3.3 DNA的复制—破解生命拷贝的终极密码（情境课件）生物人教版必修2

人教版必修2 第3章 基因的本质 第3节 DNA的复制 目录 生命观念 1.基于对DNA半保留复制机制的理解，进一步形成结构与功能相适应的观念；理解DNA的准确复制是遗传信息稳定传递的基础。 科学思维 1.基于科学史资料提供的实验证据，运用假说一演绎法探究DNA的复制方式，概述DNA通过半保留方式进行复制； 2.阐明运用假说一演绎法进行科学探究的基本思路。 社会责任 1.基于科学史资料概述DNA复制的条件、过程和特点；认同科学技术在生物学研究中的重要作用。 素 养 目 标 情境启思 穿越起点—双螺旋的启示 “欢迎各位见习侦探，为了一个悬案让我们穿越到1953年，剑桥大学。就在几天前，两位年轻的科学家沃森和克里克刚刚宣布，他们揭开了生命的神秘面纱——DNA呈现优雅的双螺旋结构。但这个消息，却引出了一个更大的谜题……” 见习侦探的疑惑： 这样一个精妙的双链结构，在细胞分裂时，如何把自己的遗传信息完整无误地拷贝一份传给下一代？ 见习侦探的任务： 各位见习侦探，你会怎么设计这个“自我拷贝”的机制？ 《核酸的分子结构》论文节选 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” 要得知DNA的复制机制，首先要结合DNA的结构做出合理的假设并搜集证据，推理线索，从而找到DNA的复制机制，小侦探们先查看已有线索，根据当时已有的科学证据进行推理。 任务：结合沃森与克里克的论文，思考以下问题： 证据：沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇短文的结尾处写道：“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机制。” 1.碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？ 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? 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。 情境启思 穿越起点—双螺旋的启示 情境启思 巅峰对决——三大假说的较量 “小侦探们，请调至‘思维窥探模式’。此刻，科学界正流传着三种关于DNA如何复制的假说，每一派都有重量级科学家支持。让我们一一解读他们的猜想……” 假说一：半保留复制 假说二：全保留复制 假说三：分散复制 仅从逻辑和美学角度，小侦探们觉得哪种最有可能？为什么？ 思考1：DNA在什么时期复制，复制的方式有哪几种？区分DNA复制方式的三种假说，实验的关键思路是什么？ DNA在细胞分裂间期（S期）复制； 复制的方式有3种：半保留，全保留，分散复制； 实验的关键是：区分区分亲代DNA和子代DNA。 情境启思 巅峰对决——三大假说的较量 思考2：离体的DNA分子是不能自己独立进行复制的，怎样才能使DNA复制呢？如果要研究DNA复制的方式，应选择什么样的实验材料？如何知道DNA复制了几次？ 利用细胞增殖使DNA复制； 选择大肠杆菌作为实验材料（结构简单，繁殖快）； 20分钟大肠杆菌繁殖一次，即DNA复制一次。 思考3：如何区分来自模板DNA母链和新合成的DNA子链？ 同位素标记法 情境启思 巅峰对决——三大假说的较量 沃森和克里克紧接着提出了遗传物质自我复制的假说：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。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，因此，这种复制方式称作半保留复制。 情境启思 绝妙实验——梅塞尔森与斯塔尔的世纪之称 科学不能只靠“感觉”，要知道哪种假说是正确的就需要实验来验证。这就引出了我们的关键人物——梅塞尔森和斯塔尔。 根据以上背景，要如何具体设计实验进行进行验证呢？ 1、实验者：美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔 2、实验材料：大肠杆菌 3、实验运用技术：同位素标记技术、密度梯度离心技术 4、标记元素：15N（无放射性）和14N 5、选取原因：相对原子质量不同，含15N的DNA比14N的密度大 梅塞尔森 斯塔尔 情境串讲 一、DNA半保留复制的实验证据 14N/14N—DNA 15N/14N—DNA 15N/15N—DNA (轻带) (中带) (重带) 密度梯度离心： 密度梯度模拟实验 不同DNA的密度不同，他们便会停留在与其密度相匹配的介质层。 情境串讲 一、DNA半保留复制的实验证据 2.作出假说 推测可能的复制方式。 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是如何复制的？ 3.演绎推理 根据复制模式， 预测实验结果。 请运用假说-演绎来分析实验过程： ①半保留复制 ②全保留复制 ③分散复制 情境串讲 一、DNA半保留复制的实验证据 11 15N15N 亲代DNA DNA复制一次 DNA复制两次 半保留演绎推理 15N14N 15N14N 14N14N 14N14N 15N14N 15N14N 侦探任务：假如半保留复制是正确的，演绎推理后实验的预期会是怎样的？ 重带DNA 中带DNA 1/2轻带DNA 1/2中带DNA 1/2轻带DNA 重带DNA 15N15N 14N14N 15N15N 15N15N 14N14N 14N14N 14N14N 亲代DNA DNA复制一次 DNA复制两次 全保留演绎推理 1/2重带DNA 3/4轻带DNA 1/4重带DNA 侦探任务：假如全保留复制是正确的，演绎推理后实验的预期会是怎样的？ P: F1: F2: 细胞再 分裂一次 15N 15N 转移到含14NH4Cl的培养液中 细胞分裂一次 提出DNA离心 提出DNA离心 高密度带 轻中密度带 中密度带 15N /14N 15N /14N 15N /14N 15N /14N 15N /14N 15N /14N 侦探任务：假如分散保留复制是正确的，演绎推理后实验的预期会是怎样的？ 实验验证： 情境串讲 一、DNA半保留复制的实验证据 实验验证： 亲代大肠杆菌的DNA经离心后，试管中只出现了一条带，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) 科学家完成上述实验的结果是： 15N/15N-DNA 15N/14N-DNA 第一代只出现一条居中的DNA条带，这个结果排除了哪种复制方式？ 全保留复制 情境串讲 一、DNA半保留复制的实验证据 实验验证： 科学家完成上述实验的结果是： 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) 15N/14N-DNA 14N/14N-DNA 第二代出现两条DNA条带（轻带和中带），这个结果排除了哪种复制方式？ 分散复制 实验结论： DNA的复制是以半保留的方式进行的 半保留复制 情境串讲 一、DNA半保留复制的实验证据 提出问题 作出假说 演绎推理 实验验证 得出结论 假说—演绎法 推测可能的复制方式 DNA是如何复制的？ 根据复制方式，预测实验结果 实验结果与半保留复制的预期相符 DNA分子复制的方式是半保留复制 半保留复制 全保留复制 分散复制 总结 情境串讲 一、DNA半保留复制的实验证据 “案件告破！DNA的复制方式是——半保留复制” 假说一：半保留复制 假说二：全保留复制 假说三：分散复制 情境启思 结论页——真相只有一个！ 科学史将记住这一刻：梅塞尔森和斯塔尔实验，用最优雅的方式，证明了最合理的猜想。 D 即学即练 DNA半保留复制的实验证据 1．一个DNA分子复制完成后，新形成的两条子链（ ） A．是DNA母链的片段 B．与DNA母链之一完全相同 C．与DNA母链相比，一定有所变化 D．与DNA的两条母链分别相同 B 即学即练 DNA半保留复制的实验证据 2.(2024·广东二中高一质检)如图为科学家利用大肠杆菌探究DNA的复制过程，下列叙述正确的是(　　) A.实验中采用了放射性同位素标记和密度梯度离心的研究方法 B.通过比较试管②和①的结果，无法证明DNA复制为半保留复制 C.可用T2噬菌体代替大肠杆菌进行上述实验，且提取DNA更方便 D.大肠杆菌在含有15NH4Cl的培养液中生长若干代，细胞中只有DNA含15N “回到现代。我们已经知道答案是半保留复制。但半个世纪后的今天，我们已经能‘看到’这个过程的每一个细节。让我们进入细胞的微观世界，亲眼目睹这台精密无比的分子机器如何运作。” 情境启思 现代视角——分子机器如何工作？ 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' 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' ①DNA复制的概念是什么?时间？场所？ ②DNA复制过程怎么进行? ③DNA复制过程需要哪些条件? ④DNA复制过程有何特点? ⑤DNA复制有何生物学意义? 任务：利用3min时间，阅读课本55~56页，思考下列问题。 情境串讲 二、DNA复制的过程 3、DNA复制的过程 DNA复制的过程 有丝分裂前的间期和减数第一次分裂前的间期, 随着染色体的复制而完成。（真核生物） 2.时间 3.场所 （1）真核生物： 1.概念 指以亲代DNA的两条链为模板合成子代DNA的过程。 叶绿体、线粒体 （2）原核生物： 细胞核（主要） 拟核、细胞质（质粒） （3）病毒： 宿主细胞内 情境串讲 二、DNA复制的过程 DNA复制的过程 4.过程 情境串讲 二、DNA复制的过程 DNA复制的过程 （1）解旋：在细胞提供的能量的驱动下,解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开,这个过程叫作解旋。 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 4.过程 情境串讲 二、DNA复制的过程 DNA复制的过程 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 形成氢键（不需要酶） ATP （2）合成子链：DNA聚合酶等以两条母链为模板，4种脱氧核苷酸为原料，按碱基互补配对原则合成为两条新的子链。 4.过程 形成磷酸二酯键 5' 3' DNA聚合酶 5' 3' ATP DNA聚合酶 合成方向： 子链的5'端→ 3'端 情境串讲 二、DNA复制的过程 DNA复制的过程 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' （3）形成子代DNA：一条母链和一条子链盘绕成为一个新的 DNA分子。 4.过程 5.结果： 形成两个完全相同的DNA分子。 