《DNA的复制》

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DNA复制模型有三种 一 对DNA复制的推测 1 全保留复制 新复制出的分子直接形成 完全没有旧的部分 2 半保留复制 形成的分子一半是新的 一半是旧的 3 分散复制 新复制的分子中新旧都有 但分配是随机组合的 沃森和克里克推测是半保留复制模型 一 对DNA复制的推测 续 1 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 同学们想一想 DNA复制到底是一个什么样的过程 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 把复制的单链和原来的链做上标记 然后观察它在新DNA中出现的情况 3 你能说出该实验的实验原理及方法吗 同位素标记法 如N14 N15或P31 P32等CsCl密度梯度离心法 科学家的实验 1957年美国的米西尔森和斯塔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 DNA的复制是以半保留的方式进行的 二 DNA半保留复制的实验证据 提出假说 演绎推理 验证假说 2 子代DNA可能的情况及如何设计实验验证这种现象 3 通过实验进行验证 拓展延伸 根据上面实验过程 完成下列表格 全在下部 1 2 4 8 2n 全在中部 中 上 中 上 2 2n中 1 2 2n 上 1 1 2 2n 1 2 2n 1 DNA分子复制的概念是什么 2 DNA分子复制过程进行的时间3 复制的场所在哪里 4 DNA分子复制过程有何特点 5 DNA分子复制方式是怎样的 6 DNA分子复制过程需要哪些条件 7 DNA分子复制有何生物学意义 思考如下问题 2 复制的时间 有丝分裂的间期减数第一次分裂前的间期 3 复制的场所 主要在细胞核内 1 DNA复制的概念 以亲代DNA分子为摸板来合成子代DNA分子的过程 4 DNA的复制过程 解旋酶催化 氢键断裂 解旋 模板 在DNA聚合酶的催化下 利用游离的脱氧核苷酸进行 复制 以母链为模板进行碱基配对 母链 旧链 子链 新链 子代DNA 同时进行 边解旋边复制 1 解旋 DNA分子利用细胞提供的能量 在解旋酶的作用下 使得DNA双链的氢键断裂 这样使得螺旋结构的DNA双链解开 4 DNA复制的过程 解旋点多个 且可双向进行 保证DNA复制快速完成 2 子链的合成 以解开的每段DNA链 母链 为模板 以周围环境中游离的脱氧核苷酸为原料 在DNA聚合酶的作用下 按照碱基互补配对原则 合成与母链互补的子链 3形成两个新的DNA分子复制出来的子代DNA分子 通过细胞的分裂 被分配到子代细胞中 5 DNA分子复制时需何条件 模板 亲代DNA的两条母链 原料 4种脱氧核苷酸 能量 ATP 酶 DNA解旋酶 DNA聚合酶等 6 DNA分子复制有何特点 半保留复制边解旋边复制 边解旋复制 半保留复制 多起点复制 DNA分子的复制实质 意义 DNA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性 保持了遗传信息的连续性 使得种族得以延续 8 DNA准确复制的原因 DNA具有独特的双螺旋结构 能为复制提精确的模板 碱基具有互补配对的能力 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 与复制有关的碱基计算解析 一个DNA连续复制n次后 共有多少个DNA 多少条脱氧核苷酸链 母链多少条 子链多少条 DNA分子数 2n 脱氧核苷酸链数 2n 1 母链数 子链数 2 2n 1 2 解析 所用知识为 半保留复制 和 碱基互补配对原则 并图示分析 连续第一次复制 连续第二次复制 连续第n次复制 解 答 一个DNA连续复制n次后 共有2n个DNA 2n 1条脱氧核苷酸链 母链2条 子链2n 1 2条 变通 亲代母链与子代DNA链数之比为 含亲代母链的DNA分子数与子代DNA分子数之比为 规律1 亲代DNA复制n代后 DNA分子数为 含亲代母链的DNA分子数为 不含亲代母链的DNA分子数为 1 2n 2 2n 2n 2个 2n 2 智慧眼 寻找规律 规律2 亲代DNA分子经n次复制后 所需某种游离的脱氧核苷酸数为 R a 2n 1 其中a表示亲代DNA含有的某种碱基数 n表示复制的次数 例如 一个DNA分子片段 经水分解消耗88个水分子 得到多少个脱氧核苷酸 规律3 碱基总数 失去H2O数 2 90 智慧眼 寻找规律 3 复制的条件 2 复制的过程 4 复制的特点 DNA分子的复制 1 复制的概念 5 复制的意义 知识小结 一 对DNA复制的推测 三 DNA复制的过程 二 DNA半保留复制的实验证据 课堂小结 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DNA复制的过程 一表示 这一过程中 DNA分子在的作用下 两条扭成螺旋的长链开始 二表示 每条母链上的碱基按照 与周围环境中游离的 来配对 子链在一些 酶的作用下连成长链 三表示 解旋 解旋酶 以母链为模板进行碱基配对 解开螺旋 DNA聚合酶 碱基互补配对原则 脱氧核苷酸 形成两个新的DNA分子 练习 在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌 其DNA分子均为14N DNA 对照 在氮源为15N的培养基上生长的大肠杆菌 其DNA分子均为15N DNA 亲代 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 用离心的方法分离得到的结果如下表所示 请分析 1 由实验结果可以推出第一代 I 细菌DNA分子中一条链是 另一条链是 2 中链含有氮元素是 3 将第一代 I 转移到含15N的培养基上繁殖一代 将所得到的细菌的DNA用同样方法分离 那么得到的轻中重链情况是 4 上述实验表明DNA分子复制的特点是 15N母链 14N新链 15N和14N 1 2中链1 2重链 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32P标记的DNA分子放在31P的培养基上培养 经过3次复制 在所形成的子代DNA中 含32P的DNA占总数是A 1 16B l 8C 1 4D 1 2 6 某生物的双链DNA分子共有含氮碱基77对 其中一条链上 A T C G 2 5 问该DNA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A 154个B 165个C 110个D 220个 小结 设一条DNA分子中有胸腺嘧啶m个 则该DNA复制n次后 形成子代DNA分子需游离的胸腺嘧啶为T 2n 1 m 7 用15N标记的一个DNA分子 放在含有14N的培养基中复制三次 则含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例和占全部DNA单链的比例依次是A1 2 1 4B1 4 1 8C1 4 1 16D1 8 1 88 某DNA分子有2000个脱氧核苷酸 已知它的一条单链上碱基A G T C 1 2 3 4 若该分子复制一次 则需腺嘌呤脱氧核苷酸的数量是 A 200B 300C 400D 8009 某生物中嘌呤占58 嘧啶占42 此生物可能是 A 噬菌体B 小麦C TMVD 任何生物 10 含有32P或31P的磷酸 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