3.3DNA的复制课件-高一下学期生物人教版必修21

第3章基因的本质

第3节DNA的复制学习目标：1.怎样证明DNA是半保留复制的?2.DNA的复制过程是怎样的?3.DNA的半保留复制对遗传信息的稳定传递有什么意义?沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道：“值得注意的是，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。问题探讨探究点一：DNA双螺旋模型的构建讨论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的复制可能需要先解开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”二字?这反映科学研究具有什么特点?科学需要大胆的想象，更需要严谨的证据Ⅰ.DNA复制的假说探究点一：对DNA复制的推测DNA复制时，以亲代DNA的每一条链作为模板，各自合成与之互补的新链。由于新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链。假说Ⅰ：半保留复制假说Ⅱ：全保留复制假说Ⅲ：弥散性复制DNA复制时，以两条母链为模板合成两条DNA子链，复制完成后，母链重新结合，两条子链彼此结合成另一个新的DNA分子。DNA复制时，亲代DNA双链被切成片段后，合成新的子链，复制完成后，子链、母链重新聚集成“杂种链”。PF1PF1PF1Ⅱ.DNA复制方式的验证(假说演绎法)探究点一：对DNA复制的推测实验者：梅塞尔森(M.Meselson，1930—)和斯塔尔(F.Stahl,，1929—)实验材料：大肠杆菌（繁殖快，20min一代），I5NH4Cl，NH4Cl实验方法：同位素标记技术(N)、密度梯度离心法背景知识：①DNA可以强烈的吸收紫外线；②利用离心技术可以在试管中区分含有不同氮元素的DNA；③15N和14N是氮元素的两种稳定同位素，这两种同位素的相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大Ⅱ.DNA复制方式的验证(假说演绎法)探究点一：对DNA复制的推测实验者：梅塞尔森(M.Meselson，1930—)和斯塔尔(F.Stahl,，1929—)实验材料：大肠杆菌（繁殖快，20min一代），I5NH4Cl，NH4Cl实验方法：同位素标记技术(N)、密度梯度离心法背景知识：①利用离心技术可以在试管中区分含有不同氮元素的DNA；②15N和14N是氮元素的两种稳定同位素，这两种同位素的相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大③密度梯度离心技术，用超离心机对小分子物质的溶液进行长时间离心处理，达到沉降平衡后，在沉降池内从液面到底部出现一定的密度梯度，可用于区分具有微小密度差异的生物大分子密度小密度大Ⅱ.DNA复制方式的验证(假说演绎法)探究点一：对DNA复制的推测实验过程：科学家先用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代，这时大肠杆菌的DNA几乎都是15N标记的。然后，将大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的普通培养液中。在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行离心，记录离心后试管中DNA的位置。预期结果：根据三种假说，预计实验结果。尝试在纸上画出不同DNA分子所在的位置。根据密度梯度离心原理，在试管中画出不同DNA分子(15N/15N-DNA；15N/14N-DNA；14N/14N-DNA；15N/14N杂糅DNA)所在的位置。15N/15N-DNA15N/14N-DNA14N/14N-DNA15N/14N杂糅DNAⅢ.预计的结果探究点一：对DNA复制的推测假说Ⅰ：半保留复制假说Ⅱ：全保留复制假说Ⅲ：弥散性复制PF1F2PF1F2PF1F215N/15N-DNA15N/14N杂糅DNA14N/14N-DNA15N/15N-DNA15N/15N-DNA15N/14N-DNA15N/15N-DNA14N/14N-DNA15N/14N-DNA14N/14N-DNA15N/15N-DNA15N/14N杂糅DNAⅣ.