3-2-3-4 DNA的结构、复制和本质 课件-高中生物人教版(2019)必修二(共28张PPT)

(共28张PPT)
生物学必修二 遗传与进化
第3章基因的本质
3.2 DNA的结构
3.3 DNA的复制
3.4 DNA通常是有遗传效应的片段
科学家
进展
1951年，科学界已经认识到：DNA是以4种脱氧
核苷酸为单位连接而成的长链，含有ATGC四种碱基
富兰克林
用X射线衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱
沃森和克里克
构建DNA双螺旋和三螺旋结构模型，但都被否定
查哥夫
发现DNA中A=T, G=C
沃森和克里克
构建正确的DNA双螺旋结构模型，1953年发表论文
—.DNA 双螺旋结构模型的构建
二 .DNA的组成
1、核苷酸由磷酸、五碳糖、含氮碱基组成
0
a
—
5 4
b
3 2
2、核苷酸是核酸的单体
核糖核苷酸(4种) 核糖核酸(RNA)
3、核酸初步水解得到核苷酸，彻底水解得到磷酸、五碳糖、碱基等小分子
脱氧核糖核苷酸(4种) 脱氧核糖核酸(DNA)
核苷酸
( 2类8种 )
核酸
C
1、脱氧核糖上与碱基相连的碳 叫作1'-C, 与磷酸基团相连的碳 叫作5′-C。
2、DNA 的一条单链具有两个末 端， 一端有一个游离的磷酸基团， 这一端称作5'-端，另一端有一个 羟基( —OH), 称作3′-端。
3、DNA 的两条单链走向相反， 从双链的一端起始， —条单链是 从5'-端到3'-端的，另一条单链 则是从3'-端到5'-端的。
磷酸基团
5 CH
4'
H H
OH
三 .DNA 的结构
I'
H
H
2'
碱 基
5°
3'
3'
0
三 .DNA的结构
1、DNA 双螺旋结构的主要特点
(1)DNA 是由两条单链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
(2)DNA 中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在
内侧。
(3)两条链上的碱基通过氢键连接，按照碱基互补配对原则形成碱基对。
NH H NH y
腺嘌呤(adenine,A) 鸟 嘌 呤(zuanine,G)
NH2
H C
NH2
6 N N
NH NH NH 0
胞嘧啶(eytosine,C) 尿嘧啶(uracil,W) 胸腺嘧啶(thymine,T)
5
1
IH
H2
3 式
2
3
四.碱基互补配对原则的应用和计算
1、基本关系：A=T,G=C
2、推 论 ：由A+T+G+C=1 推 得 ：A+G=A+C=T+C=T+G=50%
解 读 ：非互补配对碱基之和占碱基总数的50%
3、思考并得出结论
①若DNA 的一条链中(A+T)/(G+C)=a, 则其互补链中、DNA 中该比值各为多少
②在DNA 的一条链中(A+G)/(T+C)=b, 则其互补链中、DNA 中该比值各为多少
四.碱基互补配对原则的应用和计算
1、某双链DNA 分子中，A 占35%,求其它三种碱基的含量
2、如果一个DNA分子的一条链中的C=22%,G=16%, 那么整个DNA分子中A占多少
3、在DNA 分子双螺旋结构中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之间有2个氢键，胞嘧啶与鸟嘌呤之间 有3个氢键。现有四种DNA 样品，根据样品中碱基的百分含量判断最有可能来自嗜热菌
(生活在高温环境中)的是( )
A.含胸腺嘧啶32%的样品 B.含腺嘌呤17%的样品
C.含腺嘌呤30%的样品 D.含胞嘧啶15%的样品
4、20世纪90年代，科学家设计并合成了由47个核苷酸组成的单链DNA—E47, 它可以催 化两个底物DNA片段之间的连接。下列有关叙述正确的是
A.E47中，嘌呤碱基数一定等于嘧啶碱基数
B.在E47分子中，碱基数=脱氧核苷酸数=脱氧核糖数
C.E47作用的底物和DNA聚合酶作用的底物是相同的
D.在E47分子中，每个脱氧核糖上均连有一个磷酸和一个含氮的碱基
五 .对DNA 复制的推测
沃森和克里克——遗传物质自我复制的假说：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。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，这种复制方式称作半保留复制。
