資源簡介

(共36張PPT)
3.3 DNA的復制
問題探討
沃森和克里克在發表DNA雙螺旋結構的那篇著名短文的結尾處寫道：“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.
《核酸的分子結構》論文節選
討論：
1.堿基互補配對原則暗示DNA的復制機制可能是怎樣的？
2.這句話中為什么要用“可能”二字？這反映科學研究具有什么特點？
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的復制可能需要先解開DNA雙螺旋的兩條鏈，然后通過堿基互補配對合成互補鏈。
科學研究需要大膽的想象，但得出結論必須建立在確鑿的證據之上。
自學指導
學生默讀課文，思考課后題：
1、對DNA復制的推測？
2、DNA半保留復制的實驗證據？
3、DNA復制的過程？
要求：坐姿端正、認真閱讀、邊讀邊思考
時間：5分鐘
生物必修二
倒計時展示
無論細胞有絲分裂還是減數分裂，都要經歷一個較長的細胞分裂間期。細胞在分裂間期主要有什么變化？
DNA分子是怎樣進行復制的呢
提出問題
②作出假說
推測可能復制方式。
④實驗驗證，得出結論
實驗、得出結論、驗證假說。
①提出問題
DNA如何復制？
③演繹推理
根據復制模式，
預測實驗結果
假說——演繹法
沃森和克里克緊接著提出遺傳物質自我復制假說：
DNA復制時，DNA雙螺旋解開，互補的堿基間氫鍵斷裂，解開的兩條單鏈分別作為復制的模板，游離的脫氧核苷酸根據堿基互補配對原則，通過形成氫鍵，結合到作為模板的單鏈上。
由于新合成每個DNA分子中，都保留了原來DNA分子中一條鏈，因此，這種復制方式稱作半保留復制。
脫氧
核糖
P
A
脫氧
核糖
P
C
脫氧
核糖
P
G
脫氧
核糖
P
T
脫氧
核糖
P
T
C
脫氧
核糖
P
G
脫氧
核糖
P
A
脫氧
核糖
P
假說——演繹法
假說1
提出假說
假說2：全保留復制
以兩條母鏈為模板合成兩條DNA子鏈，子代DNA中母鏈重新結合，兩條子鏈彼此結合成另一個子代DNA分子。
親代DNA
子代DNA
提出假說
假說3：分散復制方式
親代DNA分子斷裂成短片段，以這些親本短片段為模板合成同樣長短的新的DNA片段，再將這些新舊片段混合連接，形成完整的全長DNA分子。這樣形成的雙鏈，均既含有親本DNA片段，又有新合成的DNA片段。
親代DNA
子代DNA
半保留復制(沃森和克里克）
全保留復制
分散復制
有人質疑
如何證明那個觀點是正確的？
提出
提出假說
探究：
1.通過實驗區分DNA復制方式的三種假說,實驗的關鍵是什么？
2.DNA是肉眼看不可見的，如何區分親代和子代的DNA呢？
關鍵思路：區分親代和子代的DNA
梅塞爾森
斯塔爾
1958年
同位素標記技術
大腸桿菌（繁殖快，20min一代）
3.該實驗用什么元素做標記 用32P，14C等具有放射性同位素標記呢
無法區分親代和子代DNA
密度梯度離心技術
密度
低
高
14N/14N—DNA
15N/14N—DNA
15N/15N—DNA
(輕帶)
(中帶)
(重帶)
【背景知識】
15N和14N是氮元素的兩種穩定同位素，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分離開含有相對原子質量不同的氮元素的DNA。
探究：
科學家先用含有15NH4Cl的培養液培養大腸桿菌，讓大腸桿菌繁殖若干代，這時，大腸桿菌的DNA幾乎都是15N標記的。然后，將大腸桿菌轉移到含有14NH4Cl的普通培養液中。在不同時刻收集大腸桿菌并提取DNA，再將提取的DNA進行離心，記錄離心后試管中DNA的位置。
【實驗過程】
演繹推理
15NH4Cl
14N/ 14N
-DNA
繁殖若干代
15N/ 15N
-DNA
目的？
得到的大腸桿菌DNA幾乎都是15N標記的
15N/ 15N
-DNA
再分裂一次
分裂一次
提取DNA
離心
提取DNA
離心
？
？
？
哪個位置
？
？
？
哪個位置
14NH4Cl
演繹推理
嘗試畫出1個DNA分子按半保留復制、全保留復制的方式復制兩次的圖解
第一代
第二代
親代
(1)半保留復制
(2)全保留復制
(3)彌散復制
輕
中
重
輕
中
重
輕
中
重
輕
中
重
輕
中
重
輕
中
重
輕
中
重
輕
中
重
輕
中
重
演繹推理
15N
14N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
15N
14N
15N
14N
P
F1
F2
15N
15N
15N/15N
重帶
15N/14N
14N/14N
15N/14N
輕帶中帶
中帶
第二代
第一代
提出DNA離心
提出DNA離心
提出DNA離心
含14N的培養液
1.假設DNA的復制是半保留復制
第二代
含14N的培養液
第一代
提出DNA離心
提出DNA離心
15N
15N
P
F1
F2
14N
14N
提出DNA離心
重帶
輕帶重帶
輕帶
重帶
15N
15N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
15N/15N
14N/14N
15N/15N
14N/14N
15N/15N
1.假設DNA的復制是全保留復制
得出結論
證明DNA的復制是半保留復制
排除DNA的復制是全保留復制
排除DNA的復制是分散型復制
親 代
子一代
子二代
細胞再分裂一次
15N
14N
15N
15N
14N
14N
轉移到含14NH4Cl的培養液中
細胞分裂一次
15N
14N
提出DNA離心
提出DNA離心
提出DNA離心
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
提出問題
作出假設
得出結論
演繹推理
實驗驗證
證明DNA半保留復制的實驗
DNA以半保留方式復制（全保留、分散）
