2020新教材高中生物第3章基因的本质第3节DNA的复制课件 人教版必修第二册 31页

第 3 节　 DNA 的复制　 一、对 DNA 复制的推测和 DNA 半保留复制的实验证据 ( 一 ) 对 DNA 复制的推测 1 . 半保留复制 (1) 提出者 : 沃森和克里克 。 (2) 假说 ① 解旋 :DNA 复制时 ,DNA 双螺旋解开 , 互补的碱基之间的 氢键 断裂。 ② 复制 : 解开的 两条单链 作为复制的模板 , 游离的脱氧核苷酸依据 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。 (3) 特点 : 新合成的每个 DNA 分子中 , 都保留了原来 DNA 分子中的一条链 , 这种复制方式被称作 半保留复制 。 2 . 全保留复制 DNA 复制以 DNA 双链为模板 , 子代 DNA 的双链都是新合成的。一个 DNA 分子复制的结果是得到一个 子代 DNA , 一个 亲代 DNA 。 ( 二 ) DNA 半保留复制的实验证据 1 . 实验方法 : 同位素示踪 技术和密度梯度离心技术。 2 . 实验原理 : 含 15 N 的双链 DNA 密度大 , 含 14 N 的双链 DNA 密度小 , 一条链含 14 N 、一条链含 15 N 的双链 DNA 的密度 居中 。 3 . 实验假设 :DNA 以 半保留 的方式复制。 4 . 实验预期 : (1) 大肠杆菌在含有 15 NH 4 Cl 的培养液中培养若干代 , 提取 DNA ➝ 离心 ➝ 一条 DNA 带 , 位置靠近试管底部。 (2) 在含有 14 NH 4 Cl 的培养液中繁殖一代 , 提取 DNA→ 离心 → 一条 DNA 带 , 位于试管中部。 (3) 再繁殖一代 , 提取 DNA→ 离心 → 两条 DNA 带 , 一条位于试管中部、一条靠上。 预习反馈 1 . 下列有关探究 DNA 复制过程的说法 , 不正确的是 ( 　　 ) A. 本实验利用了同位素示踪法 B. 细胞有丝分裂一次意味着 DNA 复制一次 C. 密度梯度超速离心后 ,DNA 在试管中的位置与相对分子质量无关 D. 本实验结果说明了 DNA 具有半保留复制的特点 解析 : 探究 DNA 复制的实验是利用 15 N 标记亲代细胞的 DNA, 在含 14 N 的培养液中连续分裂两次 ( 在分裂的间期 DNA 都复制一次 ), 分别取分裂一次和分裂两次的细胞 DNA, 进行密度梯度超速离心 ,DNA 在试管中的位置取决于 DNA 分子所含同位素的情况 , 即相对分子质量的大小 ; 实验结果说明了 DNA 具有半保留复制的特点。 答案 : C 2 . 在生命科学研究中 ,“ 同位素示踪技术 ” 是经常使用的研究手段。将大肠杆菌的 DNA 分子用 3 H 标记后 , 放在普通培养基中繁殖两代 , 并跟踪检测子代细菌的放射性 ( 如下图所示 ) 。该实验有力地证明了 ( 　　 ) A.DNA 复制需要 3 H B.DNA 通过复制进行繁殖 C.DNA 进行半保留复制 D.DNA 复制需要在细菌体内进行 答案 : C 二、 DNA 复制的过程 预习反馈 1 . 判断正误。 (1)DNA 复制遵循碱基互补配对原则 , 子代 DNA 中两条链均是新合成的。 ( × ) (2) 植物细胞的线粒体和叶绿体中也可发生 DNA 的复制。 ( √ ) (3)DNA 复制需要消耗能量、需要解旋酶。 ( √ ) (4) 真核生物的 DNA 复制主要发生在细胞核中。 ( √ ) (5) 在一个细胞周期中 ,DNA 复制过程中的解旋发生在两条 DNA 母链之间。 ( √ ) (6)DNA 复制就是以亲代 DNA 的一条链为模板合成子代 DNA 的过程。 ( × ) (7)DNA 复制一旦完成 , 亲代 DNA 不再存在 , 模板链依然存在。 ( √ ) 2 .DNA 复制是否只在有丝分裂和减数分裂过程中进行 ? 是否只发生于细胞核中 ? 答案 : 不是 , 无丝分裂过程中也发生 DNA 复制。线粒体和叶绿体中也有 DNA, 也进行 DNA 复制。 3 .DNA 复制时 , 解旋酶作用于 DNA 的什么部位 ? 答案 : 解旋酶作用于连接碱基对的氢键。 探究点一 探究点二 DNA 半保留复制的实验证据 问题情景 1958 年 , 美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料 , 运用同位素标记技术 , 设计了一个巧妙的实验。