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(共47張PPT)
第3章 基因的本質
3.3 DNA的復制
（第一課時）
本節(jié)內(nèi)容
DNA復制的推測——假說-演繹法DNA的復制及相關計算
DNA的復制過程
一、學習目標
二、重難點
1.運用假說一演繹法探究DNA的復制方式，
概述DNA通過半保留方式進行復制。
2.通過對DNA半保留復制方式的學習，
理解DNA的準確復制是遺傳信息穩(wěn)定傳遞的基礎
3.概述DNA復制的條件、過程和特點
1.運用假說一演繹法探究DNA的復制方式。
2.DNA復制的條件、過程和特點。
（1）DNA是由幾條鏈構成的？它具有怎樣的立體結構？
（2）DNA的基本骨架是由哪些物質組成的？
它們分別位于DNA的什么部位呢？
（3）DNA中的堿基是如何配對的？它們位于DNA的什么部位？
DNA是由兩條鏈構成的。
這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構。
DNA的基本骨架包括脫氧核糖和磷酸，
它們排列在DNA的外側。
DNA中的堿基通過氫鍵連接成堿基對，它們位于DNA的內(nèi)側。堿基配對有一定的規(guī)律：A與T配對；G與C配對。
溫故知新：
問題探討
沃森和克里克在發(fā)表DNA雙螺旋結構的那篇著作短文的結尾處寫道：“值得注意的是，我們提出的這種堿基特異性配對方式，暗示著遺傳物質進行復制的一種可能的機制。”
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.
1.堿基互補配對原則暗示DNA的復制機制可能是怎樣的？
堿基互補配對原則是指DNA兩條鏈的堿基之間有準確的一一對應關系，暗示DNA的復制可能要先解開DNA雙螺旋的兩條鏈，然后通過堿基互補配對合成互補鏈。
2.這句話中為什么要用“可能”二字？這反應科學研究具有什么特點？
科學研究需要大膽的想象，但是得出結論必須建立在確鑿的實驗證據(jù)之上。
假說—演繹法
對DNA復制的推測及證據(jù)——假說-演繹法
一、對DNA復制的推測——假說-演繹法
（一）提出問題
DNA是如何復制的？
（二）作出假說
推測可能的復制方式。
1.半保留復制
①DNA復制時，DNA雙螺旋解開，互補的堿基之間的氫鍵斷裂；
②解開的兩條單鏈分別作為復制的模板，游離的脫氧核苷酸依據(jù)
堿基互補配對原則， 通過形成氫鍵，結合到作為模板的單鏈上；
③新合成的每個DNA分子中，都保留了原來DNA分子中的一條鏈，
這種復制方式被稱做半保留復制。
（二）作出假說
新復制出的分子直接形成，
完全沒有舊的部分。
新復制的分子中新舊都有，但分配是隨機組合的。
2.全保留復制
3. 分散復制（彌散復制）
用紅色表示親代DNA的兩條鏈，用黑色表示新合成的DNA鏈，請分別畫出半保留復制和全保留復制的示意圖。
對DNA復制的推測
親代DNA
子一代DNA
子二代DNA
1.全保留復制
親代DNA
子一代DNA
子二代DNA
2.半保留復制
到底哪種假說正確呢？
二、作出假說
半保留復制
全保留復制
彌散復制
+
+
+
關鍵思路：通過實驗區(qū)分親代和子代的DNA。
疑問：到底哪種假說正確呢？
對DNA復制的實驗證據(jù)
DNA半保留復制的實驗證據(jù)
15N 和 14N是N元素的兩種穩(wěn)定同位素，這兩種同位素的相對原子質量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大，因此，利用離心技術可以在試管中區(qū)分含有不同N元素的DNA。
低
高
密度
1.科學家：美國生物學家梅塞爾森（M.Meselson）和斯塔爾（F.Stahl）
大腸桿菌
2.實驗材料:
4.科學方法：同位素標記法、密度梯度離心法
3.實驗原理 ：
5.實驗過程：
（1）用含15NH4Cl的培養(yǎng)液培養(yǎng)大腸桿菌，培養(yǎng)若干代，得到DNA被15N標記的大腸桿菌。
（2）將大腸桿菌轉移至的含14N普通培養(yǎng)基中培養(yǎng)，在不同時刻收集大腸桿菌，提取DNA進行離心，記錄離心后試管中DNA的位置。
1.半保留復制
15N / 14N-DNA
15N / 15N-DNA
14N / 14N-DNA
15N / 14N-DNA
15N
14N
15N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
15N
細胞再 分裂一次
轉移到含14NH4Cl的培養(yǎng)液中
細胞分裂一次
提出DNA離心
提出DNA離心
提出DNA離心
P
F1
F2
三、演繹推理
2.全保留復制
15N
14N
