3.3 DNA的复制-2024-2025学年高一生物同步备课课件（人教版2019必修2）

第3节 DNA 的复制 梅塞尔森 斯塔尔 第3章 基因的本质 小沫教你学高中生物 学习目标 运用假说—演绎法探究DNA的复制方式。 理解DNA的准确复制是遗传信息稳定传递的基础。 概述DNA通过半保留的方式进行复制。 我们的英雄——你记得我，我就活着（视频） 少量DNA 怎么为我们的英雄寻找亲属？ 足量DNA 沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著作短文的结尾处写道：“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” 《核酸的分子结构》论文节选 1.复制机制可能是怎样的？ 2.为什么用“可能”？ 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。 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证据之上。 问题探讨 1 2 对DNA复制的推测 DNA半保留复制的实验证据 DNA复制的过程 3 无论细胞有丝分裂还是减数分裂，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 7 ②作出假说 推测可能复制方式。 ④实验验证，得出结论 实验、得出结论、验证假说。 ①提出问题 DNA如何复制？ ③演绎推理 根据复制模式， 预测实验结果 假说——演绎法 1、对DNA复制的推测 沃森和克里克紧接着提出遗传物质自我复制假说： DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基间氢键断裂，解开的两条单链分别作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸根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。 由于新合成每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中一条链，因此，这种复制方式称作半保留复制。 脱氧 核糖 P A 脱氧 核糖 P C 脱氧 核糖 P G 脱氧 核糖 P T 脱氧 核糖 P T C 脱氧 核糖 P G 脱氧 核糖 P A 脱氧 核糖 P 假说——演绎法 假说1 提出假说 1、对DNA复制的推测 脱氧 核糖 P T 脱氧 核糖 P T C 脱氧 核糖 P G 脱氧 核糖 P A 脱氧 核糖 P 5' 3' 脱氧 核糖 P T 5' 脱氧 核糖 P A 脱氧 核糖 P C 脱氧 核糖 P G 脱氧 核糖 P T 3' A 脱氧 核糖 P G 脱氧 核糖 P 脱氧 核糖 P C 脱氧 核糖 P G 脱氧 核糖 P A C 脱氧 核糖 P 假说1 提出假说 1、对DNA复制的推测 假说2：全保留复制 以两条母链为模板合成两条DNA子链，子代DNA中母链重新结合，两条子链彼此结合成另一个子代DNA分子。 亲代DNA 子代DNA 提出假说 1、对DNA复制的推测 假说3：分散复制方式 亲代DNA分子断裂成短片段，以这些亲本短片段为模板合成同样长短的新的DNA片段，再将这些新旧片段混合连接，形成完整的全长DNA分子。这样形成的双链，均既含有亲本DNA片段，又有新合成的DNA片段。 亲代DNA 子代DNA 1、对DNA复制的推测 半保留复制(沃森和克里克） 全保留复制 分散复制 有人质疑 如何证明那个观点是正确的？ 提出 提出假说 1、对DNA复制的推测 探究： 1.通过实验区分DNA复制方式的三种假说,实验的关键是什么？ 2.DNA是肉眼看不可见的，如何区分亲代和子代的DNA呢？ 关键思路：区分亲代和子代的DNA 梅塞尔森 斯塔尔 1958年 同位素标记技术 大肠杆菌（繁殖快，20min一代） 2、DNA半保留复制的实验证据 3.该实验用什么元素做标记? 用32P，14C等具有放射性同位素标记呢? 无法区分亲代和子代DNA 密度梯度离心技术 密度 低 高 14N/14N—DNA 15N/14N—DNA 15N/15N—DNA (轻带) (中带) (重带) 【背景知识】 15N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，因此，利用离心技术可以在试管中分离开含有相对原子质量不同的氮元素的DNA。 探究： 1、对DNA复制的推测 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。 【实验过程】 演绎推理 15NH4Cl 14N/ 14N -DNA 繁殖若干代 15N/ 15N -DNA 目的？ 得到的大肠杆菌DNA几乎都是15N标记的 1、对DNA复制的推测 15N/ 15N -DNA 再分裂一次 分裂一次 提取DNA 离心 提取DNA 离心 ？ ？ ？ 哪个位置 ？ ？ ？ 哪个位置 14NH4Cl 演绎推理 1、对DNA复制的推测 尝试画出1个DNA分子按半保留复制、全保留复制的方式复制两次的图解 第一代 第二代 亲代 (1)半保留复制 (2)全保留复制 (3)弥散复制 轻 中 重 轻 中 重 轻 中 重 轻 中 重 轻 中 重 轻 中 重 轻 中 重 轻 中 重 轻 中 重 演绎推理 2、DNA半保留复制的实验证据 15N 14N 14N 15N 14N 14N 14N 14N 15N 14N 15N 14N P F1 F2 15N 15N 15N/15N 重带 15N/14N 14N/14N 15N/14N 轻带中带 中带 第二代 第一代 提出DNA离心 提出DNA离心 提出DNA离心 含14N的培养液 1.