
目 標(biāo) 素 養(yǎng)1.根據(jù)DNA的結(jié)構(gòu)以及生命活動(dòng)所需的基本條件,推測(cè)體外合成DNA的條件。2.基于科學(xué)史料提供的實(shí)驗(yàn)證據(jù),運(yùn)用假說—演繹法,概述DNA通過半保留方式進(jìn)行復(fù)制。3.通過對(duì)DNA半保留復(fù)制過程的分析和討論,從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度探討生命系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開遺傳信息的傳遞,DNA的準(zhǔn)確復(fù)制是遺傳信息穩(wěn)定傳遞的基礎(chǔ)。4.認(rèn)同科學(xué)技術(shù)在生物學(xué)研究中的重要作用。
一、對(duì)DNA復(fù)制的推測(cè)1.半保留復(fù)制
2.全保留復(fù)制:DNA復(fù)制以DNA雙鏈為模板,子代DNA的雙鏈都是新合成的。
二、DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)1.實(shí)驗(yàn)材料:大腸桿菌。2.實(shí)驗(yàn)方法:同位素標(biāo)記技術(shù)和離心技術(shù)。3.實(shí)驗(yàn)原理(1)DNA的兩條鏈都用15N標(biāo)記,那么這樣的DNA分子密度最大,離心時(shí)應(yīng)該在試管的底部。(2)DNA的兩條鏈都沒有被15N標(biāo)記,那么這樣的DNA分子密度最小,離心時(shí)應(yīng)該在試管的上部。(3)DNA的兩條鏈中只有一條單鏈被15N標(biāo)記,那么這樣的DNA分子密度居中,離心時(shí)應(yīng)該在試管的中部。
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)在含有15NH4Cl的培養(yǎng)液中培養(yǎng)若干代后收集大腸桿菌,提取DNA→離心→全部重帶。(2)在含有14NH4Cl的培養(yǎng)液中繁殖一代后收集大腸桿菌,提取DNA→離心→全部中帶。(3)在含有14NH4Cl的培養(yǎng)液中繁殖兩代后收集大腸桿菌,提取DNA→離心→1/2輕帶、1/2中帶。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:DNA的復(fù)制是以半保留的方式進(jìn)行的。
微判斷1基于半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù),判斷下列表述是否正確。(1)沃森和克里克證明了DNA分子復(fù)制的方式是半保留復(fù)制。( )(2)證明DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了同位素標(biāo)記技術(shù)和離心技術(shù)。( )(3)將第三代細(xì)菌DNA離心分離將會(huì)出現(xiàn)3條帶。( )(4)不管復(fù)制多少代,含15N標(biāo)記的DNA分子只有兩個(gè)。( )(5)從第一代開始細(xì)菌DNA分子中至少一條鏈含14N。( )
三、DNA復(fù)制的過程1.概念:以親代DNA為模板合成子代DNA的過程。2.時(shí)間:在真核生物中,是在細(xì)胞分裂前的間期。3.過程
4.結(jié)果:一個(gè)DNA分子形成了兩個(gè)完全相同的DNA分子。5.特點(diǎn):邊解旋邊復(fù)制、半保留復(fù)制。6.DNA復(fù)制能夠準(zhǔn)確進(jìn)行的原因(1)DNA獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu),為復(fù)制提供了精確的模板。(2)通過堿基互補(bǔ)配對(duì),保證了復(fù)制能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行。7.意義:將遺傳信息從親代細(xì)胞傳遞給子代細(xì)胞,從而保持了遺傳信息的連續(xù)性。
微思考真核細(xì)胞中DNA復(fù)制的場(chǎng)所有哪些?提示:細(xì)胞核、線粒體和葉綠體。
微判斷2基于DNA復(fù)制的過程和特點(diǎn),判斷下列表述是否正確。(1)DNA復(fù)制時(shí),嚴(yán)格遵循A—T、C—G的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。( )(2)DNA復(fù)制的特點(diǎn)是半保留復(fù)制和邊解旋邊復(fù)制。( )(3)真核生物中DNA的復(fù)制發(fā)生于細(xì)胞分裂前的間期。( )(4)DNA聚合酶催化2個(gè)游離的脫氧核苷酸之間的連接。( )(5)DNA復(fù)制也需要消耗ATP。( )
