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生物（人教版）
第三章
基因的本质
第3节
DNA的复制
亲代的遗传物质通过复制传递给了子代。
为什么这样像？
何谓DNA的复制？
所谓DNA的复制就是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程，1DNA→2DNA。
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。”
《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？
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？
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实验证据之上。
问题探讨
◆提出者：沃森和克里克
◆假说内容
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，这种复制方式被称作半保留复制。
假说一：半保留复制
一、对DNA复制的推测
—作出假说
对DNA复制的推测
对DNA复制的推测
假说二：全保留复制
新复制的子代DNA分子直接形成，完全没有旧的部分。
假说三：分散复制
亲代DNA分子将断裂成短片段，以这些亲本短片段为模板合成同样长短的新的DNA片段，再将这些新旧片段混合连接，形成完整的全长DNA分子。
对DNA复制的推测
—演绎推理
15N
15N
15N
15N
15N
15N
半保留复制
全保留复制
分散复制
1/2轻带DNA
重带DNA
1/2重带DNA
3/4轻带DNA
1/4重带DNA
重带DNA
中带DNA
1/2轻带DNA
1/2中带DNA
重带DNA
中带DNA
中带DNA
亲代
子一代
子二代
DNA半保留复制的实验证据
1. 实验材料：大肠杆菌
2. 实验方法：同位素标记法、密度梯度离心技术
3. 实验原理：15N和14N是N元素的两种稳定同位素，
它们的相对原子质量不同，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区分含有不同N元素的DNA。
密度低
密度高
重带
中带
轻带
梅塞尔森和斯塔尔
4.实验思路:
将DNA是15N标记的大肠杆菌，培养在含14N的培养液中，在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA进行离心，观察离心后试管中DNA的位置。
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的复制是分散复制
14N复制
14N复制
：DNA的复制方式是半保留复制
实验结论
对DNA复制的推测
—实验验证
将大肠杆菌放在15NH4Cl培养液生长繁殖若干代
DNA的两条链都被15N标记
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N/14N-DNA
分析问题作出假说
根据假说演绎推理
进行实验验证假说
观察现象提出问题
分析结果得出结论
证明DNA半保留复制方式的科学方法：
假说——演绎法
观察到DNA结构，提出DNA是如何复制的
提出DNA可能的复制方式假说：半保留复制、全保留复制、分散复制。
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.
进行证明DNA半保留复制的实验
DNA的复制是以半保留的方式进行的。
1.沃森和克里克证明了DNA分子的复制方式是半保留复制。( )
2.证明DNA半保留复制的实验运用了同位素标记技术和离心技术。( )
3.DNA半保留复制的证明过程使用了假说－演绎法。( )
×
正误判断
√
√
4、细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后再将其移入含14N的培养基中培养，抽取亲代及子代的DNA离心分离，如图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是(　　)
A．子一代DNA应为②　 B．子二代DNA应为①
C．子三代DNA应为④ D．亲代的DNA应为⑤
C
5.以含有31P标志的大肠杆菌放入32P的培养液中，培养2代。离心结果如右：
⑴、G0、G1、G2三代DNA离心后的试管分别是图中的：G0 、G1 、G2 。
A
B
D
⑵、G2代在①、②、③三条带中DNA数的比例是 。
⑶、图中 ① 、②两条带中DNA分子所含的同位素磷分别是： ， 。
0:2:2
31P
31P 和32P
拓展延伸
二、DNA复制的过程
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
第一步：解旋
第一步：解旋
（1）配对
（2）连接
第二步：合成子链
母链
第三步：复旋
子链
第三步：复旋
解旋：复制开始时，在细胞提供的能量的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开。
