选C。
C
随堂练习
在遗传工程中，若有一个控制有利形状的DNA分子片段， 要使其数量增加，可进行人工复制，复制时应给予的条件是（ ）
①模板链 ②A、U、G、C碱基 ③A、T、C、G碱基 ④核糖 ⑤脱氧核糖⑥DNA聚合酶 ⑦ATP ⑧磷酸 ⑨DNA水解酶
A．①③④⑦⑧⑨ B．①②④⑥⑦⑧
C．①②⑤⑥⑦⑨ D．①③⑤⑥⑦⑧
【详解】①DNA分子复制时以两条链分别为模板，所以需要模板链，①正确；；②碱基U是RNA分子特有的，DNA分子复制时不需要U，②错误；；③DNA分子的基本单位—脱氧核苷酸中含有A、T、C、G碱基，③正确；；④核糖是构成RNA分子的物质，④错误；；⑤脱氧核糖是构成脱氧核苷酸的五碳糖，⑤正确；；⑥DNA聚合酶能催化合成脱氧核苷酸链，⑥正确；；⑦ATP能为DNA分子复制提供能量，⑦正确；；⑧磷酸是构成脱氧核苷酸的物质，⑧正确；；⑨DNA水解酶催化DNA分子水解，所以在DNA分子复制过程不需要，⑨错误。
综上所述，复制时应给予的条件是①③⑤⑥⑦⑧，ABC错误，D正确。
故选D。
D
将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养，复制n次，后代的结果会是什么样？
四、DNA复制的相关计算
活动探究一：
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
结论：将含有 15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养，复制n次后：
(1)DNA分子数：
①子代DNA (含14N)分子数＝
②含有亲代DNA链的子代DNA(15N)分子数＝
③不含亲代链的子代DNA(只含14N)分子数＝
2n个
2个
(2n－2)个
(2)脱氧核苷酸链数：
①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数＝
②亲代脱氧核苷酸链数(15N)＝
③新合成的脱氧核苷酸链数(14N)＝
2n＋1条
2条
(2n＋1－2)条
四、DNA复制的相关计算
随堂练习
细菌细胞的DNA分子双链用15N标记后置于仅含14N的环境中，则该细菌DNA复制一代后，含15N的DNA比例是（ ）
A．100% B．50% C．25% D．0
【详解】ABCD、根据DNA半保留复制特点，复制一代后的DNA都是一条链含15N，另一条链含14N的杂合DNA，BCD错误，A正确。
故选A。
A
随堂练习
某DNA分子的两条链均带有同位素15N标记，在含有14N核苷酸的试管中以该DNA为模板进行复制实验，复制2次后，试管中带有同位素15N标记的DNA分子占（ ）
A．1/8 B．1/6 C．1/3 D．1/2
【详解】依据DNA分子的半保留复制方式可推知，某DNA分子的两条链均带有同位素15N标记，在含有14N核苷酸的试管中以该DNA为模板进行复制实验，复制2次后，形成4个子代DNA分子，其中有2个子代DNA分子中的1条链被15N标记，因此该试管中带有同位素15N标记的DNA分子占1/2，ABC均错误，D正确。
D
14N
15N
14N
15N
15N
15N
15N
15N
复制2次：
14N
14N
亲代
汉水丑生侯伟作品
14N
14N
15N
15N
复制1次：
复制1次：m个
复制2次：3m个
将普通的大肠杆菌（DNA种含14N ）放在含15N的培养液培养，若亲代DNA分子中含有腺嘌呤脱氧核苷酸m个
（1）1次复制需要该游离的脱氧核苷酸
（2）2次复制呢需要该游离的脱氧核苷酸
（3）n次复制呢需要该游离的脱氧核苷酸
复制n次：m (2n－1)个
四、DNA复制的相关计算
活动探究二：
14N
15N
14N
15N
15N
15N
15N
15N
复制2次：
14N
14N
亲代
汉水丑生侯伟作品
14N
14N
15N
15N
复制1次：
第1次：m个
第2次：2m个
将普通的大肠杆菌（DNA种含14N ）放在含15N的培养液培养，若亲代DNA分子中含有腺嘌呤脱氧核苷酸m个，
（1）第1次复制需要该游离的脱氧核苷酸
（2）第2次复制呢需要该游离的脱氧核苷酸
（3）第n次复制呢需要该游离的脱氧核苷酸
第n次：m·2n－1个
四、DNA复制的相关计算
活动探究三：
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”。
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
注意问的是“DNA分子数”？还是“链数”？是“含”还是“只含”等关键词。
关于“DNA复制”的四点“注意”
四、DNA复制的相关计算
随堂练习
将一个未标记的DNA分子放在含15N的培养液中复制2代，子代DNA分子中含15N的DNA分子所占比例为（　　）
A．1/4 B．2/4 C．3/4 D．1
【详解】根据DNA半保留复制的特点，将一个未标记的DNA分子放在含15N的培养液中复制2代，子代中所有的DNA分子中都含有15N，所以子代DNA分子中含15N的DNA分子所占比例为1，D正确，ABC错误。
故选D。
D
