資源簡介

(共58張PPT)
第3節　DNA的復制
第3章　基因的本質
1.說出DNA復制方式的假說及實驗證據。
2.描述DNA復制的過程及精確復制的原因。
3.基于對DNA結構特點的分析,掌握有關的計算規律。
「學習目標」
預習案·自主學習
一、對DNA復制的推測
1.半保留復制
(1)提出者。
沃森和克里克。
(2)假說內容。
①解旋:DNA復制時,DNA雙螺旋解開,互補的堿基之間的 斷裂。
②復制:解開的 分別作為復制的模板,游離的脫氧核苷酸根據 原則,通過形成 ,結合到作為模板的單鏈上。
氫鍵
兩條單鏈
堿基互補配對
氫鍵
(3)特點。
新合成的每個DNA分子中,都保留了原來DNA分子中的一條鏈。
2.全保留復制
DNA復制以DNA雙鏈為模板,子代DNA的雙鏈都是新合成的。
二、DNA半保留復制的實驗證據
1.實驗方法
同位素標記技術和 法。
密度梯度離心
2.實驗原理
15N標記的雙鏈DNA密度大,雙鏈含14N的DNA密度小,一條鏈含14N、一條鏈含15N的雙鏈DNA分子密度 。
3.實驗假設
DNA以 的方式復制。
居中
半保留
4.實驗過程
5.結果分析
(1)親代大腸桿菌:提取DNA→離心→ 。
(2)細胞分裂一次(即細菌繁殖一代):提取DNA→離心→ 。
(3)細胞再分裂一次(即細菌繁殖兩代):提取DNA→離心→
。
6.實驗結論
DNA的復制是以 的方式進行的。
全部重帶
全部中帶
1/2輕帶、1/2中帶
半保留
三、DNA復制的過程
1.相關知識歸納總結
概念 以親代 為模板合成子代DNA的過程
時間 細胞分裂前的　
場所 主要是　
條件 模板、 、能量、酶等
特點 、　
意義 通過復制將 從親代細胞傳遞給子代細胞,從而保持了遺傳信息的連續性
DNA
間期
細胞核
原料
半保留復制
邊解旋邊復制
遺傳信息
2.過程
解旋酶
氫鍵
解開的每一條母鏈
脫氧核苷酸
DNA聚合酶
堿基互補配對
3.DNA準確復制的原因
(1)DNA獨特的 結構,為復制提供了精確的模板。
(2)通過 ,保證了復制能夠準確地進行。
雙螺旋
堿基互補配對
(1)沃森和克里克證明了DNA分子的復制方式是半保留復制。(　 )
×
提示:沃森和克里克提出了半保留復制的假說。
(2)DNA復制遵循堿基互補配對原則,新合成的DNA分子中兩條鏈均是新合成的。(　 　)
×
[正誤判斷]
提示:DNA分子的復制方式為半保留復制,所以子代DNA的兩條鏈中包含了一條母鏈和一條子鏈。
(3)DNA聚合酶的作用位點為兩條脫氧核苷酸鏈之間的氫鍵。(　 )
×
提示:DNA聚合酶的作用位點為一條鏈中相鄰的兩個脫氧核苷酸之間的化學鍵。
(4)在證明DNA復制方式的實驗中,從第一代開始細菌DNA分子中至少有一條鏈含14N。(　 　)
√
(5)DNA分子復制時總是先解旋后復制,而且每個子代DNA分子中都保留了一條母鏈。(　 　)
×
提示:DNA復制是邊解旋邊復制的過程。
探究案·互動探究
探究一　DNA半保留復制的實驗證據
「問題情境」
沃森和克里克在成功構建DNA雙螺旋結構模型之后,提出了遺傳物質自我復制的半保留假說,但也有人持不同觀點,提出全保留復制等不同假說。如圖所示,思考回答下列問題。
(1)用什么技術區分來自模板DNA的母鏈與新合成的DNA子鏈
提示:同位素標記技術。
(2)若DNA復制方式是半保留復制,則預期實驗結果:
①立即取出,提取DNA,離心,獲得15N/15N-DNA。
