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第 3 节 DNA 的复制 一、教学目标 1. 知识方面 概述DNA分子的复制。 2. 情感态度与价值观方面 探讨DNA复制的生物学意义。 二、教学重点和难点 1.教学重点 DNA分子复制的条件、过程和特点。 2.教学难点 DNA分子复制的过程。 三、教学方法 讨论法、 演示法、讲授法 四、教学课时 1 五、教学过程 教学内容 教师组织和引导 学生活动 教学意图 问题探讨 〖提示〗两个会徽所用的原料应该选自一块石材；应先制造 模型，并按模型制作会徽；应使用电子控制的刻床；刻床 应由一名技术熟练的师傅操作，或完全数控等。（以上可由 学生根据自己的经验推测回答，事实是原料确实选自一块 石材，但由于时间紧迫，两个会徽是由两名技术最好的师 傅手工雕刻的）。验证的最简单的方法是：将两个印章的图 形盖在白纸上进行比较（学生也可能提出更科学、更现代化 的方法）。 阅读思考 讨论回答 引入新课 〖讲述〗DNA既能作为遗传物质，就必须具有精确的自我复 制能力，那它是怎样进行复制的呢？ 思考讨论 引起思考 引入新课 一、对DNA 分子复制 的推测 〖引导〗引导学生阅读课文P52，沃森和克里克提 出的著名的DNA双螺旋结构模型后，又发表了遗传 物质自我复制的假说。进而总结出“半保留复制”的 概念。 〖讲述〗在复制过程中，原来双螺旋的两条链并没有被 破坏，它们分成单独的链，每一条旧链作为模板再合成一 条新链，这样在新合成的两个双螺旋分子中，一条链是旧 的而另外一条链是新的，因此这种复制方式被称为半保留 复制。 阅读思考 学新知识 二、DNA 半保留复 制的实验 证据 〖讲述〗我们知道，当假说通过实践检验并被证 明是正确的后，才能上升为科学理论。随着科学技术 的发展，放射性同位素示踪技术被应用到 DNA分子 复制的研究中。下面我们来探讨一下 DNA分子半保留 复制的实验证据。 〖讲述〗大家阅读课文P53，结合图3-12，利用 物理、化学知识体会科学家实验设计的方法、原理、步 骤、结果、结论及它的巧妙之处。 看图思考 培养严谨 重视实的 态度 惠来慈云实验中学 绿竹三思笑 1 强调：该实验证明了DNA的复制是以半保留的 方式进行的。 旁兰思考 题 1 〖提示〗本实验是根据半保留复制原理和DNA密度的变化来 设计的。在本实验中根据试管中DNA带所在的位置就可以 区分亲代与子代的DNA了。 思考回答 拓展思维 知识迁移 三、DNA 复制的 过程 1.概念：指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程 。 DNA的复制实质上是遗传信息的复制。 2.时间：细胞有丝分裂和减数第一次分裂的间期 3.场所：细胞核（主要）、线粒体、叶绿体 4.条件：⑴模板：两条母链 ⑵原料：四种脱氧核苷酸、能量（ATP） ⑶酶：DNA解旋酶、DNA聚合酶等 　5.过程： 　　①解旋提供准确模板：在ATP供能、解旋酶的 作用下，DNA分子两条多脱氧核苷酸链配对的碱基从 氢键处断裂，两条螺旋的双链解开，这个过程叫做 解旋。解开的两条单链叫母链（模板链）。 　　②合成互补子链：以上述解开的每一段母链为 模板，以周围环境中游离的 4种脱氧核苷酸为原料， 按照碱基互补配对原则，在有关酶的作用下，各自 合成与母链互补的一段子链。 　　③子、母链结合盘绕形成新 DNA 分子：在DNA 聚合酶的作用下，随着解旋过程的进行，新合成的 子链不断地延伸，同时每条子链与其对应的母链盘 绕成双螺旋结构，从而各自形成一个新的DNA分子， 这样，1DNA分子→2个完全相同的DNA分子。 