3.3 DNA的复制 高中生物新人教版2019必修二(共52张PPT)

(共52张PPT)
3.3 DNA的复制
1.通过DNA 的复制，认同生命的延续与发展观；理解遗传信息，认同 DNA的遗传物质观。(生命观念)
2.分析DNA复制过程，归纳DNA 复制过程中相关数量计算，提高逻辑分 析和计算能力。(科学思维)
3.通过对DNA 复制方式的推测及对探究DNA 复制方式实验的分析，再一次 体会假说—演绎法。(社会责任)
学习目标
(1)碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的
暗示DNA的复制可能要先解开DNA双螺旋的两条链，然后通过碱基互
补配对合成互补链。
(2)DNA 以什么方式复制
沃森和克里克在发表DNA 双螺旋结构的那篇 著作短文的结尾处写道： “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”。
[in the following communications.We were not aware
of the details of the results prosented there when we devised our structure,which rests mainly though not ontirely 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 genetic 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.
问题探讨
《核酸的分子结构》论文节选
沃森和克里克紧接着提出了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
P
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
一 、 对 D N A 复 制 的 推 测
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。
脱氧
亥脱氧
亥糖
脱氧
脱氧
亥脱氧
核糖
脱氧
核米脱氧
核糖
5'
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
脱氧
核糖
3'
P
P
D
核糖 亥糖
提出假说
假说一：半保留复制
(沃森和克里克)
以DNA— 条链为模板，新合 成的每个DNA 分子中都保留 了原来DNA 分子中的一条链。
假说二：全保留复 制 以DNA 双链为模板，子代 DNA 的双链都是新合成的。
亲 代DNA 子 代DNA
复制
亲 代DNA 子 代DNA
复制
区分亲代和子代的DNA
如何验证哪个假说是正确的 关键思路是
一 、 对 D N A 复 制 的 推 测
二 、DNA 半保留复制的实验证据
DNA是肉眼看不可见的，如何做区分亲代和子代的DNA呢 想 想!
资 料 ：15 N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。
同位素标记技术)
大肠杆菌(繁殖快，20min一代)
梅塞尔森 斯塔尔
好好
…
14N/14N—DNA
15n/14N—DNA
15N/15N—DNA
利用离心技术可以在试管中区分含有不同质量N元素的DNA。
(轻带)
(中带)
(重带)
二 、 D N A 半 保 留 复 制 的 实 验 证 据
密度梯度离心技术
置
· 假 设DNA是半保留复制，离心后试管中DNA应处在什么位置
实验过程
大肠杆菌在含15NH CL 的 培养液中生长若干代
二、DNA半保留复制的实验证据
提取DNA离心 提取DNA 离心 提取DNA离心
转移到含14NH CL 细胞分裂一次 细胞再分裂一次
· 假 设DNA是全保留复制，离心后试管中DNA应处在什么位置
得到的大肠杆菌DNA 几乎都是15N 标记的
哪个位
二、DNA 半保留复制的实验证据 演绎推理
【实验预期】 密度
提取DNA 离心 低
如果DNA复制 亲代 15N/15N-DNA
是半保留复制 高
14N 15N/15N-DNA
提取DNA 离心
14N/15N
-DNA
14N 14N
提取DNA 离心
14N/14N-DNA 14N/15N-DNA
第一代会出现
的结果是
第二代会出现
的结果是
14N/15N-DNA
14N/ 15N-DNA
14N/14N-DNA 14N/15N-DNA
演绎推理
密度
提取DNA 离心 低
高
15N/15N-DNA
提取DNA 离心
14N/14N-DNA
15N/ 15N-DNA
提取DNA 离心
14N/14N-DNA
15N/15N-DNA
二 、DNA 半保留复制的实验证据
【实验预期】
15N/15N-DNA
如果DNA复制
是全保留复制 14N
第二代会出现
的结果是
15N/15N-DNA 14N/14N-DNA
15N /15N -DNA
14N
14N/14N
-DNA
14N
第一代会出现 的结果是
密度
提取DNA 离心
15N/15N-DNA
