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1、DNA的复制阿瑟科恩伯格的实验1953年4月25日自然杂志发表了沃森（J. Watson）和克里克（F. Crick）的DNA双螺旋结构模型，既反映了DNA分子可能具有的无穷多样性，又能立刻提出DNA分子自我复制的可能机制，使生物学家一下子接受基因的物质本性就是DNA。但是，DNA双螺旋结构模型虽然是以众多的实验结果为依据，但它本身却尚有待于实验证明。尤其是，DNA果真是一种能自我复制的分子吗？ 在DNA双螺旋结构模型发表之后，科恩伯格就以这一模型作为设想基础，用实验方法研究DNA的复制，很快得到成功，于1956年发表了初步结果。他成功的原因之一在于他有一个正确的分析：他觉得构成DNA分子的单
2、体虽然是4种脱氧核苷一磷酸，但是，DNA合成的原料却不是4种脱氧核苷一磷酸，而是4种脱氧核苷三磷酸。4种脱氧核苷三磷酸缺1种都不行，用4种脱氧核苷二磷酸或4种脱氧核苷一磷酸也都不行。他还设想，细胞内必有合成DNA所需的酶。于是他把大肠杆菌磨碎，用其提取液加上4种脱氧核苷三磷酸（其中至少有1种进行放射性同位素标记，以便于检查实验结果），再加一点点微量DNA作为“模板”（如小牛胸腺DNA、大肠杆菌DNA以及大肠杆菌T2噬菌体DNA）。把上述混合液在有镁离子存在的条件下于37静置30min，发现放射性标记已进入DNA部分，说明有新合成的DNA分子。新合成的DNA分子即实验产物可以用过氯沉淀法同作为原
3、料的脱氧核苷三磷酸单体分开。科恩伯格测定了产物DNA的碱基组成，发现它们同各自的模板DNA组成惊人地相似, 这就充分证明新合成的DNA的特异性是由所加入的那一点点微量的模板DNA决定的，只不过数量大大增加了而已。从实验中得到的启示 DNA可以复制吗？实验中哪些信息支持这个结论？ DNA复制需要哪些原料？ (3)如果不加入“模板”DNA，新DNA可以合成吗？我们的问题 这个实验说明了DNA复制的微观过程吗？ 如果没有,你能根据所学过的知识设计一个DNA复制方式的模型吗？ 当时科学家设计的模型又是什么呢？。科学家的模型 全保留复制模型：作为模板的DNA的两条母链分开，分别复制形成两条DNA子链，此
4、后两条母链彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子。 弥散复制模型：亲代DNA双链被切成双链片段，而这些片段又可以作为新合成双链片段的模板，新、老双链又以某种方式聚集成“杂种链”。 半保留复制：在复制过程中，原来双螺旋的两条链并没有被破坏，它们分成单独的链，每一条旧链作为模板再合成一条新链，这样在新合成的两个双螺旋分子中，每个分子中都有一条旧链和一条新链。 最早提出的最早提出的DNA复制模型有三种；复制模型有三种；一、对一、对DNADNA复制的推测复制的推测1、全保留复制：新复制出、全保留复制：新复制出 的分子直接形成，完全的分子直接形成，完全 没有旧的部分；
5、没有旧的部分；2、半保留复制：形成的分子、半保留复制：形成的分子 一半是新的，一半是旧的；一半是新的，一半是旧的； 3、分散复制：新复制的分子、分散复制：新复制的分子 中新旧都有，但分配是随中新旧都有，但分配是随 机组合的；机组合的；复制一次复制一次复制一次复制一次复制一次复制一次沃森和克里克推测是半保留复制模型沃森和克里克推测是半保留复制模型一、对一、对DNADNA复制的推测复制的推测( (续续) )复制一次复制一次1、这些观点各有不同，如何来证明哪个观点是正确的？、这些观点各有不同，如何来证明哪个观点是正确的？只能用实验来证明。只能用实验来证明。 同学们想一想，DNA复制到底是一个什么样的