②繁殖一代,提取DNA,離心,獲得　 。
③繁殖兩代,提取DNA,離心,獲得　 和　 。
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
(3)如果全保留復制是正確的,實驗預期又會怎樣
提示:第一代細菌的DNA中,1/2為15N/15N-DNA,1/2為14N/14N-DNA;第二代細菌的DNA中,1/4為15N/15N-DNA,3/4為14N/14N-DNA。第一代DNA分子離心后,1/2在離心管的底部,1/2 在離心管的上部;第二代DNA分子離心后,1/4 在離心管的底部,3/4在離心管的上部。
1.細菌在含15N的培養液中繁殖數代后,細菌DNA的含氮堿基皆含有15N,然后再將其移入含14N的培養液中培養,提取親代及子代的DNA離心分離,如圖①～⑤為可能的結果,下列敘述錯誤的是(　 　)
A.子一代DNA應為②
B.子二代DNA應為①
C.子三代DNA應為④
D.親代的DNA應為⑤
「即時應用」
C
解析:親代DNA兩條鏈全為15 N,應為⑤,復制一代后,DNA一條鏈為15N、一條鏈為14N,應為②;復制兩代后形成4個DNA,其中2個DNA的兩條鏈全為14N,2個DNA的一條鏈為15N、一條鏈為 14N,應為①;復制三代后形成8個DNA,其中6個DNA兩條鏈全為 14N,2個DNA的一條鏈為 14N、一條鏈為 15N,應為③。
2.把含14N的大腸桿菌培養在氮源為15N的培養液中,完成一次細胞分裂后,再放回氮源為14N的環境中培養,DNA復制一次后,將大腸桿菌進行密度梯度離心,分離DNA(如圖所示)。如果DNA是以半保留方式復制,則離心后DNA組成分析應為(　 　)
A.3/4輕氮型,1/4重氮型
B.1/4輕氮型,3/4中間型
C.1/2中間型,1/2重氮型
D.1/2輕氮型,1/2中間型
D
大腸桿菌密度梯度離心結果模式圖
解析:將含14N的大腸桿菌轉移到含15N的培養液中,完成一次細胞分裂后所形成的子代DNA分子都是中間型,再放回原環境中復制一次后,形成的DNA分子,其中有1/2 DNA分子的一條鏈含15N,另一條鏈含14N;其他DNA分子兩條鏈均含14N,所以子代DNA組成分析為1/2輕氮型、1/2中間型。
探究二　DNA復制的過程及相關計算
「問題情境」
如圖為真核細胞DNA分子復制示意圖,如果用15N標記該DNA分子的兩條鏈,讓其在含有14N的環境中復制n次,結合DNA分子半保留復制的特點,思考并回答下列問題。
(1)圖中所示的A酶有什么作用 該過程主要發生在何時期
提示:A酶是解旋酶,作用于堿基之間的氫鍵,使DNA雙螺旋結構打開。該過程主要發生在細胞分裂前的間期。
(2)從圖中可以看出DNA復制有多個起點,分析意義。
提示:DNA復制從多個起點開始,能提高復制效率。
(3)復制n次后,DNA分子總數和含有15N的DNA分子數分別是多少
提示:2n個;2個。
(4)復制n次后,DNA分子中含14N的DNA分子數和只含14N的DNA分子數分別是多少
提示:2n個;(2n-2)個。
(5)復制n次后,DNA分子中脫氧核苷酸鏈數、含15N的脫氧核苷酸鏈數、含14N的脫氧核苷酸鏈數分別是多少
提示:2n+1條;2條;(2n+1-2)條。
1.DNA復制的起點和方向
(1)原核生物:單起點雙向復制。
歸納總結
(2)真核生物:多起點雙向復制。
在復制速率相同的前提下,圖中DNA是從其最右邊開始復制的,這種復制方式提高了DNA復制的效率。
