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第三章 基因的本质
第3节 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。”
讨论：
碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
你认为证明某一种物质是遗传物质的可行方法有哪些
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。
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。
对DNA复制的推测
沃森和克里克紧接着发表第二篇论文，提出了遗传物质自我复制的假说。
(1)DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂。
DNA双螺旋
DNA双螺旋解开
氢键断裂
对DNA复制的推测
沃森和克里克紧接着发表第二篇论文，提出了遗传物质自我复制的假说。
(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。
模板
子链
模板
子链
对DNA复制的推测
沃森和克里克紧接着发表第二篇论文，提出了遗传物质自我复制的假说。
(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。
(1)DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂。
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，这种复制方式被称做半保留复制。
对DNA复制的推测
半保留复制提出后，也有人持不同观点，提出不同假说。
全保留复制
指DNA复制以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。
分散复制
在子代DNA两条链中，母链和子链片段镶嵌存在。
DNA半保留复制的实验证据
实验思路
通过实验区分亲代和子代的DNA。
采取什么办法可以在实验中直观地 “标识”母链或子链？
如果采用放射性同位素标记，可以选择哪些元素？
同位素标记技术（放射性同位素或稳定性同位素）
14C 、32P 、3H
怎么使得DNA链标记上放射性？
用含放射性元素的培养液培养实验生物一段时间，使其繁殖若干代，其DNA几乎都有被标记上放射性，再转移到普通培养液中培养，则此时DNA复制后产生的子链不再具有放射性
DNA半保留复制的实验证据
实验思路
通过实验区分亲代和子代的DNA。
在不同猜想下，用放射性同位素标记的DNA复制一代与两代后，子代DNA的存在形式是怎样的？
14C
14C
亲代
子一代
子二代
12C
14C
12C
14C
12C
12C
半保留复制
14C
14C
12C
12C
14C
14C
12C
12C
14C
14C
全保留复制
14C
14C
14C\12C
14C\12C
分散复制
用放射性同位素标记DNA可以区分开不同的复制方式吗？
这种方法只能检查到整体有还是没有放射性，不能区分每一条链有无放射性
DNA半保留复制的实验证据
实验思路
通过实验区分亲代和子代的DNA。
同位素除了有无放射性的差别外，还有什么区别？
既然不需要放射性同位素标记，用哪种同位素标记DNA更好？
相对分子质量不同
稳定同位素： 15N 、18O
在不同猜想下，用稳定同位素标记的DNA复制一代与两代后，子代DNA的密度有什么区别？
DNA半保留复制的实验证据
实验思路
通过实验区分亲代和子代的DNA。
在不同猜想下，用稳定同位素标记的DNA复制一代与两代后，子代DNA的密度有什么区别？
15N
15N
亲代
子一代
子二代
14N
15N
14N
15N
14N
14N
半保留复制
15N
15N
14N
14N
15N
15N
14N
14N
15N
15N
全保留复制
15N
15N
15N\14N
15N\14N
分散复制
15N
15N
密度最大
14N
15N
密度适中
14N
14N
密度最小
DNA半保留复制的实验证据
实验思路
通过实验区分亲代和子代的DNA。
有什么方法可以直观的区分出三个猜想下的子代DNA？
通过超离心机对某一介质（氯化铯等） 长时间加一个离心力，使其在离心管 内从液面到底部出现一定的密度梯度。
方法：密度梯度离心
密度最大
密度适中
密度最小
DNA半保留复制的实验证据
实验思路
通过实验区分亲代和子代的DNA。
有什么方法可以直观的区分出三个猜想下的子代DNA？
方法：密度梯度离心
亲代
子一代
子二代
半保留复制
全保留复制
分散复制
DNA半保留复制的实验证据
实验过程
科学家：梅塞尔森和斯塔尔
材料：大肠杆菌
技术：同位素标记法（稳定性同位素15N）、密度梯度离心法
科学方法：假说-演绎法
提出问题
作出假设
演绎推理
实验验证
得出结论
DNA复制的机制是怎样的？
DNA复制的方式是半保留复制
DNA半保留复制的实验证据
实验过程
科学方法：假说-演绎法
提出问题
作出假设
演绎推理
实验验证
得出结论
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
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
DNA半保留复制的实验证据
实验过程
科学方法：假说-演绎法
提出问题
作出假设
演绎推理
实验验证
得出结论
15N/15N-DNA
提取DNA，离心
重带
①大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代，提取DNA，离心
DNA半保留复制的实验证据
