1、有丝分裂得到的子细胞中的遗传物质与母细胞相同第三章 基因的本质第3节 DNA的复制 问题探讨 沃沃森和克里克在发表森和克里克在发表DNA双螺旋结构的双螺旋结构的那篇著作短文的结尾处写道：那篇著作短文的结尾处写道：“值得注意的值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，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暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制”1.碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？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.这句话中
2、为什么要用“可能”二字？这反应科学研究具有什么特点？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实验证据之上。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 esca
3、ped 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.01无论细胞有丝
4、分裂还是减数分裂，都要经历一个较长的细胞分裂间期。细胞在分裂间期主要有什么变化？DNA分子是怎样进行复制的呢?提出问题DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基 之间的氢键断裂。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-作出假说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。新复制出的分子直接形成，完全没有旧的部分。新复制的分子中新旧都有，但分配是随机组合的。2.全保留复制3.分散复制（弥散复制）对DNA复制的
5、推测-作出假说关键思路：通过实验区分亲代和子代的DNA。标记亲代DNA链，然后观察它们在子代DNA中如何分布。1958年，年，美国生物学家美国生物学家梅塞尔森梅塞尔森（M.Meselson）和和斯塔尔斯塔尔（F.Stahl）以以大肠杆菌大肠杆菌为材料为材料，利用，利用15N和和14N进行进行同位素标记同位素标记，将亲代，将亲代DNA全部标记全部标记为为15N，并将其放入，并将其放入14N的环境中培养。的环境中培养。15N和和14N是是N元素的两种稳定的同位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，因此，利用素，这两种同位素的相对原子质量不同，因此，利用离心技术离心技术可以在试管可
6、以在试管中区分含有不同中区分含有不同N元素的元素的DNA。科学方法：科研方法：DNA半保留复制的实验证据同位素标记法（N15无放射性）、密度梯度离心法假说-演绎法问题问题1：如果要在实验中直观地区别、：如果要在实验中直观地区别、“标识标识”母链或子链，可以采母链或子链，可以采取什么办法？取什么办法？二、DNA半保留复制的实验证据同位素标记法同位素标记法问题问题2 2：如果用同位素（放射性）进行标记，用什么元素？：如果用同位素（放射性）进行标记，用什么元素？15N和和14N是氮元素的两种是氮元素的两种稳定同位素稳定同位素，这两种同位素的，这两种同位素的相相对原子质量不同对原子质量不同，含含15N
7、的的DNA比比含含14N的的DNA密度大密度大；利用利用离心技术离心技术可以在试管中区分含有不同氮元素的可以在试管中区分含有不同氮元素的DNA；轻带中带重带14N/14N-DNA15N/14N-DNA15N/15N-DNA2.密度梯度离心问题3：要验证上述预测，就要分别观察亲代和子代的情况，但实验中，复制后的DNA分子混合在一起的，不易分离。怎么解决这个问题？为什么要选大肠杆菌作为实验材料？如何让亲代DNA获得15N标记？如何让子代DNA获得14N标记？大肠杆菌约20min就繁殖一代，繁殖速度快将大肠杆菌放入含15NH4Cl的培养液中培养若干代将大肠杆菌放入含14NH4Cl的培养液中培养若干代