2.“圖解法”分析DNA復制相關計算
將含有15N的DNA分子放在含有14N的培養液中培養,復制n次,則:
(1)DNA分子數。
①子代DNA分子數=2n個。
②含有親代DNA鏈的子代DNA分子數=2個。
③不含親代DNA鏈的子代DNA分子數=(2n-2)個。
(2)脫氧核苷酸單鏈數。
①子代DNA分子中脫氧核苷酸單鏈總數=2n+1條。
②親代脫氧核苷酸單鏈數=2條。
③新合成的脫氧核苷酸單鏈數=(2n+1-2)條。
(3)消耗的脫氧核苷酸數:若一親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個,經過n次復制共需要消耗該脫氧核苷酸m(2n-1)個;第n次復制,消耗該脫氧核苷酸數為m·2n-1。
3.某親本DNA分子雙鏈均以白色表示,以灰色表示第一次復制出的DNA子鏈,以黑色表示第二次復制出的DNA子鏈,該親本雙鏈DNA分子連續復制兩次后的產物是(　 　)
「即時應用」
D
A B
C D
解析:親代DNA雙鏈用白色表示,DNA復制方式是半保留復制,因此復制一次后得到的兩個DNA分子只含有白色和灰色,而第二次復制得到的四個DNA分子以這兩個DNA分子的四條鏈為模板合成的四個DNA分子中,都含有黑色的DNA子鏈。
4.用15N標記含有200個堿基對的DNA分子,其中有胞嘧啶60個。該DNA分子在14N環境中連續復制4次,其結果可能是(　 　)
A.含14N的DNA占全部DNA的7/8
B.含15N的單鏈占全部鏈的1/16
C.復制過程中需要游離腺嘌呤脫氧核苷酸600個
D.子代DNA中嘌呤與嘧啶之比是2∶3
B
解析:由于DNA分子的復制是半保留復制,最終只有2個子代DNA含1條15N鏈和1條14N鏈,其余DNA都只含14N,故全部子代DNA都含14N;不管復制幾次,最終子代DNA都保留親代DNA的2條母鏈,故最終有2個子代DNA含15N,所以含有15N的單鏈占2÷(16×2)=1/16;含有200個堿基對、400個堿基的DNA分子,其中有胞嘧啶60個,求得A有140個,故復制過程中需腺嘌呤脫氧核苷酸(16-1)×140=2 100(個);由于DNA中C=G、A=T,所以(A+G)∶(T+C)=1∶1,即子代DNA中嘌呤與嘧啶之比為1∶1。
有關DNA復制和計算的3點“注意”
(1)DNA中氫鍵可由解旋酶催化斷裂,同時需要ATP供能,也可加熱斷裂(體外);而氫鍵是自動形成的,不需要酶和能量。
(2)注意“DNA復制了n次”和“第n次復制”的區別,前者包括所有的復制過程,后者只包括第n次的復制過程。
(3)DNA復制計算時看清題中所給出的是“堿基對”還是“堿基”;所問的是“DNA分子數”還是“鏈數”,是“含”還是“只含”。
方法技巧
課堂小結
思維導圖 金句必備
1.DNA復制需要模板、原料以及酶和能量等基本條件。
2.DNA復制的特點是邊解旋邊復制和半保留復制。
3.DNA獨特的雙螺旋結構,為復制提供了精確的模板;通過堿基互補配對,保證了復制能夠準確地進行。
4.真核細胞的DNA復制場所并非只在細胞核中,線粒體、葉綠體中也能進行DNA復制。
5.并非所有細胞都進行DNA復制,只有分裂的細胞才能進行DNA復制。
隨堂檢測
1.在生物圈中,現今發現的物種數量近千萬種,這些生物親子代間幾乎保持驚人的一致,這都歸功于遺傳物質DNA,DNA相對穩定的結構保證了遺傳的穩定性。下列關于細胞中DNA分子復制的敘述,錯誤的是(　 　)