实验的结果探究点一：对DNA复制的推测科学家完成上述实验的结果是：亲代大肠杆菌的DNA经离心处理后，试管中只出现了一条DNA带，位置靠近试管的底部，说明其密度最大，是15N标记的亲代双链DNA(15N/15N-DNA)；将转移培养后第一代细菌的DNA离心后，试管中也只有一条带，但位置居中，说明其密度居中，是只有一条单链被15N标记的子代双链DNA(15N/14N-DNA)；将第二代细菌的DNA离心后，试管中出现两条带，一条带位置居中，为15N/14N-DNA，另一条带的位置更靠上，说明其密度最小，是两条单链都没有被15N标记的子代双链DNA(14N/14N-DNA)。实验结果证明：DNA的复制是以半保留的方式进行的。实验结果PF1F215N/15N-DNA15N/14N-DNA14N/14N-DNA15N/14N-DNAⅣ.实验的结果探究点一：对DNA复制的推测15N/15N-DNA15N/14N-DNA15N/14N-DNA14N/14N-DNA探究点二：DNA复制的过程DNA的复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。在真核生物中，这一过程是在细胞分裂前(有丝分裂前和减数分裂Ⅰ前)的间期，随着染色体的复制而完成的。能量：原料：模板：酶：结果：DNA复制是一个边解旋边复制的过程，需要模板、原料、能量和酶等条件。DNA独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板，通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。DNA通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性。能量：ATP原料：4种游离的脱氧核苷酸模板：解开的每一条母链酶：解旋酶、DNA聚合酶结果：一个DNA分子形成两个完全相同的DNA分子时间场所条件模板原料酶能量遵循的原则子链合成方向特点产物探究点二：DNA复制的过程时间细胞分裂前的间期(有丝分裂前和减数分裂Ⅰ前)场所真核生物：主要在细胞核，线粒体、叶绿体；原核生物：拟核、质粒条件模板DNA的两条链，即模板链/母链原料4种游离的脱氧核苷酸酶解旋酶（断开氢键）、DNA聚合酶（形成磷酸二酯键）、DNA连接酶能量ATP遵循的原则碱基互补配对原则子链合成方向子链：5’端→3’端延伸特点边解旋边复制，半保留复制，半不连续复制产物形成两个完全相同的DNA分子DNA聚合酶不能从头合成DNA，只能在已有的3′端，按照碱基互补配对原则延伸子代DNA链，因此在复制过程中需要引物，以提供3′端。细胞内复制时引物是RNA，细胞外为DNA。(1)从图中可知，DNA聚合酶使两条子链从5′端到3′端进行合成(2)合成的两条子链间碱基排列顺序是互补的(3)DNA聚合酶作用于单个脱氧核苷酸，DNA连接酶作用于DNA片段(冈崎片段)(4)这种一条链连续合成(前导链)和另一条链不连续合成(滞后链)的现象，为半不连续复制。探究点二：DNA复制的过程探究点二：DNA复制的过程原核生物真核生物①一个起点双向复制；②复制开始后，在完成本次复制前依然可以再启动新的复制③原核生物的调控集中在复制子(一个复制单位)水平的调控④原核的DNA聚合酶III复制时形成二聚体复合物⑤原核的DNA聚合酶I具有5'→3'外切酶活性①多起点双向复制；②复制一旦启动，在完成本次复制前不能在再启动新的复制③真核生物不但有复制子水平的调控还有染色体水平的调控和细胞水平的调控④真核的聚合酶保持分离状态。