1、第三章第三章 基因的本质基因的本质第3节 DNA的复制新人教版新人教版 必修二必修二 遗传和进化遗传和进化 :考纲要求近5年考情核心素养DNA分子的复制()20162016年全国年全国卷卷T29T2920162016年全国年全国卷卷T2T220182018年全国年全国卷卷T2CT2C20182018年海南卷年海南卷T5T520202020江苏卷江苏卷T20T20生命观念:结构与功能观:DNA准确复制的原因:严格遵循碱基互补配对原则,DNA具有规则的双螺旋科学思维:演绎和推理-若DNA进行半保留复制,则子一代DNA分子含一条母链和一条子链科学探究:利用同位素标记法和半保留复制原理,计算推测子代中
2、母琏和子琏的数目和关系社会责任:关注社会热点中DNA有关的议题 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.这句话中为什么要用“可能”二
3、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 escaped our no
4、tice 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无论细胞有丝分裂还是减数分裂,都
5、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?DNA作为遗传物质,需要具备的特点有:能贮存大量的遗传信息。可以复制,并能传递给后代。具有一定的稳定性。立体结构平面结构 DNA的复制 只有分生组织及精巢、卵巢(或花药、胚囊)中才会进行细胞分裂,进而才会发生DNA分子的复制。已分化的细胞,如神经细胞、肌肉细胞等不进行分裂,也就不会发生DNA复制。但造血干细胞可以进行DNA复制。作出假说推测可能的复制方式。实验验证,得出结论实验、得出结论、验证假说。提出问题DNA是如何复制的?演绎推理根据复制模式,预测实验结果。假说演绎法DNA复制时,DNA双螺旋解开,互
6、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
7、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
8、说-演绎法 氯化铯氯化铯离心分离时离心分离时,盐离子由于受到强大的离心力而被拉向离心管盐离子由于受到强大的离心力而被拉向离心管底部底部,同时溶液中存在的扩散作用与离心力相对抗同时溶液中存在的扩散作用与离心力相对抗,使使CsCs+与与ClCl-分散在整分散在整个溶液中个溶液中,CsCl,CsCl经过离心后经过离心后,溶液达到一个平衡状态溶液达到一个平衡状态,扩散和沉淀的两种扩散和沉淀的两种相对力量保持平衡相对力量保持平衡,形成一个连续的形成一个连续的CsClCsCl浓度梯度浓度梯度,溶液的密度在离心管溶液的密度在离心管底部最大底部最大,顶部顶部最小。最小。如果如果DNADNA分子溶解在分子溶解在
9、CsClCsCl中中,它们会逐渐集中在一条狭窄的带上它们会逐渐集中在一条狭窄的带上,则则DNADNA分子的密度恰好与那一点的分子的密度恰好与那一点的CsClCsCl密度相等密度相等.若用同位素标记若用同位素标记DNADNA分子分子,则使则使DNADNA的密度不同的密度不同,然后利用然后利用DNADNA能吸收紫外线的特点能吸收紫外线的特点,用光源照射在照用光源照射在照相底板上就出现了相底板上就出现了DNADNA的不同位置。的不同位置。密度梯度离心法高高密密度度带带中中密密度度带带低低密密度度带带1515N N1414N N1515N N1515N N1414N N1414N NDNADNA半保留
10、复制的实验证据半保留复制的实验证据密度梯度离心法1515N N1414N N1414N N1414N N1515N N1414N N亲 代子一代子二代细胞再分细胞再分裂一次裂一次1515N N1515N N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DNADNA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
11、/1414N-DNAN-DNA1414N/N/1414N-DNAN-DNA高高密密度度带带中中密密度度带带低低密密度度带带1515N N1414N N1515N N1515N N1414N N1414N N亲 代子一代子二代细胞再分细胞再分裂一次裂一次1515N N1515N N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1515N N1515N N1414N N1414N N1414N N1414N N1515N N1515N NDNA
12、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-演绎推理高高密密度度带带中中密密度度带带低低密密度度带带1515N N1414N N1515N N1515N N1414N N1414N N1515N/N/1515N-DNAN-DNA1414N/N/1414N-DNAN-DNA1515N/N/1515N-DNAN-DNA1414N/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1515N N1515N N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
13、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DNADNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据1515N N1414N N1515N N1414N N 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高高密密度度带带中中密密度度带带低低密密度度带带1515N N1414N N1515N N1515N N1414N N1414N NDNADNA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