8、15N14N14N14N15N14N亲 代子一代子二代细胞再分细胞再分裂一次裂一次15N15N转移到含转移到含1414NHNH4 4ClCl的的培养液中培养液中细胞分细胞分裂一次裂一次提出提出DNADNA离心离心提出提出DNADNA离心离心提出提出DNADNA离心离心假设DNA的复制是半保留复制DNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据 DNA半保留复制的实验证据-演绎推理1515N/N/1515N-DNAN-DNA1515N/N/1414N-DNAN-DNA1515N/N/1414N-DNAN-DNA1414N/N/1414N-DNAN-DNA高密度带中密度带低密度带15N14N15N1
9、5N14N14N亲 代子一代子二代细胞再分细胞再分裂一次裂一次15N15N转移到含转移到含1414NHNH4 4ClCl的的培养液中培养液中细胞分细胞分裂一次裂一次提出提出DNADNA离心离心提出提出DNADNA离心离心提出提出DNADNA离心离心假设DNA的复制是全保留复制15N15N14N14N14N14N15N15NDNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据 DNA半保留复制的实验证据-演绎推理高密度带中密度带低密度带15N14N15N15N14N14N1515N/N/1515N-DNAN-DNA1414N/N/1414N-DNAN-DNA1515N/N/1515N-DNAN-DNA
10、1414N/N/1414N-DNAN-DNA1515N/N/1515N-DNAN-DNA子一代子二代亲 代细胞再分细胞再分裂一次裂一次15N15N转移到含转移到含1414NHNH4 4ClCl的的培养液中培养液中细胞分细胞分裂一次裂一次提出提出DNADNA离心离心提出提出DNADNA离心离心提出提出DNADNA离心离心假设DNA的复制是分散（弥散）型复制DNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据15N14N15N14N DNA半保留复制的实验证据-演绎推理1515N/N/1515N-DNAN-DNA1515N/N/1414N-DNAN-DNA1515N/N/1414N-DNAN-DNA高密
11、度带中密度带低密度带15N14N15N15N14N14NDNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据 DNA半保留复制的实验证据-实验验证证明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细胞再分裂一次裂一次15N14N15N15N14N14N转移到含转移到含1414NHNH4 4ClCl的的培养液中培养液中细胞分细胞分裂一次裂一次15N14N提出提出DNADNA离心离心提出提出DNADNA离心离心提出提出DNADNA离心离心DNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据 DNA半保留复制的实验证据-得出结论1515N/N/1515
12、N-DNAN-DNA1515N/N/1414N-DNAN-DNA1515N/N/1414N-DNAN-DNA1414N/N/1414N-DNAN-DNA假说演绎法 DNA半保留复制的实验证据-假说演绎法1、提出问题：2、作出假说：3、演绎推理：推理、预测4、实验验证：实验5、得出结论：三、DNA复制的过程1.主要的遗传物质是什么？2.DNA复制的概念?时间？场所？3.DNA复制过程需要哪些条件?4.DNA复制过程有何特点?5.DNA复制过程是怎么进行的?6.DNA准确复制的原因？7.DNA复制有何生物学意义?回顾学过的知识及认真观看以下视频回答问题 DNA复制的过程复制的过程 DNA复制的过程
13、1）解旋在在能量能量的驱动下，解旋酶的驱动下，解旋酶将将DNADNA双螺旋的两条链解双螺旋的两条链解开，开，氢键氢键断裂。断裂。解旋酶ATP4、过程、过程:2）合成引物（补充）在引物酶的作用下，产生在引物酶的作用下，产生一小段一小段RNARNA作为引物作为引物,后期后期引物会被切除引物会被切除引物酶引物53引物的作用简单理解就是引物的作用简单理解就是引出引出DNADNA聚合酶，因为聚合酶，因为DNADNA聚合酶必须识别聚合酶必须识别33端才端才能结合上去。能结合上去。3）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
14、子链。模板模板DNA聚合酶53子链延伸方向子链延伸方向两条子链延伸方向相反，但都是从53随着模板链解旋过程的进行，新合成的子链也在不断延伸。子链母链母链53533355子链4）重新螺旋每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期,随着染色体的复制而完成。2、时间：3、场所:1、概念：指以亲代DNA的两条链为模板合成子代DNA的过程。叶绿体、线粒体原核生物：细胞核（主要）拟核、细胞质（质粒）4、过程:宿主细胞内 DNA复制的过程CGTATACGGCCGTATAGCCGATATCGATCGTATATATACGTATACGGCTAGCCGTA35CCGTAGTAT