⑤真核生物的DNA聚合酶没有5'→3'外切酶活性，需要一种叫FEN1的蛋白切除5'端引物实验证明半不连续复制%AA%E5%B7%A6%E5%90%91%E5%8F%B3%E8%A7%A3%E9%93%BE%EF%BC%8C%E5%8D%8A%E4%B8%8D%E8%BF%9E%E7%BB%AD%E5%A4%8D%E5%88%B6%20%28Semidiscontinuous%20replication%29%E6%A8%A1%E5%9E%8B%E6%8C%87%E5%87%BA%EF%BC%9A%20%E4%B8%80%E6%9D%A1%E6%96%B0%E9%93%BDNA复制的一般特征:/p/150822562#:~:text=%E5%B7%B2%E7%9F%A5%EF%BC%9ADNA%E8%81%9A%E5%90%88%E9%85%B6%E5%8F%AA%E8%83%BD%E5%82%AC%E5%8C%96DNA%E9%93%BE%E4%BB%8E5%27%E8%87%B33%27%E6%96%B9%E5%90%91%E7%9A%84%E5%90%88%E6%88%90%EF%BC%9B%E5%90%8C%E4%B8%80%E4%B8%AA%E5%A4%8D%E5%88%B6%E5%8F%89%E4%B8%8A%E8%A7%A3%E9%93%BE%E6%96%B9%E5%90%91%E5%8F%AA%E6%9C%89%E4%B8%80%E4%B8%AA%E3%80%82%20%E5%A6%82%E5%9B%BE%E6%89%80%E7%A4%BA%EF%BC%8C%E8%AE%BE%E5%A4%8D%E5%88%B6%E5%8F%89%E4%B8%8A%E8%87E%E6%B2%BF%E7%9D%80%E8%A7%A3%E9%93%BE%E6%96%B9%E5%90%91%E8%BF%9E%E7%BB%AD%E5%90%88%E6%88%90%EF%BC%8C%E7%A7%B0%E4%B8%BA%20%E5%89%8D%E5%AF%BC%E9%93%BE%20%28Leading%20strand%29,%E6%B2%BF%E7%9D%80%E5%90%8E%E9%9A%8F%E9%93%BE%E7%9A%84%E6%A8%A1%E6%9D%BF%E9%93%BE%E5%90%88%E6%88%90%E7%9A%84DNA%E7%9F%AD%E7%89%87%E6%AE%B5%E7%A7%B0%E4%B8%BA%20%E5%86%88%E5%B4%8E%E7%89%87%E6%AE%B5%20%28Okazaki%20fragment%29%20%E3%80%82%201968%E5%B9%B4Reiji%20Okazaki%E7%AD%89%E4%BA%BA%E7%9A%84%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E6%94%AF%E6%8C%81%E4%BA%86%E5%A4%8D%E5%88%B6%E7%9A%84%E5%8D%8A%E4%B8%8D%E8%BF%9E%E7%BB%AD%E6%80%A7%E3%80%82%20%E7%94%A8%E6%94%BE%E5%B0%84%E6%80%A7%E5%89%8D%E4%BD%93%EF%BC%88%E6%A0%87%E8%AE%B0%E7%9A%84%E8%83%B8%E8%85%BA%E5%98%A7%E5%95%B6%E8%84%B1%E6%B0%A7%E6%A0%B8%E8%8B%B7%EF%BC%89%E4%BB%A5%E7%9F%AD%E6%97%B6%E9%97%B4%E6%A0%87%E8%AE%B0%E5%A4%8D%E5%88%B6%E7%9A%84T4%E5%99%AC%E8%8F%8C%E4%BD%93DNA%EF%BC%9B半个多世纪的困惑——DNA复制过程中前导链是连续的吗:/p/82544525横轴反映DNA片段大小，纵轴反映强度。(a)短时间内出现大量DNA短片段；随着短片段连接成长片段，长片段也获得标记。(b)DNA连接酶异常时，DNA短片段累积。探究点二：DNA复制的过程高中常见的几种与核酸有关的酶：解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、DNA酶、限制酶解旋酶：依赖ATP水解提供的能量，打开双链DNA之间的氢键，使得含氮碱基暴露出来。DNA聚合酶：通过形成磷酸二酯键，将单个脱氧核苷酸连接到正在合成的DNA子链上。DNA连接酶：通过形成磷酸二酯键，将两个DNA片段连接起来。DNA酶：通过水解磷酸二酯键，将DNA水解成脱氧核苷酸。限制酶：通过识别特定的碱基序列，水解两相邻碱基之间的磷酸二酯键，从而切断DNA。探究点三：DNA复制的相关计算PF1F2F3说明：

