《核酸的分子結(jié)構(gòu)》論文節(jié)選
沃森和克里克在發(fā)表DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的那篇著名短文的結(jié)尾處寫道：“值得注意 的是，我們提出的這種堿基特異性配對方式，暗示著遺傳物質(zhì)進行復(fù)制的一種可能 的機制?！庇懻摚?堿基互補配對原則暗示DNA的復(fù)制機制可能是怎樣的？
堿基互補配對原則是指DNA兩條鏈的堿基之間有準(zhǔn)確的——對應(yīng)關(guān)系，暗示DNA的復(fù)制可能需要先解開DNA雙螺旋的兩條鏈，然后通過堿基互補配對合成互補鏈。
沃森和克里克在發(fā)表DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的那篇著名短文的結(jié)尾處寫道：“值得注意 的是，我們提出的這種堿基特異性配對方 式，暗示著遺傳物質(zhì)進行復(fù)制的一種可能 的機制?！庇懻摚?這句話中為什么要用“可能”二字？這反映科學(xué)研究具有什么特點?
科學(xué)研究需要大膽的想象，但是得出結(jié)論必須建立在確鑿的證據(jù)之上。
知識點一、DNA半保留復(fù)制的實驗證據(jù)
請根據(jù)教材P54中“證明DNA進行半保留復(fù)制的實驗”,回答下列相關(guān)問題。1.該實驗采用了什么研究方法?2.根據(jù)離心后三個試管中密度帶的分布情況,為什么能判斷出DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制?3.第二代的試管中兩條密度帶中的DNA分子數(shù)之比為多少?4.分別用實線、虛線(或不同顏色)畫出子一代、子二代的DNA示意圖。假設(shè)是全保留復(fù)制又該如何畫圖?
①DNA復(fù)制時，DNA雙螺旋解開，互補的堿基之間的氫鍵斷裂；②解開的兩條單鏈分別作為復(fù)制的模板，游離的脫氧核苷酸依據(jù)堿基互補配對原則，通過形成氫鍵，結(jié)合到作為模板的單鏈上；③新合成的每個DNA分子中，都保留了原來DNA分子中的一條鏈，這種復(fù)制方式被稱做半保留復(fù)制。
(一)對DNA復(fù)制推測
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DNA分子中，都保留了原來DNA分子中的一條鏈。彌散復(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。
首要問題，如何區(qū)分開模版DNA的母鏈與新合成的DNA子鏈？
1958年,科學(xué)家以大腸桿菌為實驗材料。
1. 科學(xué)家運用了什么技術(shù)？
2. 科學(xué)家用什么元素標(biāo)記DNA？
3.怎樣把密度不一樣的DNA分開呢？
（二）DNA半保留復(fù)制的實驗證據(jù)
在同一元素中，質(zhì)子數(shù)相同、中子數(shù)不同的原子為同位素，如160與180, 12C與14C。同 位素的物理性質(zhì)可能有差異，但組成的化合物 化學(xué)性質(zhì)相同。用物理性質(zhì)特殊的同位素來標(biāo) 記化學(xué)反應(yīng)中原子的去向，就是同位素標(biāo)記法。 同位素標(biāo)記可用于示蹤物質(zhì)的運行和變化規(guī)律。 通過追蹤同位素標(biāo)記的化合物，可以弄清楚化學(xué) 反應(yīng)的詳細過程。生物學(xué)研究中常用的同位素有 的具有放射性,如14C、32P, 3 H、35S等;有的不 具有放射性，是穩(wěn)定同位素，如15N, 180等。
1958年美國生物學(xué)家梅塞爾森和斯塔爾以大腸桿菌為實驗材料，運用同位素標(biāo)記技術(shù)設(shè)計了一個巧妙的實驗。
【背景介紹】15N和14N是N元素的兩種穩(wěn)定性同位素，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，因此利用離心技術(shù)可以在試管中區(qū)分含有不同N元素的DNA。
密度梯度離心：高密度介質(zhì)氯化銫經(jīng)高速離心后，氯化銫會形成一個密度梯度。當(dāng)加入DNA分子后，經(jīng)過離心，DNA會停留在與周圍的氯化銫密度相同的位置，通過觀察DNA在氯化銫梯度中的位置就能區(qū)分含15N的DNA和含14N的DNA。
DNA復(fù)制是一種半保留式的復(fù)制。
如果DNA是半保留復(fù)制，復(fù)制后得到的子一代DNA和子二代DNA的組成是怎樣的?（請同學(xué)們繪圖表示）
15N/14N-DNA
15N/15N-DNA
14N/14N-DNA
如果親代DNA是15N的，放在14N的環(huán)境中進行培養(yǎng)，則親代、子一代、子二代DNA分別含有哪種N元素？
實驗中，復(fù)制后的DNA分子混合在一起的，不易分離。怎么解決這個問題？
大腸桿菌在含15NH4Cl 的培養(yǎng)液中生長若干代
15N/14N-DNA (全部中帶)
14N/14N-DNA
15N/14N-DNA (1/2)
實驗結(jié)果與半保留復(fù)制假說吻合
DNA是以半保留的方式進行復(fù)制的。