14、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亲 代代子一代子一代子二代子二代细胞再分细胞再分裂一次裂一次1515N N1414N N1515N N1515N N1414N N1414N N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1515N N1414N N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DNADNA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/1515N-DNAN-DNA1515N/N
15、/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:该图为噬菌体侵染大肠杆菌的实验示意图,请大家思考红色圈大肠杆菌内子代噬菌体的DNA分子,为什么有的DNA两条链中一条为红色标记一条为蓝色标记,为什么有的DNA分子的两条链均为蓝色标记?:T2噬菌体侵染大肠杆菌实验DNA复制方式为半保留复制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
16、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复制的过程三、三、DNADNA复制的过程复制的过程DNADNA复制的过程复制的过程 DNA复制的过程解旋:在ATP的驱动下,解旋酶将DNA部分双螺旋的两条链解开。CGTATACGGCCGTATAGCCGATATCGATCGTATATATACGTATACGGCTAGCCGTA35CCGTAGTATACGGCTAGCCGTATACGGCCGTATAGCCGATATCGATCGTATATATA35ATP解旋酶解旋酶 DNA复制的过程合成子链:游离的4种脱氧核苷酸按碱基互补配对原则随
17、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53TATGCATGATCGAGC
18、TT53ATPATP 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。CCGTAGTATACGGCTAGCCGTATACGGCCGTATAGCCGATATCGATCGTATATAA35ACGCAAGCTAGTCATTATATGCATGATCGAGCTT53TAGCCGTATAGCCGATAT35TTACGCGTATATATA53 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
19、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模板模板母链母链子链子链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(从过程上看)(从结果上看)模板原料酶 碱基互补配对原则从子链的5 端向 3 端延伸8、方
20、向:半不连续复制(前导链和滞后链)DNA复制的过程DNA通过复制,将遗传信息从亲代传给了子代,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
21、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。复制代数123nDN
22、A数2815N/15N0015N/14N2214N/14N06DNA链数4815N链数2214N链数2642n00222162n+122142n+1-22n-2将一个15N/15N的DNA分子放于14N的原料中复制n代,完成下表并总结规律:规律总结将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养,一个DNA分子复制n次,则:子代DNA(含14N)分子数 含有亲代DNA链的子代DNA(15N)分子数 不含亲代链的子代DNA(只含14N)分子数2n个2个(2n2)个DNADNA复制的相关计算复制的相关计算 DNA复制的相关计算子一代子二代亲代子三代 只含有亲代DNA链的子代DNA(15N)分子
23、数 0个 亲代DNA第n代复制增加的DNA分子数=2n-1变式训练:含亲代母链的DNA分子数与子代DNA分子数之比为:2/2n将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养,一个DNA分子复制n次,则:子代DNA分子中脱氧核苷酸链数亲代脱氧核苷酸链数(15N)新合成的脱氧核苷酸链数(14N)2n1条2条(2n12)条DNADNA复制的相关计算复制的相关计算 DNA复制的相关计算子一代子二代亲代子三代变式训练:亲代母链与子代DNA链数之比为:1/2n将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养,一个DNA分子复制n次,则:DNADNA复制的相关计算复制的相关计算 DNA复制的相关计
24、算子一代子二代亲代子三代若一个亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,则:经过连续n次复制,需消耗游离的该脱氧核苷酸数目为 个。第n次复制时,需消耗游离的该脱氧核苷酸 个。m(2n1)m2n1练习:一个具有a个碱基对的DNA,含有b个A,该DNA完成n次复制,需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸多少个?(2n-1)X(2a-2b)/2 已知某已知某DNADNA分子中含腺嘌呤分子中含腺嘌呤(A)200(A)200个,占全部个,占全部DNADNA碱基总数的碱基总数的20%20%,该,该DNADNA连续复制连续复制4 4次,环境中消耗游离的胞嘧啶脱氧核糖次,环境中消耗游离的胞嘧啶脱氧核糖核苷酸(核苷酸(C C)
25、的数目为)的数目为()()A.1600 A.1600个个 B.3200B.3200个个 C.4500 C.4500个个 D.4800D.4800个个 【解析】(1)求出该DNA分子中共含有多少个脱氧核糖核苷酸:200/20%=1000(个)(2)求出该DNA分子中含有多少个胞嘧啶脱氧核糖核 苷酸:1000-(2002)/2=300(个)(3)求出复制4次需多少个胞嘧啶脱氧核苷酸:(241)300=4500(个)C(1)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。DNA复制相关题目的注意事项(2)注意碱基的单位是“对”还是“个”。(3)切记在D
