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§3-3 DNA的复制
基因的本质
第3节 DNA的复制
学习目标
对DNA复制的推测
DNA半保留复制的探究（假说-演绎法）
DNA复制：①概念 ②场所 ③时间 ④结果 ⑤意义
⑥过程 ⑦特点 ⑧条件 ⑨精确复制的原因
DNA复制-拓展：①多起点复制；②双向复制；
③半不连续复制
有关DNA复制的计算
细胞分裂中染色体标记的问题
碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
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？
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。”
提示：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，可能需要先解开DNA的两条链，然后通过碱基互补配对合成互补链。
讨论
提示：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证据之上。
《核酸的分子结构》论文节选
问题探讨
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，游离的脱氧核苷酸依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；
新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，这种复制方式被称做半保留复制。
1.沃森和克里克提出DNA自我复制假说：
半保留复制
对DNA复制的推测
（1）半保留复制
（2）全保留复制
（3）分散复制
2.其他观点——全保留复制、弥散复制
全保留复制：DNA复制以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是新合成的。
弥散复制：DNA复制以DNA双链为模板，子代DNA的双链都是随机的。
对DNA复制的推测
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
1.提出问题
2.作出假设
DNA以半保留方式复制（全保留、分散）
DNA的是如何复制的
合作探究一：要通过实验“探究DNA复制是哪种方式？”关键思路是什么？
关键思路：通过实验区分亲代和子代的DNA。
合作探究二：DNA是肉眼看不可见的，如何做区分亲代和子代的DNA,又如何进行实验观察呢？
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
科学家：1958年美国生物学家梅塞尔森（M.Meselson）和 斯塔尔（F.Stahl）
科学方法：同位素标记法、密度梯度离心法
科研方法：假说-演绎法
实验材料：大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
同位素标记法
密度梯度离心法
15N和14N是N元素的两种稳定的同位素，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，从而区分亲代和子代的DNA。
利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
科学技术方法——密度梯度离心
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
15N/15N-DNA
14N
14N
14N
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
14N/14N-DNA
15N/14N-DNA
第一代
第二代
提取DNA，离心
转移到含14NH4Cl的培养液中
密度
低
高
细胞分裂一次
提取DNA，离心
提取DNA，离心
细胞再分裂一次
15N/15N-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
标记大肠杆菌
转移培养
提取DNA、离心
观察记录
大肠杆菌在含15NH4Cl的培养液中生长若干代
实验过程
假设DNA是半保留复制（全保留复制、分散复制），离心后试管中DNA的位置会是怎样的呢？请运用演绎推理来分析实验过程，完成预期，填写图中方框。
实验预期
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
3.演绎推理
15N
14N
亲 代
子一代
子二代
细胞再分裂一次
15N
15N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
①假设DNA的复制是半保留复制
高密度带
中密度带
低密度带
中密度带
P:
F1:
F2:
14N
14N
15N
14N
14N
14N
15N
14N
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
亲 代
子一代
子二代
细胞再分裂一次
15N
15N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
②假设DNA的复制是全保留复制
15N
15N
14N
14N
高密度带
低密度带
高密度带
低密度带
高密度带
P:
F1:
F2:
14N
14N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
