第一篇：分子教案第三章DNA的生物合成

第三章

DNA的生物合成

教學重點：1．DNA的半保留復制及DNA的半不連續復制2．DNA復制的方式3．DNA復制的調控

教學難點：線形DNA復制末端問題的解決 教學時數：7學時

教學要求：1．掌握并理解DNA復制的特點

2．掌握并理解DNA復制的過程 3．掌握并理解DNA復制的主要方式

4．掌握并理解線性DNA復制末端縮短問題的解決方式 5．了解DNA復制的調控方式

教學方式：講述、演示與計算機輔助教學 教學內容：

1.DNA復制的特點

證明DNA是遺傳物質的兩個關鍵性實驗：首先用實驗證明基因就是DNA分子的是美國的微生物學家Avery.他的實驗是用肺炎球菌感染小鼠。美國遺傳學家Hershey用T2噬菌體感染大腸桿菌實驗，也證明DNA是遺傳物質。這兩個實驗中主要的論點證據是：生物體吸收的外源DNA改變了其遺傳潛能。

目前認為生物界遺傳信息傳遞的中心法則為

Replication of duplex DNA is a complex endeavor involving a conglomerate of enzyme activities.Different activities are involved in the stages of initiation, elongation, and termination.圖1 雙螺旋DNA的復制

1.1 DNA的半保留復制(semiconservative replication)Watson和Crick在提出DNA雙螺旋結構模型時即推測，DNA在復制時首先兩條鏈之間的氫鍵斷裂兩條鏈分開，然后以每一條鏈分別做模板各自合成一條新的DNA鏈，這樣新合成的子代DNA分子中一條鏈來自親代DNA，另一條鏈是新合成的，這種復制方式為半保留復制。

1958年Meselson和Stahl利用氮標記技術在大腸桿菌中首次證實了DNA的半保留復制，他們將大腸桿菌放在含有15N標記的NH4Cl培養基中繁殖了15代，使所有的大腸桿菌DNA被15N所標記，可以得到15N桪NA。然后將細菌轉移到含有14N標記的NH4Cl培養基中進行培養，在培養不同代數時，收集細菌，裂解細胞，用氯化銫(CsCl)密度梯度離心法觀察DNA所處的位置。由于15N DNA的密度比普通DNA(14N－DNA)的密度大，在氯化銫密度梯度離心(density gradient centrifugation)時，兩種密度不同的DNA分布在不同的區帶。實驗結果表明：在全部由15N標記的培養基中得到的15N桪NA顯示為一條重密度帶位于離心管的管底。當轉入14N標記的培養基中繁殖后第一代，得到了一條中密度帶，這是15N桪NA和14N-DNA的雜交分子。第二代有中密度帶及低密度帶兩個區帶，這表明它們分別為15N14N－DNA和14N14N-DNA。隨著以后在14N培養基中培養代數的增加，低密度帶增強，而中密度帶逐漸減弱，離心結束后，從管底到管口，CsCl溶液密度分布從高到低形成密度梯度，不同重量的DNA分子就停留在與其相當的CsCl密度處，在紫外光下可以看到DNA分子形成的區帶。為了證實第一代雜交分子確實是一半15N-DNA－半14N－DNA，將這種雜交分子經加熱變性，對于變性前后的DNA分別進行CsCl密度梯度離心，結果變性前的雜交分子為一條中密度帶，變性后則分為兩條區帶，即重密度帶(15N－DNA)及低密度帶(14N－DNA)。它們的實驗只有用半保留復制的理論才能得到圓滿的解釋(圖2和16-3)。

圖2 DNA的半保留復制第一代分子含有一條親代的鏈(用黑色素示)，與另一條新合成的鏈(用白色表示)配對。在以后的連續復制過程中，原來親代的兩條鏈仍然保持完整，因此總有兩個分子各具有一條原來親代的鏈

圖3 DNA的半保留復制－Meslson Stahl實驗密度梯度離心后的DNA 位置：左三管為對照；右三管為實驗結果

1.2 半不連續性復制（DNA synthesis is semidiscontinuous）

Lagging strand of DNA must grow overall in the 3′-5′ direction and is synthesized discontinuously in the form of short fragments(5′-3′)that are later connected covalently.Leading strand of DNA is synthesized continuously in the 5′-3′ direction.Okazaki fragments are the short stretches of 1000-2000 bases produced during discontinuous replication;they are later joined into a covalently intact strand.Semidiscontinuous replication is mode in which one new strand is synthesized continuously while the other is synthesized discontinuously.On the leading strand DNA synthesis can proceed continuously in the 5′ to 3′ direction as the parental duplex is unwound.? On the lagging strand a stretch of single-stranded parental DNA must be exposed, and then a segment is synthesized in the reverse direction(relative to fork movement).A series of these fragments are synthesized, each 5′3′;then they are joined together to create an intact lagging strand.?

