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第3节 DNA的复制
人教版必修2·第3章
DNA中的遗传信息在亲子代间传递时必然要经历“自我复制”，
如何保证复制的准确性呢？DNA是如何复制的？
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。”
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.
《核酸的分子结构》论文节选
沃森和克里克 提出DNA自我复制假说：
半保留复制
一、对DNA复制的推测—提出假说
假说1：半保留复制
(沃森和克里克提出）
形成的子代DNA一条链是亲代链，一条链是新合成的
假说2：全保留复制
子代DNA的双链都是新合成的
假说3：分散复制方式
亲代DNA
子代DNA
亲代DNA分子断裂成短片段，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DNA片段，又有新合成的DNA片段。
1.要通过实验“探究DNA复制是哪种方式？”的关键思路是什么？
2.肉眼看不见DNA，如何区分亲代和子代的DNA呢？
同位素标记法
15N和14N是N元素的两种稳定的同位素，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，利用密度梯度离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。
关键思路：区分亲代和子代的DNA
二、DNA半保留复制的实验证据
密度梯度离心：是一种利用离心力和密度梯度介质分离不同密度颗粒的技术。
密度
低
高
先用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代，这时，大肠杆菌的DNA几乎都是15N标记的。
将大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的普通培养液中。在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行离心，记录离心后试管中DNA的位置。
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
实验过程
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
提取DNA，
离心
提取DNA，离心
提取DNA，
离心
含14N的培养液
1.假设DNA的复制是半保留复制
第二代
含14N的培养液
第一代
提取DNA，
离心
提取DNA，
离心
15N
15N
P
F1
F2
14N
14N
提取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
2.假设DNA的复制是全保留复制
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
P
F1
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
提取DNA，
离心
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
F2
提取DNA，
离心
提取DNA，
离心
提出问题
作出假设
得出结论
演绎推理
实验验证
DNA复制方式是什么？
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
1、概念：
指以亲代DNA的两条链为模板合成子代DNA的过程。
2、时间：
细胞分裂前的间期
3、场所：
真核生物：细胞核（主要）、叶绿体和线粒体（基质）
原核生物：拟核、细胞质
病毒：宿主细胞内
三、DNA复制过程
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
加热
模板
原料
酶
能量
DNA分子的两条母链
细胞中游离的4种脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶等
ATP（破坏氢键）
DNA复制是一个边解旋边复制的过程，需要模板、原料、能量和酶等基本条件。
DNA复制的方向是从子链5’端到3’端延伸。
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，细胞保持了遗传信息的连续性。通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代。
小结
4、DNA复制特点：
半保留复制；
边解旋边复制。
资料：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。
真核生物：
（复制原点）
多起点双向复制
5、准确自我复制原因：
资料：DNA平均每复制109个碱基对才会产生一个错误。
DNA分子独特的双螺旋结构提供精确的模板
复制过程严格遵循碱基互补配对原则
6、生物学意义：
使遗传信息从亲代传递给子代，保持了遗传信息的连续性。
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
遗传信息的传递
碱基互补配对
四、DNA复制相关的计算
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。
15N
15N
亲 代
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
DNA数量
一个被15N标记的DNA分子在含14N的培养基中复制了n次：
子代DNA
①子代DNA分子数 个；
②只含15N的DNA数 个；
③含15N的DNA数 个；
④只含14N的DNA数 个；
⑤含14N的DNA数 个。
2n
0
2
2n-2
2n
脱氧核苷酸链数
①含15N的链数 条；
②含14N的链数 条；
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 。
2
2n+1-2
2/2n = 1/2n-1
2/2n+1 = 1/2n
一个被15N标记的DNA分子在含14N的培养基中复制了n次，假如该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经过n次复制需消耗游离的腺嘌呤脱氧核苷酸为____________个。
②在第n次复制时，需消耗游离的腺嘌呤脱氧核苷酸数为____________个。
不消耗
m·(2n－1)
m·2n－1
2、氢键的形成需要酶的催化吗？
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
不需要
1、图1中的酶1和酶2分别是什么酶？
图2中e、f分别是什么键，图1中的酶分别作用于哪些键？
3、a、b、c、d 4条单链中，碱基排列顺序相同的是？
一、概念检测
1.××
2.B
3.C
课本P56·练习与应用
二、拓展应用
1．【提示】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。
2．【答案】说明果蝇的DNA有多个复制起点，可同时从不同起点开始DNA的复制，由此加快DNA复制的速率，为细胞分裂做好物质准备。
1. 细菌在 15N 培养基中繁殖数代后，其 DNA 的含氮碱基均含有 15N，然后再移入 14N 培养基中培养，提取其子代的 DNA 离心，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
2. 某个DNA片段由500对碱基组成，A+T占碱基总数的34%，该DNA片段复制3次，共需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸分子个数为（ ）
A.990 B.1650 C.1320 D.2310
D
3. 有15N标记的一个DNA分子放在含有14N的培养基中复制三次，则含15N的DNA分子占全部DNA分子的比例、含15N的单链占全部DNA分子单链的比例依次是（ ）
A. 1/4 、1/8 B. 1/2、1/4 C. 1/4 、1/16 D. 1/8、1/8
A
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