提取DNA 离心
第一代
14N/ 15N-DNA
提取DNA 离心
第二代
14N/14N-DNA
14N/ 15N-DNA
密度
低
高
15N/15N-DNA
提取DNA 离心
14N/14N-DNA
15N/ 15N-DNA
提取DNA 离心
14N/14N-DNA
15N/ 15N-DNA
全保留复制
半保留复制
提取DNA 离心
低 高
亲代
大肠杆菌在含15NH CL 的培
养液中生长若干代
转移到含14NH CL
提取DNA离心
低
高 15N/15N-DNA
细胞分裂一次 细胞再分裂一次
提取DNA 离心 提取DNA离心
14N/14N-DNA
14N/15N-DNA- 14N/15N-DNA
实验结果与半保留复制的假说吻合，说明DNA 的复制是以半保留复制的方式进行的
实施实验，得出结论
二 、DNA 半保留复制的实验证据
【实验结果】
预测两种复制模式下得到的子代DNA 的可能 情况及可能的实验结果。
实验结果与半保留复制的预期相符。
DNA分子复制的方式是半保留复制。
提出问题：
做出假说：
演绎推理：
验证验证：
得出结论：
二 、 D N A 半 保 留 复 制 的 实 验 证 据
半保留复制
全保留复制
DNA 复制方式的探究历程
假说演绎法
推测可能的复制方式
DNA是如何复制的
1.在氮源分别为14N和15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子分别为14N-
DNA(相对分子质量为a)和15N-DNA (相对分子质量为b) 。将亲代大肠杆菌转
移到含14N的培养基上，再连续繁殖两代(I 和Ⅱ),用某种离心方法分离得到 的结果如图所示。
(1)第Ⅱ代细菌含15N的DNA分子占全部DNA分子 的比例
1/2
(2)预计第Ⅲ代细菌DNA分子的平均相对分子质
探究活动(大本P61情境体验)
重
全轻 全重 全中 14N-DNA N-DNA
对照 轻-
中-
量是多少
之轻、中
(7a+b)/8
亲代 Ⅱ
代
15N 15N
15N 14N 14N 15N
14N 14N 14N 14N
第一代
第二代
第三代
2=21
4 =22
8=23
假设将一个全部被15N标记的双链DNA 分子(亲代)转移到含14N 的培养液中培养n代，结
三 、 D N A 复 制 相 关 计 算
果如下：
亲
结果如下：
(1)DNA 分子数
①子n 代DNA 分子总数为 2n 个。
②含15N 的D NA 分子数为 2 个。
③含14N 的D NA 分子数为 2n 个。
④只含15N的D NA 分子数为 0 个。
⑤只含14N的D NA 分子数为 (2n-2) 个。
假设将一个全部被15N 标记的双链DNA 分子(亲代)转移到含14N 的培养液中培养n代，
亲代
1 代 2代
:
n代
三 、 D N A 复 制 相 关 计 算
15N 15N
15N 14N
15N
2n
●●
士
l
①子n代DNA 中脱氧核苷酸链数= 2n+1 条。
②含15N脱氧核苷酸链数= 2 条。 第二代
③含14N的脱氧核苷酸链数= (2n+1-2) 条。
第三代
分子(亲代)转移到含14N的培养液中培养n代，
亲 代
第一代
假设将一个全部被15N 标记的双链DNA
结果如下：
(2)脱氧核苷酸链数
三 、 D N A 复 制 相 关 计 算
结果如下：
(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次复制需消耗游离的该脱氧核苷酸数为 m·(2n-1) ___个。
②若一亲代DNA 分子含有某种脱氧核苷酸m 个 ， 在第n次复制时，需消耗游离的该脱氧核苷酸数 为 m·2n-1 _ 个 。
15N 15N
15N 14N 14N 15N
21
14N 14N
第二代
第三代
不消耗
假设将一个全部被15N 标记的双链DNA 分子(亲代)转移到含14N的培养液中培养n代，
三、DNA复制相关计算
亲 代
第一代
14N 14N
1.用15N标记含有100个碱基对的双链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4次。下列有关叙述错误的是(C)
A.含有15N的DNA分子占1/8
B.复制过程中需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸600个
C.含有14N的DNA分子占7/8
D.复制结果共产生16个DNA 分子
三、DNA复制相关计算
2.某DNA分子含腺嘌呤(A)200个，复制数次后消耗周围环境中含A的 脱氧核苷酸3000个，该DNA 分子已经复制了几次 ( A )
A.4次 B.3次 C.5次 D.6次
200×(2n-1)=3000, 解得n=4
三 、 D N A 复 制 相 关 计 算
1.某研究小组进行“探究DNA 的复制过程”的活动，结果如右图所示。其中
培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH Cl 或15NH Cl,a、b、c表示离心管编号，条 带表示大肠杆菌DNA 离心后在离心管中的分布。下列叙述错误的是(B )