2．參與DNA復制的有關物質

2.1 DNA polymerases in prokaryotic

DNA polymerases are enzymes that synthesize a daughter strand(s)of DNA(under direction from a DNA template).May be involved in repair or replication.DNA聚合酶Ⅰ，(DNA polymerase Ⅰ,簡寫DNA polⅠ)、DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ。(DNA polymerase Ⅱ，Ⅲ，簡寫DNA polⅡ,DNA polⅢ)見表1。

這種酶的共同性質是：①需要DNA模板，因此這類酶又稱為依賴DNA的DNA聚合酶(DNA dependent DNA polymerase, DDDP)。②需要RNA或DNA做為引物(primer)，即DNA聚合酶不能從頭催化DNA的起始。③催化dNTP加到引物的3′桹H末端，因而DNA合成的方向是5′→3′。④三種DNA聚合酶都屬于多功能酶，它們在DNA復制和修復過程的不同階段發揮作用。由于DNA聚合酶Ⅰ是研究得最清楚而且代表了其他DNA聚合酶的基本特點，所以我們著重介紹DNA polⅠ的作用并指出另外二種DNA pol的特殊性：

DNA polymerases typically have nuclease activities as well as the ability to synthesize DNA.A 3′5′ exonuclease activity is typically used to excise bases that have been added to DNA incorrectly.This provides a “proofreading” error-control system, as we see in the next section.2.1.1 DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase I）

The first enzyme to be characterized was DNA polymerase I, which is a single polypeptide of 103 kD.The chain can be cleaved into two regions by proteolytic treatment.The larger cleavage product(68 kD)is called the Klenow fragment.It is used in synthetic reactions in vitro.It contains the polymerase and the 3′5′ exonuclease activities.The C-terminal two-thirds of the protein contains the polymerase active site, while the N-terminal third contains the proofreading exonuclease.The active sites are ~30 ? apart in the protein, indicating that there is spatial separation between adding a base and removing one.The small fragment(35 kD)possesses a 5′3′ exonucleolytic activity, which excises small groups of nucleotides, up to ~10 bases at a time.This activity is coordinated with the synthetic/proofreading activity.It provides DNA polymerase I with a unique ability to start replication in vitro at a nick in DNA.(No other DNA polymerase has this ability.)At a point where a phosphodiester bond has been broken in a double-stranded DNA, the enzyme extends the 3′OH end.As the new segment of DNA is synthesized, it displaces the existing homologous strand in the duplex.(1)DNA聚合酶的5′→3′聚合活性：

(2)DNA聚合酶的3′→5′外切核酸酶活性：

(3)DNA聚合酶的5′→3′外切核酸酶活性：

許多實驗證實DNA polⅠ并不是DNA復制過程中的主要酶，它的作用主要與DNA損傷后的修復有關。

2.1.2 DNA聚合酶Ⅱ(DNA polymeraseⅡ)此酶分子量為120KD，每個細胞約有100個酶分子，但活性只有DNA polⅠ的5%，它具有5′→3′聚合活性和3′→5′外切活性，而沒有5′→3′外切活性，它的作用可能與DNA損傷修復有關。

2.1.3 DNA聚合酶Ⅲ(DNA polymeraseⅢ)這是在DNA復制過程中起主要作用的聚合酶，它是由一個多亞基組成的蛋白質分子，其分子量＞600kDa整個酶分子形成一個不對稱的二聚體，每個大腸桿菌細胞中只有10?0個酶分子，但催化dNTP參入DNA鏈的速率卻是最快的，約為9000核苷酸/每分鐘/每個酶分子。這也證明DNA polⅢ是DNA復制過程中主要發揮作用的酶。在大腸桿菌染色體DNA進行復制時，DNA聚合酶Ⅲ全酶并不是單獨起作用的，而是與引發體，介鏈酶等構成一個復制體(replisome)。由于復制體的存在，先導鏈和隨從鏈可以同時復制。DNA polⅢ是由多亞基組成的不對稱二聚體，它可能同時負責先導鏈和隨從鏈的復制，在φ×174的復制中觀察到引發體總是伴隨著DNA loop的存在。

DNA polymerase III(the replicase)is a large enzyme complex.The replicase activity was originally discovered by a lethal mutation in the dnaE locus, which codes for the 130 kD α subunit that possesses the DNA synthetic activity.The 3′5′ exonucleolytic proofreading activity is found in another subunit, ε, coded by dnaQ.The basic role of the ε subunit in controlling the fidelity of replication in vivo is demonstrated by the effect of mutations in dnaQ: the frequency with which mutations occur in the bacterial strain is increased by >103fold.表1 大腸桿菌DNA聚合酶特征

DNA聚合酶DNA聚合酶DNA聚合Ⅰ Ⅱ 酶Ⅲ 109KD 400 +

120KD 17-100 + 30低 不詳

＞600KD 10-20 + 30,000高 復制

分子量

每個細胞中的分子數 5′→3′聚合活性

37℃轉化率核苷酸數／酶

600 分子·分鐘 5′→3′外切活性 3′→5′外切活性 切刻平移活性 對dNTP親和力

+ + + 低 修復

功能

去除引物 填補空缺

2.2真核生物DNA聚合酶(DNA polymerases in prokaryotic)真核生物DNA聚合酶有α、β、γ、δ及ε。它們的基本特性相似于大腸桿菌DNA聚合酶，其主要活性是催化dNTP的5′→3′聚合活性，基本特征見表2。