合成子链：DNA聚合酶等以解开的每一条母链为模板，以细胞中游离的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。随着模板链解旋过程的进行，新合成的子链也在不断延伸。
形成子代DNA：同时，每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
1、概念:
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程
3、时间:
有丝分裂前的间期和减数第一次分裂前的间期，随着染色体的复制而完成（真核生物）
2、场所:
主要是细胞核，其次在线粒体、叶绿体（真核生物）
4、条件:
模板
原料
酶
能量
DNA分子的两条母链
细胞中4种游离的脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶等
ATP直接提供
9、结果:
7、特点:
①边解旋边复制
②半保留复制
8、原则：
碱基互补配对原则
1个DNA分子
→
两个完全相同的DNA分子
5、过程:
解旋
合成子链
复旋
1 2 4 …… 2n
10、方式：
半保留复制
6、复制方向：
新链的延伸方向只能是5’-端到3’-端
(从过程上看)
(从结果上看)
DNA分子内氢键是复制时自动形成的,不需要酶
1．蛙的红细胞和哺乳动物成熟红细胞，是否都
能进行上图所示的DNA分子的复制？
2. 画出染色体中DNA复制结果。（要画出染色体及体现DNA半保留复制的特点）
3.说明上述复制形成的两个DNA分开的时期及分开的原因。
深度思考
DNA分子复制的过程分析
1．如图为DNA分子复制的两个模型，请据图回答下列问题。
(1)图1中的酶1和酶2分别是什么酶？分别作用于图2中哪个部位？
(2)图1中的a、b、c、d四条脱氧核苷酸链中，哪些链的碱基排列顺序是相同的？
a和c，b和d的碱基排列顺序相同。
解旋酶
DNA聚合酶
磷酸二酯键
氢键
2．已知果蝇的基因组大小为1.8×108 bp(bp表示碱基对)，真核细胞中DNA复制的效率一般为50～100 bp/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。
由此加快DNA复制的速率，为细胞分裂做好物质准备。
请你推测果蝇DNA形成多个复制泡的原因是什么？说明什么？
DNA复制的起点和方向
(1)原核生物：单起点双向复制
(2)真核生物：多起点分段复制、双向复制
在复制速率相同的前提下，图中DNA是从其最右边开始复制的，这种复制方式提高了DNA复制的效率。
【资料】DNA平均每复制109个碱基对才会产生一个错误。
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。
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。
1. 如何保证复制具有如此高的准确性？
2. DNA进行高精确性的自我复制有何意义？
4.DNA复制时新合成的两条链碱基排列顺序相同(　　)
5.DNA双螺旋结构全部解旋后，开始DNA的复制(　　)
6.单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链(　　)
7.真核细胞的DNA复制只发生在细胞核中(　　)
8.解旋酶和DNA聚合酶的作用部位均为氢键(　　)
×
正误判断
×
×
×
×
亲 代
第一代
第二代
第三代
15N
15N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
无论DNA复制多少次，含有15N-DNA分子永远只有　　个
两　　　
21
22
23
三、半保留复制的有关计算
亲代DNA分子经n次复制后，则
①子代DNA分子数：
②含亲代母链的DNA分子数：
④不含亲代母链的DNA分子数：
2n个
2个
2n-2个
⑤含亲代母链的DNA分子数与子代DNA分子数之比为：
2/ 2n
③只含亲代母链的DNA分子数：
0个
亲代DNA分子经 n 次复制后，则
①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数：
②亲代脱氧核苷酸链数：
③新合成的脱氧核苷酸链数：
2n+1条
2条
2n+1-2条
若一亲代DNA分子含有某种
脱氧核苷酸m个，则
m（ 2n-1）
（1）则经过n次复制共需要消耗
该脱氧核苷酸个数为：
（2）第n次复制需要消耗该脱氧
核苷酸个数为：
m × 2n-1
1.一个有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.1/32
2.1个DNA分子经过4次复制,形成16个DNA分子,其中不含亲代母链的DNA分子为:
A.2个 B.8个
C.14个 D.32个
C
C
3.一个有15N标记的DNA分子放在没有标记的环境中培养,复制5次后,
DNA分子中脱氧核苷酸链数（ ）
不含15N的脱氧核苷酸链数（ ）
含15N的脱氧核苷酸链占不含15N的脱氧核苷酸链的比为多少？（ ）
64
1/31
62
4.已知一条完全被15N标记的DNA分子在只含14N的培养基中复制n次后，仅含14N的DNA分子总数与含15N的DNA分子总数之比为15∶1，则n是(　　)
A．2　 B．3 C．4 D．5
D