假设DNA的复制是半保留复制 2、DNA半保留复制的实验证据 第二代 含14N的培养液 第一代 提出DNA离心 提出DNA离心 15N 15N P F1 F2 14N 14N 提出DNA离心 重带 轻带重带 轻带 重带 15N 15N 15N 15N 14N 14N 14N 14N 14N 14N 15N/15N 14N/14N 15N/15N 14N/14N 15N/15N 1.假设DNA的复制是全保留复制 2、DNA半保留复制的实验证据 得出结论 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 细胞再分裂一次 15N 14N 15N 15N 14N 14N 转移到含14NH4Cl的培养液中 细胞分裂一次 15N 14N 提出DNA离心 提出DNA离心 提出DNA离心 15N/15N-DNA 15N/14N-DNA 15N/14N-DNA 14N/14N-DNA 2、DNA半保留复制的实验证据 设实验 科学技术方法——密度梯度离心 2、DNA半保留复制的实验证据 提出问题 作出假设 得出结论 演绎推理 实验验证 证明DNA半保留复制的实验 DNA以半保留方式复制（全保留、分散） 推理、探究几种复制模式下得到子代DNA的可能情况，预测可能实验结果 DNA以半保留方式进行复制 证明DNA半保留复制的实验 假说演绎法 2、DNA半保留复制的实验证据 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 25 与半保留复制的预期相符合。 实验结果： 实验结论： DNA分子复制的方式是半保留复制。 物理、化学技术对生物学研究具有重要意义！ 3、DNA复制的过程 1 2 对DNA复制的推测 DNA半保留复制的实验证据 DNA复制的过程 3 （1）概念： 是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。 随着染色体的复制而完成的 减数分裂前的间期 有丝分裂间期 真核生物 细胞质：线粒体、叶绿体 细胞核(主要) 原核生物 拟核 细胞质 病毒： 宿主细胞 （4）条件： （2）发生时期： （3）场所： DNA两条母链 细胞中游离的4种脱氧核苷酸 ATP（破坏氢键） 解旋酶、DNA聚合酶等 模板 原料 能量 酶 3、DNA复制的过程 （5）DNA复制的过程： 3、DNA复制的过程 解旋酶 酶 5' 3' 3' 5' DNA聚合酶 5' 3' 前导链 5' 3' 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 前导链与后随（滞后链）： 互补配对 知识拓展：DNA半不连续复制 30 （5）DNA复制的过程： DNA聚合酶 DNA解旋酶 复制分叉 子链 DNA模板链 DNA聚合酶 DNA模板链 子链 DNA 氢键 一条母链和一条子链螺旋成为一个新的DNA分子 解旋 合成子链 重新螺旋 解旋酶 双链解开 4种脱氧核苷酸 DNA聚合酶 磷酸二酯键 4种脱氧核苷酸 加热 3、DNA复制的过程 完全解旋需要7小时 DNA分子 ATP 解旋酶 原料 ATP DNA聚合酶 得到子代DNA需要8小时 A组实验 B组实验 DNA聚合酶 4种脱氧核苷酸 DNA分子 ATP 解旋酶 得到子代DNA只需要7.5小时 资料1：哺乳动物DNA分子展开可达2米，科学家在研究DNA复制时，在适宜情况下人工合成DNA，过程如下： 3、DNA复制的过程 女性子宫肌瘤细胞中最长的DNA分子达36mm，DNA速度约为4μm/min(1mm=1000μm)，但复制过程仅需40min左右即完成。 果蝇DNA有多个复制起点，可同时从不同起点开始DNA复制，由此加快DNA复制速率，为细胞分裂做好物质准备。 请你推测果蝇DNA形成多个复制泡的原因。 果蝇DNA的电镜照片 资料2： 3、DNA复制的过程 半保留复制 边解旋边复制 多个复制起点 复制方向 复制方向 复制方向 复制起点 复制起点 复制起点 (从结果看) (从过程看) （6）特点： 3、DNA复制的过程 单起点双向复制 3' 5' 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5' 5' 3' 原核生物DNA复制 3、DNA复制的过程 （8）结果： （9）意义： 1个DNA分子 2n个完全相同的DNA分子 （10）精确复制的原因： ①双螺旋结构为其提供 ； ② 原则及 复制使复制准确进行。 精确模板 碱基互补配对 半保留 从子链的5' 端向 3' 端延伸 将遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。 （7）方向： 3、DNA复制的过程 人类生殖过程中，受精卵并不都能保证繁殖成功。有些胚胎在受精后几天内停止发育并死亡，通常是因为它们的染色体数量异常。现在，哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科医生学院的研究人员发现，这些错误大多是由于细胞分裂早期DNA复制中的自发错误造成的。 3、DNA复制的过程 C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A C G T A T A C G G C T A G C C G T A 3' 5' C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A 3' 5' ATP 解旋酶 38 C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A 3' 5' A C G C A A G C T A G T C A T T A T A T G C A T G A T C G A G C T T 39 C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A 3' 5' A C G C A A G C T A G