6.特点：① DNA分子是边解旋边复制的；②是一 种半保留式复制。（即在子代双链中，有一条是亲 代原有的链，另一条（子链）则是新合成的。）　 7.“准确”复制的原因： ① DNA具有独特的双螺旋结构，能为复制提供模板； ②碱基具有互补配对的能力，能够使复制准确无误。 8.结果：一个DNA分子形成两个完全相同的DNA分 子 9. 意义：DNA通过复制，使遗传信息从亲代传给了 子代，从而保证了物种的相对稳定性，保持了遗传 信息的连续性，使种族得以延续。 学生思 考下列 问题： ①什么 叫解旋？ 解旋的 目的是 什么？ ②什么 叫“子 链”？ 复制一 次能形 成几条 子链？ ③简述 “子 链”形 成的过 程。 DNA复制 后两个子 代DNA 分子和亲 代DNA 分子是否 完全相同？ 为什么？ 通过设问， 学生回答， 进一步让 学生理解 和巩固 DNA复 制的全过 程。 DNA分子 连续复制 演绎的计 算规律 已知某一DNA分子用 15N标记（0代）将含有该标记DNA 分子的细胞（或细菌）转移到只含 14N的培养基中培养（进 行DNA复制）若干代后，其DNA分子数、脱氧核苷酸链数 及相关比例如下表： 世 代 DNA分子的结构特点 脱氧核苷酸链的数 量变换规律 分 子 总 数 不同DNA分子占全部 DNA分子之比 单链 总数 不同脱氧 核苷酸链 占全部链 之比 只含 15N分 含 只 含 含 学生填表 培养学生 的总结能 力 惠来慈云实验中学 绿竹三思笑 2 子 14N15N 杂种分 子 含 14N 分 子 15N 的 链 14N 的 链 0 1 1 2 1 1 2 1 4 1/2 1/2 2 4 1/2 1/2 8 1/4 3/4 3 8 1/4 3/4 16 1/8 7/8 n 2n 2/2n 1－ 2/2n 2n＋1 1/2n 1－ 1/2n 小结 1．通过学习必须掌握 DNA的复制过程、复制的必需 条件及 DNA复制在生物学上的重要意义。为学习生物 的遗传和生物的变异奠定基础。 　　2．目前 DNA分子广泛用于刑事案件侦破等方面 　　（l）DNA分子是亲子鉴定的主要证据之一。 　　（2）把案犯在现场留下的毛发、血等进行分析 作为破案的证据，与DNA有关。 作业 练习一二 【典型例题】 　例 1.如果将大肠杆菌的 DNA分子用 标记，然后将大肠杆菌移入 培养基上 连续培养。从分析得知，第一代大肠杆菌 DNA储存的遗传信息与亲代大肠杆菌 DNA储 存的遗传信息完全相同，其原因是__________。若连续培养三代，此时，含 标记 的DNA分子约占大肠杆菌 DNA分子总量的多少？其原因是多少？ 　　【解析】 解题时，可用下图表示双链DNA分子复制过程：从图解可知，第二代 大肠杆菌的DNA分子是以亲代的DNA分子中两条母链分别为模板，根据碱基互补配对 原则复制而成的。第二代大肠杆菌的DNA分子总量中，含 标记的为 （即 ）； 第三代应为 （即 ）。 惠来慈云实验中学 绿竹三思笑 3 　　【答案】 以亲代DNA为模板，根据碱基互补配对原则复制而成；25％；因 DNA 分子的复制方式为半保留复制。 　　例 2.将大肠杆菌置于含 的培养基中培养一段时间，然后把 DNA被 完全 标记的大肠杆菌作为亲代，转移到只含 的普通培养基培养，使其繁殖两代形成 4个新个体，则它们的 DNA中含 的链与 的链的比是（ ） 　　A．3：1 B．2：1 C．1：1 D．