不同观点：全保留复制等不同假说。全保留复制是指DNA 复制以DNA 双链为模板，子代 DNA 的双链都是新合成的。
思考：如何通过实验探究DNA 的 复制方式
半保留复制 全保留复制
六 .DNA 半保留复制的实验证据
1、实验思路：要探索DNA 复制的方式，需要通过实验区分亲代和子代的DNA。1958 年 ， 美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料，运用同位素标记技术，设计了一 个巧妙的实验。
2、背景知识：14N和15N是氮元素的两种稳定同位素(无放射性),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，因此，利用离心技术可以在试管中 分离开含有不同氮元素的DNA。
3、实验过程
①获得DNA 都被15N 标记的大肠杆菌：用含有15N HCI的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌 繁殖若干代。
②让15N 标记的大肠杆菌在含有14NHCI 的普通培养液中繁殖。
③分析子代DNA 的情况：在不同时刻收集大肠杆菌并提取D NA, 再将提取的DNA 进行离 心，记录离心后试管中DNA的位置。
亲代 子一代 子二代
思考：
①实验结果能证明DNA 的复制是半保留复制吗 继续实验，结果会怎样
②如果DNA是全保留复制，子一代和子二代的离心结果是怎样的
③如果把DNA 分子处理成单链后进行离心，实验结果是怎样的 能否区分
密度
低
4N/ N-DNA
高
N/ N-DNA
NI N-DNA
六 .DNA 半保留复制的实验证据
4、实验结果及分析
N/ N-DNA
细胞再分裂一次
提取DNA,
离心
细胞分裂一次
提取DNA,
离心
大肠杆菌在含'NH Cl 的培养液中生长若干代
N/ N-DNA N/'N-DNA N/"N-DNA 'N/ N-DNA
转移到含 NH Cl的 培养液中
如果DNA 复制 是半保留复制
第二代会出 现的结果是
第一代会出 现的结果是
提取DNA, 离心
密度
低
丨 高
isN/ N-DNA
N/'"N-DNA
N/'N-DNA
N/'N-DNA
N/'N-DNA
N/'N-DNA
第二代
第一代
"N
N
N
六 .DNA 半保留复制的实验证据
5、DNA 复制和染色体复制的关系
·两者同时发生，都发生在有丝分裂和减数分裂前的间期；
·染色体复制的包括DNA的复制和蛋白的合成；
· 染色体复制的结果是形成两条姐妹染色单体，DNA 复制的结果是形成两个DNA 分 子 ， 这 两 个DNA 分子分别位于两条姐妹染色单体中。
含有两个DNA分子的染色体，
每个单体中含有1个DNA分子
半保留复制形成的两
个子代DNA分子
思 考 ：人的一个精原细胞，其中的核DNA
分子均被32P标记，在无放射性的培养液中 培养并分裂：
①若通过有丝分裂形成两个精原细胞，子 细胞中染色体放射性情况如何
②若通过减数分裂形成4个精子，精子中 染色体放射性情况如何
③若先通过有丝分裂形成两个精原细胞， 其中1个精原细胞再通过减数分裂形成4个 精子，精子中染色体放射性情况如何
含有1个DNA分 子的染色体
亲代DNA分子
含有两个DNA分子的染色体， 每个单体中含有1个DNA分子
半保留复制形成的两 个子代DNA分子
含有1个DNA分 子的染色体
亲代DNA分子
解旋酶
▲图3-10 DNA 复制的示意图
七 .DNA 复制的过程
以母链为模板进 行碱基互补配对
DNA聚合酶
解旋
七 .DNA 复制的过程
1、时期：有丝分裂前的间期、减数第一次分裂前的间期
2、过程：
①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
②合成子链：D NA 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。解旋、子链延伸、新链
与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构同时进行。
③复制结束：一 个DNA分子形成了两个完全相同的DNA分子。
3、DNA复制的条件：模板(解旋后的每一条母链)、原料(游离的四种脱氧核苷酸)、能 量(ATP)、 酶(解旋酶、DNA 聚合酶)