Ⅰ.红色为亲代DNA，黑色为新合成的。Ⅱ.亲代DNA应为F0，这里记作P。规律总结：前提条件：将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养，复制n次，则：(1)DNA分子数

①子代DNA分子数＝2n个。

②含有亲代DNA链的子代DNA分子数＝2个。

③不含亲代链的子代DNA分子数＝(2n－2)个。(2)脱氧核苷酸链数

①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数＝2n＋1条。

②亲代脱氧核苷酸链数＝2条。

③新合成的脱氧核苷酸链数＝(2n＋1－2)条。(3)消耗的脱氧核苷酸数：

若亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸(2n－1)·m个；

第n次复制，消耗该脱氧核苷酸数为(m·2n－1)个。【针对训练1】一个有15N标记的DNA分子放在没有标记的环境中培养,复制5次后标记的DNA分子占DNA分子总数的比例（C）A.1/10B.1/5C.1/16D.1/32【针对训练2】1个DNA分子经过4次复制,形成了16个DNA分子,其中不含亲代母链的DNA分子为(C)A.2个B.8个C.14个D.32个【针对训练3】已知一条完全被15N标记的DNA分子在只含14N的培养基中复制n次后，仅含14N的DNA分子总数与含15N的DNA分子总数之比为7∶1，则n是(C)

A.2

B.3C.4D.5【针对训练4】某双链DNA分子中共有碱基1400个,其中一条链上(A+T):(C+G)=2:5。问该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(C)A.200个B.400个C.600个D.1000个【针对训练5】若某个DNA分子含1000个碱基，其中G占26%，此DNA分子经三次复制，需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数1680__；在第三次复制过程中需消耗1040__个胞嘧啶脱氧核苷酸。探究点三：DNA复制的相关计算1．从某生物组织中提取DNA进行分析，其中鸟嘌呤与胞嘧啶之和占全部碱基数的46%，又知该DNA分子的一条链(H链)所含的碱基中28%是腺嘌呤、24%是胞嘧啶，则与H链相对应的另一条链中，腺嘌呤、胞嘧啶分别占该链全部碱基数的(

A

)A．26%、22%B．24%、28%C．14%、11% D．11%、14%

2．某DNA分子中含有1000个碱基对(所含P均为32P)。若将该DNA分子放在只含31P的脱氧核苷酸的培养液中让其复制3次，则子代DNA的相对分子质量平均比原来(

D

)A．增加250B．减少250C．增加1750D．减少1750解析：

假设亲代DNA的相对分子质量为2A。

那么，每条母链为A，新合成的子链为A-1000。复制三次，得到8个DNA分子，共14条子链，2条母链。子代DNA总的相对分子质量为：14(A-1000)＋2A。

所以，平均值为：(16A-14000)

÷8=2A-1750。考察了半保留复制一对完全被15N标记的染色体，在14N的环境中培养：进行一次完整的减数分裂后，形成的子细胞中染色体组成情况如何？复制减Ⅰ减Ⅱ减Ⅱ染色体(DNA)复制一次，细胞连续分裂两次。探究点三：DNA复制的相关计算两对完全被15N标记的染色体，在14N的环境中培养：进行一次完整的减数分裂后，形成的子细胞中染色体组成情况如何？染色体(DNA)复制一次，细胞连续分裂两次。复制减Ⅰ减Ⅱ减Ⅱ探究点三：DNA复制的相关计算某生物的卵原细胞在培养液中既能进行有丝分裂也能进行减数分裂。研究人员在该生物卵原细胞进行减数分裂过程中，发现了“逆反”减数分裂现象。将一个双链均被14C标记的基因A1和一个双链均被13C标记的基因A2插入一个卵原细胞的一条染色体的两端。将此卵原细胞在普通12C培养液中培养，先完成一次有丝分裂，再发生如图所示的“逆反”减数分裂，共产生8个子细胞。下列叙述正确的是(B)A．“逆反”减数分裂时，同源染色体在减数分裂Ⅰ分离，姐妹染色单体在减数分裂Ⅱ分离B．8个子细胞中，最多有4个卵细胞同时含有13C标记和14C标记C．8个子细胞中，可能有1个卵细胞同时含有13C标记和14C标记、1个卵细胞含13C标记D．8个子细胞中，可能有2个卵细胞同时含有13C标记和14C标记、6个极体含有13C标记5探究点三：DNA复制的相关计算将两条单链均被32P标记的S基因导入某动物的精原细胞中(该细胞不含32P标记)，选取染色体中插入2个S基因的精原细胞，再置于不含32P的培养液中培养，得到4个子细胞，检测子细胞中的标记情况。若不考虑交叉互换和染色体变异，则下列叙述错误的是(

