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3.3 DNA的复制
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”。
讨论：
碱基互补配对原则暗示了DNA的复制机制可能是怎样的？
碱基互补配对原则是指DNA两个链的碱基之间有准确的一一对应关系，暗示DNA的复制可能需要显解开DNA双螺旋的两条链，然后通过碱基互补配对合成互补链。
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”。
讨论：
这句话为什么要用“可能”二字？这反映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证据之上。
对DNA复制的推测
1. 沃森和克里克的假说
DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂看，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，因此，这种复制方式称为半保留复制。
对DNA复制的推测
2. 其他的假说
DNA复制以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是合成的，这种复制方式称为全保留复制。
DNA半保留复制的实验证据
半保留复制
全保留复制
要证明DNA的复制是半保留复制，就需要通过实验区分亲代与子代的DNA？
DNA半保留复制的实验证据
美国科学家梅塞尔森和斯塔尔
1. 实验者：
大肠杆菌
2. 实验材料：
同位素标记法、密度梯度离心法
3. 实验技术：
假说—演绎法
4. 研究方法：
15N
14N
14N/ 14N
15N/ 14N
15N/ 15N
DNA半保留复制的实验证据
科学家先用含有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DNA几乎都是15N标记的。然后，将大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的普通培养基中。在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将DNA离心，记录离心后试管中DNA的位置。
5. 实验过程：
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
转移到含14NH4Cl的培养液中
大肠杆菌在含14NH4Cl的培养液中生长
DNA半保留复制的实验证据
6. 演绎推理
假说：半保留复制
15N/ 15N-DNA
15N/ 14N-DNA
15N/ 14N-DNA
14N/ 14N-DNA
14N/ 14N-DNA
15N/ 14N-DNA
15N/ 15N-DNA
15N/ 14N-DNA
15N/ 14N-DNA
14N/ 14N-DNA
密度
低
高
DNA半保留复制的实验证据
6. 演绎推理
假说：全保留复制
15N/ 15N-DNA
14N/ 14N-DNA
14N/ 14N-DNA
14N/ 14N-DNA
15N/ 15N-DNA
15N/ 15N-DNA
14N/ 14N-DNA
15N/ 15N-DNA
15N/ 15N-DNA
15N/ 15N-DNA
14N/ 14N-DNA
14N/ 14N-DNA
密度
低
高
DNA半保留复制的实验证据
7. 实验验证
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
提取DNA，离心
15N/ 15N-DNA
第一代
15N/ 14N-DNA
15N/ 14N-DNA
14N/ 14N-DNA
转移到含14NH4Cl的培养液中
提取DNA，离心
第二代
提取DNA，离心
实验结果证明：DNA的复制时以半保留的方式进行的
DNA复制的过程
1. DNA复制的概念
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
DNA复制
亲代DNA
子代DNA
2. DNA复制的场所
真核细胞：细胞核、线粒体、叶绿体
原核细胞：拟核
3. DNA复制的时间
细胞分裂前的间期
（有丝分裂间期、减数分裂前的间期）
DNA复制的过程
4. DNA复制的过程
① 解旋
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。
解旋酶
DNA复制的过程
4. DNA复制的过程
② 合成子链
然后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。
DNA聚合酶
3
5
5
5
3
3
以母链为模板进行碱基互补配对
DNA复制的过程
4. DNA复制的过程
③ 形成DNA
随着模板链解旋过程的进行，新合成的子链也在不断延伸。同时，每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
新DNA
DNA复制的过程
4. DNA复制的过程
③ 形成DNA
新DNA
复制结束后，一个DNA分子就形成了两个完全相同的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复制的过程
4. DNA复制的特点
解旋酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
游离的脱氧核苷酸
5
5
3
3
新合成的子链
边解旋边复制
半保留复制
DNA复制的过程
5. DNA复制需要的基本条件
解旋酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
游离的脱氧核苷酸
5
5
3
3
新合成的子链
① 模板：
亲代DNA的两条链
② 原料：
游离的4种脱氧核苷酸
③ 酶：
解旋酶、DNA聚合酶等
④ 能量：
由细胞提供（如ATP供能）
DNA复制的过程
6. DNA精确复制的原因
解旋酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
游离的脱氧核苷酸
5
5
3
3
新合成的子链
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，
保证了复制能够准确
地进行。
DNA复制的过程
7. DNA复制的意义
解旋酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
游离的脱氧核苷酸
5
5
3
3
新合成的子链
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。
与DNA复制相关的计算
若将一个15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养（复制）若干代，其结果分析如下：
15N
15N
亲代
14N
15N
15N
14N
1代
2代
n代
2n
1. 子代DNA分子数：2n 个
① 无论复制多少次，含15N的DNA
分子始终是2个。
② 含14N的有2n 个，只含14N的有
2n-2 个。
与DNA复制相关的计算
若将一个15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养（复制）若干代，其结果分析如下：
15N
15N
亲代
14N
15N
15N
14N
1代
2代
n代
2n
2. 子代DNA分子的总链数：2n+1 条
① 无论复制多少次，含15N的链始终
是2条。
② 含14N的链数是2n+1-2条。
与DNA复制相关的计算
若将一个15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养（复制）若干代，其结果分析如下：
15N
15N
亲代
14N
15N
15N
14N
1代
2代
n代
2n
3. 消耗的脱氧核苷酸数：
① 若一亲代DNA分子含有某种脱氧
核苷酸m个，则经过n次复制需要
消耗游离的该脱氧核苷酸为
m (2n-1)个。
② 若进行第n次复制，则需消耗该脱
氧核苷酸为m (2n-1) 。
DNA复制拓展
人体细胞某DNA的长度为200×10-9m，复制速度为5 ×10-9m/s，但经检测却发现此DNA的复制只需5s的时间。此事实说明什么？
1. 多起点复制：
真核生物DNA的复制从多个起点开始进行，使得复制能再较短时间内完成。
复制起点
DNA复制拓展
人体细胞某DNA的长度为200×10-9m，复制速度为5 ×10-9m/s，但经检测却发现此DNA的复制只需5s的时间。此事实说明什么？
2. 双向复制：
多数生物细胞内DNA的复制都是从固定的起点开始双向进行的。
复制起点
复制方向
DNA复制拓展
人体细胞某DNA的长度为200×10-9m，复制速度为5 ×10-9m/s，但经检测却发现此DNA的复制只需5s的时间。此事实说明什么？
3. 半不连续复制：
由于DNA聚合酶具有专一性（子链从5 →3 延伸），而DNA的2条链是反向平行的，所以再复制时一条子链的合成时连续进行的，而另一条子链的合成是反向不连续进行的，由DNA连接酶将这些片段连成一条子链。
复制起点
表示不连续复制
表示连续复制
练习与应用
一、概念检测
1. DNA复制时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复制与染色体复制时分别独立进行的。
(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
是在这个时期完成的。
2. DNA复制保证了亲子代见遗传信息的连续
性。下列关于DNA复制的叙述，正确的是 （ ）
复制均在细胞核内进行
碱基互补配对原则保证了复制的准确性
1个DNA分子复制1次产生4个DNA分子
游离的脱氧核苷酸在解旋酶的作用下合成子链
练习与应用
一、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
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？
二、拓展应用
可能有6个碱基发生错误。产生的影响可能影响很大，也可能没有影响
练习与应用
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。
二、拓展应用
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。
果蝇DNA的电镜照片

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