表2 真核生物DNA聚合酶

亞基數 4

α 36-38 核 ＋ －

β 160-300 線粒體 ＋ － 復制

γ 170 核 ＋ － 復制

δ 256 核 ＋ － 復制

ε

分子量（KD)＞250 細胞內定位 核

5′→3′聚合活性 ＋ 3′→5′外切活性 － 功能 復制、引發 修復

真核細胞在DNA復制中起主要作用的是DNA polα，主要負責染色體DNA的復制。DNA polβ的模板特異性是具有缺口的DNA分子，被認為它與DNA修復有關。DNA polγ在線粒體DNA的復制中起作用。DNA polδ不但有5′→3′聚合活性，而且還具有3′→5′外切酶活性，據認為真核生物DNA復制是在DNA polα和DNA polδ協同作用下進行的，前導鏈的合成靠DNA polδ催化。而隨從鏈的合成靠DNA polα和引發酶配合作用完成。2.3 DNA復制起始引發體的形成及所參與的酶和蛋白質： 2.3.1.解鏈酶(helicase)DNA開始復制時首先在起始點處解開雙鏈，反應是在一種解鏈酶(helicase)的催化下進行的。解鏈酶需要ATP分解供給能量。大腸桿菌中DnaB蛋白就有介鏈酶活性，與隨從鏈的模板DNA結合，沿5′→3′方向移動，還有一種叫做Rep蛋白和前導鏈的模板DNA結合沿3′→5′方向移動。解鏈酶的作用就是打開DNA雙鏈之間的氫鍵。2.3.2 單鏈結合蛋白：(single strand binding proteins, SSBP)它與解開的單鏈DNA結合，使其穩定不會再度螺旋化并且避免核酸內切酶對單鏈DNA的水解，保證了單鏈DNA做為模板時的伸展狀態，SSBP可以重復利用。2.3.3引發體的形成：

Primer is a short sequence(often of RNA)that is paired with one strand of DNA and provides a free 3′-OH end at which a DNA polymerase starts synthesis of a deoxyribonucleotide chain.(1)引物酶(primase)A primase is required to catalyze the actual priming reaction.This is provided by a special RNA polymerase activity that is the product of the dnaG gene.The enzyme is a single polypeptide of 60 kD(much smaller than RNA polymerase).The primase is an RNA polymerase that is used only under specific circumstances, that is, to synthesize short stretches of RNA that are used as primers for DNA synthesis.DnaG primase associates transiently with the replication complex, and typically synthesizes an 1112 base primer.Primers start with the sequence pppAG, opposite the sequence 3′GTC5′ in the template.(2)引發體(primosome)高度解鏈的模板DNA與多種蛋白質因子形成的引發前體促進引物酶結合上來，共同形成引發體，引發體主要在DNA隨從鏈上開始，它連續地與引物酶結合并解離，從而在不同部位引導引物酶催化合成RNA引物，在引物RNA的3′桹H末端接下去合成DNA片段，這就是隨從鏈不連續合成的開始。2.4 與超螺旋松馳有關的酶：

拓撲異構酶(topoisomerase)是一類改變DNA拓撲性質的酶。在體外可催化DNA的各種拓撲異構化反應，而在生物體內它們可能參與了DNA的復制與轉錄。在DNA復制時，復制叉行進的前方DNA分子部分產生有正超螺旋，拓撲酶可松馳超螺旋，有利于復制叉的前進及DNA的合成。DNA復制完成后，拓撲酶又可將DNA分子引入超螺旋，使DNA纏繞、折疊，壓縮以形成染色質。DNA拓撲異構酶有Ⅰ型和Ⅱ型，它們廣泛存在于原核生物及真核生物中。

表3 大腸桿菌和真核生物中的拓撲異構酶

類型

Ⅰ型拓撲異構酶 大腸桿菌 真核生物 Ⅱ型拓撲異構酶

切開二股DNA鏈

大腸桿菌

依賴ATP

真核生物

切開二股DNA鏈 依賴ATP

松弛正超螺旋； 引入負超螺旋，解環連等 松馳正超螺旋，但不能引入負超螺旋

切開一股DNA鏈 切開一股DNA鏈

松馳負超螺旋 松馳正，負超螺旋

作用

對超螺旋的作用

拓撲異構酶Ⅰ(TopoⅠ)的主要作用是將環狀雙鏈DNA的一條鏈切開一個口，切口處鏈的末端繞螺旋軸按照松馳超螺旋的方向轉動，然后再將切口封起來。這就使DNA復制叉移動時所引起的前方DNA正超螺旋得到緩解，利于DNA復制叉繼續向前打開。拓撲異構酶Ⅰ除上述作用外，對環狀單鏈DNA還有打結或解結作用，對環狀雙鏈DNA的環連或解環連以及使環狀單鏈DNA形成環狀雙鏈DNA都有作用(圖13)。

拓撲異構酶Ⅱ(TopoⅡ)是在大腸桿菌中發現的，曾被稱為旋轉酶(gyrase)，它們作用特點是切開環狀雙鏈DNA的兩條鏈，分子中的部分經切口穿過而旋轉，然后封閉切口，TopoⅡ還可使DNA分子從超螺旋狀態轉變為松馳狀態，此反應不需要ATP參與。DNA復制完成后，TopoⅡ在ATP參與下，DNA分子從松馳狀態轉變為負超螺旋。此外，TopoⅡ催化的拓撲異構化反應還有環連或解環連，以及打結或解結。DNA復制的過程：

?

?

? Initiation involves recognition of an origin by a complex of proteins.Before DNA synthesis begins, the parental strands must be separated and(transiently)stabilized in the single-stranded state.Then synthesis of daughter strands can be initiated at the replication fork.Elongation is undertaken by another complex of proteins.The replisome exists only as a protein complex associated with the particular structure that DNA takes at the replication fork.It does not exist as an independent unit(for example, analogous to the ribosome.As the replisome moves along DNA, the parental strands unwind and daughter strands are synthesized.At the end of the replicon, joining and/or termination reactions are necessary.Following termination, the duplicate chromosomes must be separated from one another, which requires manipulation of higher-order DNA structure.DNA復制的全部過程可以人為地分成三個階段，第一個階段為DNA復制的起始階段，這個階段包括起始點，復制方向以及引發體的形成，第二階段為DNA鏈的延長，包括前導鏈及隨從鏈的形成和切除RNA引物后填補空缺及連接崗崎片段。第三階段為DNA復制的終止階段。