A.是以親代DNA的其中一條鏈為模板合成子代DNA的過程
B.需要酶、模板、原料、能量等條件
C.復制過程中DNA聚合酶催化脫氧核苷酸之間形成磷酸二酯鍵
D.DNA具有獨特的雙螺旋結構是DNA能夠準確復制的原因之一
A
1
2
3
4
1
2
3
4
解析:DNA分子復制是以親代DNA的兩條鏈為模板合成子代DNA的過程;DNA分子復制需要酶(解旋酶、DNA聚合酶)、模板(母本DNA的兩條鏈)、原料(4種脫氧核苷酸)、能量等條件;DNA聚合酶的作用是將游離的脫氧核苷酸連成脫氧核苷酸鏈,即催化連接上一個脫氧核苷酸和下一個脫氧核苷酸之間的化學鍵(磷酸二酯鍵);DNA獨特的雙螺旋結構為其復制提供了精確的模板,所以DNA具有獨特的雙螺旋結構是DNA能夠準確復制的原因之一。
2.用14N標記大腸桿菌的擬核DNA(腺嘌呤約占32%),然后轉移到以15NH4Cl為唯一氮源的培養液中。培養1 h后,提取子代大腸桿菌的DNA并解開其雙螺旋形成單鏈,然后進行密度梯度離心,結果得到如圖所示兩種條帶。下列說法錯誤的是(　 　)
A.子代大腸桿菌擬核DNA中胞嘧啶約占18%
B.該大腸桿菌的繁殖周期大約為20 min
C.根據條帶的數目和位置可以確定DNA的復制方式
D.直接將子代DNA進行密度梯度離心也能得到兩條條帶
2
3
4
1
C
解析:擬核DNA中腺嘌呤約占32%,由于大腸桿菌DNA為雙鏈DNA,可知DNA分子中嘌呤數和嘧啶數相等,各占堿基總數比例的50%,因此,子代大腸桿菌DNA中胞嘧啶(C)和鳥嘌呤(G)相等,約占50%-32%=18%;圖中顯示,14N單鏈∶15N單鏈=1∶7,而14N鏈只會有2個,因此大腸桿菌培養1 h后,產生的DNA分子數目為(2+14)÷2=8=23,說明DNA復制了3次,因此可推知該細菌的細胞周期大約為60÷3=20(min);由于DNA解開雙螺旋形成了單鏈,所以根據條帶的數目和位置只能判斷DNA單鏈的標記情況,但無法判斷DNA的復制方式;大腸桿菌的DNA經過3次復制后產生了8個子代DNA分子,其中有兩個DNA分子是一條鏈含有14N,一條鏈含有15N,另外6個DNA分子均只含有15N,因此直接將子代DNA進行密度梯度離心也能得到兩條條帶。
2
3
4
1
3.下列有關真核細胞內的DNA及其復制過程的敘述,正確的是
(　 　)
A.子鏈延伸時游離的脫氧核苷酸添加到3′端
B.DNA的復制過程只發生在細胞核
C.DNA每條鏈的5′端是羥基末端
D.DNA聚合酶的作用是打開DNA雙鏈
A
3
4
1
2
3
4
1
2
解析:子鏈延伸時是5′→3′,故游離的脫氧核苷酸添加到3′端;
DNA的復制主要發生在細胞核,但線粒體、葉綠體中DNA也可以復
制;DNA每條鏈的5′端是磷酸基團末端,3′端是羥基末端;解旋酶的作用是打開DNA雙鏈。
4.(多選)下圖為真核細胞內某基因(15N標記)的部分結構示意圖,該基因全部堿基中A占20%。下列說法正確的是(　 　)
A.該基因的特異性表現在堿基種類上
B.DNA聚合酶催化①和③處化學鍵的形成
C.該基因的一條脫氧核苷酸鏈中(C+G)/(A+T)為3/2
D.將該基因置于14N培養液中復制3次后,含15N的DNA分子占1/4
1
2
3
4
CD
解析:DNA的特異性與堿基的數目和排列順序有關,與其種類無關;
