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(共47张PPT)
第3章 基因的本质
3.3 DNA的复制
（第一课时）
本节内容
DNA复制的推测——假说-演绎法DNA的复制及相关计算
DNA的复制过程
一、学习目标
二、重难点
1.运用假说一演绎法探究DNA的复制方式，
概述DNA通过半保留方式进行复制。
2.通过对DNA半保留复制方式的学习，
理解DNA的准确复制是遗传信息稳定传递的基础
3.概述DNA复制的条件、过程和特点
1.运用假说一演绎法探究DNA的复制方式。
2.DNA复制的条件、过程和特点。
（1）DNA是由几条链构成的？它具有怎样的立体结构？
（2）DNA的基本骨架是由哪些物质组成的？
它们分别位于DNA的什么部位呢？
（3）DNA中的碱基是如何配对的？它们位于DNA的什么部位？
DNA是由两条链构成的。
这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
DNA的基本骨架包括脱氧核糖和磷酸，
它们排列在DNA的外侧。
DNA中的碱基通过氢键连接成碱基对，它们位于DNA的内侧。碱基配对有一定的规律：A与T配对；G与C配对。
温故知新：
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。”
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.
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。
假说—演绎法
对DNA复制的推测及证据——假说-演绎法
一、对DNA复制的推测——假说-演绎法
（一）提出问题
DNA是如何复制的？
（二）作出假说
推测可能的复制方式。
1.半保留复制
①DNA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。
（二）作出假说
新复制出的分子直接形成，
完全没有旧的部分。
新复制的分子中新旧都有，但分配是随机组合的。
2.全保留复制
3. 分散复制（弥散复制）
用红色表示亲代DNA的两条链，用黑色表示新合成的DNA链，请分别画出半保留复制和全保留复制的示意图。
对DNA复制的推测
亲代DNA
子一代DNA
子二代DNA
1.全保留复制
亲代DNA
子一代DNA
子二代DNA
2.半保留复制
到底哪种假说正确呢？
二、作出假说
半保留复制
全保留复制
弥散复制
+
+
+
关键思路：通过实验区分亲代和子代的DNA。
疑问：到底哪种假说正确呢？
对DNA复制的实验证据
DNA半保留复制的实验证据
15N 和 14N是N元素的两种稳定同位素，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，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。
低
高
密度
1.科学家：美国生物学家梅塞尔森（M.Meselson）和斯塔尔（F.Stahl）
大肠杆菌
2.实验材料:
4.科学方法：同位素标记法、密度梯度离心法
3.实验原理 ：
5.实验过程：
（1）用含15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，培养若干代，得到DNA被15N标记的大肠杆菌。
（2）将大肠杆菌转移至的含14N普通培养基中培养，在不同时刻收集大肠杆菌，提取DNA进行离心，记录离心后试管中DNA的位置。
1.半保留复制
15N / 14N-DNA
15N / 15N-DNA
14N / 14N-DNA
15N / 14N-DNA
15N
14N
15N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
15N
细胞再 分裂一次
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
P
F1
F2
三、演绎推理
2.全保留复制
15N
14N
15N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
15N
P
F1
F2
15N / 15N-DNA
15N / 15N-DNA
14N / 14N-DNA
15N / 15N-DNA
细胞再 分裂一次
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
14N / 14N-DNA
三、演绎推理
3.分散复制
14N / 15N-DNA
15N / 15N-DNA
14N / 15N-DNA
15N
14N
15N
15N
15N
14N
14N
15N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
细胞再 分裂一次
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
P
F1
F2
三、演绎推理
四、实验验证
得出结论
实验结果与预期相符，证明DNA的复制是以半保留的方式进行的。
第一代
重带
第二代
中带
第三代
轻带
中带
排除
全保留复制
排除
分散复制
证明DNA的复制是半保留复制
五、实验结论
DNA半保留复制的实验证据
[正误辨析]
(1)克里克和沃森证明了DNA复制为半保留复制。(　　)
(2)DNA半保留复制的实验用到了放射性同位素标记技术。(　　)
(3)全保留复制的子代DNA的双链都是新合成的。(　　)
×
×
√
结合教材P54“证明DNA半保留复制”的实验，思考并回答下列有关问题。
(1)用铅笔在图中画出预期的结果
探究 突破
提示：
1．将DNA全部用15N进行标记的大肠杆菌置于含有14NH4Cl的普通培养液中，使大肠杆菌连续繁殖三代，利用离心技术检测DNA的离心位置，图中阴影是离心结果，则亲代、子一代、子二代、子三代DNA带依次是(　　)
A．①②③④　　　　　　
B．③①④②
C．①③②④
D．①②④③
对应训练
B
解析：据题意，亲代DNA为15N/15N－DNA，离心结果为③；
子一代DNA为14N/15N－DNA，离心结果为①；
子二代DNA为1/214N/14N－DNA、1/214N/15N－DNA，离心结果为④；子三代DNA为3/414N/14N－DNA、1/414N/15N－DNA，离心结果为②，B正确。