3.1 DNA復制的起始階段： 3.1.1 DNA復制的起始點

? ? ? The two strands of DNA must suffer their initial separation.This is in effect a melting reaction over a short region.An unwinding point begins to move along the DNA;this marks the generation of the replication fork, which continues to move during elongation.The first nucleotides of the new chain must be synthesized into the primer.This action is required once for the leading strand, but is repeated at the start of each Okazaki fragment on the lagging strand.很多實驗都證明：復制是從DNA分子上的特定部位開始的，這一部位叫做復制起始點(originof replication)常用ori或o表示。細胞中的DNA復制一經開始就會連續復制下去，直至完成細胞中全部基因組DNA的復制。DNA復制從起始點開始直到終點為止，每個這樣的DNA單位稱為復制子或復制單元(replicon)。在原核細胞中，每個DNA分子只有一個復制起始點，因而只有一個復制子，而在真核生物中，DNA的復制是從許多起始點同時開始的，所以每個DNA分子上有許多個復制子。

DNA復制起始點有結構上的特殊性，例如：大腸桿菌染色體DNA復制起始點Oric由422個核苷酸組成，是一系列對稱排列的反向重復序列，即回文結構(palindrome)，其中有9個核苷酸或13個核苷酸組成的保守序列，這些部位是大腸桿菌中DnaA蛋白識別的位置，大腸桿菌染色體DNA是環狀雙鏈DNA，它的復制是典型的“θ”型復制(由于形狀像希臘字母θ)。從一個起點開始，同時向兩個方向進行復制，當兩個復制方向相遇時，復制就停止。而有些生物的DNA復制起始區是一段富含A·T的區段。這些特殊的結構對于在DNA復制起始過程中參與的酶和許多蛋白質分子的識別和結合都是必須的。

3.2 DNA復制的延長階段

DNA的復制實際上就是以DNA為模板在DNA聚合酶作用下，將游離的四種脫氧單核苷酸(dATP,dGTP,dCTP,dTTP,簡寫為dNTP)聚合成DNA的過程。

這是一個非常復雜的酶促反應，需要許多種酶和蛋白質參與，現分別敘述它們在DNA復制中作用。

圖4 DNA聚合酶Ⅲ催化先導鏈和隨從的合成

圖5 大腸桿菌DNA復制叉中復制過程簡圖

As the replisome moves along DNA, unwinding the parental strands, it elongates the leading strand.Periodically the primosome activity initiates an Okazaki fragment on the lagging strand.We can propose two types of model for what happens to the DNA replicase when it completes synthesis of an Okazaki fragment.It might dissociate from the template, so that a new complex must be assembled to elongate the next Okazaki fragment.Or the same complex may be reutilized.3.3 DNA復制的終止階段

DNA在復制過程中，合成出的前導鏈為一條連續的長鏈。隨從鏈則是由合成出許多相鄰的片段，在連接酶的催化下，連接成為一條長鏈。連接作用是在連接酶催化下進行的。連接酶(ligase)的作用是催化相鄰的DNA片段以3′、5′－磷酸二酯鍵相連接。連接反應中的能量來自ATP(或NAD＋)。連接酶先與ATP作用，以共價鍵相連生成E桝MP中間體。中間體即與一個DNA片段的5′－磷酸相連接形成E-AMP-5′－DNA。然后再與另一個DNA片段的3′-OHH末端作用，E和AMP脫下，兩個DNA片段以3′、5′磷酸二酯鍵相連接。隨從鏈的各個DNA片段就是這樣連接成一條DNA長鏈(圖14)?！V

圖6 連接酶的催化反應

已有研究證明大腸桿菌染色體DNA具有復制終止位點，此處可以結合一種特異的蛋白質分子叫做Tus，這個蛋白質可能是通過阻止解鏈酶(Helicase)的解鏈活性而終止復制的。詳細的機制還不完全清楚。

DNA復制完成后，靠拓撲酶將DNA分子引入超螺旋結構。3.4五、真核生物DNA復制的特點：

DNA復制的研究最初是在原核生物中進行的，有些原核生物的DNA復制已經搞得很清楚。真核生物比原核生物復雜得多，但DNA復制的基本過程還是相似的。在這里我們主要討論一些重要的區別。

圖7 端粒酶催化端區TG鏈的合成

1.與原核生物不同，真核生物DNA復制有許多起始點，例如酵母S.cerevisiae的17號染色體約有400個起始點，因此，雖然真核生物DNA復制的速度(60核苷酸/每秒鐘)比原核生物DNA復制的速度(E.coli 1700核苷酸/每秒鐘)慢得多，但復制完全部基因組DNA也只要幾分鐘的時間。

2.SV40病毒DNA主要依靠宿主細胞中的DNA復制體系進行DNA的復制，這是了解真核生物DNA復制的體外模型。在真核生物DNA復制叉處，需要兩種不同的酶。DNA聚合酶α(polα)和DNA聚合酶δ(polδ)。polα和引物酶緊密結合，在DNA模板上先合成RNA引物，再由polα延長DNA鏈，這種活性還要復制因子C參與。同時結合在引物模板上的PCNA(增殖細胞核抗原Proliferating cell nuclear antigen)此時釋放了polα，然后由polδ結合到生長鏈3′末端，并與PCNA結合，繼續合成前導鏈。而隨從鏈的合成靠polα緊密與引物酶結合并在復制因子C幫助下，合成崗崎片段(圖15)。