情境串讲 二、DNA复制的过程 解旋 合成子链 重新螺旋 细胞提供ATP 需要解旋酶的作用 结果：氢键断裂，双链打开 解开的每一条母链 四种脱氧核苷酸 解旋酶、DNA聚合酶等 碱基互补配对原则 5′端至3′端 每条新链和对应的模板链盘绕成双螺旋结构 方向： 原则： 酶 ： 原料： 模板： 过程总结： （断裂氢键） （形成磷酸二酯键） 四种游离的脱氧核苷酸 情境串讲 二、DNA复制的过程 3、DNA复制的过程 DNA复制的过程 （1）DNA独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板。 （2）通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。 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。 情境串讲 二、DNA复制的过程 DNA精确复制的原因？ DNA复制的意义 真核生物 DNA 的复制从多个起点开始进行，使得复制能在较短时间内完成。 原核生物 DNA 的复制只有一个复制起点。 DNA复制泡 课本P56 情境串讲 二、DNA复制的过程 拓展：真核生物与原核生物DNA复制的区别 31 B 即学即练 DNA复制的过程 1．下列关于DNA复制的叙述中，正确的是（ ） A．DNA复制时，亲代DNA中只有一条链是模板 B．精原细胞略微增大进行DNA复制 C．DNA复制在核糖体上进行 D．DNA复制时，以其周围的游离的脱氧核糖核酸为原料 B 即学即练 DNA复制的过程 2．DNA分子的双链在复制时解旋，从氢键连接处分开的碱基是（ ） A．鸟嘌呤与尿嘧啶　　　　　 B．鸟嘌呤与胞嘧啶 C．腺嘌呤与尿嘧啶 D．鸟嘌呤与胸腺嘧啶 亲代 1代 2代 3代 n代 (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。 ⑥第n代复制增加的DNA分子数为______。 2n 2 0 2n－2 2n 动动手：画出一个被15N标记的DNA分子在含14N的培养基中培养3代的DNA复制过程 （标出每条链是15N还是14N） 无论DNA复制多少次，含有母链的DNA分子永远只有2个！ 2n-1 情境串讲 三、DNA复制的相关计算 3、DNA复制的过程 亲代 1代 2代 3代 n代 (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。 2 2n+1 2n+1－2 针对训练：有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15N的DNA分子占全部DNA分子的比例_____，含15N的链占全部DNA分子单链的比例是 ______。 1/4 1/8 情境串讲 三、DNA复制的相关计算 3、DNA复制的过程 亲代 1代 2代 3代 n代 (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。 m·（2n－1） m·2n－1 180 针对训练：具有100个碱基对的1个DNA分子片断，内含40个胸腺嘧啶，如果连续复制两次，则需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸的数目为（ ）个。 情境串讲 三、DNA复制的相关计算 3、DNA复制的过程 C 即学即练 DNA复制的相关计算 1.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 A 即学即练 DNA复制的相关计算 2.把培养在含轻氮(14N)环境中的细菌，转移到含重氮(15N)环境中培养相当于复制一次的时间，然后放回原环境相当于连续复制两次的时间后，细菌DNA组成分析结果是(　　) A．3/4轻氮型、1/4中间型 B．1/4轻氮型、3/4中间型 C．1/2中间型、1/2重氮型 D．1/2轻氮型、1/2中间型 A 即学即练 DNA复制的相关计算 3.已知某DNA分子含有500个碱基对，其中一条链上 A∶G∶T∶C＝1∶2∶3∶4。该DNA分子连续复制数次后，消耗周围环境中含G的脱氧核苷酸2100个，则该DNA分子已经复制了(　　) A.3次 B.4次 C.5次 D.6次 易错提醒：“DNA复制了n次”PK“第n次复制” 碱基是“对”PK“个” “DNA分子数”PK“链数” “含”PK“只含” 情境启思 结案陈词——从谜题到常识 小侦探们，我们的时间旅行即将结束。从1953年的双螺旋，到1957年的关键实验，再到今天的分子动画，我们见证了一个科学谜题如何一步步变成教科书上的常识。这就是科学的魅力——每一个看似理所当然的知识背后，都有一段精彩的探索历程。 总结 课堂小结 DNA的复制 课堂练习 能力提升 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（ ） × × 课堂练习 能力提升 B 2.DNA的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 课堂练习 能力提升 C 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 课堂练习 能力提升 4．DNA分子杂交技术可以用来比较不同种生物DNA分子的差异。当两种生物的DNA单链具有互补的碱基序列时，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链（如下图所示）。形成杂合双链区的部位越多，说明这两种生物的亲缘关系越近，这是为什么？ 形成杂合双链区的部位越多，则DNA碱基序列的一致性越高，说明在生物进化过程中，DNA碱基序列发生的变化越小。因此亲缘关系越近。 人教版必修2 感谢观看！ Lavf57.83.100 $