[归纳总结]
假说—演绎法分析DNA半保留复制的实验
(1)假说：DNA的复制是半保留复制。
(2)演绎推理
①亲代大肠杆菌的DNA的两条链都被15N标记，DNA相对分子质量最大，离心时应该靠近试管的底部。
②如果DNA两条链中都含有14N，那么DNA相对分子质量最小，离心时应该在试管的上部。
③如果DNA两条链中一条含有15N，一条含有14N，那么DNA在离心时应该在试管的中部。
(3)实验结果
①亲代大肠杆菌的DNA带只有一条，位置靠近试管底部。
②第一代细菌(DNA复制了一次)的DNA带只有一条，在试管中的位置居中。
③第二代细菌(DNA复制了两次)的DNA有两条，在试管中的位置一条居中，另一条靠上。
(4)实验结论：DNA的复制方式为半保留复制。
DNA复制的过程
DNA复制的过程
1.DNA复制的概念是什么 什么时期？
2.DNA复制过程怎么进行
3.DNA复制过程需要哪些条件
4.DNA复制过程有何特点
5.DNA复制有何生物学意义
任务：
阅读教材55-56页内容，讨论并回答以下问题：
一、DNA复制的过程
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.时期
3.场所
（1）真核生物：
1.概念
指以亲代DNA的两条链为模板合成子代DNA的过程。
叶绿体、线粒体
（2）原核生物：
细胞核（主要）
拟核、细胞质（质粒）
4.过程
（3）病毒：
宿主细胞内
（1）解旋：在ATP的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开。
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
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C
G
A
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C
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A
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A
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A
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A
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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
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G
G
C
T
A
G
C
C
G
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G
C
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C
C
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T
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C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
3'
5'
ATP
解旋酶
4.过程
（2）定序：游离的脱氧核苷酸按碱基互补配对原则随机地与两条
母链的碱基配对，确定子链的脱氧核苷酸排列顺序。
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
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T
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G
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C
G
A
G
C
T
T
形成氢键
4.过程
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
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A
3'
5'
A
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C
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T
A
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A
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G
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G
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C
G
A
G
C
T
T
（3）合成子链：在DNA聚合酶的催化下从母链的3'端把子链的脱氧
核苷酸聚合成脱氧核苷酸链。
合成方向：
子链的延伸方向5'端→ 3'端
形成磷酸二酯键
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
4.过程
（4）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
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A
A
3'
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A
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T
