3.3 DNA的复制-1课时-【精讲课堂】2024-2025学年高一生物同步教学实用课件（人教版2019必修2）

第3节 DNA的复制 科学家们 了解到了：DNA是4种脱氧核苷酸为单位链接的长链 威尔金斯 富兰克林 利用X射线衍射技术获得了DNA衍射图谱。 沃森、克里克 基于资料理论，进行研究并最终提出：DNA双螺旋结构 DNA的复制 ? 前情回顾：名人榜 查哥夫 发现DNA中碱基，A与T的数量相等，C与G的数量相等。 问题探讨 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。 发现问题 一、对DNA复制的推测 1.沃森和克里克提出了遗传物质自我复制的假说： 半 保 留 复 制 DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂，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。 内容 新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链。 结果 提出假说 一、对DNA复制的推测 2.科学家们产生不同观点： 半 保 留 复 制 弥散复制 全保 留 复 制 DNA 复制是镶嵌型的复制，即在子代 DNA 两条链中，母链和子链片段镶嵌存在，也叫弥散复制。 科学的研究方法 2.推测可能的复制方式 3.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 4.完成实验 1.DNA的是如何复制的? 半保留复制 全保留复制 ...... 假说—演绎法 提出问题 作出假说 演绎推理 实验验证 得出结论 科学的研究方法 梅塞尔森 斯塔尔 1958年 同位素标记技术 15N和14N是N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，含15N的DNA比含14N的DNA密度大。 N14-N14DNA N15-N15DNA N14-N15DNA 如何区分N14-N14DNA、N15-N15DNA、N14 -N15-DNA？ 科学的研究方法 14N/14N—DNA 15N/14N—DNA 15N/15N—DNA (轻带) (中带) (重带) 密度梯度离心 提取大肠杆菌的DNA，密度梯度离心后，分子量不同的DNA会出现在离心管的不同位置。密度越大（分子量越大）的DNA分子位于离心管的最下部。 二、DNA半保留复制的实验证据 演绎推理 1.若DNA复制的方式是半保留复制，请你预期实验结果。 亲 代 第1代 第2代 15N 15N 15N 15N 14N 14N 14N 14N 14N 14N (重带) (中带) (中带) (轻带) 15N 14N 15N 14N 半 保 留 复 制 二、DNA半保留复制的实验证据 2.若DNA复制的方式是全保留复制，请你预期实验结果。 亲 代 第1代 第2代 15N 15N 15N 15N 14N 14N 14N 14N 14N 14N 14N 14N 15N 15N (重带) (重带) (轻带) (轻带) (重带) 演绎推理 全保 留 复 制 二、DNA半保留复制的实验证据 3. 若DNA复制的方式是弥散复制，则第一代和第二代分别出现几条带，位置如何？ 第1代和第2代都只有1条带 第1代的条带位置居中 第2代的条带比第1代偏上 亲 代 第1代 第2代 (重带) 演绎推理 弥散复制 二、DNA半保留复制的实验证据 实验验证 实验过程： 材料：大肠杆菌 （繁殖快，20min一代） 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。 15N/14N-DNA 15N/14N-DNA 14N/14N-DNA 得出结论 半保留复制 复制的过程 三、DNA复制的过程 1.DNA复制的概念 2.发生时期 细胞分裂前的间期(有丝分裂前的间期、减数分裂前的间期)，随着染色体的复制而完成。 3.发生场所 真核细胞： 主要在细胞核中，但在线粒体、叶绿体也有DNA的复制； 原核细胞： 主要在拟核中，在质粒处也 有DNA的复制。 DNA的复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。 三、DNA复制的过程 4.条件 模板 原料 酶 能量 DNA分子的两条母链 细胞中游离的4种脱氧核苷酸 解旋酶、DNA聚合酶等 ATP DNA复制是一个边解旋边复制的过程，需要模板、原料、能量和酶等基本条件。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。 三、DNA复制的过程 ①解旋：在能量驱动下，解旋酶打开氢键，将DNA双螺旋解开 ②合成子链：DNA聚合酶等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子链 ③复旋：每条新子链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构 思考：那条子链的延伸方向好像和解旋方向是相反的，如何是好？ 