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第三章 基因的本质
第 3节 DNA的复制
目标
01
02
03
分析DNA复制过程，归纳DNA复制过程中相关数量计算，提高逻辑分析和计算能力。（科学思维)
通过对DNA复制方式的推测及对探究DNA复制方式实验的分析,再一次体会假说—演绎法。
（社会责任）
学习目标
通过DNA的复制，认同生命的延续与发展观；理解遗传信息，认同DNA的遗传物质观。（生命观念）
少量DNA
怎么为我们的英雄寻找亲属？
足量DNA
问题探讨
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？
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。
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。
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.
01
无论细胞有丝分裂还是减数分裂，都要经历一个较长的细胞分裂间期。细胞在分裂间期主要有什么变化？
DNA分子是怎样进行复制的呢
②作出假说
推测可能的复制方式。
④实验验证，得出结论
实验、得出结论、验证假说。
①提出问题
DNA是如何复制的？
③演绎推理
根据复制模式，
预测实验结果。
假说——演绎法
作出假说
假说1：半保留复制
沃森、克里克：DNA复制时，DNA双链螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂，解开的2条单链分别作为复制的模板，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。
亲代DNA
子代DNA
新合成的DNA分子都保留了原DNA分子中的一条链。
一、对DNA复制的推测
假说2：全保留复制
以两条母链为模板合成两条DNA子链，子代DNA中母链重新结合，两条子链彼此结合成另一个子代DNA分子。
亲代DNA
子代DNA
作出假说
一、对DNA复制的推测
子代DNA
假说3：分散复制方式
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。这样形成的双链，均既含有亲本的DNA片段，又有新合成的DNA片段。
亲代DNA
子代DNA
作出假说
一、对DNA复制的推测
到底哪种假说正确呢 怎样证明？
二、DNA半保留复制的实验证据
1.提出问题
DNA的是如何复制的
2.做出假设
半保留复制
全保留复制
分散复制
阅读课本P53及“证明DNA半保留复制的实验”
思考如下问题：
用什么方法能在实验中直观区分母链和子链？
该实验用什么元素做标记？为什么？
通过实验区分DNA复制方式的三种假说,实验的关键是什么
如何测定子代DNA带有同位素的情况
该实验的具体流程是什么
二、DNA半保留复制的实验证据
二、DNA半保留复制的实验证据
3.设计实验
梅塞尔森
斯塔尔
1958年
同位素标记技术
大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
用什么方法能在实验中直观区分母链和子链？
同位素标记法。
通过实验区分DNA复制方式的三种假说,实验的关键是什么
区分亲代和子代DNA
二、DNA半保留复制的实验证据
该实验用什么元素做标记？为什么？
15N和14N是N元素的两种稳定的同位素(无放射性)，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。
梅塞尔森
斯塔尔
1958年
同位素标记技术
大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
3.设计实验
二、DNA半保留复制的实验证据
3.设计实验
含15N的DNA比含14N的DNA密度大；利用离心技术可以在试管中区分不同N元素的DNA分子
如何测定子代DNA带有同位素的情况
中带
轻带
重带
根据试管中DNA带所在的位置就可以区分亲代与子代的DNA
15N
14N
15N
15N
14N
14N
14N/14N
15N/14N
15N/15N
15NH4Cl
14N/ 14N
-DNA
繁殖若干代
15N/ 15N
-DNA
目的？
得到的大肠杆菌DNA几乎都是15N标记的
同位素标记技术
二、DNA半保留复制的实验证据
15N/ 15N
-DNA
再分裂一次
分裂一次
二、DNA半保留复制的实验证据
提取DNA
离心
提取DNA
离心
？
？
？
哪个位置
？
？
？
哪个位置
同位素标记技术
密度梯度离心技术
14NH4Cl
二、DNA半保留复制的实验证据
请同学们自主学习课本P53-54，小组合作思考讨论完成问题。
尝试画出1个DNA分子分别按照半保留复制、全保留复制的方式复制两次的图解模型。
要求：
（1）限时2分钟，小组做好分工，所有成员全力以赴，激情投入。
（2）确定小组发言人，做好展示准备，并做好评价与质疑的准备。
二、DNA半保留复制的实验证据
4.演绎推理
按DNA复制三种假说演绎推理,将预测结果画(涂黑)在以下试管：
第一代
第二代
亲代
(1)半保留复制
(2)全保留复制
(3)弥散复制
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
15N