推理、探究幾種復制模式下得到子代DNA的可能情況，預測可能實驗結果
DNA以半保留方式進行復制
證明DNA半保留復制的實驗
假說演繹法
該圖為噬菌體侵染大腸桿菌的實驗示意圖，請大家思考紅色圈大腸桿菌內子代噬菌體的DNA分子，為什么有的DNA兩條鏈中一條為紅色標記一條為藍色標記，為什么有的DNA分子的兩條鏈均為藍色標記？
：
T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗
DNA復制方式為半保留復制
與半保留復制的預期相符合。
實驗結果：
實驗結論：
DNA分子復制的方式是半保留復制。
物理、化學技術對生物學研究具有重要意義！
（1）概念：
是指以親代DNA為模板合成子代DNA的過程。
隨著染色體的復制而完成的
減數分裂前的間期
有絲分裂間期
真核生物
細胞質：線粒體、葉綠體
細胞核(主要)
原核生物
擬核
細胞質
病毒：
宿主細胞
（4）條件：
（2）發生時期：
（3）場所：
DNA兩條母鏈
細胞中游離的4種脫氧核苷酸
ATP（破壞氫鍵）
解旋酶、DNA聚合酶等
模板
原料
能量
酶
DNA復制的過程：
（5）DNA復制的過程：
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（滯后鏈）：
互補配對
知識拓展：DNA半不連續復制
（5）DNA復制的過程：
DNA聚合酶
DNA解旋酶
復制分叉
子鏈
DNA模板鏈
DNA聚合酶
DNA模板鏈
子鏈
DNA
氫鍵
一條母鏈和一條子鏈螺旋成為一個新的DNA分子
解旋
合成子鏈
重新螺旋
解旋酶
雙鏈解開
4種脫氧核苷酸
DNA聚合酶
磷酸二酯鍵
4種脫氧核苷酸
加熱
完全解旋需要7小時
DNA分子
ATP
解旋酶
原料
ATP
DNA聚合酶
得到子代DNA需要8小時
A組實驗
B組實驗
DNA聚合酶
4種脫氧核苷酸
DNA分子
ATP
解旋酶
得到子代DNA只需要7.5小時
資料1：哺乳動物DNA分子展開可達2米，科學家在研究DNA復制時，在適宜情況下人工合成DNA，過程如下：
女性子宮肌瘤細胞中最長的DNA分子達36mm，DNA速度約為4μm/min(1mm=1000μm)，但復制過程僅需40min左右即完成。
果蠅DNA有多個復制起點，可同時從不同起點開始DNA復制，由此加快DNA復制速率，為細胞分裂做好物質準備。
請你推測果蠅DNA形成多個復制泡的原因。
果蠅DNA的電鏡照片
資料2：
半保留復制
邊解旋邊復制
多個復制起點
復制方向
復制方向
復制方向
復制起點
復制起點
復制起點
(從結果看)
(從過程看)
（6）特點：
單起點雙向復制
3'
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
原核生物DNA復制
（8）結果：
（9）意義：
1個DNA分子
2n個完全相同的DNA分子
（10）精確復制的原因：
①雙螺旋結構為其提供 ；
② 原則及 復制使復制準確進行。
精確模板
堿基互補配對
半保留
從子鏈的5' 端向 3' 端延伸
將遺傳信息從親代傳給子代，保持了遺傳信息的連續性。
（7）方向：
人類生殖過程中，受精卵并不都能保證繁殖成功。有些胚胎在受精后幾天內停止發育并死亡，通常是因為它們的染色體數量異常。現在，哥倫比亞大學瓦格洛斯內科和外科醫生學院的研究人員發現，這些錯誤大多是由于細胞分裂早期DNA復制中的自發錯誤造成的。
C
G
T
A
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解旋酶
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DNA聚合酶
5'
3'
T
A
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C
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5'
3'
ATP
ATP
形成磷酸二酯鍵
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3'
5'
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A
5'
3'
一、概念檢測
1．DNA復制是在為細胞分裂進行必要的物質準備。據此判斷下列相關表述是否正確。
（1）DNA 復制與染色體復制是分別獨立進行的。 （ ）
（2）在細胞有絲分裂的中期，每條染色體是由兩條染色單體組成的，所以DNA的復制也是在這個時期完成的。 （ ）
×
×
2．DNA復制保證了親子代間遺傳信息的連續性。下列關于DNA復制正確的是（ ）
A．復制均在細胞核內進行
B．堿基互補配對原則保證了復制的準確性
C．1個DNA分子復制1次產生4個DNA分子
D．游離的脫氧核苷酸在解旋酶的作用下合成子鏈
B
3．將DNA雙鏈都被15N標記的大腸桿菌放在含14N培養基中培養，分裂3次敘述正確的是 （ ）
A．所有的大腸桿菌都含有15N B．含有15N的大腸桿菌占全部大腸桿菌的比例為1/2
C．含有15N的大腸桿菌占全部大腸桿菌的比例為1/4
D．含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例為1/8
C
二、拓展應用
1．雖然DNA復制通過堿基互補配對很大程度上保證了復制準確性，但DNA平均每復制109個堿基對，就會產生1個錯誤。根據這一數據計算，約有31.6億個堿基對的人類基因組復制時可能產生多少個錯誤？這些錯誤可能產生什么影響？
可能有6個堿基發生錯誤，產生的影響可能很大，也可能沒有影響

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