)A．可能出现2个子细胞中含32P，2个子细胞中不含32P的情况B．可能出现3个子细胞中含32P，1个子细胞中不含32P的情况C．若4个子细胞中均含32P，则精原细胞一定进行了减数分裂D．4个子细胞中被标记染色体的总条数最多为4条，最少为2条探究点三：DNA复制的相关计算【针对训练1】不考虑突变和互换，回答下列有关减数分裂的问题。(1)某哺乳动物的一个卵原细胞(2N＝16)中仅有一对同源染色体的两条染色体上的DNA分子两条链均被15N标记，该卵原细胞在14N的环境中进行减数分裂，减数分裂Ⅰ后期的初级卵母细胞中含有15N标记的染色单体有____条；减数分裂Ⅱ后期的次级卵母细胞中含有15N标记的染色体有_____条；其产生含有15N标记的卵细胞的概率为____________。(2)某哺乳动物的一个卵原细胞(2N＝8)中每对同源染色体仅有一条染色体上的DNA分子两条链均被15N标记，该卵原细胞在14N的环境中进行减数分裂，那么减数分裂Ⅰ后期的初级卵母细胞中含有15N标记的染色单体有_____条；减数分裂Ⅱ后期的次级卵母细胞中含有15N标记的染色体有_________________条；其产生含有15N标记的卵细胞的概率为________。(1)4；2；1(2)8；0或2或4或6或8；15/16一对完全被15N标记的染色体，在14N的环境中培养：连续进行两次完整的有丝分裂后，形成的子细胞中染色体组成情况如何？复制复制复制染色体(DNA)每复制一次，细胞就得分裂一次。探究点三：DNA复制的相关计算【针对训练2】将某精原细胞(2n=8)的DNA分子用15N标记后置于含14N的培养基中培养，经过连续两次细胞分裂，并检测分裂过程和分裂后细胞中的情况。下列推断正确的是(D)A.若这两次分裂为有丝分裂，则含15N染色体的子细胞比例为1/2B.若这两次分裂为有丝分裂，则第二次分裂中期含14N的染色单体有8条C.若这两次分裂为减数分裂，则减Ⅰ中期含14N的染色单体有8条D.若这两次分裂为减数分裂，则子细胞中每条染色体均含15N探究点三：DNA复制的相关计算【针对训练1】用32P标记玉米体细胞(2N=20)的DNA分子双链。再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养，在第二次细胞分裂完成后每个细胞中被32P标记的染色体条数是DA.0条B.20条C.大于0条小于20条D.上都有可能5．将某一经3H充分标记DNA的动物细胞（染色体数为2n）置于不含3H的培养基中培养，经两次有丝分裂形成的四个细胞中，含有放射性标记的细胞比例是多少？其中一个细胞中含有放射性标记的染色体数是多少？A.100%B.25%C.50%D.50%～100%E.25%～100%A.nB.2nC.1～nD.n～2nE.0～n拓展：端粒与端粒酶复制理想状态实际情况原核生物的染色体是环状的，其5’最末端冈崎片段的RNA引物被除去后可借助另半圈DNA链向前延伸来填补。但是真核生物线性染色体在复制后，不能像原核生物那样填补5’末端的空缺，从而会使5’末端序列因此而缩短。真核生物通过形成端粒结构来解决这个问题。复制使端粒5’末端缩短，而端粒酶可外加重复单位到5’末端上，进而维持一定的端粒长度。真核生物线性染色体的两个末端具有特殊的结构，称为端粒，它是由许多成串联的重复序列组成的。该重复序列通常一条链上富含G，其互补链上富含C。端粒的存在，可以防止染色体间末端连接，可以补偿滞后链5’端末端在消除RNA引物造成的空缺。端粒酶是一种含有RNA链的逆转录酶，它以所含RNA为模板来合成DNA端粒结构。通常端粒酶含有约150个碱基的RNA链，其中含1.5个拷贝的端粒重复单位的模板。