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(共38张PPT)
§3.3 DNA的复制（第一课时）
基因的本质
碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
这句话中，为什么要用“可能”二字？这反映科学研究具有什么特点？
1.背景——问题探讨
沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道：“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。”
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，可能需要先解开DNA的两条链，然后通过碱基互补配对合成互补链。
讨论
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证据之上。
《核酸的分子结构》论文节选
2.对DNA复制的推测
沃森和克里克发表的第二篇论文中提出了遗传物质半保留复制的假说：DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂，解开的两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。新合成的每个DNA分子中都保留了原来DNA分子中的一条链。
提出假说
2.对DNA复制的推测
指以DNA一条链为模板，新合成的每个DNA分子中都保留了原来DNA分子中的一条链。
半保留复制
指以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。
全保留复制
指子代DNA每一条链都由亲本链的片段与新合成的片段随机拼接而成。
弥散复制
思考1：怎样区分不同复制方式产生的子代DNA分子？
3.DNA半保留复制的实验证据——实验技术
1958年
时间
大肠杆菌
实验材料
美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔
科学家
同位素标记技术
实验技术
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。
实验思路
3.DNA半保留复制的实验证据——实验思路
3.DNA半保留复制的实验证据——实验过程
15N/15N-DNA
14N
14N
14N
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N/14N-DNA
第一代
第二代
提取DNA，离心
转移到含14NH4Cl的培养液中
密度
低
高
细胞分裂一次
提取DNA，离心
提取DNA，离心
细胞再分裂一次
15N/15N-DNA
如果DNA复制是半保留复制
第一代会出现的结果是
第二代会出现的结果是
标记大肠杆菌
转移培养
提取DNA、离心
观察记录
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
实验过程
假设DNA是半保留复制，离心后试管中DNA的位置会是怎样的呢？请运用演绎推理来分析实验过程，完成预期，填写图中方框。
实验预期
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N/14N-DNA
3.DNA半保留复制的实验证据——实验过程/预期
15N/15N-DNA
14N
14N
14N
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N/14N-DNA
第一代
第二代
提取DNA，离心
转移到含14NH4Cl的培养液中
密度
低
高
细胞分裂一次
提取DNA，离心
提取DNA，离心
细胞再分裂一次
15N/15N-DNA
如果DNA复制是半保留复制
第一代会出现的结果是
第二代会出现的结果是
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N/14N-DNA
3.DNA半保留复制的实验证据——实验结果/结论
实验结果与上述预期相符。
实验结果
实验结果证明，DNA的复制是以半保留的方式进行的。
实验结论
思考2：假如全保留复制是正确的，实验预期又会是怎样的？
思考
Thinking
3.DNA半保留复制的实验证据——否定全保留复制
15N/15N-DNA
14N
14N
14N
15N/15N-DNA
15N/15N-DNA
14N/14N-DNA
14N/14N-DNA
14N/14N-DNA
第一代
第二代
提取DNA，离心
转移到含14NH4Cl的培养液中
密度
低
高
细胞分裂一次
提取DNA，离心
提取DNA，离心
细胞再分裂一次
15N/15N-DNA
如果DNA复制是全保留复制
第一代会出现的结果是
第二代会出现的结果是
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
14N/14N-DNA
3.DNA半保留复制的实验证据——否定全保留复制
14N/14N-DNA
15N/15N-DNA
14N/14N-DNA
15N/15N-DNA
思考3：假如弥散复制是正确的，实验预期又会是怎样的？
思考
Thinking
3.DNA半保留复制的实验证据——否定弥散复制
15N/15N-DNA
14N
14N
14N
15-14N/15-14N-DNA
第一代
第二代
提取DNA，离心
转移到含14NH4Cl的培养液中
密度
低
高
细胞分裂一次
提取DNA，离心
提取DNA，离心
细胞再分裂一次
15N/15N-DNA
如果DNA复制是全保留复制
第一代会出现的结果是
第二代会出现的结果是
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
3.DNA半保留复制的实验证据——否定弥散复制
15-14N/15-14N-DNA
15-14-14-14N/15-14-14-14N-DNA
15-14-14-14N/15-14-14-14N-DNA
3.DNA半保留复制的实验证据
重
轻
半保留复制
全保留复制
弥散复制
15N的培养基培养若干代
14N的培养基
15N//15N
14N//14N
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