5.若某个DNA分子含1000个碱基，其中G占26%，此DNA分子经三次复制，需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数( )在第三次复制过程中需消耗( )个胞嘧啶脱氧核苷酸。
1040
1680
解析：G=C=1000*26%=260个，A=T=（1000-260*2）/2=240
总T=240*(23-1)=1680 第三次需要C=260*（23-1）=1040
6. 一个不含放射性元素的噬菌体，在脱氧核苷酸被32P标记及氨基酸被15N标记的细菌内，连续繁殖三代，子代噬菌体中含有32P和15N的噬菌体分别占子代噬菌体总数的百分数为( )
A. 100％、100％ B. 25％、50％
C. 50％、50% D. 25％、0
A
7.[2016年新课标I卷，T29] 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______,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。
2/n
C
9.一个双链被32P标记的DNA片段有100个碱基对，其中腺嘌呤占碱基总数的20%，将其置于含31P的环境中复制3次。下列叙述错误的是(　　)
A．该DNA片段中含有胞嘧啶的数目是60个
B．第三次复制过程需要240个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸
C．复制3次后，子代DNA中含32P的单链与含31P的单链之比为1∶8
D．复制3次后，子代DNA中含32P与含31P的分子数之比为1∶4
习题巩固
该DNA片段有100个碱基对，其中腺嘌呤占碱基总数的20%，则腺嘌呤数目为100×2×20%＝40(个)，根据碱基互补配对原则，A＝T、G＝C，故该DNA片段中含有胞嘧啶的数目是（100×2－40×2）/2＝60(个)，A正确；第三次复制DNA分子数由4个变为8个，增加4个DNA分子，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸60×4＝240(个)，B正确；复制3次后，共得到8个DNA分子，16条DNA单链，其中只有2条单链含32P，含32P的单链与含31P的单链之比为1∶7，C错误；由于DNA的复制为半保留复制，子代DNA均含31P，其中有2个DNA分子含32P，所以子代DNA中含32P与含31P的分子数之比为1∶4，D正确。
解析：
C
能量
解旋
两条螺旋的双链
脱氧核苷酸
DNA聚合酶
双螺旋结构
小结：DNA复制过程
1958年，赫伯特泰勒用蚕豆(2N=12)根尖细胞作为实验材料，证明了真核细胞染色体DNA的复制也符合半保留复制模型。他先用放射性同位素3H标记细胞染色体DNA(标记双链)，然后让细胞在不含3H的培养液中进行有丝分裂，经放射自显影显示实验结果。
拓展 实验验证—利用真核生物为实验材料
问题 ①:在第1细胞周期的中期染色体中，每个染色体的2条单体被标记的情况如何？
在第1周期的中期染色体中，每个染色体的2条单体都被标记。
问题②:第2细胞周期的中期染色体中，每个染色体的2条单体被标记的情况如何？
第2周期的中期染色体中，每个染色体仅1条单体被标记。
DNA复制与有丝分裂中的染色体标记问题
用15N标记细胞的DNA分子，然后将其放到含14N的培养液中进行两次有丝分裂，情况如图所示(以一对同源染色体为例)：
由图可以看出，第一次有丝分裂形成的两个细胞中所有的DNA分子都呈“杂合状态”，即15N/14N－DNA；
用15N标记细胞的DNA分子，然后将其放到含14N的培养液中进行两次有丝分裂，情况如图所示(以一对同源染色体为例)：
第二次有丝分裂形成的子细胞有多种可能性，可能子细胞的所有染色体都含15N，也可能子细胞的所有染色体都不含15N。即子细胞含有15N的染色体为0～2n条(体细胞染色体为2n条)。
1.1个不含15N的洋葱根尖分生区细胞在含15N标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液中完成一个细胞周期，然后转入不含15N标记的培养液中继续培养至第二个细胞周期的分裂中期，下图能正确表示该细胞分裂中期的是(只考虑其中一条染色体上的DNA分子)
√
DNA复制与减数分裂中的染色体标记问题
用15N标记细胞的DNA分子，然后将其放到含14N的培养液中进行正常减数分裂，情况如图所示(以一对同源染色体为例)：
在减数分裂过程中细胞连续分裂两次，DNA只复制一次，所以四个子细胞中所有的DNA分子都呈“杂合”状态，即15N/14N－DNA，子细胞的所有染色体都含15N。
2.假设某果蝇的一个精原细胞的全部染色体DNA分子均用15N标记，然后培养在含14N的培养基中，则该精原细胞经过减数分裂产生的4个精子中，含15N标记的精子数目为
A.0　　　B.2　　　C.4　　　D.8
√
解析　根据DNA分子复制的过程可知，模板链是含15N的DNA链，原料是含14N的脱氧核苷酸，复制一次后，每个DNA分子都是一条链含有15N，另一条链含有14N，因此在减数分裂产生的四个精子中，每一个精子中的DNA组成都是一条链含15N，另一条链含14N，所以减数分裂形成的四个精子中所有的DNA均含有15N，C正确。

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