15N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
15N
P
F1
F2
15N / 15N-DNA
15N / 15N-DNA
14N / 14N-DNA
15N / 15N-DNA
細胞再 分裂一次
轉移到含14NH4Cl的培養(yǎng)液中
細胞分裂一次
提出DNA離心
提出DNA離心
提出DNA離心
14N / 14N-DNA
三、演繹推理
3.分散復制
14N / 15N-DNA
15N / 15N-DNA
14N / 15N-DNA
15N
14N
15N
15N
15N
14N
14N
15N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
細胞再 分裂一次
轉移到含14NH4Cl的培養(yǎng)液中
細胞分裂一次
提出DNA離心
提出DNA離心
提出DNA離心
P
F1
F2
三、演繹推理
四、實驗驗證
得出結論
實驗結果與預期相符，證明DNA的復制是以半保留的方式進行的。
第一代
重帶
第二代
中帶
第三代
輕帶
中帶
排除
全保留復制
排除
分散復制
證明DNA的復制是半保留復制
五、實驗結論
DNA半保留復制的實驗證據(jù)
[正誤辨析]
(1)克里克和沃森證明了DNA復制為半保留復制。(　　)
(2)DNA半保留復制的實驗用到了放射性同位素標記技術。(　　)
(3)全保留復制的子代DNA的雙鏈都是新合成的。(　　)
×
×
√
結合教材P54“證明DNA半保留復制”的實驗，思考并回答下列有關問題。
(1)用鉛筆在圖中畫出預期的結果
探究 突破
提示：
1．將DNA全部用15N進行標記的大腸桿菌置于含有14NH4Cl的普通培養(yǎng)液中，使大腸桿菌連續(xù)繁殖三代，利用離心技術檢測DNA的離心位置，圖中陰影是離心結果，則親代、子一代、子二代、子三代DNA帶依次是(　　)
A．①②③④　　　　　　
B．③①④②
C．①③②④
D．①②④③
對應訓練
B
解析：據(jù)題意，親代DNA為15N/15N－DNA，離心結果為③；
子一代DNA為14N/15N－DNA，離心結果為①；
子二代DNA為1/214N/14N－DNA、1/214N/15N－DNA，離心結果為④；子三代DNA為3/414N/14N－DNA、1/414N/15N－DNA，離心結果為②，B正確。
[歸納總結]
假說—演繹法分析DNA半保留復制的實驗
(1)假說：DNA的復制是半保留復制。
(2)演繹推理
①親代大腸桿菌的DNA的兩條鏈都被15N標記，DNA相對分子質量最大，離心時應該靠近試管的底部。
②如果DNA兩條鏈中都含有14N，那么DNA相對分子質量最小，離心時應該在試管的上部。
③如果DNA兩條鏈中一條含有15N，一條含有14N，那么DNA在離心時應該在試管的中部。
(3)實驗結果
①親代大腸桿菌的DNA帶只有一條，位置靠近試管底部。
②第一代細菌(DNA復制了一次)的DNA帶只有一條，在試管中的位置居中。
③第二代細菌(DNA復制了兩次)的DNA有兩條，在試管中的位置一條居中，另一條靠上。
(4)實驗結論：DNA的復制方式為半保留復制。
DNA復制的過程
DNA復制的過程
1.DNA復制的概念是什么 什么時期？
2.DNA復制過程怎么進行
3.DNA復制過程需要哪些條件
4.DNA復制過程有何特點
5.DNA復制有何生物學意義
任務：
閱讀教材55-56頁內(nèi)容，討論并回答以下問題：
一、DNA復制的過程
有絲分裂前的間期和減數(shù)第一次分裂前的間期,
隨著染色體的復制而完成。（真核生物）
2.時期
3.場所
（1）真核生物：
1.概念
指以親代DNA的兩條鏈為模板合成子代DNA的過程。
葉綠體、線粒體
（2）原核生物：
細胞核（主要）
擬核、細胞質（質粒）
4.過程
（3）病毒：
宿主細胞內(nèi)
（1）解旋：在ATP的驅動下，解旋酶將DNA雙螺旋的兩條鏈解開。
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
3'
5'
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
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C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
3'
5'
ATP
解旋酶
4.過程
（2）定序：游離的脫氧核苷酸按堿基互補配對原則隨機地與兩條
母鏈的堿基配對，確定子鏈的脫氧核苷酸排列順序。
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