结合教材 P54“ 思考 · 讨论 ”, 讨论解决有关问题。 1 . 实验开始时 , 为什么要用含有 15 NH 4 Cl 的培养液培养大肠杆菌 , 让大肠杆菌繁殖若干代 ? 提示 : 普通的大肠杆菌体内的 N 元素都是 14 N, 用含有 15 NH 4 Cl 的培养液培养大肠杆菌 , 让大肠杆菌繁殖多代后 , 可认为大肠杆菌体内的 N 元素都是 15 N 标记的。 探究点一 探究点二 2 . 关于 DNA 复制的推测 , 最初还有一种 “ 全保留复制 ” 的假说 , 作为模板链的两条链复制完后再重新结合成双链 , 而两条新合成的链结合成另一个 DNA 分子 , 如果按照这个理论的话 , 上述实验结果会是怎样的 ? 提示 : ① 在含有 15 NH 4 Cl 的培养液中培养若干代 , 提取 DNA→ 离心 → 一条 DNA 带 , 位置靠近试管底部。 ② 在含 14 NH 4 Cl 的普通培养液中繁殖一代 , 提取 DNA→ 离心 → 两条 DNA 带 , 一条靠近试管底部、一条靠上。 ③ 在含 14 NH 4 Cl 的普通培养液中再繁殖一代 , 提取 DNA→ 离心 → 两条 DNA 带 , 一条靠近试管底部、一条靠上。 探究点一 探究点二 归纳提升 假说 — 演绎法分析 DNA 半保留复制的实验 (1) 假说 :DNA 的复制是半保留复制。 (2) 演绎推理 ① 如果 DNA 的两条链都被 15 N 标记 ,DNA 相对分子质量最大 , 离心时应该靠近试管的底部。 ② 如果两条链中都含有 14 N, 那么 DNA 相对分子质量最小 , 离心时应该在试管的上部。 ③ 如果两条链中一条含有 15 N, 一条含有 14 N, 那么 DNA 在离心时应该在试管的中部。 探究点一 探究点二 (3) 实验结果 ① 复制一次产生的 DNA 中 , 一条链含 14 N, 另一条链含 15 N,DNA 相对分子质量居中。 ② 复制两次产生的 DNA 中 , 有两个 DNA 分子的双链均含 14 N, 另两个 DNA 分子中一条链含 15 N, 另一条链含 14 N 。 (4) 实验结论 :DNA 的复制方式为半保留复制。 探究点一 探究点二 典例剖析 某校一个生物活动小组进行研究性学习 , 他们借助某大学的实验设备 , 对有关 DNA 复制的方式进行探索 , 有人认为 DNA 是全保留复制 , 也有人认为 DNA 是半保留复制。为了验证这两种假设 , 他们设计了下列实验 , 请完成实验并预测结果。 (1) 实验步骤 第一步 : 在氮源为 14 N 的培养基上生长的大肠杆菌 , 其 DNA 均为 14 N-DNA; 在氮源为 15 N 的培养基上生长的大肠杆菌 , 其 DNA 均为 15 N-DNA 。提取 DNA 并用某种离心方法分离得到的结果如上图所示 , 其 DNA 分别分布在轻带和重带上。 探究点一 探究点二 第二步 : 将亲代大肠杆菌 ( 15 N-DNA) 转移到含 14 N 的培养基上繁殖一代 (Ⅰ) 。 如果 DNA 　　　　　　　　　　　　　　　　　 , 则是全保留复制 ; 如果 DNA 　　　　　　　　 , 则是半保留复制。   第三步 : 为了进一步验证第二步的推测结果 , 将亲代大肠杆菌 ( 15 N-DNA) 转移到含 14 N 的培养基上连续繁殖两代 (Ⅱ), 如果 DNA 　　　　　　　　　　　　　　　 , 则是全保留复制 ; 如果 DNA 　　　　　　　　　　　　 , 则是半保留复制。   (2) 有人提出 : 第一代 (Ⅰ) 的 DNA 用解旋酶处理后再离心 , 就能直接判断 DNA 的复制方式 , 如果轻带和重带各占 1/2, 则一定为半保留复制。你认为这种说法是否正确 ? 　　　　 ; 原因是 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。   探究点一 探究点二 解析 : (1) 亲代大肠杆菌 ( 含 15 N) 转移到含 14 N 的培养基上繁殖一代 (Ⅰ) 后 , 若为全保留复制的话 , 复制产生的 2 个 DNA 分子中 1 个 DNA 两条链均含 14 N, 另外 1 个 DNA 两条链均含 15 N, 故一半在轻带位置 , 一半在重带位置 ; 若为半保留复制的话 ,2 个 DNA 分子中都是各一条链含 14 N 、一条链含 15 N, 故全部位于中带位置。 