梅赛尔森和斯塔尔设计的实验
中
思考4：第一代中出现一条居中的DNA条带，这个结果排除了哪种复制方式？
3.DNA半保留复制的实验证据
例1. 探究DNA复制的方式采用了假说—演绎法，下列说法不正确的是( )。
A.提出假说：DNA复制是半保留复制
B.演绎推理：亲代为 ，密度最大，应位于试管底部；子一代为 ，密度居中，应位于试管中部；子二代为 和 ，密度分别居中、最小，应位于试管中部和上部
C.实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的
D.演绎推理的过程即实验验证过程
D
3.DNA半保留复制的实验证据
例2. 细菌在 培养基中繁殖数代后，其DNA的含氮碱基均含有 ，然后再移入 培养基中培养，提取其子代的DNA离心分离，下图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是( )。
A.第一次分裂的子代DNA应为⑤
B.第二次分裂的子代DNA应为①
C.第三次分裂的子代DNA应为③
D.亲代的DNA应为⑤
A
思考5：上述方法的研究对象是原核细胞的DNA复制，原核生物DNA含量少，容易从细胞中提取。
研究真核生物的DNA复制可以采用上述方法研究吗？为什么？
思考
Thinking
3.DNA半保留复制的实验证据
3.DNA半保留复制的实验证据
染色体
DNA
染色体中含有T
第一次有丝分裂中期
第二次有丝分裂中期
置于不含T ，但含BrdU的培养基培养
置于不含T ，但含BrdU的培养基培养
深色
深色
深色
深色
浅色
深色
浅色
BrdU (5-溴尿嘧啶)可以用代替碱基T与碱基A进行互补配对。
若DNA中含有T，则染色（单）体经吉姆萨染色为深色；若DNA中只含有BrdU，则染色（单）体经吉姆萨染色为浅色。
3.DNA半保留复制的实验证据
实验结果符合半保留复制的预期
第二次有丝分裂中期
4.DNA复制的过程
定义
DNA的复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
时期
细胞分裂前的间期，随着染色体的复制而完成的。
条件
模板：亲代DNA分子两条链
原料：4种脱氧核苷酸
能量：由细胞呼吸提供。
酶：解旋酶和DNA聚合酶等
引物：RNA引物
4.DNA复制的过程
思考6：为什么DNA的复制需要RNA引物？
ATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGC
5’
3’
TAGCGCTATCGCATCGACGCTGGATCG
3’
5’
GGAUCG
5’
AUCGCG
5’
RNA引物Ⅰ
RNA引物Ⅱ
TAGCGCTATCGCATCGACGCT
3’
ATAGCGTAGCTGCGACCTAGC
3’
DNA聚合酶的特点：不能从头合成DNA，而只能从3’端延伸DNA链。
因此，DNA复制需要引物，为DNA聚合酶提供3’。
DNA的合成方向：总是从子链的5‘端向3’端延伸。
4.DNA复制的过程
4.DNA复制的过程
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。
双链DNA分子
碱基配对：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。
延伸：随着模板链解旋过程的进行，新合成的子链也在不断延伸。
螺旋：同时，每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
特点2：边解旋边复制
4.DNA复制的过程
思考7、下边那条子链的延伸方向好像和解旋方向是相反的，如何是好？
4.DNA复制的过程
5′
3′
5′
3′
5′
3′
引物
DNA聚合酶
4.DNA复制的过程
引物
DNA聚合酶
5′
利用酶将
引物切除
DNA聚合酶
将 “缺口”补齐
用DNA连接酶连接DNA片段
5′
3′
5′
3′
5′
3′
5′
5′
特点3：半不连续复制
4.DNA复制的过程
端粒DNA
……
5′
……
3′
3′
……
……
5′
……
……
5′
3′
正常情况下无法补齐，随着复制次数增加，端粒DNA越来越短。干细胞中存在端粒酶，也可以补齐端粒DNA
……
3′
5′
……
4.DNA复制的过程
思考8：什么机制保证了DNA复制的准确性？
思考
Thinking
4.DNA复制的过程
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.DNA复制的过程
思考8：你认为DNA复制会百分之百准确吗？如果复制出现错误，可能会产生什么影响？
思考
Thinking
4.DNA复制的过程
基因突变
4.DNA复制的过程
真核生物DNA复制
原核生物DNA复制
单起点双向复制
特点4：多起点双向复制
4.DNA复制的过程
形成两个与亲代完全相同的DNA分子；
新复制出的两个子代DNA分子，通过细胞分裂分配到子细胞中。
DNA复制的结果
半保留复制
边解旋边复制
半不连续复制
多起点双向复制
DNA复制的特点
DNA通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性。
P
F1
F2
4.DNA复制的过程
4.DNA复制的过程
DNA复制 时间 场所 所需条件 模板
原料
酶
能量
引物
特点 意义 分裂间期
主要在细胞核、线粒体、叶绿体
解开的两条母链
4种游离的脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶
ATP
将遗传信息由亲代传递给子代，保持遗传信息的连续性
RNA引物
半保留复制、边解旋边复制、半不连续复制、多起点双向复制
4.DNA复制的过程
例3. 下图为真核细胞DNA复制过程的模式图，据图分析，下列相关叙述不正确的是( )。
D
A.由图示可知，DNA复制的方式是半保留复制
B.解旋酶能使双链DNA解开，且需要消耗ATP
C.从图中可以看出两条子链的合成方向都是 端到 端
D.DNA聚合酶的作用位点为两条脱氧核苷酸链之间的氢键
4.DNA复制的过程
练4. 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.复制仅发生在有丝分裂前的间期
C.复制过程先解旋后复制
D.碱基互补配对保证了复制的准确性
D
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