三、DNA复制的过程 DNA聚合酶的特点：不能从头合成DNA，而只能从3’端延伸DNA链，因此，DNA复制需要引物，为DNA聚合酶提供3’。 ATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGC 5’ 3’ GGAUCG 5’ RNA引物Ⅰ TAGCGCTATCGCATCGACGCT 3’ TAGCGCTATCGCATCGACGCTGGATCG 3’ 5’ AUCGCG 5’ RNA引物Ⅱ ATAGCGTAGCTGCGACCTAGC 3’ DNA的合成方向：总是从子链的5’端向3’端延伸。 3’ 3’ 三、DNA复制的过程 5′ 3′ 5′ 3′ 5′ 3′ 解旋酶 DNA聚合酶 解旋酶 三、DNA复制的过程 引物 DNA聚合酶 5′ 利用酶将 引物切除 DNA聚合酶 将 “缺口”补齐 用DNA连接酶连接DNA片段 5′ 3′ 5′ 3′ 5′ 5′ ①解旋 在能量的驱动下，解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开，氢键断裂。 解旋酶 ATP 三、DNA复制的过程 ②合成引物（补充） 在引物酶的作用下，产生一小段RNA作为引物,后期引物会被切除 引物酶 引物 5’ 3’ 引物的作用简单理解就是引出DNA聚合酶，因为DNA聚合酶必须识别3’端才能结合上去。 ③合成子链 DNA聚合酶等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。 模板 模板 DNA聚合酶 5’ 3’ 子链延伸方向 子链延伸方向 两条子链延伸方向相反，但都是从5’→3’ 随着模板链解旋过程的进行，新合成的子链也在不断延伸。 子链 母链 母链 5’ 3’ 5’ 3’ 3’ 3’ 5’ 5’ 子链 ④重新螺旋 每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。 三、DNA复制的过程 三、DNA复制的过程 DNA复制总结 时间 场所 所需条件 模板 原料 酶 能量 意义 分裂间期 主要在细胞核（线粒体、叶绿体） 解开的两条母链 4种游离的脱氧核苷酸 解旋酶、DNA聚合酶等 ATP 将遗传信息由亲代传递给子代，保持遗传信息的连续性 半保留复制 半不连续复制 边解旋边复制 多起点双向复制 DNA分子复制的特点 在 DNA复制过程中，一条链的合成是连续的，另一条链的合成是不连续的，所以叫做半不连续复制。 高保真性 三、DNA复制的过程 真核生物 DNA 的复制从多个起点双向开始进行，使得复制能在较短时间内完成。提高了DNA复制的效率。 *原核生物：单起点双向复制 三、DNA复制的过程 思考·讨论 1.如图为DNA分子复制的两个模型，请据图回答下列问题。 (1)图1中的酶1和酶2分别是什么酶？分别作用于图2中哪个部位？ 解旋酶 DNA聚合酶 磷酸二酯键 氢键 三、DNA复制的过程 思考·讨论 2.已知果蝇的基因组大小为1.8×108 bp(bp表示碱基对)，真核细胞中DNA复制的效率一般为50～100 bp/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。 由此加快DNA复制的速率，为细胞分裂做好物质准备。 三、DNA复制的过程 思考·讨论 3.【资料】DNA平均每复制109个碱基对才会产生一个错误。 （1）如何保证复制具有如此高的准确性？ （2）DNA进行高精确性的自我复制有何意义？ ①DNA具有独特的双螺旋结构，能为复制提供精确的模板。 ②碱基具有互补配对的能力，保证了复制能够准确地进行。 使遗传信息从亲代传递给子代，保持遗传信息的连续性，使本物种保持相对稳定和延续。 思考：如果复制出现错误，可能会产生什么影响？ 基因突变 高保真性:DNA 复制配错概率极小 遵守严格的碱基配对规律 聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能 复制出错时有即时的校对功能(3'-5'核酸外切酶活性) 1.下列关于DNA复制的叙述，正确的是（ ） A.在细胞分裂前的间期，发生DNA复制 B.DNA通过一次复制后产生四个DNA分子 C.DNA双螺旋结构全部解旋后，开始DNA的复制 D.单个脱氧核苷酸在DNA酶的作用下连接合成新的子链 A 当堂检验 2.女性子宫肌瘤细胞中最长的DNA分子可达36 mm，DNA复制速度约为4 μm/min，但复制过程仅需40 min左右即可完成。这是因为DNA分子（ ） A.边解旋边复制 B.复制起点多，分段进行复制 C.以半保留方式复制 D.一个复制点双向复制，使子链迅速延伸 B 四、DNA的复制过程中相关计算规律 假设将一个全部被15N标记的双链DNA分子(亲代)转移到含14N的培养液中培养n代，结果如下： 亲 代 第一代 第二代 第三代 15N 15N 15N 15N 14N 14N 14N 14N 14N 14N 21 22 23 DNA复制的计算问题：关键在于正确画出DNA复制3次的图示 四、DNA的复制过程中相关计算规律 假设将一个全部被15N标记的双链DNA分子(亲代)转移到含14N的培养液中培养n代，结果如下： (1)DNA分子数 ①子n代DNA分子总数为______个。 ②含15N的DNA分子数为______个。 ③含14N的DNA分子数为______个。 ④只含15N的DNA分子数为______个。 ⑤只含14N的DNA分子数为_________个。 2n 2 2n 0 (2n－2) 四、DNA的复制过程中相关计算规律 假设将一个全部被15N标记的双链DNA分子(亲代)转移到含14N的培养液中培养n代，结果如下： (2)脱氧核苷酸链数 ①子代DNA中脱氧核苷酸链数＝_______条。 ②亲代脱氧核苷酸链数＝______条。 ③新合成的脱氧核苷酸链数＝__________条。 2n＋1 2 (2n＋1－2) 四、DNA的复制过程中相关计算规律 假设将一个全部被15N标记的双链DNA分子(亲代)转移到含14N的培养液中培养n代，结果如下： (3)消耗的脱氧核苷酸数 ①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需消耗游离的该脱氧核苷酸数为________________个。 ②若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，在第n次复制时，需消耗游离的该脱氧核苷酸数为________________个。 (2n－1)×m (2n-2n-1)× m 不消耗 DNA复制相关计算题的四个关键点 (1)复制次数：“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别是前者包括所有的复制，后者只包括最后一次复制。 (2)碱基数目：注意碱基的数目单位是“对”还是“个”。 (3)复制模板：在一个DNA复制过程中，无论复制了几次，含有亲代脱氧核苷酸单链的DNA都只有两个。 (4)关键词语：看清是“DNA数”还是“链数”，“含”还是“只含”等。 四、DNA的复制过程中相关计算规律 题型一　有丝分裂中染色体标记问题 1.研究1条染色体，母链标记，培养液不含标记同位素。 (1)过程图解 ①培养一个细胞周期： 1条染色体上的双链DNA分子 1条染色体上的两条姐妹染色单体 两条染色体只有1条被标记 复制一次 再复制一次 两条被标记的染色体 四、DNA的复制过程中相关计算规律 题型一　有丝分裂中染色体标记问题 1.研究1条染色体，母链标记，培养液不含标记同位素。 规律总结 若只复制1次，产生的子染色体都带有标记； 若复制2次，产生的子染色体只有一半带有标记。 四、DNA的复制过程中相关计算规律 2.研究1个含有1对同源染色体的细胞，用15N标记细胞核中的DNA，然后放在含14N的培养液中培养，让其连续进行2次有丝分裂，形成4个细胞。 [例1] 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 四、DNA的复制过程中相关计算规律 题型二　减数分裂中染色体的标记情况 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： 由图可以看出，在减数分裂过程中细胞连续分裂2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/14N，子细胞的所有染色体都含15N。 综上分析可知：只要亲代细胞所有的DNA均被标记且只复制1次，产生的子代DNA分子全带15N标记，一次有丝分裂产生的2个子细胞和一次减数分裂产生的4个子细胞，均带15N标记。 [例3] (2024·河北冀州高一质检)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.1 B.2 C.4 D.3 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分子都是一条链含有15N，另一条链含有14N，因此在减数分裂产生的4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4个精子中，所有的DNA均含有15N，C正确。 C 当堂检验 3.一个带有同位素15N标记的DNA分子，以含14N的脱氧核苷酸为原料，连续复制三次，在合成的DNA分子中，带有15N标记的DNA分子占（ ） A.12.5% B.25% C.50% D.100% B 4.某一个DNA分子的碱基总数中，腺嘌呤为200个，复制n次后，共消耗周围环境中的腺嘌呤脱氧核苷酸3 000个，则该DNA分子已经复制了几次（ ） A.四次 B.五次 C.六次 D.七次 A 练习与应用 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复制的叙述，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 3.将DNA双链都被15N标记的大肠杆菌放在含有14N的培养基中培养，使其分裂3次，下列叙述正确的是 （ ） 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 × × B C 实践应用 课后总结 EVCapture4.1.9软件录制 Lavf57.25.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn $$