張卓鵬
中學教材中關于DNA分子復制的特點一般提到兩點:半保留復制、邊解旋邊復制.隨著現代生物科技的突飛猛進,發(fā)現DNA分子復制還有許多新的特點,如真核生物DNA分子的多起點雙向復制,所合成的兩條子鏈方向相反等.在近年的高考中,有關DNA分子復制的試題常以新情境、信息給予題的形式出現,較好地考查了學生獨立收集信息、處理應用信息的能力.在平常的生物教學中,如進行相關的內容補充,還有利于培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神.
一、DNA多起點雙向復制
DNA分子復制時,雙鏈要解開成兩股鏈分別進行,所以,這個復制起點呈現叉子的形式,被稱為復制叉.許多實驗證明,DNA的復制是從固定的起始點開始的.一般把生物體的復制單位稱為復制子.一個復制子只含有一個復制起點.通常,細菌、病毒和線粒體的DNA分子都是作為單個復制子完成復制的,而真核生物基因組可以同時在多個復制起點上進行雙向復制,也就是說它們的基因組包含有多個復制子.實驗結果表明,無論是原核生物還是真核生物,DNA的復制主要是從固定的起始點以雙向等速的復制方式進行的.復制叉以DNA分子上某一特定順序為起點,向兩個方向等速前進.
例1圖1為真核生物染色體上DNA分子復制過程示意圖,有關敘述錯誤的是().
A.圖中DNA分子復制是從多個起點同時開始的
B.圖中DNA分子復制是邊解旋邊雙向復制的
C.真核生物DNA分子復制過程需要解旋酶
D.真核生物的這種復制方式提高了復制速率
解析本題通過圖示信息考查DNA分子復制的相關知識.從圖中能看出有3個復制起點,圖中DNA分子復制是邊解旋邊雙向復制的.真核生物DNA分子復制過程需要解旋酶、DNA聚合酶等參與.真核生物DNA分子這種多起點的雙向復制,顯然提高了復制速率.選項A強調了多起點,還強調各起點同時開始,有一定的迷惑性.從圖中形成的復制環(huán)大小來看,各復制起點的開始時間是有先后的,其中右邊的復制起點處應先開始復制,故A項有誤.解好此題,需要有敏銳的觀察力和圖文信息轉換能力.
答案 A.
例2 1958年,Meselson和Stahl通過一系列實驗首次證明了DNA的半保留復制,此后科學家便開始了有關DNA復制起點數目、方向等方面的研究.試回答下列問題:
(1)由于DNA分子呈結構,DNA復制開始時首先必需解旋從而在復制起點位置形成復制叉(如圖2).因此,研究中可以根據復制叉的數量推測.
(2)1963年Cairns將不含放射性的大腸桿菌(擬核DNA呈環(huán)狀)放在含有3H-胸腺嘧啶的培養(yǎng)基中培養(yǎng),進一步證明了DNA的半保留復制.根據圖3的大腸桿菌親代環(huán)狀DNA示意圖,請用簡圖表示復制一次和復制兩次后形成的DNA分子.(注:以“……”表示含放射性的脫氧核苷酸鏈).
(3)DNA的復制從一點開始以后是單向還是雙向進行的,用不含放射性的大腸桿菌DNA放在含有3H-胸腺嘧啶的培養(yǎng)基中培養(yǎng),給以適當的條件,讓其進行復制,得到圖4所示結果,這一結果說明.
(4)為了研究大腸桿菌DNA復制是單起點復制還是多起點復制,用第(2)題的方法,觀察到的大腸桿菌DNA復制過程如圖5所示,這一結果說明大腸桿菌細胞中DNA復制是起點復制的.
解析本題同樣是通過圖示信息,考查學生分析DNA分子復制的新特點.
(1)問中介紹了推測DNA分子復制起點數的方法:DNA分子復制開始時首先需解旋,在復制起點位置會形成復制叉,有一個復制叉,便有一個復制起點;有多個復制叉,便有多個復制起點.如(4)問中,從圖5大腸桿菌DNA復制過程中可觀察到一個復制叉,故大腸桿菌細胞中DNA復制是單起點復制的.事實上原核細胞與真核細胞DNA復制的起點數是有區(qū)別的,真核生物DNA分子的復制常有多個起點.
(2)通過繪圖,考查學生對DNA分子半保留復制特點的掌握情況.其中第二代DNA分子應有兩種情況:一是DNA分子兩條脫氧核苷酸鏈中僅有一條含放射性標記;二是DNA分子兩條鏈都含放射性標記.