6、过程？我们能否根据我们所学知识设计一个实验来验证科学家的猜想？ 提示：DNA是肉眼看不到的，如何才能分辨出哪个DNA原来就存在的，还是新形成的呢？。2、如果要你来设计实验，你认为最基本的思路是什么？、如果要你来设计实验，你认为最基本的思路是什么？ 把复制的单链和原来的链做上标记，然后观察它把复制的单链和原来的链做上标记，然后观察它在新在新DNA中出现的情况。中出现的情况。3、你能说出该实验的实验原理及方法吗？、你能说出该实验的实验原理及方法吗？同位素标记法：如同位素标记法：如N14、N15或或P31、P32等等CsCl密度密度梯度离心梯度离心法：法：科学家的实验 1957年美国的米西尔森和斯塔
7、尔采用稳定的同位素15N作DNA标记，15N可以导致DNA分子密度显著增加这样可以通过密度梯度离心将不同的DNA分子区分开来。 同学们想一想；如果两条链都用15N标记的DNA分子与用14N 标记的DNA分子相比哪一条较轻，离心的话哪一种在底部？上中下14N双链15N双链14N15N混合链科学家实验 第一步； 他们将大肠杆菌放在含有15N的培养基上培养，获得实验用的亲代细菌（这样做的目的是什么？）， 使亲代的DNA双链都标记上15N（双链均为重链），提取DNA进行CsCl梯度离心，结果只有一条带位于离心管底部。 第二步；将持续生长的后代放在含14N的培养基中培养，让其再繁殖一代，取子代DNA进行
8、CsCl离心。 请同学们预测一下 如果DNA复制是全保留复制，离心结果如何？ 如果DNA复制是弥散复制，离心结果如何？ 如果DNA复制是半保留复制，离心结果如何？实验结果 实验结果显示离心管中部只出现一条带。 这一步实验结果否定了哪一个实验模型？科学家的实验 第三步；将第二步所得到的大肠杆菌放入含14N的培养基中培养，得到子二代，然后提取DNA进行CsCl梯度离心。 同学们预测一下，如果是弥散复制会是什么结果？如果是半保留复制又是什么结果？真实结果 实验的结果是离心管中有2条带，比例相等，一条位于上部，一条位于中部。 实验结果支持三个模型中的哪一个？ 如果实验继续进行第四步，让大肠杆菌在14N
9、培养基上再复制一代，提取DNA进行CsCl梯度离心，结果会如何？离心管内有几条带？比例如何？实验结论：实验结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的的复制是以半保留的方式进行的二、二、DNADNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据重带重带(下部下部)1515N N/ /15N中带中带(中间中间)1515N N/ /14N轻带轻带(上部上部)1414N/N/14N中带中带(中间中间)1515N N/ /14N世代世代分子分子总数总数DNADNA分子在离心管中位分子在离心管中位置置不同不同DNADNA分子占全部分子占全部DNADNA分子之比分子之比1515N N分子分子杂种分子杂种分子1414
10、N N分子分子0 01 12 23 3n n拓展延伸拓展延伸根据上面实验过程根据上面实验过程,完成下列表格完成下列表格全在下部全在下部12482n全在中部全在中部中中+ 上上中中+ 上上2/2n中中+(1- 2/ 2n)上上112/ 2n（1- 2/2n） 1.DNA1.DNA分子复制的概念是什么分子复制的概念是什么? ?2.DNA2.DNA分子复制过程进行的时间分子复制过程进行的时间3.3.复制的场所在哪里？复制的场所在哪里？4.DNA4.DNA分子复制过程有何特点分子复制过程有何特点? ?5.5.DNADNA分子复制方式是怎样的？分子复制方式是怎样的？6.DNA6.DNA分子复制过程需要哪
11、些条件分子复制过程需要哪些条件? ? 7.DNA7.DNA分子复制有何生物学意义分子复制有何生物学意义? ? 思考如下问题：思考如下问题：2.2.复制的时间复制的时间有丝分裂的间期有丝分裂的间期减数第一次分裂前的间期减数第一次分裂前的间期3.3.复制的场所复制的场所 主要在细胞核内主要在细胞核内1.DNA1.DNA复制的概念复制的概念: :以亲代以亲代DNADNA分子为摸板来合成子代分子为摸板来合成子代DNADNA分子的分子的过程。过程。4 4、DNADNA的复制过程的复制过程: :解旋酶催化（氢键断裂）解旋酶催化（氢键断裂）解旋：解旋：模板模板（在（在DNADNA聚合酶的催化下，利用聚合酶的