随堂练习
关于如图DNA分子片段的说法错误的是（　　）
A．DNA分子的复制方式是半保留复制
B．该片段的基本组成单位是脱氧核苷酸
C．把此DNA分子放在含15N的培养液中复制2代，子代中的DNA分子中都含15N
D．DNA分子的特异性表现在的 比例上
【详解】A、DNA分子复制形成的子代DNA都含有一条子链和一条模板链，即DNA分子的复制方式是半保留复制，A正确；
B、该片段为DNA分子片段，DNA分子的基本组成单位是脱氧核苷酸，B正确；
C、DNA分子的复制方式是半保留复制，DNA分子放在含15N的培养液中复制2代，DNA复制的原料是含有15N的脱氧核苷酸，因此新合成的DNA分子都含有15N，C正确；
D、双链DNA分子中，A=T、G=C，因此不同DNA分子的（A+G）/（T+C）的比例都是1，不能体现DNA分子的特异性，D错误。
D
随堂练习
某双链DNA分子含1000个碱基对，其中一条链上所含碱基中A与T之和占60%，C占15%，该DNA分子连续复制两次，需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸和鸟嘌呤脱氧核苷酸的个数分别为（ ）
A．2400、 1600 B．1800、 1200 C．1200、 800 D．600、 400
【详解】1个DNA中含有1000个碱基对，即2000个碱基，每条链含有1000个碱基，其中一条链上含有的碱基中A1与T1之和占60%，即A1+T1=1000×60%=600个，由于DNA的两条链遵循碱基互补配对原则，另一条链上T2=A1、A2=T1，则T2+A2=600个，DNA双链中A1+A2+T1+T2=1200，又在DNA分子中A=A1+A2，T=T1+T2，双链DNA中A=T，G=C，则A=T=600，G=C=400。1个DNA分子连续复制两次得到4个DNA分子，则需要游离的腺嘌呤脱氧核苷酸数=（4-1）×600=1800个，游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸数=3×400=1200。综上所述，B正确，ACD错误。
故选B。
B
随堂练习
一个双链均被32P标记的DNA置于只含31P的环境中复制3次。下列叙述不正确的是 A．DNA复制是一个边解旋边复制的过程
B．复制时在DNA聚合酶的催化下利用四种核糖核苷酸合成子链
C．子代DNA分子中含32P的单链与含31P的单链之比为1∶7
D．子代DNA分子中含32P与含31P的分子数之比为1∶4
【详解】A、DNA 分子的复制是边解旋边复制、且是半保留复制，A正确；
B、复制时在DNA聚合酶的催化下利用四种游离的脱氧核糖核苷酸为原料合成子链，B错误；
C、由题意知被32P标记的DNA单链是2条，含有31P的单链是2×8-2=14条，因此子代DNA分子中含32P的单链与含31P的单链之比为1∶7，C正确；
D、子代DNA分子中含32 P的DNA分子数是2个，含31 P 的分子数是8个，二者之比是1∶4，D正确。
B
随堂练习
某亲本DNA分子双链均以白色表示，以灰色表示第一次复制出的DNA子链，以黑色表示第二次复制出的DNA子链，该亲本双链DNA分子连续复制两次后产物的颜色情况是（　　）
A．白-白、黑-黑、黑-黑、灰-灰 B．白-白、灰-黑、灰-黑、灰-灰
C．白-灰、灰-黑、灰-黑、白-灰 D．白-黑、灰-黑、灰-黑、白-黑
【详解】亲代DNA双链用白色表示，以灰色表示第一次复制出的DNA子链，DNA复制方式是半保留复制，因此复制一次后得到的每个DNA分子的两条链中一条链是白色、一条链是灰色；以黑色表示第二次复制出的DNA子链，第二次复制得到四个DNA分子，以第一次复制后得到的两个DNA分子的四条链为模板合成的四个DNA分子中，都含有一条黑色的DNA子链，ABC错误，D正确。
D
随堂练习
某DNA分子中含腺嘌呤100个，该DNA分子进行第3次复制时需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸（ ）
A．100个 B．200个 C．400个 D．600个
【详解】DNA分子中，腺嘌呤有100个，该DNA分子进行第3次复制时需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸2（3－1）×100=400个，C正确，ABD错误。
故选C。
C
随堂练习
某双链DNA分子共含1000对碱基，两条链均被32P标记，将其置于仅含31P的培养基中复制2次，共消耗了2100个胸腺嘧啶脱氧核苷酸。该DNA分子中鸟嘌呤所占比例为（　　）
A．70% B．30% C．15% D．35%
【详解】假设该DNA分子中鸟嘌呤（G）所占比例为a，则该DNA分子中T有（1000-1000a）个，将该DNA分子置于仅含31P的培养基中复制2次，共消耗了（22-1）×（1000-1000a）=2100个胸腺嘧啶脱氧核苷酸，解得a=30%，B正确，ACD错误。
故选B。
B

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