(3)從圖4看出,DNA分子復制從復制起點開始,向兩邊同時進行,可見是雙向復制,這也提高了復制速率.
答案:(1)(規(guī)則)雙螺旋 復制起點數量
(2)見圖6(3)DNA復制是雙向的
(4)單
二、DNA半不連續(xù)復制
早在1966年,日本科學家岡崎提出DNA半不連續(xù)復制假說:DNA復制時,以3′→5′走向為模板的一條鏈合成方向為5′→3′,與復制叉方向一致,稱為前導鏈;另一條以5′→3′走向為模板鏈的合成鏈走向與復制叉移動的方向相反,稱為滯后鏈,其合成是不連續(xù)的,先形成許多不連續(xù)的片段(岡崎片段),最后連成一條完整的DNA鏈.該假說后經實驗得以證實.
例3圖7為高等植物細胞DNA復制過程模式圖,請根據圖示過程,回答問題:
(1)由圖示得知,1個DNA分子復制出乙、丙2個DNA分子,其方式是 .
(2)DNA解旋酶能使雙鏈DNA解開,但需要細胞提供 .除了圖中所示酶外,丙DNA分子的合成還需要 酶.
(3)從圖中可以看出合成兩條子鏈的方向,其中一條子鏈是連續(xù)形成,另一條子鏈是.
(4)細胞中DNA復制的場所有;在復制完成后,乙、丙分開的時期為 .
(5)若一個卵原細胞的一條染色體上的β-珠蛋白基因在復制時一條脫氧核苷酸鏈中一個A替換成T,則由該卵原細胞產生的卵細胞攜帶該突變基因的概率是 .
解析(1)由圖可知,復制出乙、丙2個子代DNA分子中,均保留了親代DNA的一條母鏈,其方式為半保留復制.
(2)解旋酶使氫鍵斷裂時需要消耗能量,而丙DNA分子復制的過程中,兩個片段的連接需要DNA連接酶.以往DNA連接酶只在基因工程中提到,此處考查了學生靈活遷移知識的能力.
(3)DNA的兩條鏈反向平行,但是復制的方向都是由5′→3′,所以復制的方向是相反的.其中一條子鏈是連續(xù)形成,另一條子鏈不連續(xù)形成即先形成短鏈片段,然后再由短鏈片段連接形成長片段.
(4)植物細胞中DNA復制的場所主要在細胞核,還可以發(fā)生在線粒體和葉綠體中.復制后的兩個子代DNA存在于兩個姐妹染色單體中,故在有絲分裂后期或減數第二次分裂后期隨著著絲點的分裂而分離.
(5)卵原細胞的一條染色體上的β-珠蛋白基因在復制時一條脫氧核苷酸鏈中一個A替換成T,則復制以后,這一對同源染色體中一條染色單體的DNA中有一堿基對A=T將替換成T=A,而四條染色單體最終要進入四個子細胞中,所以卵細胞攜帶突變基因的概率為1/4.
答案:(1)半保留復制.(2)能量(ATP),
DNA連接.(3)相反, 不連續(xù)形成即先形成短鏈片段. (4)細胞核、線粒體和葉綠體, 有絲分裂后期、減數第二次分裂后期. (5)1/4.
例4雙鏈DNA是由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈組成.早在1966年,日本科學家岡崎提出DNA半不連續(xù)復制假說:DNA復制形成互補子鏈時,一條子鏈是連續(xù)形成,另一條子鏈不連續(xù)即先形成
短鏈片段(如圖8).為驗證這一假說,岡崎進行了如下實驗:讓T4噬菌體在20℃時侵染大腸桿菌70min后,將同位素3H標記的脫氧核苷酸添加到大腸桿菌的培養(yǎng)基中,在2秒、7秒、15秒、30秒、60秒、120秒后,分離T4噬菌體DNA并通過加熱使DNA分子變性、全部解螺旋,再進行密度梯度離心,以DNA單鏈片段分布位置確定片段大?。ǚ肿釉叫‰x試管口距離越近),并檢測相應位置DNA單鏈片段的放射性,結果如圖9.請分析回答:
(1)以3H標記的脫氧核苷酸添加到大腸桿菌的培養(yǎng)基中,最終在噬菌體DNA中檢測到放射性,其原因是 .
(2)若1個雙鏈DNA片段中有1000個堿基對,其中胸腺嘧啶350個,該DNA連續(xù)復制四次,在第四次復制時需要消耗 個胞嘧啶脫氧核苷酸,復制4次后含親代脫氧核苷酸鏈的DNA有 個.
