DNA通過復(fù)制傳遞遺傳信息 【備課精研與知識精講】 高一生物 課件（浙科版2019必修2）

第三

章

遺傳的分子基礎(chǔ)第三節(jié)

DNA通過復(fù)制傳遞遺傳信息

DNA作為遺傳物質(zhì)，需要將遺傳信息傳遞給下一代，因此在細(xì)胞分裂的過程中，必須進(jìn)行DNA的復(fù)制。DNA是怎樣準(zhǔn)確復(fù)制和傳遞遺傳信息的呢？

DNA通過半保留方式進(jìn)行復(fù)制

新DNA的合成就是產(chǎn)生兩個(gè)跟親代DNA完全相同的新DNA分子的過程，稱為DNA的復(fù)制。以復(fù)制方式合成DNA，使得遺傳信息在傳遞過程中保持不變。

人們根據(jù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)兩條鏈之間的堿基互補(bǔ)配對，而聯(lián)想到遺傳物質(zhì)可能具有的精確復(fù)制機(jī)制——只要DNA分子一條鏈上的堿基序列確定了，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則便決定了另一條鏈的堿基序列，即DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)為DNA分子的復(fù)制提供了精確的模板?；顒?dòng)·探究DNA的復(fù)制過程

科學(xué)家用同位素示蹤技術(shù)標(biāo)記DNA，便可以研究新合成的DNA分子的組成情況，從而確定DNA分子是如何進(jìn)行復(fù)制的。同位素標(biāo)記法同位素是_______同_______不同的元素，它們_____性質(zhì)相同，但_____性質(zhì)不同。同位素有放射性同位素和穩(wěn)定性同位素。質(zhì)子數(shù)中子數(shù)化學(xué)物理思考1：選擇放射性同位素還是穩(wěn)定性同位素呢？穩(wěn)定性同位素資料：15N和14N是N元素的兩種穩(wěn)定的同位素，這兩種同位素的相對原子質(zhì)量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大；形成的不同密度的DNA分子應(yīng)如何區(qū)分？密度梯度離心【密度梯度離心法】

用一定的介質(zhì)在離心管內(nèi)形成易連續(xù)或不連續(xù)的密度梯度，將細(xì)胞混懸液或勻漿置于介質(zhì)頂部，通過重力或離心力的作用，使其分層分離。

密度梯度離心模擬實(shí)驗(yàn)活動(dòng)·探究DNA的復(fù)制過程目的要求

通過閱讀“DNA復(fù)制過程的實(shí)驗(yàn)”資料，分析實(shí)驗(yàn)原理，了解實(shí)驗(yàn)過程，并說明實(shí)驗(yàn)結(jié)論?；顒?dòng)提示

1958年，科學(xué)家設(shè)計(jì)了DNA合成的同位素示蹤實(shí)驗(yàn)。他們先將大腸桿菌放入以15NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)液中培養(yǎng)若干代，使大腸桿菌的DNA都被同位素15N標(biāo)記。提取大腸桿菌中的DNA分子，進(jìn)行密度梯度離心?；顒?dòng)·探究DNA的復(fù)制過程活動(dòng)提示與長期在以14NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)液中培養(yǎng)的大腸桿菌DNA進(jìn)行比較，含有15N的DNA分子在離心管的下部形成條帶，含有14N的DNA分子在離心管的上部形成條帶。

然后將含有15N-DNA的大腸桿菌轉(zhuǎn)入只含有14N的普通培養(yǎng)液中培養(yǎng)，分別取完成一次細(xì)胞分裂的細(xì)菌（細(xì)胞數(shù)增加一倍）和完成兩次細(xì)胞分裂的細(xì)菌，并將細(xì)菌中的DNA分離出來，做密度梯度超速離心和分析。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者認(rèn)為，含15N的雙鏈DNA密度較大，離心后的條帶分布于離心管的下部；含14N的雙鏈DNA密度較小，離心后的條帶分布于離心管的上部；一條鏈含15N與另一條鏈含14N的雙鏈DNA密度應(yīng)該介于雙鏈均含15N的DNA和雙鏈均含14N的DNA之間，離心后的條帶應(yīng)分布于離心管的中部?；顒?dòng)·探究DNA的復(fù)制過程這一實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果如圖3-10所示活動(dòng)·探究DNA的復(fù)制過程討論1.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測，第一代細(xì)胞（剛從有同位素標(biāo)記的培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)入普通培養(yǎng)基的細(xì)菌）的DNA分子的雙鏈組成有什么特點(diǎn)？第二代細(xì)胞的DNA分子的雙鏈組成又有什么特點(diǎn)？2.科學(xué)家在設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)前，提出了DNA復(fù)制方式的假設(shè)，然后推測了DNA分子雙鏈組成的情況。請你結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果說說DNA分子復(fù)制的特點(diǎn)。3.在該實(shí)驗(yàn)中，從第三代細(xì)胞中提取的DNA，經(jīng)過密度梯度離心之后，呈現(xiàn)怎樣的分布？請你結(jié)合DNA分子復(fù)制的特點(diǎn)試著分析說明原因。DNA通過半保留方式進(jìn)行復(fù)制