圖8 真核生物DNA復制叉結構示意圖

3.由于真核生物染色體是線性DNA，它的兩端叫做端區(telomeres)，端區是由重復的寡核苷酸序列構成的。例如酵母的端區重復序列是5′G(1?)T(3)3′。前面講到所有生物DNA聚合酶都只能催化DNA從5′→3′的方向合成，因此當復制叉到達線性染色體末端時，前導鏈可以連續合成到頭，而由于隨從鏈是以一種不連續的形式合成崗崎片段，所以不能完成線性染色體末端的復制，如果這個問題不解決，真核生物在細胞分裂時DNA復制將產生5′末端隱縮，使DNA縮短，近十多年的研究表明，真核生物體內都存在一種特殊的反轉錄酶叫做端粒酶(telomerase)，它是由蛋白質和RNA兩部分組成的，它以自身的RNA為模板，在隨從鏈模板DNA的3′桹H末端延長DNA，再以這種延長的DNA為模板，繼續合成隨從鏈(圖16)。由此可見端粒酶在保證染色體復制的完整性上有重要意義。

4.DNA復制的方式

4.1

θ-復制replication by θ-structure

4.2

滾環復制replication by rolling cycles structure 13 φX174噬菌體由一個單鏈環狀DNA組成，這條鏈稱為正（+）鏈；合成的互補鏈稱為負

（一）鏈。雙鏈體的復制以滾環復制方式進行。

4.3

D-環復制Replication by displacement loop structure D-環復制（Replication by displacement loop structure)The D loop maintains an opening in mammalian mitochondrial DNA, which has separate origins for the replication of each strand.14

5．DNA復制的調控

5.1 ColEI質粒DNA的復制調控 Rop蛋白、反義RNA

5.2 真核細胞DNA的復制調控 細胞生活周期水平調控（限制點調控）：決定細胞停留在G1期還是進入S期（by cylins,cdc(cell division cycle)gene products）.染色體水平調控：決定不同染色體或同一染色體不同部位的復制子按一定順序在S期起始復制。

復制子水平調控：決定復制的起始與否，并且是高度保守的。

第二篇：生物教案第六章第二節 DNA復制和蛋白質合成（精選）

第六章第二節DNA復制和蛋白質合成（學習水平A）

一、教學目標

1、知識與技能

1）知道DNA分子的半保留復制，即遺傳信息的傳遞過程。2）知道遺傳信息的轉錄和翻譯，即蛋白質合成過程。3）知道遺傳密碼和密碼子的概念。4）知道中心法則的基本內容。

2、過程與方法

1）在了解DNA分子的結構和堿基配對原則的基礎上，感受生物體遺傳信息傳遞的準確性。

2）了解密碼子的功能，注意DNA核苷酸排列順序與蛋白質氨基酸順序的關系。

3、情感態度價值觀

1）感受基因對蛋白質合成的控制功能。2）感受生命的精確和神奇。

二、教學重點和難點

1、重點

1）DNA分子的半保留復制。2）遺傳信息的轉錄和翻譯。3）中心法則的基本內容。

2、難點

1）DNA分子的半保留復制。2）遺傳信息的轉錄和翻譯。

三、課前準備

這部分的知識比較有深度，所以提醒學生事先看書或者準備一些問題問學生為好。

四、教學過程

第六章第二節DNA復制和蛋白質合成 引言：電腦里面的文件如何復制？ DNA又是如何復制？

一、DNA復制

1、DNA分子復制的概念：P47

2、DNA分子復制的過程：邊解旋邊復制。1）解旋

2）子鏈合成：堿基互補配對 3）聚合

3、DNA分子復制的方式：半保留復制。

4、DNA分子復制的意義：遺傳特性相對穩定。

二、遺傳信息的轉錄

1、性狀的解釋（見書本的小金魚的問題）。

2、性狀和蛋白質的關系：性狀通過蛋白質體現。

3、基因和性狀的關系：基因決定性狀。

4、關于RNA 1）結構：單鏈結構。

2）基本單位以及構成：核糖核苷酸，核糖、磷酸和堿基4種組成。3）RNA種類：

mRNA：信使RNA（messenger RNA）、tRNA：轉移RNA（transfer RNA）rRNA：核糖體RNA（Ribosomal RNA）

5、轉錄 1）概念

2）過程（教師自己要設計概念圖）

三、遺傳信息的翻譯

1、翻譯：P50 把“核酸的語言”翻譯成“蛋白質的語言”

學生看書：DNA上有4種堿基，而蛋白質由20種氨基酸組成，如何解決這個矛盾？

2、遺傳密碼：P51 三聯密碼（密碼子）

看圖表6-1，大家發現了什么問題，提示這個圖表是三維立體的。先要教學生看的方法。

1）64個密碼子中的61個密碼子對應于一種氨基酸 2）終止密碼子：3個 3）起始密碼子：2個

3、翻譯的概念

場所、模板、運載工具、按照什么規律合成蛋白質？在細胞質中進行的，它是以mRNA為模板，以tRNA為運載工具，使氨基酸在核糖體內按照一定的順序排列起來，合成蛋白質的過程。

核糖體主要成份是rRNA和蛋白質。

4、翻譯的過程（教師自己要設計概念圖）

1）tRNA的結構和作用：三葉草形狀，運送氨基酸。2）密碼子的結合

3）核糖體的移動和肽鏈的延長 4）原tRNA的離開 5）新tRNA的進入

四、中心法則及其發展

1、中心法則：遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再由RNA決定蛋白質的合成，以及遺傳信息由DNA復制傳遞給DNA的規律稱為“中心法則”。