(6)DNA復(fù)制的原料是4種游離的核糖核苷酸。( )(7)DNA解旋后的每一條脫氧核苷酸鏈都可以作為DNA復(fù)制的模板。( )(8)在DNA復(fù)制過程中,解旋酶破壞的是氫鍵,不能將DNA分解成脫氧核苷酸。( )
微訓(xùn)練DNA一般能準(zhǔn)確復(fù)制,其原因是( )①DNA獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制提供模板?、贒NA復(fù)制發(fā)生于細(xì)胞分裂前的間期 ③堿基互補(bǔ)配對(duì)嚴(yán)格?、墚a(chǎn)生的兩個(gè)子代DNA均與親代DNA相同A.②④B.②③C.①④D.①③答案:D解析:DNA獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制提供了精確的模板,嚴(yán)格的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則保證了DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性,它保證了子代DNA是以親代DNA提供的兩條模板為標(biāo)準(zhǔn)合成的。
一 DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)問題探究在DNA分子復(fù)制的早期研究中,科學(xué)家們提出了三個(gè)假說:全保留復(fù)制、半保留復(fù)制和分散復(fù)制。全保留復(fù)制:親代DNA分子兩條鏈不變,子代DNA分子的兩條鏈都是新合成的。半保留復(fù)制:新合成的每個(gè)DNA分子中,都保留了原來DNA分子中的一條鏈。分散復(fù)制:親代DNA分子的兩條鏈分散成短片段,與新合成的子代DNA分子的兩條鏈分散成的短片段混雜在一起,不能分出親代DNA單鏈。請(qǐng)回答下列問題。
1.根據(jù)對(duì)半保留復(fù)制和全保留復(fù)制方式的理解,你認(rèn)為判斷DNA復(fù)制方式的關(guān)鍵是什么?可通過什么技術(shù)實(shí)現(xiàn)?提示:關(guān)鍵是通過實(shí)驗(yàn)區(qū)分親代與子代DNA??赏ㄟ^同位素標(biāo)記技術(shù)和(密度梯度)離心技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
2.在“證明DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)”中,如果DNA是半保留復(fù)制,第一代和第二代DNA分子的兩條鏈中,含有氮元素的標(biāo)記情況是怎樣的?離心后試管中DNA的位置會(huì)是怎樣的?如果全保留復(fù)制是正確的,實(shí)驗(yàn)預(yù)期又會(huì)是怎樣的?
提示:半保留復(fù)制:第一代DNA全為15N/14N-DNA;第二代DNA中,1/2為15N/14N-DNA,1/2為14N/14N-DNA。離心后,第一代DNA分子全部在試管中部;第二代DNA分子中,1/2在試管中部,1/2在試管上部。全保留復(fù)制:第一代DNA中,1/2為15N/15N-DNA,1/2為14N/14N-DNA;第二代DNA中,1/4為15N/15N-DNA,3/4為14N/14N-DNA。離心后,第一代DNA分子中,1/2在試管底部,1/2在試管上部;第二代DNA分子中,1/4在試管底部,3/4在試管上部。
3.科學(xué)家從第一代DNA分子離心的結(jié)果已經(jīng)能夠排除全保留復(fù)制,想一想,為什么還要做第二代的實(shí)驗(yàn)?提示:第一代DNA分子離心的結(jié)果不能排除分散復(fù)制的方式。
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)親代大腸桿菌的DNA經(jīng)離心處理后,試管中只出現(xiàn)了一條DNA帶,位置在試管底部。(2)第一代大腸桿菌的DNA經(jīng)離心處理后,試管中只出現(xiàn)了一條DNA帶,位置在試管中部。(3)第二代大腸桿菌的DNA經(jīng)離心處理后,試管中出現(xiàn)了兩條DNA帶,一條在試管中部,一條在試管更靠上部。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論DNA的復(fù)制是以半保留的方式進(jìn)行的。
典例剖析【例1】 下列有關(guān)“探究DNA的復(fù)制過程”活動(dòng)的敘述,正確的是( )A.培養(yǎng)過程中,大腸桿菌將利用NH4Cl中的N合成DNA的基本骨架B.通過對(duì)第二代大腸桿菌DNA的離心,得出DNA復(fù)制的特點(diǎn)為半保留復(fù)制
