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(共58张PPT)
第3节　DNA的复制
第3章　基因的本质
1.说出DNA复制方式的假说及实验证据。
2.描述DNA复制的过程及精确复制的原因。
3.基于对DNA结构特点的分析,掌握有关的计算规律。
「学习目标」
预习案·自主学习
一、对DNA复制的推测
1.半保留复制
(1)提出者。
沃森和克里克。
(2)假说内容。
①解旋:DNA复制时,DNA双螺旋解开,互补的碱基之间的 断裂。
②复制:解开的 分别作为复制的模板,游离的脱氧核苷酸根据 原则,通过形成 ,结合到作为模板的单链上。
氢键
两条单链
碱基互补配对
氢键
(3)特点。
新合成的每个DNA分子中,都保留了原来DNA分子中的一条链。
2.全保留复制
DNA复制以DNA双链为模板,子代DNA的双链都是新合成的。
二、DNA半保留复制的实验证据
1.实验方法
同位素标记技术和 法。
密度梯度离心
2.实验原理
15N标记的双链DNA密度大,双链含14N的DNA密度小,一条链含14N、一条链含15N的双链DNA分子密度 。
3.实验假设
DNA以 的方式复制。
居中
半保留
4.实验过程
5.结果分析
(1)亲代大肠杆菌:提取DNA→离心→ 。
(2)细胞分裂一次(即细菌繁殖一代):提取DNA→离心→ 。
(3)细胞再分裂一次(即细菌繁殖两代):提取DNA→离心→
。
6.实验结论
DNA的复制是以 的方式进行的。
全部重带
全部中带
1/2轻带、1/2中带
半保留
三、DNA复制的过程
1.相关知识归纳总结
概念 以亲代 为模板合成子代DNA的过程
时间 细胞分裂前的　
场所 主要是　
条件 模板、 、能量、酶等
特点 、　
意义 通过复制将 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
DNA
间期
细胞核
原料
半保留复制
边解旋边复制
遗传信息
2.过程
解旋酶
氢键
解开的每一条母链
脱氧核苷酸
DNA聚合酶
碱基互补配对
3.DNA准确复制的原因
(1)DNA独特的 结构,为复制提供了精确的模板。
(2)通过 ,保证了复制能够准确地进行。
双螺旋
碱基互补配对
(1)沃森和克里克证明了DNA分子的复制方式是半保留复制。(　 )
×
提示:沃森和克里克提出了半保留复制的假说。
(2)DNA复制遵循碱基互补配对原则,新合成的DNA分子中两条链均是新合成的。(　 　)
×
[正误判断]
提示:DNA分子的复制方式为半保留复制,所以子代DNA的两条链中包含了一条母链和一条子链。
(3)DNA聚合酶的作用位点为两条脱氧核苷酸链之间的氢键。(　 )
×
提示:DNA聚合酶的作用位点为一条链中相邻的两个脱氧核苷酸之间的化学键。
(4)在证明DNA复制方式的实验中,从第一代开始细菌DNA分子中至少有一条链含14N。(　 　)
√
(5)DNA分子复制时总是先解旋后复制,而且每个子代DNA分子中都保留了一条母链。(　 　)
×
提示:DNA复制是边解旋边复制的过程。
探究案·互动探究
探究一　DNA半保留复制的实验证据
「问题情境」
沃森和克里克在成功构建DNA双螺旋结构模型之后,提出了遗传物质自我复制的半保留假说,但也有人持不同观点,提出全保留复制等不同假说。如图所示,思考回答下列问题。
(1)用什么技术区分来自模板DNA的母链与新合成的DNA子链
提示:同位素标记技术。
(2)若DNA复制方式是半保留复制,则预期实验结果:
①立即取出,提取DNA,离心,获得15N/15N-DNA。
②繁殖一代,提取DNA,离心,获得　 。
③繁殖两代,提取DNA,离心,获得　 和　 。
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
(3)如果全保留复制是正确的,实验预期又会怎样
提示:第一代细菌的DNA中,1/2为15N/15N-DNA,1/2为14N/14N-DNA;第二代细菌的DNA中,1/4为15N/15N-DNA,3/4为14N/14N-DNA。第一代DNA分子离心后,1/2在离心管的底部,1/2 在离心管的上部;第二代DNA分子离心后,1/4 在离心管的底部,3/4在离心管的上部。