DNA聚合酶是催化相鄰核苷酸間形成磷酸二酯鍵,即催化③處化學鍵的形成,不催化①處氫鍵的形成;該基因中T=A=20%,G=C=30%,則該基因中(C+G)/(A+T)為3/2,根據堿基互補配對原則,DNA分子的一條單鏈中(C+G)/(A+T)的值等于其互補鏈和整個DNA分子中該種比例的值,因此該基因的一條脫氧核苷酸鏈中(C+G)/(A+T)也為3/2;根據DNA半保留復制的特點,將該基因置于14N培養液中復制3次后,共形成子代DNA數為23=8(個),其中含15N的DNA分子是2個,即含15N的DNA分子占1/4。
1
2
3
4
聯系實際·遷移應用
雙鏈DNA是由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈組成的。早在1966年,分子生物學家岡崎提出DNA半不連續復制假說:DNA復制形成互補子鏈時,一條子鏈是連續形成,另一條子鏈不連續即先形成短鏈片段
(如圖1)。
為驗證這一假說,岡崎進行了如下實驗:讓T4噬菌體在20 ℃時侵染大腸桿菌70 min后,將同位素3H標記的脫氧核苷酸添加到大腸桿菌的培養基中,在2 s、7 s、15 s、30 s、60 s、120 s后,分離T4噬菌體DNA并通過加熱使DNA分子變性、全部解螺旋,再進行密度梯度離心,以DNA單鏈片段分布位置確定片段大小(分子越小到試管口距離越近),并檢測相應位置DNA單鏈片段的放射性,結果如圖2。
探究:(1)把3H標記的脫氧核苷酸添加到大腸桿菌的培養基中,最終在噬菌體DNA中檢測到放射性,其原因是什么
提示:標記的脫氧核苷酸被大腸桿菌吸收,為噬菌體DNA復制提供
原料。
(2)若1個雙鏈DNA片段中有1 000個堿基對,其中胸腺嘧啶350個,該DNA連續復制四次,在第四次復制時需要消耗多少個胞嘧啶脫氧核苷酸 復制四次后含親代脫氧核苷酸鏈的DNA有多少個
提示:5 200個。2個。
(3)圖2中,與60 s結果相比,為什么120 s結果中短鏈片段會減少 該實驗結果為岡崎假說提供的有力證據是什么
提示:短鏈片段連接成長鏈片段。在實驗時間內細胞中均能檢測到較多的短鏈片段。
1.有絲分裂中染色體的標記情況
用15N標記細胞的DNA分子,然后將其放到含14N的培養液中進行兩次有絲分裂,情況如圖所示(以一對同源染色體為例)。
【知識方法】
微課4　DNA復制與細胞分裂中的染色體標記問題
由圖可以看出,第一次有絲分裂形成的兩個細胞中所有的DNA分子都呈“雜合狀態”,即15N/14N-DNA;第二次有絲分裂形成的子細胞有多種可能性,可能子細胞的所有染色體都含15N,也可能子細胞的所有染色體都不含15N,即子細胞含有15N的染色體為0～2n條(體細胞染色體為2n條)。
規律總結:若只復制一次,產生的子染色體都帶有標記,若復制
兩次,產生的子染色體只有一半帶有標記。
2.減數分裂中染色體的標記情況
用15N標記細胞的DNA分子,然后將其放到含14N的培養液中進行正常減數分裂,情況如圖所示(以一對同源染色體為例):
由圖可以看出,在減數分裂過程中細胞連續分裂兩次,DNA只復制一次,所以四個子細胞中所有的DNA分子都是15N/14N-DNA,子細胞的所有染色體都含15N。
【突破訓練】
1.EdU能在細胞增殖時摻入正在合成的DNA分子中,進而被熒光染料Appollo特異性染色。若用含EdU的培養基培養擬南芥體細胞(2n=10)若干代,再在不含EdU的培養基中連續培養兩代。下列關于同一細胞連續分裂過程的敘述正確的是(　 　)
A.第二次分裂后期有10條染色體被熒光染料標記