亲代大肠杆菌含 15 N 转移到含 14 N 的培养基上连续繁殖两代 (Ⅱ) 后 , 全保留复制的话 ,4 个 DNA 分子中 1 个 DNA 两条链均含 15 N, 另外 3 个 DNA 两条链均含 14 N, 故 3/4 出现在轻带位置 ,1/4 出现在重带位置 ; 半保留复制的话 ,2 个 DNA 分子中都是各一条链含 14 N 、一条链含 15 N, 另 2 个 DNA 分子全是两条链均含 14 N, 故一半在中带位置 , 一半在轻带位置。 (2) 第一代 (Ⅰ) 的 DNA 用解螺旋酶处理后再离心 , 半保留复制和全复制形成的子代 DNA 单链中 2 条含 14 N,2 条含 15 N, 则一半在轻带位置 , 一半在重带位置。 探究点一 探究点二 答案 : (1) 一半在轻带位置 , 一半在重带位置　全部位于中带位置　 3/4 在轻带位置 ,1/4 在重带位置　一半在中带位置 , 一半在轻带位置　 (2) 不正确　因为不论是全保留复制 , 还是半保留复制 , 其第一代用解旋酶处理后 , 都有一半的单链含 15 N, 一半的单链含 14 N, 离心后都有一半单链在重带上 , 一半单链在轻带上 探究点一 探究点二 活学活练 1958 年 , 科学家以大肠杆菌为实验材料进行实验 ( 如下图 ), 证实了 DNA 是以半保留方式复制的。 ②③④⑤ 试管是模拟可能出现的结果。下列相关推论正确的是 ( 　 　 ) 探究点一 探究点二 培养条件与方法 : (1) 在含 15 N 的培养基培养若干代 , 使 DNA 双链均被 15 N 标记 ( 试管 ① ) (2) 转至 14 N 的培养基培养 , 每 30 min 繁殖一代。 (3) 提取每代 DNA 样本 , 并离心分层。 A. 该实验运用了同位素标记法 , 出现 ④ 的结果至少需要 90 min B. ③ 是转入 14 N 培养基中复制一代的结果 , ② 是复制两代的结果 C. 对得到 DNA 以半保留方式复制结论起关键作用的是试管 ③ 的结果 D. 给试管 ④ 中加入解旋酶一段时间后离心出现的结果如试管 ⑤ 所示 探究点一 探究点二 解析 : 根据 DNA 半保留复制特点 , 转入 14 N 培养基中复制二代后所得 DNA 分子中 , 有一半 DNA 分子只含 14 N, 另一半 DNA 分子一条链含有 15 N, 一条链含有 14 N, 离心后分布在中带和轻带上 , 即 ④ 图所示结果 , 即出现 ④ 的结果至少要复制两次 , 而细菌每 30 min 复制一次 , 因此至少需要 60 min,A 项错误 ; 亲代 DNA 的两条链均被根据 15 N 标记 , 在 14 N 培养基的环境中增殖 ,DNA 复制两次后 , 所形成的 DNA 存在于中带和轻带 , 所以 ③ 是转入 14 N 培养基中复制一代的结果 , ④ 是复制二代的结果 ,B 项错误 ; 对得到 DNA 以半保留方式复制结论起关键作用的是试管 ③ 结果 , 即转入 14 N 培养基中复制一代后所得 DNA 分子都是一条链含有 15 N, 另一条链含有 14 N, 离心后都分布在中带上 ,C 项正确 ; ④ 中含有中带 , 说明含有 15 N 的 DNA 分子链 , 经解旋酶的作用后应出现重带 , 而 ⑤ 中全为轻带 , 表示不具有 15 N 标记的 DNA 分子链 ,D 项错误。 答案 : C 探究点一 探究点二 DNA 复制的过程和特点 问题情景 下图是 DNA 复制的图解 , 请据图回答下列问题。 探究点一 探究点二 (1) 图中的 [1] 表示 解旋 过程 , 需要 解旋 酶的作用。 DNA 复制是一个边 解旋 边 复制 的过程。 (2) 图中的 [2] 过程表示以母链为模板进行碱基的 互补配对 。 (3) 图中的 [3] 过程包括子链中相邻脱氧核苷酸的 脱氧核糖 与 磷酸 交替连接以及子链与母链在空间结构上的 螺旋 化。参与此过程的酶有 DNA 聚合酶 等。 (4) 子代 DNA 中 , 一条链来自 亲代 DNA , 另一条是 新合成的子链 , 这说明 DNA 复制的方式是 半保留复制 。 探究点一 探究点二 归纳提升 DNA 复制的有关计算 (1) 将含有 15 N 标记的 DNA 的大肠杆菌在含有 14 N 的培养基上培养 , 使 DNA 复制 n 次。 “ 图解法 ” 分析 DNA 复制相关计算。 探究点一 探究点二 ① 子代 DNA 共 2 n 个 ② 脱氧核苷酸 链共 2 n +1 条 (2)DNA 复制消耗脱氧核苷酸数的计算方法 ① 若一亲代 DNA 分子含有某种脱氧核苷酸 m 个 , 经过 n 次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为 m ·(2 n -1) 个。 ② 第 n 次复制所需该脱氧核苷酸数为 m ·2 n -1 个。 探究点一 探究点二 方法技巧 巧记 DNA 的复制 ——“ 一所 , 两期 , 三步 , 四条件 ” “ 一所 ” 是指复制的场所主要是细胞核 ;“ 两期 ” 是指复制的时期主要是有丝分裂的间期和减数分裂前的间期 ;“ 三步 ” 是指 “ 三个步骤 ” 即解旋、形成子链、母链与子链形成新的 DNA;“ 四条件 ” 是指原料、模板、能量和酶。 探究点一 探究点二 典例剖析 下图为 DNA 复制的图解 , 请据图回答下列问题。 (1)DNA 复制发生在 　　　　　　　　　　　　 期。   (2) ② 过程称为 　　　　 。   (3) 指出 ③ 中的子链 : 　　　　 。   (4) ③ 过程必须遵循 　　　　　　　　　　 原则。   探究点一 探究点二 (5) 子代 DNA 中只有一条链来自亲代 DNA, 由此说明 DNA 的复制方式是 　　　　　　　　　　 。   (6) 将一个细胞的 DNA 用 15 N 标记 , 放入含被 14 N 标记的 4 种脱氧核苷酸培养液中 , 使其连续分裂 4 次 , 则含被 14 N 标记的 DNA 的细胞占总细胞数的 　　　　　 , 含被 15 N 标记的 DNA 的细胞占总细胞数的 　　　　　 。   (7) 已知原来 DNA 中有 100 个碱基对 , 其中 A 有 40 个 , 则复制 4 次 , 在复制过程中将需要 　　　　　 个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸参加。   解析 : DNA 的复制方式为半保留复制 , 子代 DNA 中有一条母链和与母链互补的子链 ;1 个 DNA 分子复制 n 次产生的子代 DNA 分子数为 2 n 个 ; 若亲代 DNA 中含某种碱基数为 a 个 , 则复制 n 次需该种碱基数为 a ×(2 n -1) 个。 答案 : (1) 细胞分裂前的间　 (2) 解旋　 (3)Ⅱ 、 Ⅲ 　 (4) 碱基互补配对　 (5) 半保留复制　 (6)100% 　 12.5% 　 (7)900 探究点一 探究点二 误区警示 “ DNA 复制 ” 相关题目的 4 点 “ 注意 ” (1) 注意 DNA“ 复制了 n 次 ” 和 “ 第 n 次复制 ” 的区别 , 前者包括所有的复制 , 但后者只包括第 n 次的复制。 (2) 注意碱基的单位是 “ 对 ” 还是 “ 个 ” 。 (3) 切记在 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 分子都只有 2 个。 (4) 看清题目中问的是 “DNA 数 ” 还是 “ 链数 ” 、 “ 含 ” 还是 “ 只含 ” 等关键词 , 以免掉进陷阱。 探究点一 探究点二 活学活练 1 . 下列关于 DNA 复制的叙述 , 正确的是 ( 　　 ) A.DNA 在解旋酶的作用下 , 水解成脱氧核苷酸 B. 在全部解旋之后才开始碱基配对 C. 解旋后以一条母链为模板合成两条新的子链 D. 复制后 , 每个新 DNA 分子中含有一条母链和一条子链 解析 : DNA 在解旋酶的作用下 , 只是破坏氢键 , 破坏了空间结构 , 没有水解成脱氧核苷酸 ;DNA 的复制方式是边解旋边复制 , 并且是半保留复制。 答案 : D 探究点一 探究点二 2 . 用 15 N 标记含有 100 个碱基对的 DNA, 其中有胞嘧啶 60 个 , 该 DNA 在含 14 N 的培养基中连续复制 4 次。其结果不可能是 ( 　　 ) A. 含有 15 N 的 DNA 占 1/8 B. 含有 14 N 的 DNA 占 7/8 C. 消耗游离的腺嘌呤脱氧核苷酸 600 个 D. 产生了 16 个 DNA 分子 解析 : 一个 DNA 分子连续复制 4 次 , 可产生 16 个 DNA 分子 ,16 个 DNA 分子都是含 14 N 的 , 比例为 100%; 只含 14 N 的 DNA 分子有 14 个 , 占 7/8, 含 15 N 的 DNA 分子有 2 个 , 占 1/8 。根据有关公式可求出该 DNA 分子中含 40 个腺嘌呤 , 复制 4 次需腺嘌呤的数量 =(2 4 -1)×40=600( 个 ) 。 答案 : B