1.细菌在含15N的培养液中繁殖数代后,细菌DNA的含氮碱基皆含有15N,然后再将其移入含14N的培养液中培养,提取亲代及子代的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
「即时应用」
C
解析:亲代DNA两条链全为15 N,应为⑤,复制一代后,DNA一条链为15N、一条链为14N,应为②;复制两代后形成4个DNA,其中2个DNA的两条链全为14N,2个DNA的一条链为15N、一条链为 14N,应为①;复制三代后形成8个DNA,其中6个DNA两条链全为 14N,2个DNA的一条链为 14N、一条链为 15N,应为③。
2.把含14N的大肠杆菌培养在氮源为15N的培养液中,完成一次细胞分裂后,再放回氮源为14N的环境中培养,DNA复制一次后,将大肠杆菌进行密度梯度离心,分离DNA(如图所示)。如果DNA是以半保留方式复制,则离心后DNA组成分析应为(　 　)
A.3/4轻氮型,1/4重氮型
B.1/4轻氮型,3/4中间型
C.1/2中间型,1/2重氮型
D.1/2轻氮型,1/2中间型
D
大肠杆菌密度梯度离心结果模式图
解析:将含14N的大肠杆菌转移到含15N的培养液中,完成一次细胞分裂后所形成的子代DNA分子都是中间型,再放回原环境中复制一次后,形成的DNA分子,其中有1/2 DNA分子的一条链含15N,另一条链含14N;其他DNA分子两条链均含14N,所以子代DNA组成分析为1/2轻氮型、1/2中间型。
探究二　DNA复制的过程及相关计算
「问题情境」
如图为真核细胞DNA分子复制示意图,如果用15N标记该DNA分子的两条链,让其在含有14N的环境中复制n次,结合DNA分子半保留复制的特点,思考并回答下列问题。
(1)图中所示的A酶有什么作用 该过程主要发生在何时期
提示:A酶是解旋酶,作用于碱基之间的氢键,使DNA双螺旋结构打开。该过程主要发生在细胞分裂前的间期。
(2)从图中可以看出DNA复制有多个起点,分析意义。
提示:DNA复制从多个起点开始,能提高复制效率。
(3)复制n次后,DNA分子总数和含有15N的DNA分子数分别是多少
提示:2n个;2个。
(4)复制n次后,DNA分子中含14N的DNA分子数和只含14N的DNA分子数分别是多少
提示:2n个;(2n-2)个。
(5)复制n次后,DNA分子中脱氧核苷酸链数、含15N的脱氧核苷酸链数、含14N的脱氧核苷酸链数分别是多少
提示:2n+1条;2条;(2n+1-2)条。
1.DNA复制的起点和方向
(1)原核生物:单起点双向复制。
归纳总结
(2)真核生物:多起点双向复制。
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。
2.“图解法”分析DNA复制相关计算
将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养液中培养,复制n次,则:
(1)DNA分子数。
①子代DNA分子数=2n个。
②含有亲代DNA链的子代DNA分子数=2个。
③不含亲代DNA链的子代DNA分子数=(2n-2)个。
(2)脱氧核苷酸单链数。
①子代DNA分子中脱氧核苷酸单链总数=2n+1条。
②亲代脱氧核苷酸单链数=2条。
③新合成的脱氧核苷酸单链数=(2n+1-2)条。
(3)消耗的脱氧核苷酸数:若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,经过n次复制共需要消耗该脱氧核苷酸m(2n-1)个;第n次复制,消耗该脱氧核苷酸数为m·2n-1。
3.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的产物是(　 　)
「即时应用」
D
A B
C D
解析:亲代DNA双链用白色表示,DNA复制方式是半保留复制,因此复制一次后得到的两个DNA分子只含有白色和灰色,而第二次复制得到的四个DNA分子以这两个DNA分子的四条链为模板合成的四个DNA分子中,都含有黑色的DNA子链。
4.用15N标记含有200个碱基对的DNA分子,其中有胞嘧啶60个。该DNA分子在14N环境中连续复制4次,其结果可能是(　 　)