B.第一次分裂后期有20條染色單體被熒光染料標記
C.第二次分裂中期有20條染色單體被熒光染料標記
D.第一次分裂中期有10條染色單體被熒光染料標記
A
解析:用含有EdU的培養基培養擬南芥體細胞若干代后,體細胞的每個DNA分子的2條鏈都被EdU標記,然后在不含EdU的培養基上連續培養兩代。在分裂間期染色體進行復制,根據DNA分子的半保留復制方式,第一次分裂中期有20條染色單體被熒光染料標記,第一次分裂后期(不存在染色單體)有20條染色體被熒光染料染色,第一次分裂結束產生的子細胞的10條染色體上的 10個DNA分子中,每個DNA分子都有一條鏈被EdU標記,一條鏈不被標記;在第二次分裂的間期染色體進行復制,在第二次有絲分裂的前期和中期細胞中的10條染色體中有10條染色單體被熒光染料染色,有10條染色單體未被熒光染料染色,因此在第二次有絲分裂后期有10條染色體被熒光染料染色。
2.將正常生長的玉米根尖分生區細胞放在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養液中,待其完成一個細胞周期后,再轉入不含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養液中培養,讓其再完成一個細胞周期。此時獲得的子細胞內DNA分子不可能為(只考慮其中一對同源染色體上的DNA分子)(　 　)
A.② B.①② C.③ D.③④
A
解析:將正常生長的玉米根尖分生區細胞放在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養液中培養一個細胞周期,根據DNA半保留復制的特點,細胞中每個DNA分子均為一條鏈含3H,另一條鏈不含3H;然后轉入不含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養液中培養一個細胞周期,由于在有絲分裂后期,著絲粒分裂,姐妹染色單體分離,形成的子染色體隨機移向細胞兩極,故得到的子細胞有兩種組合,具體過程如圖所示(圖中第二次有絲分裂以第一次有絲分裂產生的1個子細胞為例)
結合題圖,兩次有絲分裂產生的子細胞類型不可能出現題圖②所示情況。
3.在含有BrdU的培養液中進行DNA復制時,BrdU會取代胸苷摻入到新合成的鏈中,形成BrdU標記鏈。用某種熒光染料對復制后的染色體進行染色,發現含半標記DNA(一條鏈被標記)的染色單體發出明亮熒光,含全標記DNA(兩條鏈均被標記)的染色單體熒光被抑制(無明亮熒光)。若將一個細胞置于含BrdU的培養液中,培養到第二個細胞周期的中期進行染色并觀察。下列推測正確的是
(　 　)
A.1/2的染色體熒光被抑制 B.1/4的染色單體發出明亮熒光
C.1/2的DNA分子被BrdU標記 D.3/4的DNA單鏈被BrdU標記
D
解析:由題意可知,細胞進行有絲分裂,在第二次有絲分裂中期,所有的染色體中都有一條染色單體的DNA的一條鏈中含有BrdU,所以每條染色體中都有一條染色單體能發出明亮熒光;新的DNA分子的合成是以BrdU為原料進行的半保留復制,所以新合成的DNA分子全部被BrdU標記;細胞復制2次,共形成4個DNA分子,共8條單鏈,只有
2條單鏈沒有被標記,所以被BrdU標記的DNA單鏈共有6條,比例
為3/4。
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