根據(jù)同位素示蹤實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，新合成的雙鏈DNA分子中，有一條鏈?zhǔn)莵碜杂H代的DNA，另一條鏈則是新合成的。細(xì)胞中DNA的復(fù)制是以親代的一條DNA鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對原則，合成另一條具有互補(bǔ)堿基的新鏈，復(fù)制出的DNA分子與親代DNA分子完全相同，因此細(xì)胞中DNA的復(fù)制稱為半保留復(fù)制。DNA通過半保留方式進(jìn)行復(fù)制

在構(gòu)建DNA分子的結(jié)構(gòu)模型時(shí)，沃森和克里克事實(shí)上已經(jīng)提供了DNA分子的復(fù)制模式。他們充分了解DNA雙螺旋的兩條鏈堿基互補(bǔ)的重要性，這是DNA復(fù)制模式的基礎(chǔ)。他們假設(shè)：DNA復(fù)制時(shí)堿基對之間的氫鍵斷裂，兩條鏈解開并彼此分離。然后，每條鏈都可以作為模板，按照堿基互補(bǔ)配對原則在其上形成一條新的互補(bǔ)鏈。結(jié)果得到兩個(gè)完全相同的DNA分子。1958年，梅塞爾森和斯塔爾用上述實(shí)驗(yàn)證明DNA的復(fù)制確如沃森和克里克所描述的那樣，是一種半保留的復(fù)制機(jī)制。DNA通過半保留方式進(jìn)行復(fù)制

DNA復(fù)制的過程

科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，DNA復(fù)制時(shí)，在解旋酶的作用下，兩條鏈的配對堿基之間的氫鍵斷開，堿基暴露出來，形成了兩條“模板鏈”，即母鏈。隨著DNA的不斷解旋，新的子鏈也逐漸合成，即邊解旋邊復(fù)制。DNA通過半保留方式進(jìn)行復(fù)制

每一條母鏈按照互補(bǔ)配對的原則，腺嘌呤與胸腺嘧啶核苷酸配對，鳥嘌呤與胞嘧啶核苷酸配對等。最后相鄰核苷酸的脫氧核糖和磷酸基團(tuán)間形成磷酸二酯鍵，產(chǎn)生一條子鏈，每條子鏈與其母鏈盤繞成雙螺旋結(jié)構(gòu)。這樣，原來的一個(gè)雙螺旋DNA分子就變成了兩個(gè)雙螺旋DNA分子。這兩個(gè)新形成的DNA分子是相同的，并且與親代DNA分子相同。這一過程還需要DNA聚合酶的參與，即DNA的復(fù)制是一個(gè)酶促合成過程，同時(shí)需要能量。5’3’5’3’DNA聚合酶不能起始合成新的DNA鏈，只能催化游離的脫氧核苷酸添加到正在合成的DNA鏈的3`-OH末端;需要RNA引物。復(fù)制方向從子鏈的5'端向3'端延伸。小資料·DNA半保留復(fù)制的觀察——來自染色體的證據(jù)

DNA復(fù)制的過程也是染色體形成兩條染色單體的過程。

將植物根尖分生組織放在含有5-溴尿嘧啶脫氧核苷的培養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，待細(xì)胞處于第二個(gè)分裂周期時(shí)，取出根尖組織用姬姆薩染料染色，結(jié)果被染色的染色體出現(xiàn)色差。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以從理論上得到解釋。BrdU在結(jié)構(gòu)上與胸腺嘧啶脫氧核苷類似，能夠代替后者與腺嘌呤配對，摻入新合成的一條DNA鏈中。當(dāng)細(xì)胞處于第二個(gè)分裂周期時(shí)，一條染色體的兩條單體出現(xiàn)了差異，其中一條染色單體的兩條脫氧核苷酸鏈都摻入了5-溴尿嘧啶，而另一條染色單體的兩條脫氧核苷酸鏈中，只有一條鏈摻入了5-溴尿嘧啶。小資料·DNA半保留復(fù)制的觀察——來自染色體的證據(jù)因?yàn)楹珺rdU的脫氧核苷酸鏈著色很淺（淺藍(lán)色），與母鏈的著色（深藍(lán)色）明顯不同，因此就出現(xiàn)了色差染色體。那么，如果再經(jīng)過一個(gè)周期，將是怎樣的色差效果，為什么？請參照圖3-13分析。色差染色體的出現(xiàn)又一次證明了DNA的半保留復(fù)制。DNA復(fù)制是遺傳物質(zhì)從親代向子代傳遞的基礎(chǔ)

