3.3 DNA的复制 讲义

第3节　DNA的复制
[学习目标]　1.概述DNA复制方式的假说及实验依据。2.掌握DNA复制的过程。3.归纳DNA复制的相关计算规律。
知识点一　对DNA复制的推测及DNA半保留复制的实验证据
1．对DNA复制的推测
(1)假说：半保留复制。
(2)提出者：沃森和克里克。
(3)假说内容
①解旋：DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补碱基之间的氢键断裂。
②复制：解开的两条单链作为复制的模板，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。
③结果：新合成的每个DNA中，都保留了原来DNA中的一条链，因此，这种复制方式称为半保留复制。
(4)其他假说
①全保留复制方式。
②内容：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。
　　要想证明DNA的复制方式，关键是什么？
提示：关键是通过实验区分亲代与子代的DNA。
2.DNA半保留复制的实验证据
(1)实验方法：假说—演绎法。
(2)实验技术：同位素标记技术和密度离心技术。
(3)实验原理：15N和14N是N元素的两种稳定同位素，两种同位素的相对分子质量不同，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区分含有不同N元素的DNA。
(4)实验过程
①用含15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌若干代，这时，大肠杆菌的DNA几乎都是15N标记的。
②将大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的普通培养液中。
③在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA。
④将提取的DNA进行离心，记录离心后试管中DNA的位置。
(5)实验预期
(6)实验结果
①亲代大肠杆菌的DNA经离心处理，试管中出现了一条DNA带。位置在试管底部。
②第一代大肠杆菌的DNA经离心处理，试管中出现了一条DNA带。位置在试管中部。
③第二代大肠杆菌的DNA经离心处理，试管中出现了二条DNA带。一条在试管中部，一条在试管更靠上部。
(7)实验结论
DNA的复制是以半保留的方式进行的。
　　若DNA复制的方式为全保留复制，上述实验结果会是怎样？
提示：(1)亲代，提取DNA→离心→全部重带；
(2)繁殖一代后取出，提取DNA→离心→重带、轻带；
(3)繁殖两代后取出，提取DNA→离心→重带、轻带。
　　第一代只出现一条居中的DNA条带，这个结果排除了哪种复制方式？
提示：全保留复制。
[例1]　细菌在15N培养基中繁殖数代后，使细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后再移入14N培养基中培养，提取其子代的DNA经离心分离，如图①～⑤为可能的结果，下列叙述错误的是(　　)
A．第一次分裂的子代DNA应为⑤
B．第二次分裂的子代DNA应为①
C．第三次分裂的子代DNA应为③
D．亲代的DNA应为⑤
解题分析　亲代DNA为15N/15N，如图⑤；经第一次分裂所形成的子代DNA应均为15N/14N，应如图②所示；第二次分裂的子代DNA为15N/14N和14N/14N，且数量比为1∶1，如图①所示；第三次分裂的子代DNA为15N/14N和14N/14N，且数量比为1∶2。
答案　A
[例2]　探究DNA复制的方式采用了假说—演绎法，下列说法不正确的是(　　)
A．提出假说：DNA复制是半保留复制
B．演绎推理：亲代为15N/15N—DNA，密度最大，应位于试管底部；子一代为15N/14N—DNA，密度居中，应位于试管中部；子二代为15N/14N—DNA和14N/14N—DNA，密度分别居中、最小，应位于试管中部和上部
C．实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的
D．演绎推理的过程即实验验证过程
解题分析　演绎推理过程是根据假说进行演绎推理，推出预测的结果。
答案　D
知识点二　DNA复制的过程
1．概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
2．发生时间：细胞分裂前的间期。
3．场所
(1)真核生物：主要在细胞核内，线粒体和叶绿体也可以进行。
(2)原核生物：主要在拟核。
(3)DNA病毒：活的宿主细胞内。
4．复制过程
5．结果：形成两个完全相同的DNA。
6．特点
(1)边解旋边复制。
(2)半保留复制。
7．准确复制的原因
(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。
8．意义：将遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。
　　所有的真核细胞都存在核DNA复制吗？
提示：不一定。如哺乳动物成熟的红细胞因为无细胞核和各种细胞器而不能进行核DNA复制；不分裂的细胞不存在DNA复制。
　　DNA复制效率高是因为半保留复制还是边解旋边复制？
提示：是因为边解旋边复制。
[例1]　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．复制仅发生在有丝分裂前的间期
C．复制过程先解旋后复制
D．碱基互补配对保证了复制的准确性