15、ACGGCTAGCCGTATACGGCCGTATAGCCGATATCGATCGTATATATA35ATP解旋酶 DNA复制的过程1.解旋解旋：在细胞提供的：在细胞提供的能量能量的驱动下，的驱动下，解旋酶解旋酶将将DNA双螺旋的双螺旋的两条链解开。两条链解开。（ATP）（使氢键断裂）（使氢键断裂）合成子链：游离的4种脱氧核苷酸按碱基互补配对原则随机地与两条母链的碱基配对，。CCGTAGTATACGGCTAGCCGTATACGGCCGTATAGCCGATATCGATCGTATATATA35ACGCAAGCTAGTCATTATATGCATGATCGAGCTT形成氢键形成氢键 DNA复制的过程（2）合
16、成子链：在DNA聚合酶的催化下从子链的5端把子链的 脱氧核苷酸聚合成脱氧核苷酸链。CCGTAGTATACGGCTAGCCGTATACGGCCGTATAGCCGATATCGATCGTATATATA35ACGCAAGCTAGTCATTATATGCATGATCGAGCTTACGCAAGCTAGTCATTADNA聚合酶53TATGCATGATCGAGCTT53ATPATP 合成合成方向方向：子链的子链的5 5 端端 3 3 端端形成磷酸二酯键 DNA复制的过程（3）形成子代DNA分子：每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。CCGTAGTATACGGCTAGCCGTATACGGCCGTATAGCCG
17、ATATCGATCGTATATAA35ACGCAAGCTAGTCATTATATGCATGATCGAGCTT53TAGCCGTATAGCCGATAT35TTACGCGTATATATA53 DNA复制的过程解旋酶酶5335DNA聚合酶53前导链前导链53冈崎片段冈崎片段DNA连接酶DNA聚合酶的底物：脱氧核苷酸DNA连接酶的底物：DNA片段后随链后随链前导链与后随（滞后链）：互补配对 DNA复制的过程单链附着蛋白解旋在能量驱动下，解旋酶将DNA双螺旋解开合成子链DNA聚合酶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复旋（合成子代DNA
18、分子）随着解旋进行，子链不断延伸，每条新子链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构 DNA复制的过程模板模板母链子链5、条件:6、原则:7、特点:能量亲代DNA的两条链4种游离的脱氧核苷酸解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等由细胞代谢提供的ATP边解旋边复制(从过程上看)半保留复制(从结果上看)模板原料酶 碱基互补配对原则保证了复制的准确进行保证了复制的准确进行从子链的5 端向 3 端延伸8、方向:半不连续复制(前导链和滞后链)DNA复制的过程多起点双向复制 模板：模板：特定碱基序列特定碱基序列酶：酶：识别，专一催化识别，专一催化原则：原则：碱基互补配对碱基互补配对DNA通过复制，将遗传信息从亲代传
19、给了子代，从而保持了遗传信息的连续性。DNA具有独特的双螺旋结构，能为复制提供精确的模板。碱基具有互补配对的能力，保证了复制能够准确地进行。1个DNA复制出两个完全相同的DNA分子。DNA复制的过程真核生物真核生物DNADNA的复制从的复制从多个起点多个起点开始开始进行，使得复制能在较短时间内完成进行，使得复制能在较短时间内完成在复制速率相同的前提下，图中在复制速率相同的前提下，图中DNADNA是从其最右边开始复制的。是从其最右边开始复制的。一个细胞一个细胞周期中每个起点一般只起始周期中每个起点一般只起始1 1次次。真核生物与原核生物DNA复制的区别多起点不同时双向复制多起点不同时双向复制单起
20、点双向复制原核生物原核生物DNADNA的的复制，只有复制，只有一一个复制起点个复制起点。355335533553 拓展应用（教材P56）2.已知果蝇的基因组大小为1.8108bp（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。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。(一一)DNA分子数分子数1.子代子代DNA总数总数2.含含15N的的DNA数数3.含含14N的的DNA