3.演绎推理
亲 代
子一代
子二代
细胞再分裂一次
15N
15N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
③假设DNA的复制是弥散复制
F1:
15N
14N
15N
14N
中密度带
F2:
15N
14N
15N
14N
15N
14N
15N
14N
中密度带
P:
高密度带
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
3.演绎推理
4.实验验证
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
6.得出结论：
证明DNA的复制是半保留复制
排除DNA的复制是全保留复制
排除DNA的复制是分散型复制
亲 代
子一代
子二代
细胞再分裂一次
15N
14N
15N
15N
14N
14N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
15N
14N
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
5.实验验证
探究DNA复制的方式--假说-演绎法
1.DNA复制的概念是什么 时间？场所？
2.DNA复制过程怎么进行
3.DNA复制过程需要哪些条件
4.DNA复制过程有何特点
5.DNA复制有何生物学意义
合作探究三：思考下列问题：
DNA复制的过程
2.DNA复制场所
1.概念
真核细胞：主要在细胞核,线粒体、叶绿体
原核细胞：主要在拟核，质粒
3.发生时期(真核生物)
细胞分裂前的间期（S期）(有丝分裂前的间期、减数分裂前的间期)，随着染色体的复制而完成。
4.结果
以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。DNA→DNA
DNA复制的过程
1个DNA复制形成2个完全相同的DNA
5.意义
将遗传信息从亲代传递给子代，从而保证了遗传信息的连续性。
解旋：复制开始时，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。
双链DNA分子
碱基配对：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。
延伸：随着模板链解旋过程的进行，新合成的子链也在不断延伸。
螺旋：同时，每条新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
2.特点：
1.条件：
(2)原料：四种脱氧核苷酸(No:A、G、C、T)
(3)酶：解旋酶、 DNA聚合酶等
(4)能量：ATP(物质)
半保留复制——准确
边解旋边复制
①模板：特定碱基序列
②酶：识别，专一催化
③原则：碱基互补配对
高效
双向复制
真核生物有多个复制起点
(1)模板：亲代DNA的两条链(两条母链)
DNA复制的过程
一个DNA分子形成两个完全相同的DNA分子
4.结果
5.意义
使遗传信息从亲代传递给子代，保持遗传信息的连续性，使本物种保持相对稳定和延续。
从子链的5' 端向 3' 端延伸
3.方向
6.DNA准确复制的原因
①DNA具有独特的双螺旋结构，能为复制提供精确的模板。
②碱基具有互补配对的能力，保证了复制能够准确地进行。
DNA复制的过程
DNA复制的推测
DNA复制实验证据
DNA复制
全保留复制
半保留复制
实验过程
实验结果
实验结论
基本条件
过程
特点
用15N标记DNA大肠杆菌放在含有14N的培养液中培养，在不同时刻提取DNA并进行分离
亲代：一条DNA带（底部）
第一代：一条DNA带（中间）
第二代：两条DNA带（中间、上部）
DNA复制是半保留复制
解旋
合成子链
重新螺旋
模板
酶
能量
原料
DNA的两条链
四种脱氧核苷酸
边解旋边复制
解旋酶
DNA聚合酶
证明
参与
参与
小结
真核生物与原核生物DNA复制的区别
真核生物 DNA 的复制从多个起点开始进行，使得复制能在较短时间内完成。
原核生物 DNA 的复制只有一个复制起点。
DNA复制的拓展
DNA复制的拓展
1）多起点复制
真核生物 DNA 的复制从多个起点开始进行，使得复制能在较短时间内完成。
2）双向复制
多数生物细胞内 DNA 的复制都是从固定的起点开始双向进行的。
3）半不连续复制
由于DNA聚合酶具有专一性(子链从5`→3`延伸)，而 DNA的2条链是反向平行的，所以在复制时一条子链的合成是连续进行的，而另一条子链的合成是反向不连续进行的。
DNA复制的拓展
4）子链合成时需要引物
DNA 聚合酶只能延长已存在的 DNA 链，不能从头合成 DNA 链，所以 DNA 复制时，往往先由引物酶(具有RNA 聚合酶活性)在 DNA 模板上合成一段 RNA 作为复制的引物，DNA 聚合酶从引物游离的3`端延伸子链。
下图为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图，有关叙述错误的是（ ）
A.图中DNA分子复制是从多个起点同时开始的
B.图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的
C.真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶
D.真核生物的这种复制方式提高了复制速率
A
课堂检测
活动探究一：
将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养，复制n次，则：
(1)DNA分子数：