12、催化下，利用游离的脱氧核苷酸进行）游离的脱氧核苷酸进行）复制复制: 以母链为模板进行碱基配对以母链为模板进行碱基配对母链（旧链）母链（旧链）子链（新链）子链（新链）子代子代DNA:同时进行同时进行(边解旋边复制）边解旋边复制）组成组成1. 1. 解解 旋；旋； DNADNA分子利用分子利用细胞提细胞提供的能量供的能量，在，在解旋酶解旋酶的作的作用下，使得用下，使得DNADNA双链的双链的氢氢键断裂键断裂，这样使得螺旋结，这样使得螺旋结构的构的DNADNA双链解开。双链解开。4 4、DNADNA复制的过程复制的过程解旋点多个，且可双向进行，解旋点多个，且可双向进行，保证保证DNA复制快速完成。复
13、制快速完成。2. 2. 子链的合成子链的合成: : 以解开的以解开的每段每段DNADNA链链（母链）为模板（母链）为模板，以周围，以周围环境中游离的环境中游离的脱氧核苷酸脱氧核苷酸为原料，在为原料，在DNADNA聚合酶聚合酶的的作用下，按照碱基互补配作用下，按照碱基互补配对原则，合成与母链互补对原则，合成与母链互补的子链。的子链。3 3形成两个新的形成两个新的DNADNA分子分子 复制出来的子代复制出来的子代DNADNA分子，通过细胞的分子，通过细胞的分裂，被分配到子代细分裂，被分配到子代细胞中。胞中。5、DNA分子复制时分子复制时需何条件？需何条件？ 模板：亲代模板：亲代DNADNA的两条母
14、链；的两条母链； 原料：原料：4 4种脱氧核苷酸：种脱氧核苷酸： 能量：能量：ATP;ATP; 酶酶 ：DNADNA解旋酶，解旋酶，DNADNA聚合酶等。聚合酶等。6、DNA分子复制有何特点？分子复制有何特点？ 半保留复制半保留复制边解旋边复制边解旋边复制边解旋复制边解旋复制半保留复制半保留复制多起点复制多起点复制问题问题7DNA分子的复制实质分子的复制实质(意义意义)？ DNA DNA通过复制，使遗传信息从亲代传通过复制，使遗传信息从亲代传给了子代，从而保证了物种的相对稳定给了子代，从而保证了物种的相对稳定性，保持了遗传信息的连续性，使得种族性，保持了遗传信息的连续性，使得种族得以延续。得以
15、延续。 8.DNA准确复制的原因准确复制的原因?DNADNA具有独特的双螺旋结构，具有独特的双螺旋结构， 能为复制提精确的模板。能为复制提精确的模板。碱基具有互补配对的能力，碱基具有互补配对的能力， 能够使复制准确无误。能够使复制准确无误。根据半保留复制和碱基互补配对原则根据半保留复制和碱基互补配对原则与复制有关的碱基计算解析与复制有关的碱基计算解析一个一个DNA连续复制连续复制n次后，共有多少个次后，共有多少个DNA？多少条脱氧核苷酸链？多少条脱氧核苷酸链？母链多少条？子链多少条？母链多少条？子链多少条？DNA分子数分子数=2n脱氧核苷酸链数脱氧核苷酸链数=2n+1母链数母链数=子链数子链数
16、=22n+1 2 解析：所用知识为解析：所用知识为“半保留复制半保留复制”和和“碱基互补配对原则碱基互补配对原则”，并图示，并图示分析。分析。ATGCCGATATGCCGATATGCCGATATGCCGATATGCCGATATGCCGATATGCCGAT连续第一次复制连续第一次复制连续第二次复制连续第二次复制连续第连续第n次复制次复制解：解：答：答：一个一个DNA连续复制连续复制n次后，共有次后，共有2n个个DNA，2n+1条脱氧核苷酸链，母链条脱氧核苷酸链，母链2条，条，子链子链2n+1 2条条变通：变通：亲代母链与子代亲代母链与子代DNADNA链数之比为：链数之比为： 含亲代母链的含亲代母