7：l 　　【解析】本题考查“大肠杆菌只有一个DNA分子”以及对“DNA分子具有双链结 构”和“DNA半保留复制”的理解。 标记的DNA有两条含 的链，当利用含 的氮源来繁殖合成新DNA时，根据半保留复制的特点，新形成的 2个 DNA分子 上应各有一条含 的链和一条含 的链，没有了 的来源，不论以后复制多 少次，含 的链永远只是两条，而增加的新链都是含 的链。而题中形成了 4个新个 体，则只有 4个DNA分子——8条单链，只有两条含 ，其余六条含 ， 链： 链=6：2=3：1。 　　【答案】A。 【评点】DNA复制，是将两条链之间的氢链打开，形成两条单链，然后以单链为模 板，按照碱基互补配对原则，再各形成一条新链。在什么培养基上复制，新链即含什 么培养基上的物质，再次复制仍如此，但是原DNA（亲代DNA）中的两条链上的物质 永远不变。 【知识扩展】 DNA 芯片 　　近年来，世界上一些发达国家的研究机构和工业界开始构建一种缩微芯片实验 室——DNA芯片。目的是将生命科学研究中的许多不连续的分析过程，如样品制备、化 学反应和分离检测等，通过采用类似集成电路制作过程中的半导体光刻加工的缩微 惠来慈云实验中学 绿竹三思笑 4 技术，将其移植到一块1cm2见方的玻璃片上，并使其连续化和微型化。这与当年将 数间房屋大小的分离元件计算机缩微成现在只有书本大小的笔记本式电脑有异曲同 工之效。 　　DNA芯片是一种缩小了的生物化学分析器，通过芯片上微加工获得的微米结构和 生物化学处理结合，便可将成千上万的与生命相关的信息集成在一小块玻璃芯片上。 采用芯片可进行生命科学和医学中所涉及的各种生物化学反应，以达到对基因、抗原 和活体细胞等进行测试分析的目的。通过分析可得到大量具有生物学、医学意义的信 息。 　　关于DNA芯片的设想可追溯到 1989年，当时美国 Affymetrix公司的科学家打算 用许多分子研制一种硬币般大小的装置。他们想出一种巧妙的办法，利用光刻法与光 化学合成法相结合，在一块平滑的玻璃片上，用不同的分子构建一个高密度网络。开 始，他们把某些蛋白质堆放在玻璃片上，一名叫斯蒂芬·福多的年轻科学家立即看 出了采用DNA的可能性，他意识到，芯片上的DNA分子就好像一条条细细的分子“维 可牢(velcro)”(“维可牢”是一种尼龙刺粘搭链，两面相合即粘住，一扯即分开， 用以替代服装上的纽扣等)可选择性地与某些基因，即 DNA的短片段结合，从而检查 出变异型基因。福多在理论上推定，让未知的DNA样品与分布在DNA芯片上已知的 DNA序列接触，就能对其作出鉴定。因为DNA双螺旋的两条单核苷酸链总是遵循“碱 基互补”的原则配对，即一条链上的A总是与另一条链上的 T相结合，C也总是与 G 相结合。因此，当一条链上的碱基序列确定之后，即可推知另一条链上的碱基序列。 这类带有已知DNA序列的芯片就能检测突变基因或碱基的各种改变。 　　目前，DNA芯片主要有四种加工方法。(1)美国 Affymetrix公司的光引导原位合 成法。(2)美国 Incytephaxmaceutical公司的化学喷射法，即将事先合成好的寡核苷 酸探针喷射到芯片上的特定位置。(3)斯坦福大学的接触式点涂法，即利用高度精密 机械手所带的移液头与玻璃芯片表面接触而将探针定位点滴到芯片上。(4)使用 4支 分别装有A、T、G、C核苷的压电喷头在芯片上的原位 DNA探针合成法。 　　DNA芯片的主要优点是使生化分析全过程自动化，生产成本低、防污染(芯片系一 次性使用)，分析速度快，而且体积小，重量轻，便于携带。