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第3节
DNA 的复制
《核酸的分子结构》论文节选
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
1．碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
2．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？
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。
科学研究需要大胆的想象，但得出结论必须建立在确凿的证据之上。
问题探讨
1
2
对DNA复制的推测
DNA半保留复制的实验证据
DNA复制的过程
3
沃森和克里克紧接着提出了遗传物质自我复制的假说：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。由于新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，因此，这种复制方式称作半保留复制。
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
T
脱氧
核糖
P
T
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
1、对DNA的预测
脱氧
核糖
P
T
脱氧
核糖
P
T
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
5'
3'
脱氧
核糖
P
T
5'
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
T
3'
A
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
脱氧
核糖
P
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
A
C
脱氧
核糖
P
1、对DNA的预测
提出假说
假说一：全保留复制
假说二：半保留复制
（沃森和克里克）
如何验证这个假说呢？关键思路是？
1、对DNA的预测
如何验证这个假说呢？关键思路是？
区分亲代和子代的DNA
标记亲代DNA的两条链，然后观察它们在子代DNA中如何分布？
1、对DNA的预测
1958 年，美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔的实验。
实验材料：
方法技术：
大肠杆菌
同位素标记技术
如何把不一样的DNA区分开呢？
【背景知识】
15N和14N是氮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分离开含有相对原子质量不同的氮元素的DNA。
密度梯度离心法
2、DNA半保留复制的实验证据
【背景知识】
15N和14N是氮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分离开含有相对原子质量不同的氮元素的DNA。
2、DNA半保留复制的实验证据
1、科学家为什么用大肠杆菌作为实验材料？
2、如何让亲代DNA获得15N标记？
3、如何让子代DNA获得14N标记？
大肠杆菌大约20Min繁殖一代。
将大肠杆菌放入含有15NH4Cl的培养液中培养若干代。
将上述亲代大肠杆菌转入含14NH4Cl的培养液中。
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，大肠杆菌的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。
【实验过程】
2、DNA半保留复制的实验证据
演绎推理
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N/14N-DNA
重带
中带
轻带
中带
实验过程
实验结果
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
提取DNA，离心
密度低
高
转移到含14NH4Cl的培养液中
第一代
提取DNA，离心
第二代
细胞再分裂一次
细胞分裂一次
提取DNA，离心
2、DNA半保留复制的实验证据
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
提取DNA，离心
密度低
高
转移到含14NH4Cl的培养液中
第一代
提取DNA，离心
第二代
细胞再分裂一次
细胞分裂一次
提取DNA，离心
15N/15N-DNA
15N/14N
-DNA
15N/14N
DNA
15N/14N
DNA
14N/14N
DNA
14N/14N
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
与实验结果符合
14N
14N
14N
2、DNA半保留复制的实验证据
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
提取DNA，离心
密度低
高
转移到含14NH4Cl的培养液中
第一代
提取DNA，离心
第二代
细胞再分裂一次
细胞分裂一次
提取DNA，离心
15N/15N-DNA
14N
14N
14N
15N/15N
DNA
14N/14N
DNA
14N/14N
DNA
14N/14N
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
与实验结果不相符
15N/15N
DNA
14N/14N
DNA
2、DNA半保留复制的实验证据
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
提取DNA，离心
密度低
高
转移到含14NH4Cl的培养液中
第一代
提取DNA，离心
第二代
细胞再分裂一次
细胞分裂一次
提取DNA，离心
15N/15N-DNA
14N
14N
14N
15N/15N
DNA
14N/14N
DNA
14N/14N
DNA
14N/14N
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
与实验结果不相符
15N/15N
DNA
14N/14N
DNA
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
提取DNA，离心
密度低
高
第一代
提取DNA，离心
第二代
提取DNA，离心
与半保留复制的预期相符合。
实验结果：
实验结论：
DNA分子复制的方式是半保留复制。
2、DNA半保留复制的实验证据
提出问题：
做出假说：
演绎推理：
验证验证：
得出结论：
DNA是如何复制的？
推测可能的复制方式
半保留复制
全保留复制
预测两种复制模式下得到的子代DNA的可能情况及可能的实验结果。
实验结果与半保留复制的预期相符。
DNA分子复制的方式是半保留复制。
DNA复制方式的探究历程
2、DNA复制过程
（1）概念：
DNA的复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
（2）场所：
（3）时间：
（4）条件：
主要是在细胞核(次要在线粒体、叶绿体)
细胞分裂（有丝分裂或减数分裂）前的间期
模板
原料
酶
能量
亲代DNA分子中的两条母链
以细胞中游离的4种脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶等
ATP等
2、DNA半保留复制的实验证据
⑤DNA复制的过程：
2、DNA半保留复制的实验证据
（5）DNA复制的过程：
解旋
解旋酶
DNA聚合酶
以母链为模板进
行碱基互补配对
3'
5'
3'
3'
5'
5'
亲代DNA
两条DNA母链
解旋酶
平面DNA
DNA聚合酶
盘绕
子代DNA
氢键
磷酸二酯键
解旋
复制
（6）特点：
①边解旋边双向复制
②半保留复制
2、DNA半保留复制的实验证据
（7）结果：
（8）意义：
1个DNA分子
2n个DNA分子
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。
（9）精确复制的原因：
①双螺旋结构为其提供 ；
② 原则及 复制使复制准确进行。
精确模板
碱基互补配对
半保留
2、DNA半保留复制的实验证据
（1）同位素标记型（绘图法）
与DNA分子复制有关的计算
2、知识拓展
（2）复制n次与第n次复制（设DNA分子中某碱基数为m）
①复制n次共需要某碱基的数目= m （2n-1）
②第n次复制需要某种碱基的数目
= m （2n-2n-1）
= m 2n-1
2.3 与DNA分子复制有关的计算
2、知识拓展
(3)与染色体相关的计算（绘图法）
1条染色体上的1个DNA
1条染色体上的2个DNA
1条染色单体上的1个DNA
2.3 与DNA分子复制有关的计算
2、知识拓展
(4)与细胞分裂相关的计算（绘图法）
①有丝分裂
第
一
次
有
丝
分
裂
用15N标记1对同源染色体上的2个DNA分子
每条同源染色体上的
每条染色体单体均带有标记
分裂形成2个子细胞，
每个子细胞中的每条
染色体均带有标记
2.3 与DNA分子复制有关的计算
2、知识拓展
①有丝分裂
第
二次
有
丝
分
裂
分裂形成4个子细胞，子细胞类型有4种组合方式
①
①有 的子细胞
带有标记
②
②③有 的子细胞
带有标记
④
④ 子细胞
带有标记
③
1/2
3/4
全部
2、知识拓展
②减数分裂
15N标记1对同源染色体上的两个DNA分子
同源染色体分离
姐妹染色单体分离
分裂形成4个子细胞，全部子细胞中的每条染色体均带有标记。
2、知识拓展
一、概念检测
1．DNA复制是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 复制与染色体复制是分别独立进行的。 （ ）
（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、练习与应用
2．DNA复制保证了亲子代间遗传信息的连续性。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．碱基互补配对原则保证了复制的准确性
C．1个DNA分子复制1次产生4个DNA分子
D．游离的脱氧核苷酸在解旋酶的作用下合成子链
B
2、练习与应用
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
C
2、练习与应用
二、拓展应用
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？
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、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 ～ 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。请你推测果蝇DNA形成多个复制泡的原因。
果蝇DNA的电镜照片
说明果蝇的DNA有多个复制起点，可同时从不同起点开始DNA复制，由此加快DNA复制的速率，为细胞分裂做好物质准备。
2、练习与应用

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