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C
C
G
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T
A
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C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
3'
5'
A
C
G
C
A
A
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C
T
A
G
T
C
A
T
T
A
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
形成氫鍵
4.過程
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
C
G
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
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A
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A
3'
5'
A
C
G
C
A
A
G
C
T
A
G
T
C
A
T
T
A
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
（3）合成子鏈：在DNA聚合酶的催化下從母鏈的3'端把子鏈的脫氧
核苷酸聚合成脫氧核苷酸鏈。
合成方向：
子鏈的延伸方向5'端→ 3'端
形成磷酸二酯鍵
A
C
G
C
A
A
G
C
T
A
G
T
C
A
T
T
A
DNA聚合酶
5'
3'
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
5'
3'
ATP
ATP
4.過程
（4）形成子代DNA分子：
每條新鏈與其對應的模板鏈盤繞成雙螺旋結構。
C
C
G
T
A
G
T
A
T
A
C
G
G
C
T
A
G
C
C
G
T
A
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G
G
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C
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T
A
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A
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C
C
G
A
T
A
T
C
G
A
T
C
G
T
A
T
A
T
A
A
3'
5'
A
C
G
C
A
A
G
C
T
A
G
T
C
A
T
T
A
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
5'
3'
T
A
G
C
C
G
T
A
T
A
G
C
C
G
A
T
A
T
3'
5'
T
T
A
C
G
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
5'
3'
4.過程
4.過程
+
③新合成的二個DNA堿基順序是否相同？
不同，互補
相同
不同，互補
結果:形成兩個完全相同的DNA分子。
①二條母鏈的堿基順序是否相同？
②二條子鏈的堿基順序是否相同？
1.條件
2.原則
（3）能量
親代DNA的兩條鏈
4種游離的脫氧核苷酸
一般是ATP
（1）模板
（2）原料
（4）酶
堿基互補配對原則
3.特點
①邊解旋邊復制 (從過程上看)
②半保留復制 (從結果上看)
加快復制速度，減少DNA突變可能
保證了復制的準確進行
總結：
解旋酶（使氫鍵斷裂）
DNA聚合酶（連接磷酸二酯鍵）
DNA連接酶（DNA片段之間的磷酸二酯鍵）
氫鍵的形成是自發(fā)的，不需要能量和酶
5.DNA精確復制的原因
（1）DNA獨特的雙螺旋結構，為復制提供了精確的模板。
（2）通過堿基互補配對原則，保證了復制能夠準確地進行。
6.結果
一個DNA分子就形成了兩個完全相同的DNA分子。
（兩個子代DNA分子，通過細胞分裂分配到子細胞中）
7.DNA制的意義
將遺傳信息從親代細胞傳遞給子代細胞，從而保持了遺傳信息的連續(xù)性。
從子鏈的5' 端向 3' 端延伸
4.方向
特點：
多起點不同時復制
雙向復制
2.真核生物DNA復制的特點：