C.將含14N/14N-DNA的大腸桿菌放在以15NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)液中培養(yǎng)若干代,所獲得的大腸桿菌的DNA中都含有15ND.將含15N/15N-DNA的大腸桿菌轉(zhuǎn)移到以14NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)液中繁殖一代后,若將提取的子代大腸桿菌DNA解旋處理后進(jìn)行離心,試管中將只出現(xiàn)1個(gè)條帶答案:C
解析:培養(yǎng)過程中,大腸桿菌將利用NH4Cl中的N合成含氮堿基進(jìn)而形成DNA兩條鏈之間的堿基對(duì),A項(xiàng)錯(cuò)誤。通過對(duì)親代、第一代、第二代大腸桿菌DNA的離心,對(duì)比分析才可得出DNA復(fù)制的特點(diǎn)為半保留復(fù)制,B項(xiàng)錯(cuò)誤。根據(jù)DNA的半保留復(fù)制,將含14N/14N-DNA的大腸桿菌放在以15NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)液中培養(yǎng)若干代,所獲得的大腸桿菌的DNA中都含有15N,C項(xiàng)正確。將含15N/15N-DNA的大腸桿菌轉(zhuǎn)移到以14NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)液中繁殖一代后,若將提取的子代大腸桿菌DNA解旋處理后進(jìn)行離心,試管中將出現(xiàn)輕、重2個(gè)條帶,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
學(xué)以致用1.細(xì)菌在含有15N的培養(yǎng)液中繁殖數(shù)代后,細(xì)菌DNA的堿基皆含有15N,然后再移入含有14N的培養(yǎng)液中培養(yǎng),提取其子代的DNA進(jìn)行離心分離,下圖①~⑤為可能的結(jié)果。下列敘述錯(cuò)誤的是( )A.第一次分裂形成的子代DNA應(yīng)為⑤B.第二次分裂形成的子代DNA應(yīng)為①C.第三次分裂形成的子代DNA應(yīng)為③D.親代DNA應(yīng)為⑤
解析:親代DNA(15N/15N-DNA)應(yīng)為⑤;第一次分裂形成的子代DNA(15N/14N-DNA)應(yīng)為②;第二次分裂形成的子代DNA (15N/14N-DNA、14N/14N-DNA)數(shù)量比為1∶1,應(yīng)為①;第三次分裂形成的子代DNA(15N/14N-DNA、14N/14N-DNA)數(shù)量比為1∶3,應(yīng)為③。
二 DNA復(fù)制的過程問題探究根據(jù)圖1、圖2回答下列問題。
1.圖1中進(jìn)行的是什么過程?發(fā)生的時(shí)期和場(chǎng)所是什么?提示:DNA復(fù)制。細(xì)胞分裂前的間期。真核生物DNA復(fù)制的場(chǎng)所有細(xì)胞核、線粒體、葉綠體;原核生物DNA復(fù)制的場(chǎng)所主要是擬核。2.圖1中的酶1和酶2分別是什么酶?分別作用于圖2中的哪個(gè)部位?(用字母表示)提示:酶1是解旋酶,作用于f;酶2是DNA聚合酶,作用于e。
3.圖1中的a、b、c、d四條脫氧核苷酸鏈中,哪些鏈的堿基排列順序是相同的?提示:a鏈和c鏈的堿基排列順序相同,b鏈和d鏈的堿基排列順序相同。4.從圖1是否可以看出DNA復(fù)制是半保留復(fù)制?為什么?圖1所示的特點(diǎn)還有什么?提示:是。因?yàn)閮蓷l母鏈進(jìn)入兩個(gè)子代DNA分子中,新形成的子代DNA分子中只有一條鏈?zhǔn)怯H代的母鏈。圖1中還能看出DNA分子是邊解旋邊復(fù)制的。
歸納總結(jié)1.DNA復(fù)制的場(chǎng)所主要是細(xì)胞核(凡是細(xì)胞內(nèi)有DNA的地方均可復(fù)制)。(1)真核生物:細(xì)胞核(主要場(chǎng)所)、線粒體、葉綠體。(2)原核生物:擬核、細(xì)胞質(zhì)(如質(zhì)粒DNA的復(fù)制)。(3)病毒:宿主細(xì)胞內(nèi)。2.真核生物細(xì)胞核中DNA復(fù)制發(fā)生的時(shí)間:細(xì)胞分裂前的間期。
3.兩個(gè)子代DNA的位置及分開時(shí)間:復(fù)制產(chǎn)生的兩個(gè)子代DNA分子位于一對(duì)姐妹染色單體上,由著絲粒連在一起,在有絲分裂后期或減數(shù)分裂Ⅱ后期著絲粒分裂時(shí)分開,分別進(jìn)入兩個(gè)子細(xì)胞中。