这类仪器虽刚刚出现， 但已开始给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品和环境卫 生监督等领域带来冲击，甚至革命。因此，它已广为各国学术界和工业界所重视。 DNA 杂交及其在实践中的应用 　　如何比较两DNA分子碱基顺序差异的大小呢？我们很容易想到的是如同人类基 因组计划那样进行碱基测序，然后再进行比较。但这样做工作量太大，耗资多，费时 长。如人类基因组计划动用大量人力物力，历时数年，才把人类对对染色体上DNA的 碱基排列顺序全部检测完毕！事实上，如果我们仅仅是比较两DNA分子差异大小， 则不必检测具体碱基顺序，最简单的方法是进行DNA杂交。那么什么叫 DNA杂交，DNA 杂交在实践中具体又有哪些应用呢？下面结合中学生物教学特点简述这个问题。 　　一、何为DNA分子杂交 　　所谓 DNA分子杂交，是指把不同来源的DNA分别加热到 100℃或调节 pH到大于 13时，DNA会变性解离成单链，再把两种来源的DNA单链放到一起，在 60℃保持相 当长时间，互补的DNA单链就会重新形成双螺旋结构，我们把它叫杂合双链，这即 惠来慈云实验中学 绿竹三思笑 5 是两个DNA具有相同碱基对排列顺序的部分；而不互补的则仍为游离的单链，即具 有不同的碱基对排列顺序的部分。最后通过一定的方法可以检测出其中单、双链的多 少，从而比较两生物DNA碱基对排列顺序差异的大小。一般地说，杂合双链区越多， DNA碱基对顺序相同的越多，反之则越少。可见，通过DNA杂交，我们只需检测杂合 双链区的多少，而无需检测具体的DNA碱基序列，所以工作量就大大减少了。 　　二、DNA分子杂交的应用 　　1．将不同种生物的DNA分子进行杂交，可以说明生物之间亲缘关系的远近 　　高中生物实验修订本中叙述了利用DNA杂交方法，把不同生物的DNA分子进行比 较，从而说明两种生物之间亲缘关系的远近。例如，把人、黑猩猩和长臂猿的某些 DNA 进行杂交，发现人的DNA和黑猩猩的DNA杂交后形成的杂交 DNA杂合双链区多于人的 DNA与长臂猿杂交形成的杂合双链区，即人与黑猩猩的DNA更相似，这就说明人与黑 猩猩的亲缘关系要近于人与长臂猿的亲缘关系。DNA杂交技术是人们从分子生物学角 度为生物进化提供的一个非常可靠的证据。 　　2．将同种生物的DNA杂交，可用于亲子鉴定和痕迹检验等 　　不同种生物的DNA有差异，同种生物的DNA有没有差异呢？根据DNA遗传规律， 只有自我复制的DNA才是完全相同的，不同个体的DNA多多少少总存在一定的差异。 例如，人类不同种族、不同民族的DNA碱基顺序中大约有万分之一是不一样的。所以 DNA杂交不仅可以用于不同种生物个体之间，也可应用于同种生物不同个体之间。如 在医学实践中，能准确进行亲子鉴定的是DNA检测，检测方法并非检测出全部碱基 顺序，而是进行DNA杂交，即把所要检测的两人的卫星 DNA进行杂交，再比较差异大 小，从而说明两人的血缘关系，如父子、母女等。 　　另外，在公安机关的刑事侦察中，也常用DNA杂交技术进行痕迹检验。犯罪分子 只要留下一丝一毫的身体细胞遗留物，如血液、皮屑、毛发等，技术人员就可以把犯 罪嫌疑人的DNA样本和现场发现的遗留物中提取的DNA样本通过DNA杂交，比较它们 是否相同，从而确定现场留下的痕迹是否为犯罪嫌疑人的。这在司法实践中可作为科 学的举证。 　　总之，DNA杂交技术是现代生物学重要技术之一，相信随着分子生物学及相关科 学的进一步发展，DNA杂交技术一定会有更广阔的应用前景。 惠来慈云实验中学 绿竹三思笑 6