例1　把培養(yǎng)在含輕氮(14N)的環(huán)境中的一細菌,轉(zhuǎn)移到含重氮(15N)的環(huán)境中,培養(yǎng)相當(dāng)于復(fù)制一輪的時間,然后放回原環(huán)境中培養(yǎng)相當(dāng)于連續(xù)復(fù)制兩輪的時間后,細菌DNA組成分析表明(　　)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輕氮型、1/2中間型 D.3/4重氮型、1/4中間型
知識點二、DNA分子的復(fù)制過程
閱讀課本P55~56，思考并回答：1.請完成下列有關(guān)DNA復(fù)制的表格:
　2.根據(jù)DNA復(fù)制過程完成下列計算。(1)若1個DNA分子含m個腺嘌呤,則復(fù)制n次需要多少個游離的腺嘌呤脫氧核苷酸?(2)讓某32P標(biāo)記的噬菌體侵染只含有31P的大腸桿菌,假設(shè)噬菌體的DNA在大腸桿菌中復(fù)制了m次,求所得的子代中含有32P標(biāo)記的噬菌體有多少個?含有31P標(biāo)記的噬菌體有多少個?(3)用32P標(biāo)記精原細胞的核DNA,若讓其進行兩次有絲分裂,那么所得的4個子代細胞中,具有32P標(biāo)記的細胞有多少個?若讓其進行減數(shù)分裂,那么所得的4個子代細胞中具有32P標(biāo)記的細胞又有多少個?
以親代DNA為模板合成子代DNA的過程。
真核細胞主要在細胞核中
減數(shù)第一次分裂前的間期
①解旋（解旋酶）在細胞提供能量的驅(qū)動下，解旋酶將DNA雙螺旋的2條鏈解開。
注意：解旋酶是使堿基對之間的氫鍵斷裂
②合成子鏈（DNA聚合酶等）以解開的每一條母鏈為模板，以游離的4種脫氧核苷酸為原料，按照堿基互補配對原則，在DNA聚合酶等的作用下合成與母鏈互補的1條子鏈。
③形成DNA新合成的子鏈不斷延伸，每條新鏈與其對應(yīng)的模板鏈繞成雙螺旋結(jié)構(gòu)。
①模板：親代DNA的兩條母鏈； ②原料：4種脫氧核苷酸： ③能量：ATP; ④酶 ：解旋酶，DNA聚合酶等。
5.DNA分子復(fù)制時需何條件？
解旋酶催化（氫鍵斷裂）
（在DNA聚合酶的催化下，利用游離的脫氧核苷酸進行）
以母鏈為模板進行堿基配對
母鏈（舊鏈）子鏈（新鏈）
同時進行(邊解旋邊復(fù)制）
①DNA具有獨特的雙螺旋結(jié)構(gòu)，能為復(fù)制提精確的模板。②堿基具有互補配對的能力，能夠使復(fù)制準(zhǔn)確無誤。
7.DNA準(zhǔn)確復(fù)制的原因?
6.DNA分子復(fù)制的特點:
DNA通過復(fù)制，使遺傳信息從親代細胞傳給子代細胞，保持了遺傳信息的連續(xù)性。
8.DNA分子的復(fù)制實質(zhì)(意義)？
1.DNA的復(fù)制往往是從多個起點同時進行的，如下圖所示：
2．DNA的半不連續(xù)復(fù)制
(1)DNA半保留復(fù)制時，DNA的兩條鏈都能作為模板，同時合成兩條新的互補鏈。DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，但是，生物體內(nèi)所有已知的DNA聚合酶只能催化5′→3′方向的延伸。為了解決DNA在復(fù)制時兩條鏈能夠同時作為模板合成其互補鏈這個問題，日本學(xué)者岡崎等提出DNA的半不連續(xù)復(fù)制模型(如上圖所示)，以圖中b鏈為模板時，最終合成的互補鏈實際上是由許多沿5′→3′方向合成的DNA片段連接起來的。
(2)DNA復(fù)制時，當(dāng)以a鏈為模板時，DNA聚合酶可以沿5′→3′方向連續(xù)合成新的互補鏈，這條新的互補鏈稱為前導(dǎo)鏈。當(dāng)以b鏈為模板時，DNA聚合酶也是沿5′→3′方向合成新鏈片段，即DNA聚合酶從復(fù)制叉的位置開始向復(fù)制叉移動方向的相反方向合成適宜長度的新鏈片段，待復(fù)制叉向前移動相應(yīng)的距離后，DNA聚合酶又重復(fù)這一過程，從復(fù)制叉的位置開始向復(fù)制叉移動方向的相反方向合成另一個類似大小的新鏈片段，隨著復(fù)制叉的移動會形成許多不連續(xù)的片段，這些片段被稱為岡崎片段，最后這些岡崎片段被連接成一條完整的子鏈，這條子鏈稱為后隨鏈。在生物細胞中，這種前導(dǎo)鏈的連續(xù)復(fù)制和后隨鏈的不連續(xù)復(fù)制是普遍存在的，稱為DNA合成的半不連續(xù)復(fù)制。
　3.DNA復(fù)制的相關(guān)計算
某DNA分子中，含有p個堿基對，其中腺嘌呤為q個，該DNA分子用15N標(biāo)記，其復(fù)制所需原料含14N，其連續(xù)復(fù)制n次。過程如下圖所示。
(3)消耗脫氧核苷酸數(shù)
例2　體外進行DNA復(fù)制的實驗時,向試管中加入有關(guān)的酶、四種脫氧核苷酸和ATP,37 ℃下保溫。下列敘述中正確的是(　　)。A.能生成DNA,DNA的堿基比例與四種脫氧核苷酸的比例一致B.不生成DNA,因為缺少DNA模板C.能生成DNA,DNA的堿基比例不確定,且與酶的來源有一定的關(guān)聯(lián)D.不生成DNA,因為實驗中缺少酶催化的適宜的體內(nèi)條件
3.3DNA的復(fù)制一、DNA半保留復(fù)制的實驗證據(jù)二、DNA分子的復(fù)制過程

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第3節(jié) DNA的復(fù)制

版本： 人教版 (2019)

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