在復制速率相同的前提下，圖中DNA的3個復制起點中，最右側起點最先開始復制，多起點雙向復制提高了DNA復制的效率。
3.原核生物DNA復制的特點：
特點：邊解旋邊復制
單起點、雙向復制
方式：半保留復制
1．DNA通過復制，將遺傳信息從親代細胞傳遞給子代細胞，從而保持遺傳信息的連續(xù)性。如圖為DNA復制過程模式圖，下列相關說法，正確的是(　　)
A．復制時兩條子鏈的延伸方向相反
B．該過程中只需要解旋酶
C．親代DNA的雙螺旋結構全部打開再復制
D．合成的兩條子鏈的堿基序列可互補配對
對應訓練
D
解析：DNA雙鏈是反向平行的，且子鏈的合成方向都是從5′端→3′端，因此復制時兩條子鏈的延伸方向相同，A錯誤；該復制過程中需要解旋酶和DNA聚合酶，B錯誤；DNA分子復制過程是邊解旋邊復制，不需要把DNA雙螺旋結構全部解旋開才開始復制，C錯誤；復制時合成的兩條子鏈是分別以兩條母鏈為模板合成的，故合成的兩條子鏈可互補配對，D正確。
1
1.下面是DNA復制的有關圖示。A→B→C表示大腸桿菌的DNA復制。D→F表示哺乳動物的DNA復制。
圖中黑點表示復制起點，“→”表示復制方向，“ ”表示時間順序。
(1)若A中含有48502個堿基對，而子鏈延伸速率是105個堿基對/min，假設DNA分子從頭到尾復制，則理論上此DNA分子復制約需30 s，而實際上只需約16 s，根據(jù)A→C過程分析，這是因為_____________________。
特點1：雙向復制
復制是雙向進行的
對應訓練
1
(2)哺乳動物的DNA分子展開可達2m之長，若按A→C的方式復制，至少需要8 h，而實際上只需要約2 h，根據(jù)D→F過程分析，是因為________________________。
DNA分子中有多個復制起點
特點2：多起點復制（真核生物）
(3)A→F均有以下特點：延伸的子鏈緊跟著解旋酶，這說明DNA分子復制是______________的。
邊解旋邊復制
特點3：邊解旋邊復制
解旋酶
酶
5’
3’
3’
5’
DNA聚合酶
5’
3’
前導鏈
5’
3’
岡崎片段
DNA連接酶
DNA聚合酶的底物：
脫氧核苷酸
DNA連接酶的底物：
DNA片段
后隨鏈
前導鏈與后隨鏈：
互補配對
模板鏈：3’→ 5’
合成子鏈方向：5’→ 3’
DNA復制拓展：
5’
3’
3’
5’
5’
3’
前導鏈
5’
3’
岡崎片段
后隨鏈
1.子鏈延伸方向：DNA聚合酶不能催化DNA新鏈從頭合成，只能催化游離的脫氧核苷酸加入已有鏈的3' -OH末端。因此必須由引物提供游離的3'-OH末端，才能合成5' →3'方向的新鏈。
總之：DNA聚合酶只能從已有鏈的3′端延伸DNA鏈。
DNA復制拓展：
復制方向：5'端→ 3'端
復制叉
2.子鏈的延伸不都是連續(xù)的
細胞內(nèi)所有的DNA聚合酶都只能催化子鏈從5′端→3′端的合成。因此，以3′端→5′端的母鏈為模板鏈時，DNA聚合酶從5′端→3′端的方向合成互補的子鏈。
當以另一條鏈為模板時則不能連續(xù)合成子鏈。這時，DNA聚合酶會催化合成一段小的新鏈片段，這些小的片段叫作岡崎片段，最后由DNA連接酶(連接DNA片段的一種酶)把這些片段連接成子鏈。
岡崎片段
3′
5′
子鏈的延伸方向是5 ′→3 ′
DNA聚合酶
3′
5′
模板鏈
子鏈
DNA聚合酶只能將單個核苷酸加到已有鏈的3′端
子鏈合成需要引物:
引物為DNA聚合酶提供了游離的3 ′端，使DNA聚合酶從3 ′端延伸子鏈。(DNA聚合酶不具有從頭合成子鏈的功能)
3、DNA聚合酶
DNA復制拓展：
引物是一小段能與DNA母鏈的一段堿基序列互補配對的短單鏈核酸。用于PCR的引物通常為20~30個核苷酸。在細胞中為一段單鏈RNA。在細胞外(PCR技術）為一段短單鏈DNA
4、什么是引物
子鏈延伸
子鏈延伸
-5 ′
3′-
引物
5′-
-3′
5′-
-3′
引物
3′-
-5′
DNA復制拓展：
3.某雙鏈DNA分子復制的過程如圖所示。據(jù)圖分析，下列有關敘述中錯誤的是( )
A.解旋酶的移動方向為從右向左
B.DNA聚合酶的移動方向為從右向左
C.后隨鏈的延伸方向為5'→3'
D.圖示體現(xiàn)了DNA分子邊解旋邊復制的特點
解析：由圖可知，解旋酶的移動方向為從右向左，A正確；DNA聚合酶的移動方向與前導鏈和后隨鏈的延伸方向一致，即對前導鏈而言，DNA聚合酶從右向左移動，對于后隨鏈而言，DNA聚合酶從左向右移動，B錯誤；DNA聚合酶只能從子鏈的5'端向3'端延伸，故前導鏈和后隨鏈的延伸方向都是5'→3'，C正確；圖示復制過程體現(xiàn)了DNA分子邊解旋邊復制的特點，D正確。
B
對應訓練
課時作業(yè) 鞏固提升

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