26、NA复制过程中,无论复制了几次,含有母链的DNA分子都只 有两个。(4)看清试题中问的是“DNA分子数”还是“链数”,“含”还是“只含”等关键词,以免掉进陷阱。DNA复制相关题目的注意事项(5)产生的子代DNA中,亲代链和新生子链分别占所有DNA单链的比例:亲代子链占所有DNA单链的比例:1/2n,新生子链占所有DNA单链的 比例:1-(1/2n)。(6)产生的子代DNA中,含亲代链的DNA和不含亲代链的DNA的比例:含亲代链的DNA占所有DNA的比例:1/2n-1,不含亲代链的DNA占所 有DNA的比例:1-(1/2n-1)。ACTTGACGATGAACTGCT复制染色体数目不变 DNA数目
27、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。1515N N1515N N1515N N1515N N复制复制用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):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15
28、N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)1个不含15N的洋葱根尖分生区细胞在含15N标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养液中完成一个细胞周期,然后转入不含15N标记的培养液中继续培养至第二个细胞周期的分裂中期,下图能正确表示该细胞分裂中期的是(只考虑其中一条染色体上的DNA分子)()D
29、用15N标记细胞的DNA分子,然后将其放到含14N的培养液中进行正常减数分裂,情况如图所示(以一对同源染色体为例):在减数分裂过程中细胞连续分裂两次,DNA只复制一次,所以四个子细胞中所有的DNA分子都呈“杂合”状态,即15N/14NDNA,子细胞的所有染色体都含15N。减数分裂假设某果蝇的一个精原细胞的全部染色体DNA分子均用15N标记,然后培养在含14N的培养基中,则该精原细胞经过减数分裂产生的4个精子中,含15N标记的精子数目为()A.0 B.2 C.4 D.8解析根据DNA分子复制的过程可知,模板链是含15N的DNA链,原料是含14N的脱氧核苷酸,复制一次后,每个DNA分子都是一条链含
30、有15N,另一条链含有14N,因此在减数分裂产生的四个精子中,每一个精子中的DNA组成都是一条链含15N,另一条链含14N,所以减数分裂形成的四个精子中所有的DNA均含有15N,C正确。C 将某一细胞中的一条染色体上的DNA用14C充分标记,其同源染色体上的DNA用32P充分标记,置于不含放射性的培养液中培养,经过连续两次细胞分裂(不考虑交叉互换)。下列说法中正确的是()A若进行减数分裂,则四个细胞中均含有14C和32PB若进行有丝分裂,某一细胞中含14C的染色体可能是含32P染色体的两倍C若进行有丝分裂,则四个细胞中可能三个有放射性,一个没有放射性D若进行减数分裂,则四个细胞中可能两个有放射
31、性,两个没有放射性C现有DNA分子的两条单链均只含有14N(表示为14N14N)的大肠杆菌,若将该大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖两代,再转到含有14N的培养基中繁殖一代,则理论上DNA分子的组成类型和比例分别是()A有15N14N和14N14N两种,其比例为1:3B有15N15N和14N14N两种,其比例为1:1C有15N15N和14N14N两种,其比例为3:1D有15N14N和14N14N两种,其比例为3:1D 多次更换培养基的问题 蚕豆根尖细胞在含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
32、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一、概念检测(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。()课后习题二、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。D
33、NADNA复制复制的推测的推测DNADNA复复制实验制实验证据证据DNADNA复制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1、如图为某个用15N标记的DNA分子结构示意图,该DNA含有100个碱基对,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。下列相关叙
34、述正确的是 ()A.复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸600个 B.该DNA的特异性表现在碱基互补配对原则上 C.含有14N 的DNA分子占7/8 D.DNA分子复制时,解旋酶作用于部位A 习题巩固2、研究人员将1个含14NDNA的大肠杆菌转移到15NDNA培养液中,培养24 h后提取子代大肠杆菌的DNA。将DNA加热处理,即解开双螺旋,变成单链;然后进行密度梯度离心,试管中出现的两种条带含量如图所示。下列说法正确的是()A子代DNA分子共有8个,其中1个DNA分子含有14NB该试验可用来探究DNA的半保留复制方式和细胞周期持续时间C解开DNA双螺旋的实质是破坏核苷酸之间的磷酸二酯键D若直接将子代DNA分子进行密度梯度离心,则相应的条带含量比为13D3、将一个带有某种噬菌体DNA分子的两条链用32P进行标记,并使其感染大肠杆菌,在不含有32P的培养基中培养一段时间。若得到的所有噬菌体双链DNA分子都装配成噬菌体(n个)并释放,则其中含有32P的噬菌体所占比例为_,原因是:一个含有32P标记的双链DNA分子经半保留复制后,标记的两条单链只能分配到两个噬菌体的双链DNA分子,因此在得到的n个噬菌体中只有两个带有标记。2/n练习:将5个带有某种噬菌体DNA分子的两条链用32P进行标记噬菌体(n个)并释放,则其中含有32P的噬菌体所占比例为_10/n