17、链的DNADNA分子数与子代分子数与子代DNADNA分子数分子数之比为：之比为：规律规律1 1：亲代亲代DNADNA复制复制n n代后，代后，DNADNA分子分子数为，含亲代母链的数为，含亲代母链的DNADNA分子数分子数为，不含亲代母链的为，不含亲代母链的DNADNA分子数分子数为为1/2n2/ 2n2n2个个2n2【寻找规律寻找规律】规律规律2 2：亲代亲代DNADNA分子经分子经 n n 次复制后，次复制后，所需某种游离的脱氧核苷酸数为：所需某种游离的脱氧核苷酸数为：R a (2 n1) 其中其中 a a 表示亲代表示亲代DNADNA含有的某种含有的某种碱基数，碱基数，n n 表示复制的
18、次数。表示复制的次数。例如：一个例如：一个DNADNA分子片段，经水分解消耗分子片段，经水分解消耗8888个水个水分子，得到多少个脱氧核苷酸？分子，得到多少个脱氧核苷酸？规律规律3 3：碱基总数失去碱基总数失去H H2 2O O数数2 290【智慧眼智慧眼寻找规律寻找规律】3.复制的条件复制的条件2.复制的过程复制的过程4.复制的特点复制的特点DNADNA分子的复分子的复制制 1. 复制的概念复制的概念5. 复制的意义复制的意义知识小结知识小结一、对一、对DNADNA复制的推测复制的推测三、三、DNADNA复制的过程复制的过程二、二、DNADNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据课堂小结
19、DNA复制复制 时间时间场所场所条件条件原则原则特点特点 结果结果意义意义有丝分裂的间期 减数第一次分裂前的间期主要在细胞核（线粒体、叶绿体）模板、酶、原料、能量等基本条件碱基互补配对原则半保留复制、边解旋边复制子链与母链结合，构成两个新的DNA分子保持了遗传信息的连续性图中一、二、三表示图中一、二、三表示DNA复制的过程复制的过程一表示一表示_，这一过程中，这一过程中，DNA分子在分子在 的作用下，两条扭成螺旋的的作用下，两条扭成螺旋的长链开始长链开始_。二表示二表示 。每条。每条母链上的碱基按照母链上的碱基按照_与与周围环境中游离的周围环境中游离的_来配对来配对，子链，子链在一些在一些_酶
20、的作用下连成酶的作用下连成长链长链.三表示三表示_。解旋解旋解旋酶解旋酶 以母链为模板进行碱基配对以母链为模板进行碱基配对解开螺旋解开螺旋DNA聚合酶聚合酶碱基互补配对原则碱基互补配对原则脱氧核苷酸脱氧核苷酸形成两个新的形成两个新的DNA分子分子练习练习 在氮源为在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌，其的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均分子均为为14N-DNA（对照）；在氮源为（对照）；在氮源为15N的培养基上生长的大肠杆的培养基上生长的大肠杆菌，其菌，其DNA分子均为分子均为15N-DNA（亲代）。将亲代大肠杆菌转移（亲代）。将亲代大肠杆菌转移到含到含14N的培养基上，再连续繁殖两代
21、（的培养基上，再连续繁殖两代（I和和II），用离心的方），用离心的方法分离得到的结果如下表所示，请分析：法分离得到的结果如下表所示，请分析： 对照对照亲代亲代III轻链轻链14N-DNA全轻链全轻链 1/2轻链轻链中链中链 全中链全中链1/2中链中链重链重链15N-DNA 全重链全重链 （1）由实验结果可以推出第一代（）由实验结果可以推出第一代（I）细菌）细菌DNA分子中一分子中一条链是条链是 ，另一条链是，另一条链是 。（2）中链含有氮元素是）中链含有氮元素是 。（3）将第一代（）将第一代（I）转移到含）转移到含15N的培养基上繁殖一代，将的培养基上繁殖一代，将所得到的细菌的所得到的细菌的D