①子代DNA (含14N)分子数是多少？
②含有亲代DNA链的子代DNA(15N)分子数是多少？
③不含亲代链的子代DNA(只含14N)分子数是多少？
(2)脱氧核苷酸链数：
①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数是多少？
②亲代脱氧核苷酸链数(15N)是多少？
③新合成的脱氧核苷酸链数(14N)是多少？
2n个
2个
(2n－2)个
2n＋1条
2条
(2n＋1－2)条
有关DNA复制的计算
有关DNA复制的计算
活动探究二：
将普通的大肠杆菌（DNA种含14N ）放在含15N的培养液培养，若亲代DNA分子中含有腺嘌呤脱氧核苷酸m个，
（1）1次复制需要该游离的脱氧核苷酸多少个？
（2）2次复制呢需要该游离的脱氧核苷酸多少个？
（3）n次复制呢需要该游离的脱氧核苷酸多少个？
14N
15N
14N
15N
15N
15N
15N
15N
复制2次：
14N
14N
亲代
汉水丑生侯伟作品
14N
14N
15N
15N
复制1次：
m个
3m个
m (2n－1)个
活动探究三：
将普通的大肠杆菌（DNA种含14N ）放在含15N的培养液培养，若亲代DNA分子中含有腺嘌呤脱氧核苷酸m个，
（1）第1次复制需要该游离的脱氧核苷酸多少个？
（2）第2次复制呢需要该游离的脱氧核苷酸多少个？
（3）第n次复制呢需要该游离的脱氧核苷酸多少个？
有关DNA复制的计算
m个
2m个
m·2n－1个
14N
15N
14N
15N
15N
15N
15N
15N
14N
14N
亲代
汉水丑生侯伟作品
14N
14N
15N
15N
复制1次：
复制2次：
第一
注意“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别，前者包括所有的复制，但后者只包括第n次的复制。
第二
第三
注意碱基的单位是“对”还是“个”。
切记在DNA复制过程中，无论复制了几次，含有亲代脱氧核苷酸链的DNA分子仅有两个。
第四
看清试题中问的是“DNA分子数”？还是“链数”？是“含”还是“只含”等关键词，以免掉进陷阱。
关于“DNA复制”的四点“注意”
有关DNA复制的计算
一个被15N标记的DNA分子，含有m对碱基，其中腺嘌呤为a个，在含14N的培养基中复制n次。
共产生子代DNA分子____个；
子代DNA分子中，含15N的DNA分子_____个；
子代DNA分子中，含14N的DNA分子_____个；
子代DNA分子中，只含15N的DNA分子_____个；
子代DNA分子中，只含14N的DNA分子______个；
复制过程中共需要游离（原料）的胞嘧啶_______________个；
7.复制第n次需要游离（原料）的胞嘧啶 ____________个。
2n
2
2n
0
2n - 2
(2n-1)×(m-a)
(2n-1)×(m-a)
有关DNA复制的计算
1.将用15N标记的一个DNA分子放在含有14N的培养基中，让其复制三次，则含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例是：（ ）
A．1/2 B．1/4 C．1/6 D．1/8
2.某一个DNA分子的碱基总数中，腺嘌呤为200个，复制n次后，消耗周围环境中含腺嘌呤的脱氧核苷酸3000个，该DNA分子已经复制了几次（是第几代）（ ）
A．三次（第四代） B．四次（第五代）
C．五次（第六代） D．六次（第七代）
课堂检测
3.一个被15N标记的DNA分子，以含14N的4种脱氧核苷酸为原料，连续复制3次，则含15N的脱氧核苷酸链占全部脱氧核苷酸链的比例是 ( )
A.1/2 B.1/4 C.1/6 D.1/8
4.一个由15N标记的DNA分子，放在没有标记的环境中培养，复制5次后标记的DNA分子占DNA分子总数的 ( )
A.1/10 B.1/5 C.1/16 D.1/25
课堂检测
5.有100个碱基对的某DNA分子片段，内含60个胞嘧啶脱氧核苷酸，若连续复制n次，则在第n次复制时需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸是多少？( )
A．40n－1 B．40n C．40×2n－1 D．40×(2n－1)
6.某DNA分子有碱基200对，已知腺嘌呤和胸腺嘧啶之和占碱基总数的60%，则该DNA分子连续复制两次所需游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸分子数为（ ）
A．80 B．160 C．240 D．320
课堂检测
7.一个含有1000个脱氧核苷酸对的双链DNA分子，放在32P标记了脱氧核苷酸的培养基中培养一代后，形成的子代分子其相对分子量比原来增加了（ ）
A.1000 B.2000
C.4000 C.5000
脱氧
核糖
含氮碱基
磷酸
课堂检测
8.在一个密闭的容器里，用含有同位素14C的脱氧核苷酸合成一个DNA分子，然后加入普通的含12C的脱氧核苷酸，经n次复制后，所得DNA分子中含12C的脱氧核苷酸链数与含14C的脱氧核苷酸链数之比是 ( )
A.2n∶1 B.(2n-2)∶n
C.(2n-2)∶2 D.(2n-1)∶1
10.某DNA分子中含有1 000个碱基对(被32P标记)，其中有胸腺嘧啶400个。若将该DNA分子放在只含被31P标记的脱氧核苷酸的培养液中让其复制两次，子代DNA分子相对分子质量平均比原来减少 。
1500
课堂检测
(2021·安徽合肥高三调研)如图为某DNA分子片段，假设该DNA分子中有5 000对碱基，A＋T占碱基总数的34%，若该DNA分子在含14N的培养基中连续复制2次，下列叙述正确的是（ ）