2、核酸和蛋白質的聯系和分工。

3、中心法則表達：

（瘋牛病還是不要講了，比較特別的病毒是蛋白質顆粒。具體如何繁殖的太復雜。）

五、課后反思

第三篇：DNA分子的結構的教案

“DNA分子的結構”的教案

趙艷玲（江蘇省靖江高級中學 214500）

一、教學目標

1． 知識方面：概述DNA分子結構的主要特點

2． 能力方面：制作DNA雙螺旋結構模型；進行遺傳信息多樣性原因的探究

3． 情感態度和價值觀方面：認同與人合作在科學研究中的重要性；體驗科學探索不是一帆風順的，需要鍥而不舍的精神

二、教學重點

1． DNA分子結構的主要特點 2． 制作DNA雙螺旋結構模型

三、教學難點

DNA分子結構的主要特點

四、教學用具

DNA分子結構模型組件、DNA分子的空間結構模型

五、教學方法 實驗探究、發現式教學

新課標理念下的高中生物教學要在“面向全體學生”的基礎上“提高學生的生物科學素養”，采取多種教學形式，重視“探究性學習”，“注重與現實生活的聯系”，使學生達成知識、能力、情感態度與價值觀的協調一致。

基于這個理念，在設計這節課時，我并沒有按照教材中的順序：先介紹沃森和克里克構建DNA雙螺旋結構的研究歷程，再概述DNA分子結構的特點，最后讓學生動手嘗試建構DNA雙螺旋結構，加深對DNA分子結構特點的理解。而是先讓學生依據4個科學研究資料，逐步探究如何構建脫氧核苷酸、單鏈、平面雙鏈、立體空間結構，從而一步一步地構建出DNA雙螺旋結構模型。通過探究構建模型的過程，學生就會自然地了解DNA雙螺旋結構的基本內容，同時還體驗了科學家的研究歷程，能夠學習到科學家善于捕獲分析信息和嚴謹的思維品質及持之以恒的科研精神。然后以構建好的DNA模型為依托，讓學生根據老師提出的問題分析模型、主動探究得出DNA結構的有關知識，再由學生總結出DNA雙螺旋結構的主要特點。由于考慮到這個模型可以很好的解答遺傳信息多樣性，所以最后讓學生比較不同組構建的DNA模型，分析探究得出DNA分子多樣性的原因。

七、教學過程

（一）創設情境，導入新課

教師展示沃森和克里克的圖片，提出問題：同學們，你們知道這兩位科學家嗎？ 他們就是因研究DNA而獲得諾貝爾獎的沃森和克里克。今天就讓我們一起來重溫他們的研究過程，構建DNA模型并探究DNA分子的結構。

（二）模型建構，探究新知 1．模型建構

教師展示【資料1】：20世紀30年代，科學家認識到：組成DNA分子的單位是，且每個脫氧核苷酸是由、、構成的。（空白處請同學們回憶已學知識回答）

提出問題：依據這則資料，你能試著構建出脫氧核苷酸的結構模型嗎？請同學們從模型

六、教學設計思路 盒中拿出一個白色小球（代表磷酸）、一個藍色的小球（代表脫氧核糖）、一個帶凹凸的圓柱（代表堿基）、一個粗棒和一個細棒（代表化學鍵），試著構建一個脫氧核苷酸模型。構建好一個的同學，請用同樣的方法多構建幾個。

【模型建構1】：脫氧核苷酸

請一位同學到黑板上畫出你所構建的脫氧核苷酸模型的示意圖，教師糾正。教師展示【資料2】：DNA是由脫氧核苷酸連接而成的長鏈構成的。

提出問題：一個個脫氧核苷酸怎么連接成長鏈呢？請同學們兩人一組，利用剛才完成的脫氧核苷酸模型，試著構建脫氧核苷酸鏈。

【模型建構2】:脫氧核苷酸鏈

學生代表展示成果，教師點評，課件展示正確的連接方法。

教師展示【資料3】：奧地利著名生物化學家查哥夫研究得出：腺嘌呤（A）的量總是等于胸腺嘧啶（T）的量，鳥嘌呤（G）的量總是等于胞嘧啶（C）的量這一堿基之間的數量關系。

提出問題：分析剛才所建構的模型是否符合這一科學事實，討論應構建怎樣的模型才能在任何情況下都符合這樣的科學事實？

學生邊討論邊動手構建 【模型建構3】:DNA雙鏈

請一位學生展示并說明如此構建的原因，教師點評。

提出問題：模型構建得正確與否關鍵要看是否與DNA原型一致。DNA原型是怎樣的呢？ 教師展示【資料4】：1951年，英國科學家威爾金斯和富蘭克林提供的DNA的X射線衍射圖譜。

提出問題：科學家從圖譜中推算出DNA應呈螺旋結構，你們的模型符合嗎？應如何修改體現DNA的雙螺旋結構呢？（在平面雙鏈的基礎上旋轉即可）

【模型建構4】:DNA雙螺旋結構

教師請完成得好的同學展示他們的模型，給予肯定和鼓勵。讓學生體會成功的快樂，激發學生自主探究的主動性，增強成功信心。教師隨后展示現成的DNA分子的空間結構模型，讓學生通過觀察和對比，對DNA分子的結構形成更加感性的認識。2．模型分析

分析1：請同學們觀察DNA分子結構模型，討論以下問題：（投影顯示下列問題）（1）DNA分子中，外側由什么連接而成？內側是什么？（2）兩條鏈之間堿基的連接有什么規律？（3）構成DNA的兩條鏈有怎樣的關系？

學生分析模型，得出答案并說明如何從模型中得出答案的。學生回答，教師點評、補充。

問題（1）中很容易出現一個錯誤，從模型中同學們很容易認為排列在外側的是磷酸，教師應給予引導：磷酸是和磷酸直接相連的嗎？學生觀察后就會得出：磷酸和脫氧核糖相連。從而得出正確答案。