端粒酶可结合到端粒的3’末端上，RNA模板的5‘末端识别DNA的3’末端碱基并相互配对，以RNA链为模板使DNA链延伸，合成一个重复单位后酶再向前移动一个单位。端粒的3‘单链末端也可回折作为引物，合成其互补链。AACCCCAAC3’5’AACCCCAAC3’5’AACCCCAAC3’5’AACCCCAAC3’5’拓展：端粒与端粒酶3’5’5’TTGGGGTTGGGG3’3’5’5’TTGGGGTTGGGGTTG3’3’5’5’TTGGGGTTGGGGTTG3’3’5’5’TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG3’3’CCCAAC5’3’5’5’TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG3’AACCCCAACCCCAACCCCAAC5’3’5’TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG3’AACCCCAACCCCAA5’3’5’TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG3’在动物的生殖细胞中,由于端粒酶的存在,端粒一直保持着一定的长度。体细胞随着分化而失去端粒酶活性,主要是因为编码该催化亚基的基因表达受到了阻遏。在缺乏端粒酶活性时,细胞连续分裂将使端粒不断缩短,短到一定程序即引起细胞生长停止或凋亡。组织培养的细胞证明,端粒在决定细胞的寿命中起重要作用,经过多代培养老化的细胞端粒变短,染色体也变得不稳定。然而,主要的肿瘤细胞中均发现存在端粒酶活性,因此设想端粒酶可作为抗癌治疗的靶位点。拓展：DNA的不同复制方式A.直线双向复制B.多起点双向复制C.Θ型双向复制D.Θ型单向复制拓展：DNA的不同复制方式E.滚动环复制(单链DNA)【噬菌体ΦX174，正义单链DNA】噬菌体ΦX174的遗传物质是单链环状DNA分子（正链）。感染宿主细胞时，首先合成其互补的负链，形成闭合的双链DNA分子，之后正链发生断裂，产生3'-OH，再以此为引物，以未断裂的负链为模板，在DNA聚合酶的作用下使3'-OH端不断延伸。延伸出的长链可切割、环化产生很多拷贝的环化正链，进而与噬菌体的蛋白质颗粒组装产生子代噬菌体。其部分过程如如图所示，下列说法正确的是（D）A.噬菌体ΦX174中嘌呤碱基与嘧啶碱基数量相等B.以正链为模板合成双链DNA分子时需要解旋酶参与C.噬菌体ΦX174的DNA复制方式可称做半保留复制D.该过程表明可以只以一条链为模板进行DNA的合成拓展：DNA的不同复制方式F.滚动环复制(双链DNA)【噬菌体λ的DNA】拓展：DNA的不同复制方式G.D-环式复制(取代环复制)【线粒体DNA】拓展：DNA的不同复制方式G.D-环式复制(取代环复制)【线粒体DNA】拓展：DNA的不同复制方式E.滚动环复制(单链DNA)3’-OH5’-P拓展：DNA的不同复制方式A.直线双向复制拓展：DNA的不同复制方式A.直线双向复制拓展：DNA的不同复制方式A.直线双向复制拓展：DNA半保留复制的证据Ⅰ.CsCl密度梯度离心技术(a)从不同世代的细胞抽取DNA，跟CsCl溶液混合，然后进行离心。高速长时间离心使CsCl在离心管中形成一个密度梯度。这时DNA沉降在CsCl的一定密度处，这密度相当于它自己的密度。因为DNA吸收紫外线，所以用一光源系统照射离心管，在照相底板上记录DNA带的位置。(b)实验结果说明，每一DNA分子以半保留方式复制，所以在14N中生长一代，所有