典例剖析【例2】 下圖為真核細(xì)胞DNA復(fù)制過程模式圖。據(jù)圖分析,下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是( )A.由圖示可知,DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制B.解旋酶能使雙鏈DNA解開,且需要消耗ATPC.從圖中可以看出合成2條子鏈的方向都是從5'-端到3'-端D.DNA聚合酶的作用位點(diǎn)為2條脫氧核苷酸鏈之間的氫鍵
解析:由題圖可知,新合成的每個(gè)DNA分子中,都保留了原來DNA分子中的1條鏈,因此,DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制,A項(xiàng)正確。解旋酶使DNA雙鏈解開,該過程需要消耗ATP,B項(xiàng)正確。DNA復(fù)制時(shí)只能從5'-端向3'-端延伸,C項(xiàng)正確。DNA聚合酶的作用位點(diǎn)為1條鏈中相鄰的2個(gè)脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
學(xué)以致用2.下圖為真核生物染色體上DNA分子復(fù)制過程的示意圖。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是( )
A.圖中DNA分子復(fù)制是從多個(gè)起點(diǎn)同時(shí)開始的B.圖中DNA分子復(fù)制是邊解旋邊雙向復(fù)制的C.真核生物DNA分子的復(fù)制過程需要解旋酶D.真核生物的這種復(fù)制方式提高了復(fù)制速率答案:A
解析:由題圖可知,DNA分子復(fù)制有多個(gè)起點(diǎn),但不是同時(shí)開始的,因?yàn)閺?fù)制環(huán)有大有小,A項(xiàng)錯(cuò)誤。題圖中DNA分子復(fù)制是邊解旋邊雙向復(fù)制的,B項(xiàng)正確。真核生物DNA分子的復(fù)制過程需要解旋酶、DNA聚合酶等參與,C項(xiàng)正確。真核生物的DNA分子具有多個(gè)復(fù)制原點(diǎn),這種復(fù)制方式加速了復(fù)制過程,提高了復(fù)制速率,D項(xiàng)正確。
三 DNA復(fù)制的相關(guān)計(jì)算問題探究DNA的復(fù)制為半保留復(fù)制,復(fù)制過程中消耗游離的脫氧核苷酸。請(qǐng)思考并回答下列問題。
1.用15N標(biāo)記的DNA分子,放入含14N的培養(yǎng)基中進(jìn)行復(fù)制,當(dāng)測(cè)得含有15N的DNA分子數(shù)為12.5%時(shí),該DNA分子復(fù)制了幾次?提示:4次。含15N的DNA分子在含14N培養(yǎng)基中復(fù)制n次,則形成2n個(gè)DNA分子,其中含15N的DNA分子占2/2n,已知2/2n=12.5%,則n=4。
2.DNA復(fù)制n次與第n次復(fù)制各形成多少個(gè)DNA分子?提示: DNA復(fù)制n次形成2n個(gè)DNA分子,第n次復(fù)制形成2n-1 個(gè)DNA分子。3.若1個(gè)DNA含有m個(gè)腺嘌呤,則復(fù)制n次需要多少個(gè)游離的腺嘌呤脫氧核苷酸?提示:需要(2n-1)·m個(gè)。因?yàn)?個(gè)DNA復(fù)制n次,共形成2n個(gè)DNA,其中有兩條脫氧核苷酸鏈為母鏈,不需要游離的腺嘌呤脫氧核苷酸。
歸納總結(jié)1.DNA復(fù)制的相關(guān)計(jì)算某DNA分子中,含有p個(gè)堿基對(duì),其中腺嘌呤為q個(gè),該DNA分子用15N標(biāo)記,其復(fù)制所需原料含14N,連續(xù)復(fù)制n次,過程見下圖。
(2)脫氧核苷酸鏈數(shù)
(3)消耗脫氧核苷酸數(shù)
2.有關(guān)DNA復(fù)制相關(guān)計(jì)算的四個(gè)注意點(diǎn)(1)分析被標(biāo)記物質(zhì)所占的比例時(shí),應(yīng)注意求的是DNA分子數(shù),還是脫氧核苷酸鏈數(shù);看準(zhǔn)是“含”還是“只含”;還應(yīng)注意培養(yǎng)液中化學(xué)元素的不同。(2)注意“DNA復(fù)制了n次”和“第n次復(fù)制”的區(qū)別,前者包括所有的復(fù)制,后者只指第n次的復(fù)制。(3)注意堿基的單位是“對(duì)”還是“個(gè)”。(4)切記在DNA復(fù)制過程中,無論復(fù)制了幾次,含有親代脫氧核苷酸單鏈的DNA分子都只有兩個(gè)。
典例剖析【例3】 用15N標(biāo)記含有100個(gè)堿基對(duì)的雙鏈DNA分子,其中有胞嘧啶60個(gè),該DNA分子在含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)復(fù)制4次。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是( )A.含有15N的DNA分子占1/8B.復(fù)制過程中需游離的腺嘌呤脫氧核苷酸600個(gè)C.含有14N的DNA分子占7/8D.復(fù)制結(jié)果共產(chǎn)生16個(gè)DNA分子答案:C