4、DNA 复制准确无误进行的原因：① DNA 独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板 ②通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行③错误修复机制
5、DNA 复制的特点：①半保留复制②边解旋变复制③有多个复制起点
6、DNA 复制的意义：复制出的两个子代DNA 分子，位于姐妹染色单体中，通过细胞分裂 分配到子细胞中。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。
七 .DNA 复制的过程
7、DNA复制的计算：DNA 的复制为半保留复制， 一个DNA分子复制n次，则有 (1)子代DNA 分子数为：2n个
①含有亲代链的DNA 分子数为：2个。
②不含有亲代链的DNA 分子数为(2n-2) 个。
(2)子代脱氧核苷酸链数为：2n+1条
①亲代脱氧核苷酸链为：2条。
②新合成的脱氧核苷酸链为：(2n+1-2)条。
(3)消耗的脱氧核苷酸数
①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 为m·(2n-1) 个。
②第n次复制所需该脱氧核苷酸数为m·2n-1。
七 .DNA 复制的过程
练习
1、用15N标记含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，该DNA分子在含 14N的培养基中连续复制四次。其结果不可能是( )
A.含有15N的DNA分子占1/8 B.含有14N的DNA分子占7/8
C.消耗游离的腺嘌呤脱氧核苷酸600个 D.产生了16个DNA 分子
2、已知某DNA分子含有1000个碱基对，其中一条链上A:G:T:C=1:2:3:4,该 DNA分子 连续复制2次，共需要鸟嘌呤脱氧核苷酸分子数是( )
A.600个 B.900个 C.1200个 D.1800个
八.基因与DNA的关系
思考讨论：阅读下列材料，你能得出哪些结论
1、大肠杆菌细胞的拟核有1个DNA 分子，长度约为4.7×106个碱基对，在DNA 分子上 分布了大约4400个基因，每个基因的平均长度约为1000个碱基对。
2、生长在太平洋西北部的一种水母能发出绿色荧光，这是因为水母的DNA 上有一段长 度为5170个碱基对的片段——绿色荧光蛋白基因。转基因实验表明，转入了水母绿色 荧光蛋白基因的转基因鼠，在紫外线的照射下，也能像水母一样发光。
3、人类基因组计划测定的是24条染色体(22条常染色体+X+Y) 上 DNA的碱基序列。 每条染色体上有一个DNA 分子。这24个DNA 分子大约含有31.6亿个碱基对，其中，构 成基因的碱基数占碱基总数的比例不超过2%。
八.基因与DNA的关系
1、真核和原核生物基因的区别
①真核生物基因序列在DNA 分子中所占比例很低，原核生物的基因序列在DNA 分子中 所占比例较高。
②真核生物的基因主要位于染色体的DNA 上，原核生物的基因主要存在于拟核上。
③原核生物的基因通常是单个，真核生物通常成对存在。
2、遗传效应：基因通过控制蛋白质的合成，进而控制生物的性状。
理解：DNA 上有很多片段，有些片段有遗传效应，是基因。有些片段无遗传效应，不 是基因。DNA 分子上的基因通常被非基因片段分隔开， 一个DNA分子上分布多个基因。 基因是一段DNA分子，但一段DNA分子不一定是基因。
九 .DNA 片段中的遗传信息
由4种碱基排列而成的脱氧核苷酸序列，足以储存生物体必需的全部遗传信息吗
资料1:1 个DNA 分子的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成的，从头至尾没有变化， 而骨架内侧4种碱基的排列顺序却是可变的。如果1个碱基对组成1个基因，4种碱基对的排 列可能形成4种基因(这仅仅是假设);如果2个碱基对组成1个基因，则可能形成16(即
4x4) 种基因；如果3个碱基对组成1个基因，则可能形成64(即4x4×4) 种基因。
资 料 2 :资料1的推算是建立在所有碱基对的随机排列都能构成基因这一假设上的。事实上， 大部分随机排列的脱氧核苷酸序列从来不曾出现在生物体内，而有些序列却会在生物体内
重复许多次。
思考讨论
1、如果是100个碱基对组成1个基因，可能组合成多少种基因
2、怎样理解DNA 的多样性和特异性 你能从DNA 的结构特点分析生物体具有多样性和特 异性的原因吗
3、在刑侦领域，DNA 能像指纹一样用来鉴定个人身份。结合脱氧核苷酸序列的多样性和特 异性，你能分析这一方法的科学依据吗