21、数数4.只含只含15N的的DNA数数5.只含只含14N的的DNA数数四、相关计算亲代亲代DNA分子分子复制复制1次次复制复制2次次复制复制3次次2n个个222315N14N212个个2n个个0个个(2n-2)个个(二二)DNA链数链数1.子代子代单链总单链总数数2.含含15N的的单链单链3.含含14N的的单链单链四、相关计算亲代亲代DNA分子分子复制复制1次次复制复制2次次复制复制3次次2n+1条条222315N14N212条条(2n+1-2)条条(三三)消耗某种碱基数消耗某种碱基数(假设亲代假设亲代DNA含有某种碱基的含有某种碱基的个数为个数为m)1.经过经过n次复制，总共消耗游次复制，总共
22、消耗游离的该碱基数为离的该碱基数为四、相关计算亲代亲代DNA分子分子复制复制1次次复制复制2次次复制复制3次次222315N14N21m(2n-1)个个(三三)消耗某种碱基数消耗某种碱基数(假设亲代假设亲代DNA含有某种碱基的含有某种碱基的个数为个数为m)2.第第n次复制时，共消耗游离次复制时，共消耗游离的该碱基数为的该碱基数为四、相关计算亲代亲代DNA分子分子复制复制1次次复制复制2次次复制复制3次次222315N14N21m2n-1个个练一练练一练1.一个有一个有15N标记的标记的DNA分子放在没有标记的环境中培养，分子放在没有标记的环境中培养，复制复制5次后标记的次后标记的DNA分子占分
23、子占DNA分子总数的分子总数的（）A.1/10 B.1/5 C.1/16 D.1/322.1个个DNA分子经过分子经过4次复制次复制，形成形成16个个DNA分子分子，其中其中不含亲代母链的不含亲代母链的DNA分子为分子为()A.2个个 B.8个个 C.14个个 D.32个个 C C 3一个一个DNA分子中有碱基分子中有碱基A 20个，占全部碱基的个，占全部碱基的20，若，若DNA连续复制连续复制2次，需要碱基次，需要碱基C()A.20个个 B30个个 C.90个个 D.120个个4某某DNA分子有分子有2000个脱氧核苷酸，已知它的一条单链上碱基个脱氧核苷酸，已知它的一条单链上碱基A G T
24、C1 2 3 4,若该分子复制一次，则需要腺嘌呤若该分子复制一次，则需要腺嘌呤脱氧核苷酸的数量是脱氧核苷酸的数量是 ()A.200个个 B.300个个 C400个个 D800个个练一练练一练 C C ACTTGACGATGAACTGCT复制染色体数目不变 DNA数目加倍 复制产生的两个子代DNA分子位于一条染色体的两条姐妹染色单体上，由着丝点连在一起，在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期着丝点分裂时分开，分别进入两个子细胞中。ACTTGACGATGAACTGCTACTTGACGATGAACTGCT DNA与染色体的关系DNA是染色体的组成成分,染色体是DNA的载体。15N15N15N15N复制用
25、15N标记细胞的DNA分子，然后将其放到含14N的培养液中进行两次有丝分裂，情况如图所示(以一对同源染色体为例)：由图可以看出，第一次有丝分裂形成的两个细胞中所有的DNA分子都呈“杂合状态”，即15N/14NDNA。有丝分裂用15N标记细胞的DNA分子，然后将其放到含14N的培养液中进行两次有丝分裂，情况如图所示(以一对同源染色体为例)：第二次有丝分裂形成的子细胞有多种可能性，可能子细胞的所有染色体都含15N，也可能子细胞的所有染色体都不含15N。即子细胞含有15N的染色体为0-2n条(体细胞染色体为2n条)。有丝分裂第一次有丝分裂（DNA复制一代）第二次有丝分裂（DNA复制两代）蚕豆根尖细胞
26、在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期，然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期，其染色体的放射性标记分布情况是（）A每条染色体中都只有一条单体被标记B每条染色体的两条单体都被标记C半数的染色体中只有一条单体被标记D每条染色体的两条单体都不被标记A细菌在含有15N的培养基中繁殖数代后可认为DNA的含氮碱基都含有15N，然后移入只含有14N的培养基中培养，抽取亲代及子代的DNA经高速离心分离，图为可能的结果，下列叙述错误的是（）A子一代DNA应为 B子二代DNA应为C子三代DNA应为 D亲代的DNA应为若以白色表示某亲本DNA分子的双链，以灰色表示第一次复制出的DNA子链，以黑色表示第二次复制出的DNA子链，则该亲本双链DNA分子连续复制两次后所得产物的表示方法是（）