T C A T T A T A T G C A T G A T C G A G C T T A C G C A A G C T A G T C A T T A DNA聚合酶 5' 3' T A T G C A T G A T C G A G C T T 5' 3' ATP ATP 形成磷酸二酯键 40 C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A A 3' 5' A C G C A A G C T A G T C A T T A T A T G C A T G A T C G A G C T T 5' 3' T A G C C G T A T A G C C G A T A T 3' 5' T T A C G C G T A T A T A T A 5' 3' 41 一、概念检测 1．DNA复制是在为细胞分裂进行必要的物质准备。据此判断下列相关表述是否正确。 （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。 （ ） × × 2．DNA复制保证了亲子代间遗传信息的连续性。下列关于DNA复制正确的是（ ） A．复制均在细胞核内进行 B．碱基互补配对原则保证了复制的准确性 C．1个DNA分子复制1次产生4个DNA分子 D．游离的脱氧核苷酸在解旋酶的作用下合成子链 B 练习与应用 3．将DNA双链都被15N标记的大肠杆菌放在含14N培养基中培养，分裂3次叙述正确的是 （ ） A．所有的大肠杆菌都含有15N B．含有15N的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比例为1/2 C．含有15N的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比例为1/4 D．含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例为1/8 C 二、拓展应用 1．虽然DNA复制通过碱基互补配对很大程度上保证了复制准确性，但DNA平均每复制109个碱基对，就会产生1个错误。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 练习与应用 亲 代 15N 15N 15N 15N 14N 14N 14N 14N 14N 14N 复制1次 复制2次 复制3次 2 4 8 =21 =22 =23 与DNA复制有关的计算 一、亲代DNA分子经n次复制后，则 ①子代DNA分子数： ②含15N的DNA分子数： ④不含15N的DNA分子数： 2n个 2个 2n-2个 ⑤含15N的DNA分子数与子代DNA分子数之比为： 2/ 2n ③只含15N的DNA分子数： 0个 与DNA复制有关的计算 ①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数： ② 15N脱氧核苷酸链数： ③新合成的脱氧核苷酸链数： 2n+1条 2条 2n+1-2条 二、亲代DNA分子经n次复制后，则 与DNA复制有关的计算 ①子代DNA分子数 ： ②只含15NDNA数 ： ③含15NDNA数 ： ④只含14NDNA数 ： ⑤含14NDNA数 ： (2)脱氧核苷酸链数：2×2n=2n+1 ①含15N链 ： ②含14N链 ： ③子代DNA被标记DNA所占比例 ： ④子代中被标记的链占总链数比例 ： (1)子代DNA共2n个 2n个 0个 2个 2n-2个 2n个 2条 2n+1-2条 2/2n=1/2n-1 2/2n+1=1/2n 与DNA复制有关的计算 m（ 2n-1） （1）则经过n次复制共需要消耗腺嘌呤脱氧核苷酸个数为： （2）第n次复制需要消耗腺嘌呤脱氧核苷酸个数为： m（ 2n-2n-1）= m × 2n-1 三、若DNA分子含有腺嘌呤脱氧核苷酸m个，则 与DNA复制有关的计算 例：一个DNA分子中有碱基A20个，占全部碱基的20％，若DNA连续复制2次，需要碱基C________个,第2次复制需要碱基C________个, 90 60 A C T T G A C G A T G A A C T G C T 复制 染色体数目不变 DNA数目加倍 A C T T G A C G A T G A A C T G C T A C T T G A C G A T G A A C T G C T DNA是染色体的组成成分,染色体是DNA的载体。 15N 15N 15N 14N 15N 　 复制 14N 与DNA复制有关的计算 拓展题型 49 与DNA复制有关的计算 ①有丝分裂染色体标记问题 1H 培养基 第1次 有裂 100%子细胞含3H 1H 培养基 第2次 有裂 第2次 有裂 2/4、3/4、4/4 的子细胞含3H（标记） 3H1H 3H3H 3H3H 3H1H 四、DNA复制后染色体标记问题： ②减数分裂染色体标记问题 1H 培养基 3H3H 3H3H 3H1H 3H1H MⅠ MⅡ 同源染色体分离 姐妹染色单体分离 与DNA复制有关的计算 四、DNA复制后染色体标记问题： 100%子细胞所有DNA分子都呈“杂合”状态 DNA复制总结 原则 时间 场所 条件 模板 原料 能量 酶 方向 特点 意义 细胞分离裂前的间期 真核：细胞核、线粒体、叶绿体 原核：拟核、细胞质（质粒） 亲代DNA的两条链 4种游离的脱氧核苷酸 ATP水解提供 解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等 从子链的5' 端向 3' 端延伸 半保留复制；边解旋边复制；多起点双向复制；半不连续复制 遗传信息的传递 碱基互补配对 Lavf57.83.100 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.42 Lavf57.83.100 $$