(3)DNA解旋在細胞中需要解旋酶的催化,在體外通過加熱也能實現.解旋酶不能為反應提供能量,但能 .研究表明,在DNA分子加熱解鏈時,DNA分子中G+C的比例越高,需要解鏈溫度越高的原因是 .
(4)圖9中,與60秒結果相比,120秒結果中短鏈片段減少的原因是 .該實驗結果為岡崎假說提供的有力證據是 .
解析本題考查DNA復制及實驗分析能力.(1)T4噬菌體是一種病毒,在侵染細菌時,將自身DNA注入到細菌細胞中,利用細胞提供的原料(氨基酸、脫氧核苷酸)、ATP、多種酶(如DNA聚合酶)、核糖體等分別合成噬菌體蛋白質和DNA,最后組裝成完整噬菌體.而噬菌體是細胞內寄生,不能直接從培養(yǎng)基中獲得營養(yǎng)物質,必須用細菌培養(yǎng).(2)由于在雙鏈DNA中存在堿基互補配對原則,因此,DNA分子中堿基數量存在A=T、C=G;在有1000個堿基對的雙鏈DNA中,胸腺嘧啶350個,胞嘧啶650個,第四次復制形成24-23=8個DNA,需要消耗650×8=5200個胞嘧啶脫氧核苷酸.(3)根據實驗結果可知:在實驗時間內均出現較多的短DNA單鏈片段,說明在DNA復制時先形成短片段,可以支持岡崎假說.拓展:在細胞內DNA復制時,形成的短片段之間(圖8中缺口)需要通過DNA連接酶催化連接成長鏈.
答案:(1)標記的脫氧核苷酸被大腸桿菌吸收,為噬菌體DNA復制提供原料.(2)5200, 2.(3)降低反應所需要的活化能, DNA分子中G+C的比例越高,氫鍵越多,DNA結構越穩(wěn)定. (4)短鏈片段連接形成長片段,在實驗時間內細胞中均能檢測到較多的短鏈片段.
三、DNA合成由RNA引物引發(fā)
利用PCR技術擴增目的基因,需要有引物.引物是一小段DNA或RNA,它能與DNA母鏈的一段堿基序列互補配對,這是在體外.事實上,細胞內的DNA的合成也是由RNA引物引發(fā)進行的.
DNA聚合酶不能發(fā)動新鏈的合成,只能催化已有鏈的延長;RNA聚合酶則不同,只要有模板存在,不需引物,就可以轉錄合成新RNA鏈.因此在體內先由RNA聚合酶合成RNA引物,DNA聚合酶再從RNA引物的3′-OH端開始合成新的DNA鏈.催化RNA引物合成的酶稱為引物合成酶.引物長度通常只有幾個~10多個核苷酸,岡崎片段合成也需要引物.RNA引物的消除和缺口填補是由DNA聚合酶Ⅰ完成的,最后由DNA連接酶連接.
例5DNA復制過程大致可以分為DNA復制的引發(fā)、DNA鏈的延伸和DNA復制的終止三個階段.如圖10所示為DNA復制的部分示意圖.結合此圖,下列對遺傳的相關敘述正確的有( ).
①在DNA復制過程中,與DNA母鏈相配對的堿基種類共有4種
②DNA解旋后,單鏈結合蛋白的作用可能是防止母鏈間重新形成氫鍵
③圖中a過程表明引物發(fā)揮作用后將會切去,使DNA堿基純化
④完成a、b、c過程應需要多種酶的催化才能完成
⑤與DNA復制過程相比,轉錄過程所需模板、原料、酶的種類等均不同
A.②③④⑤ B.①②③④ C.①②③ D.②④⑤
解析從圖中信息可知,DNA復制時,RNA引物將會與DNA母鏈結合,可見與DNA母鏈相配對的堿基種類有5種,①錯誤;DNA解旋后,為了防止母鏈間重新形成氫鍵,單鏈結合蛋白發(fā)揮了重要作用,②正確;DNA完成復制后,子鏈DNA中不含引物,這樣可以使DNA中堿基純化,③正確;DNA復制需要DNA聚合酶、DNA連接酶等多種酶的催化,④正確;DNA復制的模板是DNA的兩條鏈、原料是四種脫氧核苷酸、所需的酶有DNA聚合酶;轉錄的模板是DNA的一條鏈,原料是四種核糖核苷酸,所需酶有RNA聚合酶等,⑤正確.
答案 A.
(收稿日期:2015-12-10)