問題（3）中反向這個關系學生不容易得出，教師可以讓學生通過角色扮演來尋找答案：請兩列同學起立擺出左手握拳，右手平伸的姿勢（左手握拳代表磷酸，右手代表堿基，軀干代表脫氧核糖），一個人可以代表一個脫氧核苷酸，一列同學就一條脫氧核苷酸鏈，請一列同學不動，另一列同學與之進行堿基配對（這列同學只能轉身完成配對）。這個角色扮演更直觀地反映了兩條鏈反向的關系，學生印象會更深刻，效果更好。

通過上述分析，學生不難歸納出DNA分子結構主要特點：（學生回答）（1）DNA分子是有 條鏈組成，盤旋成 結構。

（2）交替連接，排列在外側，構成基本骨架； 排列在內側。（3）堿基通過 連接成堿基對，并遵循 原則。

分析2：請同學們比較不同組學生構建的DNA模型，分析不同組的DNA模型有什么不同？（學生回答：堿基對排列順序不同）教師總結補充。

請四位同學將各自組的堿基對排列順序寫在黑板上，其他組同學寫在紙上。學生通過觀察會發現堿基對排列順序確實不同。

接著讓學生先比較各組的第一個堿基對，試分析第一個堿基對的可能情況。

進一步提出問題：第二個堿基對呢？若這兩個堿基對連起來呢，共有幾種排列方式呢？ 從而讓學生根據上述問題，探究堿基對數量（n）和堿基對排列方式的關系，建立數學模型。

引導學生思考：DNA作為主要的遺傳物質，其遺傳信息蘊藏在哪兒? 教師總結：通過以上分析可知，堿基對的排列順序是千變萬化的，堿基對排列順序的千變萬化構成了DNA分子的多樣性。

（三）課堂小結 與學生共同回憶我們的探索之路，談談探究發現的體會并回顧本課知識，完成拓展訓練。思考如何以本節課構建的模型為基礎，形成2個完全相同的DNA分子（即DNA分子是如何完成復制的）。

八、板書設計

DNA分子的結構

一、模型建構

二、模型分析

1．DNA分子的結構特點 2．DNA的多樣性

九、教學反思

1．在教學中將DNA結構模型的建構分解，以“基本單位—單鏈—平面雙鏈—立體空間結構”逐步深入，由簡單到復雜，符合學生的認知規律，有利于學生理解脫氧核苷酸的結構和DNA的結構。

2．本節課將DNA分子雙螺旋結構模型的建構這個驗證型實驗大膽地改為探究型實驗，學生能跟隨教師提供的資料，主動參與探究過程，由被動的接受知識變為主動的探究知識、獲取知識。在探究中學生能自己發現問題，分析問題，解決問題，培養學生的生物學素養和分析解決問題的能力。

3．DNA分子雙螺旋結構模型的建構完成后，有關DNA 分子結構的相關知識都由學生分析討論得出，這使學生觀察模型、分析模型得出理性認識的能力得到了很好的鍛煉。最后，本節課將后面的堿基對序列的探究整合提到了這里，由于更直觀教學效果更好。

4．在整節課中，充分體現了學生的主體地位，盡量留給學生更多的空間，更多的展示自己的機會，讓學生在充滿情感的、和諧的課堂氛圍中，在老師和同學的鼓勵和欣賞中認識自我、找到自信，體驗成功的樂趣，樹立學好生物和進行探究學習的信心。

（四）作業布置

第四篇：《DNA分子的結構》教案

《DNA分子的結構》教案

【教學目標】

知識目標

識記DNA分子的基本單位的化學組成；理解DNA分子的結構特點。能力目標

通過制作DNA平面結構模型，培養學生的動手能力；通過對DNA雙螺旋結構模型的觀察，提高學生的觀察能力、分析和理解能力。德育目標

通過DAN結構的發現歷程的教學，使學生認識到與人合作的在科學研究中的重要性，討論技術的進步在探索遺傳物質奧秘中的重要作用。

【教學重點】

DNA分子結構的主要特點

【教學難點】

DNA分子結構的主要特點

【課前準備】

DNA分子結構模型、若干套（一個五邊形/一個圓/一個長方形的即時貼和一個紙板）、制作DNA模型的材料

【課時安排】1課時 【教學過程】 第一課時

一、情境創設

2004年3月4號，北大生命科學學院，為了迎接世界華人生物學家大會，特地向北京世紀盛典廣告公司訂制了一個題為“旋律”的DNA雕塑。但是本意為了紀念DNA雙螺旋結構發現50年，也就是大家現在所看到的以逆時針方向向上旋轉的右旋DNA分子，做成了左旋。北大就說了，我要右旋，你左旋，不行，不給錢。這廣告公司也不樂意，我又沒有偷工減料，沒少花功夫，扣錢，沒門，就把北大告上了法庭。對錯，自有法律公斷，但是我們從中可以看出，哪怕是從事與生物毫不相干的行業，對了解DNA雙螺旋結構，也是必要的。那么，我們今天就一塊來了解一下DNA的結構問題。

二、師生互動

（1）DNA雙螺旋結構模型的構建

科學家是如何構建DNA雙螺旋結構模型的？提出問題以后，采用讀書指導法讓學生讀課文了解兩位科學家構建DNA雙螺旋結構模型的故事。使學生了解DNA雙螺旋結構的提出者、構建依據、嘗試與構建模型。通過學生討論，教師指導的出結論。