解析:該DNA分子在含14N的培養(yǎng)基中連續(xù)復(fù)制4次,可得到24=16(個(gè))DNA分子,因?yàn)镈NA的復(fù)制方式為半保留復(fù)制,親代DNA分子的2條鏈只可能進(jìn)入2個(gè)子代DNA分子中,故含有15N的DNA分子占1/8,含有14N的DNA分子占100%。在含有100個(gè)堿基對(duì)的DNA分子中,若有胞嘧啶60個(gè),則含腺嘌呤(100×2-60×2)×(1/2)=40(個(gè)),則連續(xù)復(fù)制4次所需腺嘌呤脫氧核苷酸的數(shù)目為40×(24-1)=600(個(gè))。
學(xué)以致用3.某DNA分子含腺嘌呤(A)200個(gè),復(fù)制數(shù)次后消耗周圍環(huán)境中含A的脫氧核苷酸3 000個(gè),該DNA分子已經(jīng)復(fù)制了幾次?( )A.4次 B.3次C.5次 D.6次答案:A解析:某DNA分子含有腺嘌呤200個(gè),復(fù)制n次后消耗腺嘌呤脫氧核苷酸3 000個(gè),則有關(guān)系式200×(2n-1)=3 000,解得n=4。
1.大蒜根尖細(xì)胞在含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養(yǎng)液中完成一個(gè)細(xì)胞周期,然后轉(zhuǎn)入不含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng)第二代后獲得的子細(xì)胞內(nèi)DNA分子的標(biāo)記情況,不可能出現(xiàn)的是(只考慮其中一對(duì)染色體上的DNA分子)( )
解析:由題意和題圖可知,因DNA分子的復(fù)制方式為半保留復(fù)制,所以第一次分裂結(jié)束后的第一代DNA分子,一條鏈有放射性標(biāo)記,另一條鏈沒有放射性標(biāo)記;之后,轉(zhuǎn)入不含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng)第二代,復(fù)制后在所得到的第二代DNA分子中,兩條鏈均不含放射性的占1/2,只有一條鏈有放射性的占1/2;在有絲分裂后期,著絲粒分裂后所形成的子染色體隨機(jī)移向細(xì)胞兩極,因此最終得到的子細(xì)胞內(nèi)DNA分子的標(biāo)記情況會(huì)出現(xiàn)A、C、D三項(xiàng)所示的結(jié)果,B項(xiàng)所示結(jié)果不可能出現(xiàn)。
2.下列關(guān)于DNA復(fù)制的敘述,正確的是( )A.DNA復(fù)制時(shí),嚴(yán)格遵循A—U、C—G的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則B.DNA子鏈的合成方向都是從5'-端到3'-端C.DNA分子全部解旋后才開始進(jìn)行DNA復(fù)制D.脫氧核苷酸必須在DNA酶的作用下才能連接形成子鏈答案:B解析:DNA復(fù)制時(shí),嚴(yán)格遵循A—T、C—G的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,A項(xiàng)錯(cuò)誤。DNA復(fù)制的特點(diǎn)之一是邊解旋邊復(fù)制,C項(xiàng)錯(cuò)誤。脫氧核苷酸必須在DNA聚合酶的作用下才能連接形成子鏈,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
3.DNA復(fù)制時(shí),解旋酶作用的部位應(yīng)該是( )A.腺嘌呤與鳥嘌呤之間的氫鍵B.腺嘌呤與胸腺嘧啶之間的氫鍵C.脫氧核糖與堿基之間的化學(xué)鍵D.脫氧核糖與磷酸之間的化學(xué)鍵答案:B解析:DNA復(fù)制過程中用到解旋酶和DNA聚合酶,其中解旋酶的作用是把2條螺旋的雙鏈解開,破壞的是A與T、G與C之間的氫鍵。
4.假設(shè)1個(gè)雙鏈均被32P標(biāo)記的噬菌體DNA由5 000個(gè)堿基對(duì)組成,其中腺嘌呤占全部堿基的20%。用這個(gè)噬菌體侵染只含31P的大腸桿菌,共釋放出100個(gè)子代噬菌體。下列敘述錯(cuò)誤的是( )A.該過程至少需要3×105個(gè)鳥嘌呤脫氧核苷酸B.噬菌體增殖需要細(xì)菌提供場(chǎng)所、原料和酶等C.含32P的子代噬菌體DNA與只含31P的子代噬菌體DNA的比例為1∶49D.噬菌體DNA復(fù)制在宿主細(xì)胞中進(jìn)行
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