A.含14N的DNA占全部DNA的7/8
B.含15N的单链占全部链的1/16
C.复制过程中需要游离腺嘌呤脱氧核苷酸600个
D.子代DNA中嘌呤与嘧啶之比是2∶3
B
解析:由于DNA分子的复制是半保留复制,最终只有2个子代DNA含1条15N链和1条14N链,其余DNA都只含14N,故全部子代DNA都含14N;不管复制几次,最终子代DNA都保留亲代DNA的2条母链,故最终有2个子代DNA含15N,所以含有15N的单链占2÷(16×2)=1/16;含有200个碱基对、400个碱基的DNA分子,其中有胞嘧啶60个,求得A有140个,故复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸(16-1)×140=2 100(个);由于DNA中C=G、A=T,所以(A+G)∶(T+C)=1∶1,即子代DNA中嘌呤与嘧啶之比为1∶1。
有关DNA复制和计算的3点“注意”
(1)DNA中氢键可由解旋酶催化断裂,同时需要ATP供能,也可加热断裂(体外);而氢键是自动形成的,不需要酶和能量。
(2)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过程,后者只包括第n次的复制过程。
(3)DNA复制计算时看清题中所给出的是“碱基对”还是“碱基”;所问的是“DNA分子数”还是“链数”,是“含”还是“只含”。
方法技巧
课堂小结
思维导图 金句必备
1.DNA复制需要模板、原料以及酶和能量等基本条件。
2.DNA复制的特点是边解旋边复制和半保留复制。
3.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。
4.真核细胞的DNA复制场所并非只在细胞核中,线粒体、叶绿体中也能进行DNA复制。
5.并非所有细胞都进行DNA复制,只有分裂的细胞才能进行DNA复制。
随堂检测
1.在生物圈中,现今发现的物种数量近千万种,这些生物亲子代间几乎保持惊人的一致,这都归功于遗传物质DNA,DNA相对稳定的结构保证了遗传的稳定性。下列关于细胞中DNA分子复制的叙述,错误的是(　 　)
A.是以亲代DNA的其中一条链为模板合成子代DNA的过程
B.需要酶、模板、原料、能量等条件
C.复制过程中DNA聚合酶催化脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键
D.DNA具有独特的双螺旋结构是DNA能够准确复制的原因之一
A
1
2
3
4
1
2
3
4
解析:DNA分子复制是以亲代DNA的两条链为模板合成子代DNA的过程;DNA分子复制需要酶(解旋酶、DNA聚合酶)、模板(母本DNA的两条链)、原料(4种脱氧核苷酸)、能量等条件;DNA聚合酶的作用是将游离的脱氧核苷酸连成脱氧核苷酸链,即催化连接上一个脱氧核苷酸和下一个脱氧核苷酸之间的化学键(磷酸二酯键);DNA独特的双螺旋结构为其复制提供了精确的模板,所以DNA具有独特的双螺旋结构是DNA能够准确复制的原因之一。
2.用14N标记大肠杆菌的拟核DNA(腺嘌呤约占32%),然后转移到以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中。培养1 h后,提取子代大肠杆菌的DNA并解开其双螺旋形成单链,然后进行密度梯度离心,结果得到如图所示两种条带。下列说法错误的是(　 　)
A.子代大肠杆菌拟核DNA中胞嘧啶约占18%
B.该大肠杆菌的繁殖周期大约为20 min
C.根据条带的数目和位置可以确定DNA的复制方式
D.直接将子代DNA进行密度梯度离心也能得到两条条带
2
3
4
1
C
解析:拟核DNA中腺嘌呤约占32%,由于大肠杆菌DNA为双链DNA,可知DNA分子中嘌呤数和嘧啶数相等,各占碱基总数比例的50%,因此,子代大肠杆菌DNA中胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)相等,约占50%-32%=18%;图中显示,14N单链∶15N单链=1∶7,而14N链只会有2个,因此大肠杆菌培养1 h后,产生的DNA分子数目为(2+14)÷2=8=23,说明DNA复制了3次,因此可推知该细菌的细胞周期大约为60÷3=20(min);由于DNA解开双螺旋形成了单链,所以根据条带的数目和位置只能判断DNA单链的标记情况,但无法判断DNA的复制方式;大肠杆菌的DNA经过3次复制后产生了8个子代DNA分子,其中有两个DNA分子是一条链含有14N,一条链含有15N,另外6个DNA分子均只含有15N,因此直接将子代DNA进行密度梯度离心也能得到两条条带。