解题分析　DNA不只存在于细胞核内，在线粒体、叶绿体及原核生物的拟核中也存在，也可以进行DNA复制，A错误；DNA复制发生在有丝分裂前的间期和减数分裂前的间期，B错误；DNA是边解旋边复制，C错误。
答案　D
[例2]　如图为真核细胞DNA复制过程的模式图，据图分析，下列相关叙述不正确的是(　　)
A．由图示得知，DNA复制的方式是半保留复制
B．解旋酶能使双链DNA解开，且需要消耗ATP
C．从图中可以看出合成两条子链的方向都是5′到3′
D．DNA聚合酶的作用位点为两条脱氧核苷酸链之间的氢键
解题分析　由图示可知，新合成的每个DNA中，都保留了原来DNA中的一条链，因此DNA复制的方式是半保留复制，A正确；解旋酶使DNA双链解开，该过程需要消耗ATP，B正确；DNA复制的时候只能从5′端向3′端延伸，C正确；DNA聚合酶的作用位点为一条链中相邻的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，D错误。
答案　D
知识点三　与DNA复制相关的计算
DNA复制为半保留复制，若将双链被15N标记的DNA转移到含14N的培养基中培养，复制n(n≥1)次，其结果如下：
(3)消耗的脱氧核苷酸数
①若一亲代DNA含有某种脱氧核苷酸m个，则经过n次复制需要消耗游离的该脱氧核苷酸为m×(2n－1)个。
②若进行第n次复制，则需消耗游离的该脱氧核苷酸数为m×2n－1个。
　　DNA复制n次与第n次复制各形成多少个DNA
提示：DNA复制n次形成2n个DNA，第n次复制形成2n－1个DNA。
　　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14N的培养基中连续复制4次
1．含有15N的DNA分子占1/8(√)
2．含有14N的DNA分子占7/8(×)
3．含有14N的脱氧核苷酸单链为30条(√)
4．复制结果共产生16个DNA分子(√)
[例1]　一个用15N标记的DNA，放在14N的环境中培养，复制5次后标记的DNA占DNA总数的(　　)。含15N的脱氧核苷酸链占全部脱氧核苷酸链的比例是(　　)
A.
B.
C.
D.
解题分析　一个由15N标记的DNA，放在14N的环境中培养，复制5次后得到25＝32个DNA，共64条脱氧核苷酸链，根据DNA半保留复制特点，其中有2个DNA含15N，其他DNA不含15N，所以复制5次后标记的DNA占DNA总数的＝，含15N的脱氧核苷酸链有2条，故占全部脱氧核苷酸链的比例是＝。
答案　C　D
[例2]　某一DNA中，A为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已经复制了几次(　　)
A．4次
B．3次
C．5次
D．6次
解题分析　某DNA中含有腺嘌呤是200，复制n次后消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸3000个，则有关系式200×(2n－1)＝3000，解得n＝4。
答案　A
题后归纳
有关DNA复制相关计算的两个注意点
(1)分析被标记物质所占的比例时，应注意求的是DNA数，还是脱氧核苷酸链数；看准是“含”还是“只含”；还应注意培养液中化学元素的不同。
(2)在计算消耗脱氧核苷酸数时要明确是经过n次复制还是第n次复制。
1．下列关于DNA半保留复制的实验，说法错误的是(　　)
A．实验的关键是区分子代与亲代的DNA
B．实验运用放射性同位素标记法和密度离心技术
C．DNA复制2次，离心后试管中有2条带
D．结果证明DNA为半保留复制，而不是全保留复制
答案　B
解析　实验运用同位素标记法和离心技术。
2．下列关于DNA复制的叙述，正确的是(　　)
A．DNA复制时，严格遵循A—U、C—G的碱基互补配对原则
B．DNA子链的合成方向都是由5′→3′
C．DNA分子全部解旋后才开始进行DNA复制
D．脱氧核苷酸必须在DNA酶的作用下才能连接形成子链
答案　B
解析　DNA复制时，严格遵循A—T、C—G的碱基互补配对原则，A错误；DNA子链合成的方向都是由5′→3′，B正确；DNA的复制是边解旋边复制，C错误；脱氧核苷酸必须在DNA聚合酶的作用下才能连接形成子链，D错误。
3．DNA复制时，解旋酶作用的部位应该是(　　)
A．腺嘌呤与鸟嘌呤之间的氢键
B．腺嘌呤与胸腺嘧啶之间的氢键
C．脱氧核糖与含氮碱基之间的化学键
D．脱氧核糖与磷酸之间的化学键
答案　B
解析　DNA复制过程中用到解旋酶和DNA聚合酶，其中解旋酶的作用是把两条螺旋的双链解开，破坏的是A与T、G与C之间的氢键。
4．下图为DNA的复制，请回答有关问题：
(1)DNA的复制发生在____________________________________________期。
(2)②过程称____________，该过程需要__________酶。
(3)③过程必须遵循______________原则。
(4)将一个DNA用15N标记，放入含14N的4种脱氧核苷酸培养液中，连续复制3次，问：含14N的DNA占DNA总数的________，含15N的DNA占DNA总数的________。
答案　(1)细胞分裂前的间　(2)解旋　解旋
(3)碱基互补配对　(4)100%　1/4
解析　(4)将一个DNA用15N标记，放入含14N的4种脱氧核苷酸培养液中，连续复制3次形成8个DNA分子，根据DNA半保留复制，其中有2个DNA分子一条链含有14N，另一条链含有15N，其余6个DNA分子只含14N，所以8个DNA分子均含14N，含15N的DNA占DNA总数的1/4。