4、你认为基因是碱基对随机排列成的DNA 片段吗 为什么
九 .DNA 片段中的遗传信息
·DNA 能够储存足够量的遗传信息；
·遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中；
·碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA的多样性；
·碱基特定的排列顺序，又构成了每个DNA分子的特异性；
·DNA 的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。
·DNA 上分布着许多个基因，基因通常是有遗传效应的DNA 片段。
·有些病毒的遗传物质是RNA, 对这类病毒而言，基因就是有遗传效应的RNA 片段。
例4 如图为果蝇某一条染色体上的几个基因示意图，从中得到 的正确结论是( )
黄身 白眼 截翅 棒眼
←R S N 0
ATGT…CGAGTC…ACAGcTAC…AGTGCAGicctca…TGCCGACC…TGAGc … …TACA…GCTCAG…TGTCGATG…TCACGTCAGGCGT…ACGGCTGG…ACTCG
A. 染色体中的全部脱氧核苷酸序列都能编码蛋白质
B.R、S、N、0 互为非等位基因
C. 果蝇的每个基因是由成百上千个核糖核苷酸组成的
D. 每个基因中有一个碱基对的替换，都会引起生物性状的改变
变式题 下列关于基因、遗传信息的描述，错误的是( ) A. 基因在染色体上呈线性排列，染色体是基因的主要载体 B. 遗传信息可以通过DNA复制传递给后代
C. 互为等位基因的两个基因肯定具有相同的碱基数量
D. 遗传信息是指DNA分子的脱氧核苷酸的排列顺序
1. 某DNA分子含m对碱基，其中腺嘌呤有A个。下列有关此DNA在连
续复制时所需的胞嘧啶脱氧核苷酸数目的叙述中，错误的是
A. 在第一次复制时，需要(m—A)个
B. 在第二次复制时，需要3(m—A)个
C. 在第n 次复制时，需要2n-1(m—A)个
D. 在n次复制过程中，总共需要2n(m—A)个
2. 如果将含有一对同源染色体的精原细胞的两个DNA分子都用15N
标记，并只供给精原细胞含14N的原料，则该细胞进行减数分裂产 生的四个精子中，含15N、14N标记的DNA分子的精子所占比例依次为
A.100% 、0 B.50% 、50% C.50% 、100% D.100% 、100%
00
⑧ -
G
T
C三9
A
⑥
⑦
3. 在含有4种碱基的DNA区段中，腺嘌呤有a
个，占该区段全部碱基的比例为b, 则 ()
A.b≤0.5
B.b≥0.5
C. 胞嘧啶为a(1/2b-1) 个
D. 胞嘧啶为b(1/2a-1) 个
4. 一 条DNA单链的序列是5'-GATACC-3',那
么它的互补链的序列是 ()
A.5'-CTATGG-3'
B.5'-GATACC-3'
C.5'-GGTATC-3'
D.5'-CCATAG-3'
一、概念检测
1.DNA 两条单链的碱基数量关系是构建 DNA双螺旋结构模型的重要依据。判断下列相关 表述是否正确。
(1)DNA 两条单链不仅碱基数量相等，而且
都有A 、T 、G 、C四种碱基。 ()
( 2 ) 在DNA的双链结构中，碱基的比例总是 (A+G)/(T+C)=1 。 ()
2. 下 面 是DNA的结构模式图，请写出图中 ① ~⑩的名称。
① ③ ⑤ ⑦ ⑨ :② ;④ ;⑥ __;⑧ ;⑩
;
;
;
;
。
二、拓展应用
碱基互补配对原则对遗传信息的传递具有什 么意义
④
③
⑤
②
①
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()
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'N 标记的大肠杆菌放在 含有"N的培养基中培养，使其分裂3次，下列叙述 正确的是 ()
A. 所有的大肠杆菌都含有"N
B. 含 有'N 的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比
例为1/2
C. 含 有'N 的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比
例为1/4
D. 含 有'N 的 DNA分子占全部DNA分子的 比例为1/8