結論:DNA雙螺旋結構是美國生物學家沃森和英國物理學家克里克提出的。（2）DNA分子結構

DNA分子結構如何？有何特點？教師首先播放動畫展示DNA分子的立體結構，然后手拿DNA教具模型，組織學生小組討論DNA分子結構的特點。

①化學組成，通過學生自學和討論，老師講解，認識四種脫氧核苷酸及脫氧核苷酸的構成磷酸、脫氧核糖、堿基（ATGC）。

②平面結構，每兩人一組提供一個五邊形/一個圓/一個長方形的即時貼和一個紙板，組織學生動手拼脫氧核苷酸，并用線段將它們連接，并給自己的脫氧核苷酸命名。在動手過程中，讓學生理解化學鍵是如何連接的。

③DNA的空間結構，DNA分子是由兩條鏈組成的，并按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構；DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架；堿基排列內側；兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對，并且是：A和T配對，G和C配對。

（3）制作DNA雙螺旋結構模型，明確實驗的的原理、目的要求。通過動手制作讓學生將所學知識進一步理解加深印象。

三、板書設計

DNA結構的“五四三二一”

五種元素：C、H、O、N、P；

四種堿基：A、T、G、C，相應的有四種脫氧核苷酸； 三種物質：磷酸、脫氧核糖、含氮堿基； 兩條長鏈：兩條反向平行的脫氧核酸鏈； 一種螺旋：規則的雙螺旋結構。

四、課堂總結及布置作業

通過本節的學習，我們要掌握DNA分子的結構及主要的特點。

完成課本P51 頁的作業

第五篇：DNA分子的復制和結構教案

DNA分子的結構和復制教案 培訓學校

王桂芳

一、教材分析

本節與高中生物必修第一冊第一章《生命的物質基礎》中的化合物和第二章及第五章中細胞分裂中DNA和染色體復制的基礎知識相聯系，同時也是學習高中生物必修第二冊中生物的遺傳和變異理論及高三選修教材第三章《遺傳與基因工程》的基礎。這部分內容幾乎是每年高考都有所涉及的，所以復習好本節是很關鍵的。通過科學有效的復習不但可以理解本節知識點還可以進一步加深高三學生對其它章節相關知識點的理解和掌握，在教材中屬于較難理解的一部分內容。

二、教學目標 知識目標: ①知記:DNA分子基本單位的化學組成.②理解:DNA分子的結構特點；DNA分子復制過程和復制意義.能力目標：

①使學生掌握高效率學習方法進而提高解題能力。如：比較法、類推法、示意圖法。

②培養學生的求異思維、發散思維、逆向思維，以及培養學生自主學習的能力和相互合作的能力 情感目標： 在課堂上對學生的回答即時給予鼓勵性的評價，激發學生學習動力，挖掘學習的潛能。

三、教學重點、難點及解決方法 教學重點及突破策略

教學重點：DNA分子的結構；DNA分子復制。突破策略：

①通過提問、閱讀、討論結合圖解、練習來突出。

②采用直觀教學法、提問歸納法，圖文轉化等教學方法讓學生充分理解邊解旋邊復制。

教學難點及突破策略

教學難點：DNA分子的結構特點；DNA分子復制過程和復制意義 突破策略：用多媒體課件顯示DNA結構模型、DNA分子復制的過程，從而讓學生充分理解DNA分子的結構特點及復制的模板、原料等條件和復制的意義。

四、學情分析

所教學生基礎知識不扎實、不全面，對教材不熟悉，一些細小的知識的辨識能力弱，如脫氧核苷酸，核糖核苷酸，核糖核酸，脫氧核糖核酸的使用；解旋酶，DNA聚合酶，DNA連接酶，限制性內切酶的區別等，所以，復習注重基礎知識和細節的回顧。

五、教學方法

1、直觀教學法：通過多媒體輔助教學軟件，化靜為動，化抽象為具體，增強了教學內容的直觀性、啟發性，使學生更好地從感性認識上升為理性認識。.2、圖表歸納法：學生參與完成DNA的空間結構和DNA分子的復制等相關知識的表格，進行教學反饋。

六、課前準備

學生的學習準備：利用《全品》進行課前習題練習

教師的教前準備：分析學生的課前習題，了解學生的薄弱之處，有針對性的制做多媒體課件

七、課時安排：1課時

八、教學過程

⑴DNA分子的結構

回顧DNA分子的基本單位 展示DNA分子的結構模型圖，結合課后練習讓學生回顧DNA分子的結構并歸納出DNA分子的空間結構特點

據堿基互補配對原則讓學生推測出DNA分子中各堿基的關系，理解DNA分子的常規計算

⑵ DNA分子的復制

回顧DNA分子復制的定義，時期，場所

展示DNA分子復制的過程圖示，讓學生描述過程，歸納其條件，特點，穩定性

讓學生體會半保留復制的過程，引導學生解決DNA分子復制的有關計算 九．板書設計

（一）DNA分子的結構

1、基本單位——脫氧核苷酸

2、雙螺旋結構的主要特點

（二）DNA分子的復制

1、概念

2、復制的時間

3、復制的過程

4、復制的條件

5、復制的特點

6、復制的意義

十、教學反思

本節課作為一節復習課主要目標是為學生理順相關知識點，查缺補漏，通過前面的習題，反映出學生對一些基礎知識的掌握不太理想，所以這節課從基礎入手，結合課后習題，引導學生構建知識體系，并將學生在做業中出錯率較高的知識點進行回顧和鞏固。

強調學生的主體作用，通過多媒體展示圖片，讓學生歸納并回顧相關知識，對知識的形成過程有一個直觀的印象，加深知識點的識記，理解和應用，使抽象的知識具體化。

本節課也有很多不足之處，時間也沒有掌握很好，結業小結有一點倉促，在以后的教學過程中我會更加注意提高對課堂的掌控和協調能力。