14N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
15N
14N
15N
14N
P
F1
F2
15N
15N
15N/15N
重带
15N/14N
14N/14N
15N/14N
轻带中带
中带
第二代
第一代
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
含14N的培养液
4.演绎推理
1.假设DNA的复制是半保留复制
二、DNA半保留复制的实验证据
第二代
含14N的培养液
第一代
提出DNA离心
提出DNA离心
15N
15N
P
F1
F2
14N
14N
提出DNA离心
重带
轻带重带
轻带
重带
15N
15N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
15N/15N
14N/14N
15N/15N
14N/14N
15N/15N
1.假设DNA的复制是全保留复制
4.演绎推理
二、DNA半保留复制的实验证据
5.实验验证
二、DNA半保留复制的实验证据
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
DNA半保留复制的实验证据
DNA半保留复制的实验证据----得出结论
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
提出问题
作出假设
得出结论
演绎推理
实验验证
证明DNA半保留复制的实验
DNA以半保留方式复制（全保留、分散）
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
DNA以半保留方式进行复制
证明DNA半保留复制的实验
假说演绎法
二、DNA半保留复制的实验证据
该图为噬菌体侵染大肠杆菌的实验示意图，请大家思考红色圈大肠杆菌内子代噬菌体的DNA分子，为什么有的DNA两条链中一条为红色标记一条为蓝色标记，为什么有的DNA分子的两条链均为蓝色标记？
：
T2噬菌体侵染大肠杆菌实验
DNA复制方式为半保留复制
三、DNA复制的过程
1.DNA分子复制的概念？时间？场所？
2.DNA分子复制过程需要哪些条件
3.DNA分子复制过程怎么进行
4.DNA分子复制的意义？
阅读课本P55-56，思考如下问题：
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
随着染色体的复制而完成的
减数分裂前的间期
(1)DNA复制的概念：
(2)发生时期：
(3)场所：
真核生物
细胞质：线粒体、叶绿体
细胞核(主要)
原核生物
拟核
细胞质
病毒：
宿主细胞
有丝分裂间期
三、DNA复制的过程
DNA聚合酶
DNA解旋酶
复制分叉
子链
DNA模板链
DNA聚合酶
DNA模板链
子链
DNA
氢键
一条母链和一条子链螺旋成为一个新的DNA分子
解旋
合成子链
重新螺旋
解旋酶
双链解开
4种脱氧核苷酸
DNA聚合酶
磷酸二酯键
4种脱氧核苷酸
4.过程:
三、DNA复制的过程
5.条件:
三、DNA复制的过程
DNA两条母链
细胞中游离的4种脱氧核苷酸
ATP（破坏氢键）
解旋酶、DNA聚合酶等
条件
模版
原料
能量
酶
6.原则:
碱基互补配对原则
G
C
A
T
C
G
T
A
7.特点:
三、DNA复制的过程
女性子宫肌瘤细胞中最长的DNA分子达36mm，DNA复制速度约为4μm/min(1mm=1000μm)，但复制过程仅需40min左右即完成。
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。
果蝇DNA的电镜照片
半保留复制
边解旋边复制
多个复制起点
根据以上资料，试总结DNA复的特点？
复制方向
复制方向
复制方向
复制起点
复制起点
复制起点
7.特点:
三、DNA复制的过程
DNA的半保留复制对遗传信息的稳定传递有什么意义？
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。
如何保证复制具有如此高的准确性？
DNA进行高精确性的自我复制有何意义？
人类生殖过程中，受精卵并不都能保证繁殖成功。有些胚胎在受精后几天内停止发育并死亡，通常是因为它们的染色体数量异常。现在，哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科医生学院的研究人员发现，这些错误大多是由于细胞分裂早期DNA复制中的自发错误造成的。
8.意义:
三、DNA复制的过程
DNA复制总结
原则
时间
场所
条件 模板
原料
能量
酶
方向
特点
意义
细胞分离裂前的间期
真核：细胞核、线粒体、叶绿体
原核：拟核、细胞质（质粒）
亲代DNA的两条链
4种游离的脱氧核苷酸
ATP水解提供
解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等
从子链的5' 端向 3' 端延伸
半保留复制；边解旋边复制；多起点双向复制；半不连续复制
遗传信息的传递
碱基互补配对
真核生物DNA的复制模式图：从图中可看出DNA复制有哪些特点：
多个起点（不同时）、 双向复制、
半保留式复制、边解旋边复制、
半不连续复制
真核生物与原核生物DNA复制的区别
单起点双向复制
3'
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
原核生物DNA的复制模式图