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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'
4.过程
4.过程
+
③新合成的二个DNA碱基顺序是否相同？
不同，互补
相同
不同，互补
结果:形成两个完全相同的DNA分子。
①二条母链的碱基顺序是否相同？
②二条子链的碱基顺序是否相同？
1.条件
2.原则
（3）能量
亲代DNA的两条链
4种游离的脱氧核苷酸
一般是ATP
（1）模板
（2）原料
（4）酶
碱基互补配对原则
3.特点
①边解旋边复制 (从过程上看)
②半保留复制 (从结果上看)
加快复制速度，减少DNA突变可能
保证了复制的准确进行
总结：
解旋酶（使氢键断裂）
DNA聚合酶（连接磷酸二酯键）
DNA连接酶（DNA片段之间的磷酸二酯键）
氢键的形成是自发的，不需要能量和酶
5.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）通过碱基互补配对原则，保证了复制能够准确地进行。
6.结果
一个DNA分子就形成了两个完全相同的DNA分子。
（两个子代DNA分子，通过细胞分裂分配到子细胞中）
7.DNA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。
从子链的5' 端向 3' 端延伸
4.方向
特点：
多起点不同时复制
双向复制
2.真核生物DNA复制的特点：
在复制速率相同的前提下，图中DNA的3个复制起点中，最右侧起点最先开始复制，多起点双向复制提高了DNA复制的效率。
3.原核生物DNA复制的特点：
特点：边解旋边复制
单起点、双向复制
方式：半保留复制
1．DNA通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持遗传信息的连续性。如图为DNA复制过程模式图，下列相关说法，正确的是(　　)
A．复制时两条子链的延伸方向相反
B．该过程中只需要解旋酶
C．亲代DNA的双螺旋结构全部打开再复制
D．合成的两条子链的碱基序列可互补配对
对应训练
D
解析：DNA双链是反向平行的，且子链的合成方向都是从5′端→3′端，因此复制时两条子链的延伸方向相同，A错误；该复制过程中需要解旋酶和DNA聚合酶，B错误；DNA分子复制过程是边解旋边复制，不需要把DNA双螺旋结构全部解旋开才开始复制，C错误；复制时合成的两条子链是分别以两条母链为模板合成的，故合成的两条子链可互补配对，D正确。
1
1.下面是DNA复制的有关图示。A→B→C表示大肠杆菌的DNA复制。D→F表示哺乳动物的DNA复制。
图中黑点表示复制起点，“→”表示复制方向，“ ”表示时间顺序。
(1)若A中含有48502个碱基对，而子链延伸速率是105个碱基对/min，假设DNA分子从头到尾复制，则理论上此DNA分子复制约需30 s，而实际上只需约16 s，根据A→C过程分析，这是因为_____________________。
特点1：双向复制
复制是双向进行的
对应训练
1
(2)哺乳动物的DNA分子展开可达2m之长，若按A→C的方式复制，至少需要8 h，而实际上只需要约2 h，根据D→F过程分析，是因为________________________。
DNA分子中有多个复制起点
特点2：多起点复制（真核生物）
(3)A→F均有以下特点：延伸的子链紧跟着解旋酶，这说明DNA分子复制是______________的。
边解旋边复制
特点3：边解旋边复制
解旋酶
酶
5’
3’
3’
5’
DNA聚合酶
5’
3’
前导链
5’
3’
冈崎片段
DNA连接酶
DNA聚合酶的底物：
脱氧核苷酸
DNA连接酶的底物：
DNA片段
后随链
前导链与后随链：
互补配对
模板链：3’→ 5’
合成子链方向：5’→ 3’
DNA复制拓展：
5’
3’
3’
5’
5’
3’
前导链
5’
3’
冈崎片段
后随链
1.子链延伸方向：DNA聚合酶不能催化DNA新链从头合成，只能催化游离的脱氧核苷酸加入已有链的3' -OH末端。因此必须由引物提供游离的3'-OH末端，才能合成5' →3'方向的新链。
总之：DNA聚合酶只能从已有链的3′端延伸DNA链。
DNA复制拓展：
复制方向：5'端→ 3'端
复制叉
2.子链的延伸不都是连续的
细胞内所有的DNA聚合酶都只能催化子链从5′端→3′端的合成。因此，以3′端→5′端的母链为模板链时，DNA聚合酶从5′端→3′端的方向合成互补的子链。
当以另一条链为模板时则不能连续合成子链。这时，DNA聚合酶会催化合成一段小的新链片段，这些小的片段叫作冈崎片段，最后由DNA连接酶(连接DNA片段的一种酶)把这些片段连接成子链。
冈崎片段
3′
5′
子链的延伸方向是5 ′→3 ′
DNA聚合酶
3′
5′
模板链
子链
DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有链的3′端
子链合成需要引物:
引物为DNA聚合酶提供了游离的3 ′端，使DNA聚合酶从3 ′端延伸子链。(DNA聚合酶不具有从头合成子链的功能)
3、DNA聚合酶
DNA复制拓展：
引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。用于PCR的引物通常为20~30个核苷酸。在细胞中为一段单链RNA。在细胞外(PCR技术）为一段短单链DNA
4、什么是引物
子链延伸
子链延伸
-5 ′
3′-
引物
5′-
-3′
5′-
-3′
引物
3′-
-5′
DNA复制拓展：
3.某双链DNA分子复制的过程如图所示。据图分析，下列有关叙述中错误的是( )
A.解旋酶的移动方向为从右向左
B.DNA聚合酶的移动方向为从右向左
C.后随链的延伸方向为5'→3'
D.图示体现了DNA分子边解旋边复制的特点
解析：由图可知，解旋酶的移动方向为从右向左，A正确；DNA聚合酶的移动方向与前导链和后随链的延伸方向一致，即对前导链而言，DNA聚合酶从右向左移动，对于后随链而言，DNA聚合酶从左向右移动，B错误；DNA聚合酶只能从子链的5'端向3'端延伸，故前导链和后随链的延伸方向都是5'→3'，C正确；图示复制过程体现了DNA分子边解旋边复制的特点，D正确。
B
对应训练
课时作业 巩固提升

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