2
3
4
1
3.下列有关真核细胞内的DNA及其复制过程的叙述,正确的是
(　 　)
A.子链延伸时游离的脱氧核苷酸添加到3′端
B.DNA的复制过程只发生在细胞核
C.DNA每条链的5′端是羟基末端
D.DNA聚合酶的作用是打开DNA双链
A
3
4
1
2
3
4
1
2
解析:子链延伸时是5′→3′,故游离的脱氧核苷酸添加到3′端;
DNA的复制主要发生在细胞核,但线粒体、叶绿体中DNA也可以复
制;DNA每条链的5′端是磷酸基团末端,3′端是羟基末端;解旋酶的作用是打开DNA双链。
4.(多选)下图为真核细胞内某基因(15N标记)的部分结构示意图,该基因全部碱基中A占20%。下列说法正确的是(　 　)
A.该基因的特异性表现在碱基种类上
B.DNA聚合酶催化①和③处化学键的形成
C.该基因的一条脱氧核苷酸链中(C+G)/(A+T)为3/2
D.将该基因置于14N培养液中复制3次后,含15N的DNA分子占1/4
1
2
3
4
CD
解析:DNA的特异性与碱基的数目和排列顺序有关,与其种类无关;
DNA聚合酶是催化相邻核苷酸间形成磷酸二酯键,即催化③处化学键的形成,不催化①处氢键的形成;该基因中T=A=20%,G=C=30%,则该基因中(C+G)/(A+T)为3/2,根据碱基互补配对原则,DNA分子的一条单链中(C+G)/(A+T)的值等于其互补链和整个DNA分子中该种比例的值,因此该基因的一条脱氧核苷酸链中(C+G)/(A+T)也为3/2;根据DNA半保留复制的特点,将该基因置于14N培养液中复制3次后,共形成子代DNA数为23=8(个),其中含15N的DNA分子是2个,即含15N的DNA分子占1/4。
1
2
3
4
联系实际·迁移应用
双链DNA是由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成的。早在1966年,分子生物学家冈崎提出DNA半不连续复制假说:DNA复制形成互补子链时,一条子链是连续形成,另一条子链不连续即先形成短链片段
(如图1)。
为验证这一假说,冈崎进行了如下实验:让T4噬菌体在20 ℃时侵染大肠杆菌70 min后,将同位素3H标记的脱氧核苷酸添加到大肠杆菌的培养基中,在2 s、7 s、15 s、30 s、60 s、120 s后,分离T4噬菌体DNA并通过加热使DNA分子变性、全部解螺旋,再进行密度梯度离心,以DNA单链片段分布位置确定片段大小(分子越小到试管口距离越近),并检测相应位置DNA单链片段的放射性,结果如图2。
探究:(1)把3H标记的脱氧核苷酸添加到大肠杆菌的培养基中,最终在噬菌体DNA中检测到放射性,其原因是什么
提示:标记的脱氧核苷酸被大肠杆菌吸收,为噬菌体DNA复制提供
原料。
(2)若1个双链DNA片段中有1 000个碱基对,其中胸腺嘧啶350个,该DNA连续复制四次,在第四次复制时需要消耗多少个胞嘧啶脱氧核苷酸 复制四次后含亲代脱氧核苷酸链的DNA有多少个
提示:5 200个。2个。
(3)图2中,与60 s结果相比,为什么120 s结果中短链片段会减少 该实验结果为冈崎假说提供的有力证据是什么
提示:短链片段连接成长链片段。在实验时间内细胞中均能检测到较多的短链片段。
1.有丝分裂中染色体的标记情况
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)。
【知识方法】
微课4　DNA复制与细胞分裂中的染色体标记问题
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;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)。
规律总结:若只复制一次,产生的子染色体都带有标记,若复制