A.本活动运用了同位素标记技术和离心技术
B.a管的结果表明该管中的大肠杆菌是在含14NH Cl 的培养液中培养的
C.b管的结果表明该管中的大肠杆菌的DNA都是15N/14N-DNA
D.实验结果说明DNA 分子的复制方式是半保留复制
C
当堂训练
2.细菌在含有15N 的培养液中繁殖数代后，细菌DNA 的碱基皆含有15N,
然后再移入含有14N 的培养液中培养，提取其子代的DNA 进行离心分离， 下图①~⑤为可能的结果。下列叙述错误的是(A)
A.第一次分裂形成的子代DNA 应为⑤
B.第二次分裂形成的子代DNA 应为① C.第三次分裂形成的子代DNA 应为③ D.亲代DNA 应为⑤
当堂训练
① ② ③ ④ ⑤
3.把培养在含轻氮(14N)环境中的细菌，转移到含重氮(15N)环境中培养相当
于复制一次的时间，然后放回原环境相当于连续复制两次的时间后，细菌 DNA组成分析结果是( A )
A.3/4 轻氮型、1/4中间型 B.1/4 轻氮型、3/4中间型
C.1/2 中间型、1/2重氮型 D.1/2轻舞型、1/2中间型
半保留复制
过程
当堂训练
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
(1)概念：DNA的复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
原核生物的拟核和细胞质
(2)场所：主要是在细胞核(次要在线粒体、叶绿体) 病毒在宿主细胞内
(3)时间：细胞分裂(有丝分裂或减数分裂)前的间期
模板
亲代DNA分子中的两条母链
原料
以细胞中游离的4种脱氧核苷酸
酶
解旋酶、DNA聚合酶等
能量
ATP等
四 、 D N A 复 制 过 程
(4)条件：
四 、DNA复制过程
(5)DNA 复制的过程：
四 、DNA 复制过程
(1)解旋 ：利用能量，在解旋酶作用下，氢键断裂，DNA 双螺旋 的两条链解开。 3'
-T C-G G C T
_
解旋酶
5'
四 、DNA复制过程注：氢键形成不需酶，磷酸二酯键形成需DNA聚合酶
(2)合成子链：DNA 聚合酶等以解开的每一条母链为模板， 以游离的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。
DNA 聚合酶
注 ：DNA 两条子链合成方向是5’→3’端，因此两条子链的延伸方向相反。
5'
5'
(3)重新螺旋：每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
( 6 ) 特 点 ：①边解旋边双向复制
②半保留复制
四 、 D N A 复 制 过 程
DNA复制的起点和方向
(1)真核生物：多起点、双向复制。 (2)原核生物：单起点双向复制。
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， 提高复制效率。
原核生物 DNA的复制只有一个复制起点。
复制方向复制方向 复制方向
拓 展
①二条母链的碱基顺序是否相同
不同，互补
②二条子链的碱基顺序是否相同
不同，互补
③新合成的二个DNA碱基顺序是否相同
相 同
(7)结果： 形成两个完全相同的DNA 分子。
G
GC
-A
T A
DNA
℃
T
0
c
A
Ax
Ax
C-
母链 G
C G- cG
DNA
聚合酶
T-
A
Q
四 、 D N A 复 制 过 程
C-
C G-
G
C T
聚合酶
亲 代DNA
CG
子链一
c-
G
( 8 ) 意 义 ：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。
(9)精确复制的原因：
①双螺旋结构为其提供 精 确 模 板_ ;
②碱基互补配对原则及半保留 复制使复制准确进行。
四 、 D N A 复 制 过 程
五、DNA复制与细胞分裂过程中染色体标记情况分析
用15N 充分标记细胞核DNA 分子，再将该细胞放到含14N 的培养液中进行 两次有丝分裂，情况如下(展示细胞中一对同源染色体)。
1条染色体上的2个DNA
1条染色单体上的1个DNA
1条染色体上的1个DNA
用15N标记1对同源染色体 上的2个DNA 分子
第一次有丝分裂
14N 第1次复制
每条同源染色体上的
每条染色体单体均带有标记
分裂 分裂形成2个子细胞，
每个子细胞中的每条 染色体均带有标记
用15N 充分标记细胞核DNA 分子，再将该细胞放到含14N 的培养液中进行 两次有丝分裂，情况如下(展示细胞中一对同源染色体)。
五 、DNA 复制与细胞分裂过程中染色体标记情况分析
①有丝分裂
14N 第2次复制
分裂 ①
方案一
②
③
④
①有1/2 的子细胞 带有标记
②③ 有3/4 的子细胞 带有标记
④全部子细 胞 带有标记
五、DNA复制与细胞分裂过程中染色体标记情况分析
分裂形成4个子细胞，子细胞类型有4种组合方式
第 二 次 有 丝 分 裂
方案二
分裂
五、DNA复制与细胞分裂过程中染色体标记情况分析
②减数分裂
姐妹染色单体分离