22、NA用同样方法分离。那么得到的轻中重链情用同样方法分离。那么得到的轻中重链情况是况是 。（4）上述实验表明）上述实验表明DNA分子复制的特点是分子复制的特点是 。 1515N N母链母链1414N N新链新链1515N N和和1414N N1/21/2中链中链1/21/2重链重链半保留复制半保留复制3、某DNA分子中，鸟嘌呤与胞嘧啶之和为46%，该DNA一条链（a链）中腺嘌呤占28%，a链的互补链（b链）中腺嘌呤占该链全部碱基的百分比是_。4、某DNA分子中含有 30%的腺嘌呤，该DNA分子一条链上鸟嘌呤最多可占此链碱基总数的_。 26%40%5、将、将32P 标记的标记的DNA分子放在分子放
23、在 31P的培养基上培养，的培养基上培养， 经经过过3次复制，在所形成的子代次复制，在所形成的子代 DNA中，含中，含32P 的的DNA占占总数是总数是 A1/16 Bl8 C14 D126 6、某生物的双链、某生物的双链DNADNA分子共有含氮碱基分子共有含氮碱基7777对，其中一条链对，其中一条链上（上（A+TA+T）：（）：（C+ GC+ G）2.52.5，问该，问该DNADNA分子连续复制两次分子连续复制两次共需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是共需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是A A154154个个 B B165165个个 C C110110个个 D D220220个个小结小结: :
24、设一条设一条DNADNA分子中有胸腺嘧啶分子中有胸腺嘧啶mm个，则该个，则该DNADNA复制复制n n次后，形成子代次后，形成子代DNADNA分子需游离的胸分子需游离的胸腺嘧啶为腺嘧啶为T T 。(2n-1)m7 7用用1515N N标记的一个标记的一个DNADNA分子分子, ,放在含有放在含有1414N N 的培养基的培养基中复制三次，则含有中复制三次，则含有1515N N的的DNADNA分子占全部分子占全部DNADNA分子的分子的比例和占全部比例和占全部DNADNA单链的比例依次是单链的比例依次是A 1A 12 2，1 14 B 14 B 14 4，1 18 8C 1C 14 4，1 11
25、6 D 116 D 18 8，1 18 88 8某某DNADNA分子有分子有20002000个脱氧核苷酸，已知它的一条个脱氧核苷酸，已知它的一条单链上碱基单链上碱基A A：G G：T T：C C1 1：2 2：3 3：4 4，若该分子复，若该分子复制一次，则需腺嘌呤脱氧核苷酸的数量是（制一次，则需腺嘌呤脱氧核苷酸的数量是（ ）A A200 B200 B300 C300 C400 D400 D8008009. 某生物中嘌呤占某生物中嘌呤占58%，嘧啶占，嘧啶占42%，此生物可能，此生物可能是是 A. 噬菌体噬菌体 B. 小麦小麦 C. TMV D. 任何生物任何生物10、含有32P或31P的磷酸
26、，两者化学性质几乎相同，都可参与DNA的组成，但32P比31P质量大。现将某哺乳动物的体细胞放在含有31P磷酸的培养基中，连续培养数代后得到G0代细胞。然后将G0代细胞移到含有32P的培养基中培养，经过第1、2次细胞分裂后，分别得到G1、G2代细胞。再从G0、G1、G2代细胞中提取出DNA，经密度剃度离心后得到的结果如图所示，由于DNA分子的质量不同，因此在离心管内的分布不同。若、分别代表轻型、中型、重型DNA分子的位置，请回答：、G0、G1、G2三三代代DNADNA离心后的试离心后的试管分别是图中的：管分别是图中的：G0 、G1 、G2 。 ABD、G2代在代在、三条带中三条带中DNADNA数数的比例是的比例是 。、图中、图中、两条带中两条带中DNADNA分子所含的同分子所含的同位素磷分别是：位素磷分别是： ， 。、上述实验结果证明了、上述实验结果证明了DNADNA的复制方式的复制方式是是 。0:1:131P31P 和和32P半保留复制半保留复制