DNA的復(fù)制不僅保證了多細(xì)胞生物體的每個(gè)體細(xì)胞都攜帶相同的遺傳信息，而且生殖細(xì)胞在形成過程中也要進(jìn)行DNA的復(fù)制。這一復(fù)制過程使親代的遺傳信息傳遞給子代，從而保持了前后代遺傳信息的連續(xù)性。因此，子代能夠繼承親代的性狀。DNA復(fù)制的計(jì)算將一個(gè)被15N充分標(biāo)記的DNA分子轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)n代：1.DNA分子數(shù)①子代DNA分子總數(shù)=②含15N的DNA分子數(shù)=③含14N的DNA分子數(shù)=④只含15N的DNA分子數(shù)=⑤只含14N的DNA分子數(shù)=2n202n-22n1.有15N標(biāo)記的一個(gè)DNA分子放在含有14N的培養(yǎng)基中復(fù)制三次，則含15N的DNA分子占全部DNA分子的比例，以及含15N的鏈占全部DNA分子單鏈的比例依次是（）A.1/4、1/8B.1/2、1/4C.1/4、1/16D.1/8、1/82.具有100個(gè)堿基對的1個(gè)DNA分子區(qū)段，內(nèi)含40個(gè)胸腺嘧啶，如果連續(xù)復(fù)制兩次，則需游離的胞嘧啶脫氧核苷酸（）A.60個(gè)B.

80個(gè)C.120個(gè)D.180個(gè)2.脫氧核苷酸鏈數(shù)①子代DNA分子中脫氧核苷酸鏈數(shù)=②含15N的脫氧核苷酸鏈數(shù)=③含14N的脫氧核苷酸鏈數(shù)=設(shè)親代DNA分子中含有A（腺嘌呤）m個(gè),則①經(jīng)過n次復(fù)制,共需消耗游離的A:②在第n次復(fù)制時(shí),共需消耗游離的A:2n+122n+1-23.消耗的脫氧核苷酸數(shù)m×(2n-1)個(gè)m×2n-1個(gè)DNA復(fù)制的計(jì)算3.某DNA分子含m對堿基，其中腺嘌呤有A個(gè)，下列有關(guān)此DNA在連續(xù)復(fù)制時(shí)所需的胞嘧啶脫氧核苷酸數(shù)目的敘述中，錯(cuò)誤的是（

）

A.在第一次復(fù)制時(shí)，需要(m-A)個(gè)

B.在第二次復(fù)制時(shí)，需要2(m-A)個(gè)

C.在第n次復(fù)制時(shí)，需要2n-1(m-A)個(gè)

D.在n次復(fù)制過程中，總共需要2n(m-A)個(gè)4.某DNA分子中含有1000個(gè)堿基對(被32P標(biāo)記)，其中有胸腺嘧啶400個(gè)。若將該DNA分子放在只含被31P標(biāo)記的脫氧核苷酸的培養(yǎng)液中讓其復(fù)制兩次，子代DNA分子相對分子質(zhì)量平均比原來減少______。5.蠶豆根尖細(xì)胞（2N=12）在含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷培養(yǎng)基中完成一個(gè)細(xì)胞周期，然后在不含放射性標(biāo)記的培養(yǎng)基中繼續(xù)分裂至中期，其染色體的放射性標(biāo)記分布情況是（

）A.每條染色體的兩條單體都被標(biāo)記B.每條染色體中都只有一條單體被標(biāo)記C.只有半數(shù)的染色體中一條單體被標(biāo)記D.每條染色體的兩條單體都不被標(biāo)記1500一、選擇題1.如果用同位素32P標(biāo)記一個(gè)噬菌體內(nèi)的雙鏈DNA分子，然后讓它侵染大腸桿菌，最后釋放出400個(gè)后代，則其后代中含有32P的噬菌體應(yīng)占總數(shù)的（

）A.1%

B.2%

C.0.5%

D.50%2.含有100個(gè)堿基對的一個(gè)DNA分子片段，內(nèi)含40個(gè)胸腺嘧啶，如果連續(xù)復(fù)制3次，則需游離的胞嘧啶脫氧核糖核苷酸有（

）A.60個(gè)

B.80個(gè)

C.180個(gè)

D.420個(gè)思考與練習(xí)CD3.把含14N的大腸桿菌培養(yǎng)在氮源為15N的培養(yǎng)液中。完成一次細(xì)胞分裂后，再放回氮源為14N的環(huán)境中培養(yǎng)。DNA復(fù)制一次后，將大腸桿菌進(jìn)行密度梯度離心，分離DNA。如果DNA是以半保留方式復(fù)制，則DNA組成分析應(yīng)為（

）A.3/4輕氮型、1/4中間型

B.1/4輕氮型、3/4中間型C.1/2中間型、1/2重氮型D.1/2輕氮型、1/2中間型思考與練習(xí)D二、簡答題1.DNA復(fù)制的遺傳學(xué)意義是什么？思考與練習(xí)

DNA通過復(fù)制使得遺傳信總得以傳遞，生殖細(xì)胞的形成過程中也要進(jìn)行DNA復(fù)制，這一復(fù)制過程使親代的遺傳信息傳遞給子代，從而保持了前后代遺傳信息的連續(xù)性，因此，保證了親子代之間遺傳的穩(wěn)定性。二、簡答題2.預(yù)測在DNA復(fù)制的同位素示蹤實(shí)驗(yàn)中，DNA復(fù)制3次之后，條帶將呈現(xiàn)怎樣的分布？其比例與復(fù)制2次的有什么不同？請說明原因。思考與練習(xí)將