两次,产生的子染色体只有一半带有标记。
2.减数分裂中染色体的标记情况
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):
由图可以看出,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分子都是15N/14N-DNA,子细胞的所有染色体都含15N。
【突破训练】
1.EdU能在细胞增殖时掺入正在合成的DNA分子中,进而被荧光染料Appollo特异性染色。若用含EdU的培养基培养拟南芥体细胞(2n=10)若干代,再在不含EdU的培养基中连续培养两代。下列关于同一细胞连续分裂过程的叙述正确的是(　 　)
A.第二次分裂后期有10条染色体被荧光染料标记
B.第一次分裂后期有20条染色单体被荧光染料标记
C.第二次分裂中期有20条染色单体被荧光染料标记
D.第一次分裂中期有10条染色单体被荧光染料标记
A
解析:用含有EdU的培养基培养拟南芥体细胞若干代后,体细胞的每个DNA分子的2条链都被EdU标记,然后在不含EdU的培养基上连续培养两代。在分裂间期染色体进行复制,根据DNA分子的半保留复制方式,第一次分裂中期有20条染色单体被荧光染料标记,第一次分裂后期(不存在染色单体)有20条染色体被荧光染料染色,第一次分裂结束产生的子细胞的10条染色体上的 10个DNA分子中,每个DNA分子都有一条链被EdU标记,一条链不被标记;在第二次分裂的间期染色体进行复制,在第二次有丝分裂的前期和中期细胞中的10条染色体中有10条染色单体被荧光染料染色,有10条染色单体未被荧光染料染色,因此在第二次有丝分裂后期有10条染色体被荧光染料染色。
2.将正常生长的玉米根尖分生区细胞放在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液中,待其完成一个细胞周期后,再转入不含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液中培养,让其再完成一个细胞周期。此时获得的子细胞内DNA分子不可能为(只考虑其中一对同源染色体上的DNA分子)(　 　)
A.② B.①② C.③ D.③④
A
解析:将正常生长的玉米根尖分生区细胞放在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液中培养一个细胞周期,根据DNA半保留复制的特点,细胞中每个DNA分子均为一条链含3H,另一条链不含3H;然后转入不含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液中培养一个细胞周期,由于在有丝分裂后期,着丝粒分裂,姐妹染色单体分离,形成的子染色体随机移向细胞两极,故得到的子细胞有两种组合,具体过程如图所示(图中第二次有丝分裂以第一次有丝分裂产生的1个子细胞为例)
结合题图,两次有丝分裂产生的子细胞类型不可能出现题图②所示情况。
3.在含有BrdU的培养液中进行DNA复制时,BrdU会取代胸苷掺入到新合成的链中,形成BrdU标记链。用某种荧光染料对复制后的染色体进行染色,发现含半标记DNA(一条链被标记)的染色单体发出明亮荧光,含全标记DNA(两条链均被标记)的染色单体荧光被抑制(无明亮荧光)。若将一个细胞置于含BrdU的培养液中,培养到第二个细胞周期的中期进行染色并观察。下列推测正确的是
(　 　)
A.1/2的染色体荧光被抑制 B.1/4的染色单体发出明亮荧光
C.1/2的DNA分子被BrdU标记 D.3/4的DNA单链被BrdU标记
D
解析:由题意可知,细胞进行有丝分裂,在第二次有丝分裂中期,所有的染色体中都有一条染色单体的DNA的一条链中含有BrdU,所以每条染色体中都有一条染色单体能发出明亮荧光;新的DNA分子的合成是以BrdU为原料进行的半保留复制,所以新合成的DNA分子全部被BrdU标记;细胞复制2次,共形成4个DNA分子,共8条单链,只有
2条单链没有被标记,所以被BrdU标记的DNA单链共有6条,比例
为3/4。
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