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
2.已知果蝇的基因组大小为1.8×10 bp(bp 表示碱基对),真核细胞中DNA复制的速率一般 为50～100 bp/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。
果蝇DNA的电镜照片
一、概念检测
1. 科学研究发现，未经人工转基因操作的番
薯都含有农杆菌的部分基因，而这些基因的遗传 效应促使番薯根部发生膨大产生了可食用的部分， 因此番薯被人类选育并种植。下列相关叙述错误 的是 ()
A. 农杆菌这些特定的基因可以在番薯细胞内
复制
B. 农杆菌和番薯的基因都是4种碱基对的随
机排列
C. 农杆菌和番薯的基因都是有遗传效应的
DNA片段
D. 农杆菌这些特定的基因可能在自然条件下
转入了番薯细胞
2. 整理总结染色体、DNA和基因三者之间
的关系，并以你认为最简明的形式表示出来。
二 、拓展应用
1. 在严查偷猎野生动物的行动中，执法部门
发现某餐馆出售的一种烤肉比较可疑，餐馆工作人 员说是“山羊肉”,经实验室检验，执法部门确定 这种“山羊肉”来自国家二级保护动物斑羚。你认 为执法部门最可能采取哪种检测方法 为什么
2.我国一些城市在交通路口启用了人脸识别技
术，针对行人和非机动车闯红灯等违规行为进行抓 拍。这种技术应用的前提是每个人都具有独一无二 的面孔。为什么人群中没有一模一样的两个人呢 请你从生物学的角度评述人脸识别技术的可行性。
一、选择题
1.本章介绍的艾弗里的实验、赫尔希和蔡 斯的实验都证明DNA是遗传物质，这两个实验在 设计思路上的共同点是 ()
A. 重 组DNA 片段，研究其表型效应
B. 去 掉DNA 片段，研究其表型效应
C. 设法分别研究DNA和蛋白质各自的效应
D. 应用同位素标记技术，研究DNA在亲代 与子代之间的传递
2.在噬菌体侵染细菌的实验中，下列对噬菌
体外壳蛋白质合成的描述，正确的是 ()
A. 氨基酸原料和酶来自细菌
B. 氨基酸原料和酶来自噬菌体
C. 氨基酸原料来自细菌，酶来自噬菌体
D. 氨基酸原料来自噬菌体，酶来自细菌
3.烟草花叶病毒(TMV) 和车前草花叶病毒 (HRV) 同属于RNA病毒，都可以使烟草患病。将 TMV的RNA和HRV的蛋白质外壳混合后感染烟草 叶片，使烟草患病，可能观察到的现象是 ()
A. 能检测到TMV的RNA和蛋白质
B. 能检测到HRV 的 RNA 和蛋白质
C. 能检测到TMV的 RNA和HRV的蛋白质
D. 能检测到HRV的 RNA和TMV的蛋白质
4.研究人员对数千种生物的DNA碱基序列 进行测定发现，没有任何两个物种的DNA序列是 一样的。DNA具有多样性的主要原因是 ()
A.DNA 由4种碱基组成
B.DNA 具有规则的双螺旋结构
C.DNA 具有碱基互补配对的特点
D.DNA 的碱基对有很多种不同的排列顺序
二、非选择题
1.DNA 分子杂交技术可以用来比较不同种 生物DNA分子的差异。当两种生物的DNA单链 具有互补的碱基序列时，互补的碱基序列就会结 合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序 列的部位，仍然是两条游离的单链(如右上图所 示)。形成杂合双链区的部位越多，说明这两种 生物的亲缘关系越近，这是为什么
y MoNG 物种A的DNA yMMWWW 物种B的DNA
游离的单链
W
杂合双链区
来源 A G T c 下 A G C 嘌呤 嘧啶
人 1.56 1.75 1.00 1.00 1.0
鲱鱼 1.43 1.43 1.02 1.02 1.02
小麦 1.22 1.18 1.00 0.97 0.99
结核分枝 杆菌 0.4 0.4 1.09 1.08 1.1
生物 猪 牛
器官 肝 脾 胰 肺 肾
胃
(G+C) 1.43 1.43 1.42 1.29 1.29
1.30
2.某科学家分析了多种生物DNA的碱基组
成， 一部分实验数据如以下两表所示。据表回答 下面的问题。
(1)不同生物的DNA中4种脱氧核苷酸的比
例相同吗 这说明DNA具有什么特点
(2)同种生物不同器官细胞的DNA中脱氧
核苷酸的比例基本相同，这说明DNA具有什么特 点 为什么 不同生物的A 、T之和与G 、C之和 的比值不一致，这说明了什么 为什么
(3)除少数病毒外，所有生物的DNA都由4
种相同的碱基组成，试从生命起源和进化的角度 说明原因。