分裂形成4个子细胞，全部子细胞中的每条染色体均带有标记。
复制 减I 减 Ⅱ
14N
15N标记1对同源染色 体上的两个DNA分子
同源染色体分离
2或3或4
14N 第2次复制
分裂
方案一
②
方案二
(4
14N 第1次复制
分 裂
思 考 ：如果是2n条染色体，4个子细胞带有标记情况
分裂
①
③
O
14N 第2次复制
分裂
方案一
①
方案二
③ ④
14N 第1次复制
分裂
如果是2n条染色体，4个子细胞中最多和组少有多少
条染色体被标记 0~2n
分裂
②
思考：
规律总结：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，连续分裂两次，产生4个子细胞。
(1)若进行有丝分裂，则含有标记的子细胞数为2或3或4; 一个子细胞中被标记染色体数为0~2n条。
(2)若进行减数分裂，则含有标记的子细胞数为4;每个细 胞中有n条染色体被标记。
五、DNA复制与细胞分裂过程中染色体标记情况分析
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 ( C)
A.20 、40 、20
C.20 、20 、0～20
B.20 、20 、20
D.20 、40 、0～20
课堂训练
过程
解旋
参与
合成子链
参与
复旋
实验结果
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)
证 明
实验结论
DNA
复制
是半
保留
复制
半保留复制
全保留复制
DNA复 制的推
测
DNA复 制实验 证据
课堂小结
原 料 四 种 脱 氧 核 苷 酸
边解旋边复制
DNA复 制
的两条链
基本条件
实验过程
聚 合 酶
解 旋 酶
模 板
特点
能 量
酶
DNA
DNA
豆
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。
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。
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。
第一
第二
第三
关 于“DNA 复制的计算”的四点“注意”
第四
1.下列关于DNA复制过程的正确顺序是
①互补碱基对之间氢键断裂 ②互补碱基对之间形成氢键
③DNA 分子在解旋酶的作用下解旋 ④以解旋后的母链为模板进行 碱基互补配对 ⑤子链与母链盘旋成双螺旋状结构
A.①③④②⑤ B.①④②⑤③
C.①③⑤④② D ① ④②⑤
当堂训练
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
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
碱基互补配对原则保证了复制的准确性
B:
3.下图为某真核细胞中DNA复制过程的模式图，下列叙述正确的是
A.DNA分子在酶①的作用下水解成脱氧核苷酸，酶②催化碱基对之间
C.解旋酶能使双链DNA解开，并且不需要消耗ATP
D.两条新的子链通过氢键形成一个新的DNA分子
的连接 b链 d链
B. .在复制过程中解旋和复制是同时进行的
以母链为模板进 行碱基互补配对
解旋
复制叉 复制叉
A.DNA具有半保留复制、边解旋边复制的特点
B.DNA 复制时两条子链的延伸方向相同
C.DNA不同起点的复制是不同步进行的
D.多起点双向复制提高了DNA 的合成速率
复制起点 复制起点 双向复制
4.如图为真核生物DNA复制过程示意图，有关分析错误的是( )
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。 ( × )
练习与应用(P56)
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
练 习 与 应 用 ( P 5 6 )
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 ( P 5 6 )
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
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
练 习 与 应 用 ( P 5 6 )
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50～100 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。
说明果蝇的DNA有多个复制起点，可 同时从不同起点开始DNA复制，由此 加快DNA复制的速率，为细胞分裂做 好物质准备。
练 习 与 应 用 ( P 5 6 )
果蝇DNA的电镜照片
3'
5'
- 引物
DNA 聚合酶
4.DNA复制的过程
特点3:半不连续复制
用DNA连接酶 连接DNA 片段
3'
5
DNA 聚合酶
将“缺口”补
5' .
5
文 5'
利用酶将 引物切除
5'一
3'