实验过程
科学方法：假说-演绎法
提出问题
作出假设
演绎推理
实验验证
得出结论
15N/14N-DNA
提取DNA，离心
中带
②大肠杆菌转移到含14NH4Cl的培养液中，细胞分裂一次，提取DNA，离心
DNA半保留复制的实验证据
实验过程
科学方法：假说-演绎法
提出问题
作出假设
演绎推理
实验验证
得出结论
15N/14N-DNA
提取DNA，离心
中带
③细胞再分裂一次，提取DNA，离心
14N/14N-DNA
轻带
DNA半保留复制的实验证据
实验过程
科学方法：假说-演绎法
提出问题
作出假设
演绎推理
实验验证
得出结论
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
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
DNA半保留复制的实验证据
实验过程
科学方法：假说-演绎法
提出问题
作出假设
演绎推理
实验验证
得出结论
实验结果表明：DNA的复制是以半保留的方式进行的
DNA复制的过程
概念：以亲代DNA的两条链为模板合成子代DNA的过程。
时间：细胞分裂前的间期，随着染色体的复制而完成。
场所：
真核生物——
原核生物——
细胞核（主要）、线粒体、叶绿体
拟核、质粒
条件：
亲代DNA的两条链
4种游离的脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶等
能量
模板
原料
酶
过程
DNA复制的过程
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。
过程
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
合成子链——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
复旋——随着模板链解旋过程的进行，新合成的子链也在不断延伸，每条新子链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构
DNA复制的过程
DNA复制的过程
边解旋边复制
半保留复制
多起点双向复制（真核细胞）
复制特点
复制结果
形成两个完全相同的DNA分子
从子链的5' 端向 3' 端延伸
方向:
DNA复制的过程
DNA准确复制的原因
①DNA独特的双螺旋结构，为复制提供精确的模板。
②通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。
DNA复制的意义
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。
与DNA分子复制相关的计算
DNA分子的复制方式为半保留复制，将一个被15N标记的DNA分子转移到含14N的培养基中复制n代。
子代DNA分子数_______个；
含亲代DNA链的子代DNA分子数______个；
不含亲代DNA链的子代DNA分子数______个；
2n
2
2n - 2
子代DNA分子中脱氧核苷酸链数 条
亲代脱氧核苷酸链数 条
新合成的脱氧核苷酸链数 条
2n+1
2
2n＋1-2
脱氧核苷酸
链数
DNA分子数
消耗的脱氧核苷酸数
若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数____________个
m*(2n - 1)
第n次复制需该脱氧核苷酸数____________个
m*2n-1
DNA复制与细胞分裂中的染色体标记问题
解题关键：构建细胞分裂过程模型图，并完成染色体与DNA的转换
第一步
画出含一条染色体的细胞图，下方画出该条染色体上的一个DNA分子，用竖实线表示含同位素标记
第二步
画出复制一次，分裂一次的子细胞染色体图，下方画出染色体上的DNA链，未被标记的新链用竖虚线表示
DNA复制与细胞分裂中的染色体标记问题
解题关键：构建细胞分裂过程模型图，并完成染色体与DNA的转换
第三步
再画出第二次复制(分裂)后的细胞的染色体组成和DNA链的情况
第四步
若继续推测后期情况，可想象着丝粒分裂，染色单体(a与a’)分开的情景，进而推测子细胞染色体情况
DNA复制与细胞分裂中的染色体标记问题
解题关键：构建细胞分裂过程模型图，并完成染色体与DNA的转换
例题：蚕豆根尖细胞在含3H标记胸腺嘧啶脱氧核苷的培养基中完成一个细胞周期，然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期，其染色体的放射性标记分布情况是（　　）
A.每条染色体中都只有一条单体被标记
B.每条染色体的两条单体都不被标记
C.只有半数的染色体中一条单体被标记
D.每条染色体的两条单体都被标记
B
随堂检测
细菌在含15N的培养基中繁殖数代后，细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后再将其移入含14N的培养基中培养，抽取亲代及子代的DNA，离心分离，如图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是（ ）
A．该实验运用了密度梯度离心法和同位素标记技术
B．子一代结果若为②，可以排除全保留复制的学说
C．根据半保留复制学说，推测子二代结果应为③
D．若加入解旋酶后离心，推测子一代结果应为①
C
随堂检测
下图是某个DNA分子片段，其中①③代表化学键，②④代表某种结构。下列叙述正确的是（　　）
A．复制过程中①的形成需要DNA聚合酶
B．②指的是腺嘌呤脱氧核苷酸
C．③的形成和断裂都需要酶
D．④指的是腺嘌呤核糖核苷酸
A

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