A.复制时作用于③处的酶为DNA聚合酶
B.DNA分子复制2次需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸9900个
C.④处指的是腺嘌呤核糖核苷酸
D.子代中含15N的DNA分子占1/2
B
课堂检测
细胞分裂中染色体标记的问题---①有丝分裂
①有丝分裂中染色体标记情况分析
一个含有2n条染色体的细胞，其染色体DNA的两条链都被标记，
在不含有标记的原料中进行有丝分裂。
细胞分裂中染色体标记的问题---①有丝分裂
①有丝分裂中染色体标记情况分析
前中期 后期 子细胞
染色体总数 2n 4n 2n
标记染色体数 2n 4n 2n
标记单体数 4n(每条染色体的两个单体都被标记) 0 0
标记DNA数 4n(每个DNA的一条链被标记) 4n(每个DNA的一条链被标记) 2n(每个DNA的一条链被标记)
细胞分裂中染色体标记的问题---①有丝分裂
①有丝分裂中染色体标记情况分析
见证奇迹的时刻就在第二次有丝分裂的后期。
2n条染色体没有标记，2n条染色体有标记，走向细胞一极的2n条染色体可以是都有标记的染色体，走向细胞另一极的2n条染色体就是都没有标记的染色体。这样就形成了一个带有标记的子细胞和一个没有标记的子细胞。然而这是一种小概率事件，常发生的情况是，走向细胞一极的2n条染色体既有标记的染色体，也有不带标记的染色体，这样形成的两个子细胞就都会带有标记。
细胞分裂中染色体标记的问题---①有丝分裂
①有丝分裂中染色体标记情况分析
前中期 后期 子细胞
染色体总数 2n 4n 2n
标记染色体数 2n 2n 0~2n
标记单体数 2n(每条染色体的一个单体都被标记) 0 0
细胞分裂中染色体标记的问题---①有丝分裂
①有丝分裂中染色体标记情况分析
前中期 后期 子细胞
标记DNA数 2n(每条染色体的一个单体上的DNA的一条链被标记) 2n个DNA不含标记 2n(每条染色体上的一个单体上的DNA的一条链被标记） 2n个DNA不含标记 0~2n
减数分裂中染色体标记情况分析
细胞分裂中染色体标记的问题---②减数分裂
一个含有2n条染色体的细胞，其染色体DNA的两条链都被标记，在不含有标记的原料中进行减数分裂。
减数分裂中染色体标记情况分析
细胞分裂中染色体标记的问题---②减数分裂
前中期 后期 子细胞
染色体总数 2n(n对) 2n(n对) n
标记染色体数 2n(n对) 2n(n对) n
标记单体数 4n(每条染色体的两个单体都被标记) 4n(每条染色体的两个单体都被标记) 2n(每条染色体的两个单体都被标记)
标记DNA数 4n(每个DNA的一条链被标记) 4n(每个DNA的一条链被标记) 2n(每个DNA的一条链被标记)
减数分裂中染色体标记情况分析
细胞分裂中染色体标记的问题---②减数分裂
前中期 后期 子细胞
染色体总数 n条 2n n
标记染色体数 n 2n(n对) n
标记单体数 2n(每条染色体的两个单体都被标记) 0 0
标记DNA数 2n(每个DNA的一条链被标记) 2n(每个DNA的一条链被标记) n(每个DNA的一条链被标记)
细胞分裂中染色体标记的问题
一个含有2n条染色体的细胞，其染色体DNA的两条链都被标记，在不含有标记的原料中进行连续两次分裂，产生４个子细胞。
规律总结
1.若进行有丝分裂，则含有标记的子细胞数为２或３或４
2.若进行减数分裂，则含有放射性的子细胞数为４。
一个细胞中最多有2n条染色体被标记
每个细胞中有n条染色体被标记
细胞分裂中染色体标记的问题
例1.用32P标记玉米体细胞(含有20条染色体)的DNA分子双链，再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养，在第二次细胞分裂的中期、后期及所产生的子细胞中被32P标记的染色体数分别为（ ）
A.20、40、20 B.20、20、20 C.20、20、0～20 D.20、40、0～20
C
例2.将DNA分子双链用3H标记的蚕豆(2n＝12)根尖移入普通培养液(不含放射性元素)中，再让细胞连续进行有丝分裂。某普通培养液中的第三次有丝分裂中期，根据图示，判断该细胞中染色体的标记情况最可能是 。
b＋c＝12个，但b和c数目不确定
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. 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（B）
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
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 （C）
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
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？
【提示】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。
复制泡
【答案】说明果蝇的DNA有多个复制起点，可同时从不同起点开始DNA的复制，由此加快DNA复制的速率，为细胞分裂做好物质准备。
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 - 100bp/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。
练习与应用