四、DNA复制相关计算
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
请画出一个被15N标记的DNA分子在含14N的培养基中培养3代的DNA复制过程。
四、DNA复制相关计算
①子代DNA分子数 ：
②只含15N的DNA数 ：
③含15N的DNA数 ：
④只含14N的DNA数 ：
⑤含14N的DNA数 ：
(2)脱氧核苷酸链数：2×2n=2n+1
①含15N的链数 ：
②含14N的链数 ：
③子代DNA中被标记的DNA所占的比例 ：
④子代中被标记的链占总链数的比例 ：
一个被15N标记的DNA转移到14N的培养基中培养，复制了n次：
(1)子代DNA共2n个
2n个
0个
2个
2n-2个
2n个
2条
2n+1-2条
2/2n=1/2n-1
2/2n+1=1/2n
四、DNA复制相关计算
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。
消耗的脱氧核苷酸数
1次
复制
2次
复制
n次
复制
第1次、第2次...n次
3m
m (2n－1)
m
1次、2次...n次
第1次
复制
第2次
复制
第n次
复制
2m
m·2n－1
m
例：一个DNA分子中有碱基A20个，占全部碱基的20％，若DNA连续复制2次，需要碱基C________个,第2次复制需要碱基C________个,
90
60
四、DNA复制相关计算
(1)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。
(2)注意碱基的单位是“对”还是“个”。
(3)切记在DNA复制过程中,无论复制了几次,含有母链的DNA分子都只有两个。
(4)看清试题中问的是“DNA分子数”还是“链数”,“含”还是“只含”等关键词,以免掉进陷阱。
（5）产生的子代DNA中，亲代链和新生子链分别占所有DNA单链的比例：
亲代子链占所有DNA单链的比例：1/2n,新生子链占所有DNA单链的 比例：1-（1/2n)。
（6）产生的子代DNA中，含亲代链的DNA和不含亲代链的DNA的比例：
含亲代链的DNA占所有DNA的比例：1/2n-1,不含亲代链的DNA占所有DNA的比例：1-（1/2n-1)。
DNA复制相关题目的注意事项
A
C
T
T
G
A
C
G
A
T
G
A
A
C
T
G
C
T
复制
染色体数目不变
DNA数目加倍
复制产生的两个子代DNA分子位于一条染色体的两条姐妹染色单体上，由着丝点连在一起，在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期着丝点分裂时分开，分别进入两个子细胞中。
A
C
T
T
G
A
C
G
A
T
G
A
A
C
T
G
C
T
A
C
T
T
G
A
C
G
A
T
G
A
A
C
T
G
C
T
DNA与染色体的关系
DNA是染色体的组成成分,染色体是DNA的载体。
15N
15N
15N
14N
15N
　
复制
14N
四、DNA复制相关计算
①有丝分裂染色体标记问题
1H 培养基
第1次
有裂
100% 子细胞含3H
1H 培养基
第2次
有裂
第2次
有裂
2/4、3/4、4/4
子细胞含3H
3H1H
3H3H
3H3H
3H1H
①有 的子细胞带有标记
②有 的子细胞带有标记
③ 子细胞带有标记
1/2
3/4
全部
分裂形成4个子细胞，子细胞中染色体有4种组合方式:
与细胞分裂相关的计算（绘图法）
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3H，也可能子细胞的所有染色体都不含3H。即子细胞含有3H的染色体为0-2n条(体细胞染色体为2n条)。
子细胞含有3H的染色体为0-4条
四、DNA复制相关计算
DNA复制与细胞分裂的联系
②减数分裂染色体标记问题
1H 培养基
3H3H
3H3H
3H1H
3H1H
MⅠ
MⅡ
同源染色体分离
姐妹染色单体分离
与细胞分裂相关的计算（绘图法）
四、DNA复制相关计算
四、DNA复制相关计算
四、DNA复制相关计算
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。
DNA复制与减数分裂中的染色体标记问题
DNA的复制
对DNA复制的推测
DNA半保留复制的实验证据
DNA复制的过程
DNA复制的相关计算
解旋
合成子链
形成子代DNA
(1)半保留复制
(2)全保留复制
(3)弥散复制
课后习题·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（ ）
×
×
课后习题·概念检测
2.DNA的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
课后习题·概念检测
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
课后习题·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。
提示:
课后习题·拓展应用
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复制，由此加快DNA复制的速率，为细胞分裂做好物质准备。
提示:
果蝇DNA的电镜照片

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