DNA分子復(fù)制的特點補(bǔ)充

張卓鵬

中學(xué)教材中關(guān)于DNA分子復(fù)制的特點一般提到兩點：半保留復(fù)制、邊解旋邊復(fù)制.隨著現(xiàn)代生物科技的突飛猛進(jìn)，發(fā)現(xiàn)DNA分子復(fù)制還有許多新的特點，如真核生物DNA分子的多起點雙向復(fù)制，所合成的兩條子鏈方向相反等.在近年的高考中，有關(guān)DNA分子復(fù)制的試題常以新情境、信息給予題的形式出現(xiàn)，較好地考查了學(xué)生獨立收集信息、處理應(yīng)用信息的能力.在平常的生物教學(xué)中，如進(jìn)行相關(guān)的內(nèi)容補(bǔ)充，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神.

一、DNA多起點雙向復(fù)制

DNA分子復(fù)制時，雙鏈要解開成兩股鏈分別進(jìn)行，所以，這個復(fù)制起點呈現(xiàn)叉子的形式，被稱為復(fù)制叉.許多實驗證明，DNA的復(fù)制是從固定的起始點開始的.一般把生物體的復(fù)制單位稱為復(fù)制子.一個復(fù)制子只含有一個復(fù)制起點.通常，細(xì)菌、病毒和線粒體的DNA分子都是作為單個復(fù)制子完成復(fù)制的，而真核生物基因組可以同時在多個復(fù)制起點上進(jìn)行雙向復(fù)制，也就是說它們的基因組包含有多個復(fù)制子.實驗結(jié)果表明，無論是原核生物還是真核生物，DNA的復(fù)制主要是從固定的起始點以雙向等速的復(fù)制方式進(jìn)行的.復(fù)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(jìn).

例1圖1為真核生物染色體上DNA分子復(fù)制過程示意圖，有關(guān)敘述錯誤的是（）.

A.圖中DNA分子復(fù)制是從多個起點同時開始的

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

解析本題通過圖示信息考查DNA分子復(fù)制的相關(guān)知識.從圖中能看出有3個復(fù)制起點，圖中DNA分子復(fù)制是邊解旋邊雙向復(fù)制的.真核生物DNA分子復(fù)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(fù)制，顯然提高了復(fù)制速率.選項A強(qiáng)調(diào)了多起點，還強(qiáng)調(diào)各起點同時開始，有一定的迷惑性.從圖中形成的復(fù)制環(huán)大小來看，各復(fù)制起點的開始時間是有先后的，其中右邊的復(fù)制起點處應(yīng)先開始復(fù)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(zhuǎn)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(fù)制，此后科學(xué)家便開始了有關(guān)DNA復(fù)制起點數(shù)目、方向等方面的研究.試回答下列問題：

（1）由于DNA分子呈結(jié)構(gòu)，DNA復(fù)制開始時首先必需解旋從而在復(fù)制起點位置形成復(fù)制叉（如圖2）.因此，研究中可以根據(jù)復(fù)制叉的數(shù)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(jìn)一步證明了DNA的半保留復(fù)制.根據(jù)圖3的大腸桿菌親代環(huán)狀DNA示意圖，請用簡圖表示復(fù)制一次和復(fù)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(fù)制從一點開始以后是單向還是雙向進(jìn)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(dāng)?shù)臈l件，讓其進(jìn)行復(fù)制，得到圖4所示結(jié)果，這一結(jié)果說明.

（4）為了研究大腸桿菌DNA復(fù)制是單起點復(fù)制還是多起點復(fù)制，用第（2）題的方法，觀察到的大腸桿菌DNA復(fù)制過程如圖5所示，這一結(jié)果說明大腸桿菌細(xì)胞中DNA復(fù)制是起點復(fù)制的.

解析本題同樣是通過圖示信息，考查學(xué)生分析DNA分子復(fù)制的新特點.

（1）問中介紹了推測DNA分子復(fù)制起點數(shù)的方法：DNA分子復(fù)制開始時首先需解旋，在復(fù)制起點位置會形成復(fù)制叉，有一個復(fù)制叉，便有一個復(fù)制起點；有多個復(fù)制叉，便有多個復(fù)制起點.如（4）問中，從圖5大腸桿菌DNA復(fù)制過程中可觀察到一個復(fù)制叉，故大腸桿菌細(xì)胞中DNA復(fù)制是單起點復(fù)制的.事實上原核細(xì)胞與真核細(xì)胞DNA復(fù)制的起點數(shù)是有區(qū)別的，真核生物DNA分子的復(fù)制常有多個起點.

（2）通過繪圖，考查學(xué)生對DNA分子半保留復(fù)制特點的掌握情況.其中第二代DNA分子應(yīng)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(biāo)記；二是DNA分子兩條鏈都含放射性標(biāo)記.

（3）從圖4看出，DNA分子復(fù)制從復(fù)制起點開始，向兩邊同時進(jìn)行，可見是雙向復(fù)制，這也提高了復(fù)制速率.

答案：（1）（規(guī)則）雙螺旋 復(fù)制起點數(shù)量

（2）見圖6（3）DNA復(fù)制是雙向的

（4）單

二、DNA半不連續(xù)復(fù)制

早在1966年，日本科學(xué)家岡崎提出DNA半不連續(xù)復(fù)制假說：DNA復(fù)制時，以3′→5′走向為模板的一條鏈合成方向為5′→3′，與復(fù)制叉方向一致，稱為前導(dǎo)鏈；另一條以5′→3′走向為模板鏈的合成鏈走向與復(fù)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(jīng)實驗得以證實.

例3圖7為高等植物細(xì)胞DNA復(fù)制過程模式圖，請根據(jù)圖示過程，回答問題：

（1）由圖示得知，1個DNA分子復(fù)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(xì)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?zhǔn)沁B續(xù)形成，另一條子鏈?zhǔn)?

（4）細(xì)胞中DNA復(fù)制的場所有；在復(fù)制完成后，乙、丙分開的時期為 .

（5）若一個卵原細(xì)胞的一條染色體上的β-珠蛋白基因在復(fù)制時一條脫氧核苷酸鏈中一個A替換成T，則由該卵原細(xì)胞產(chǎn)生的卵細(xì)胞攜帶該突變基因的概率是 .

解析（1）由圖可知，復(fù)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(fù)制.

（2）解旋酶使氫鍵斷裂時需要消耗能量，而丙DNA分子復(fù)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(xué)生靈活遷移知識的能力.

（3）DNA的兩條鏈反向平行，但是復(fù)制的方向都是由5′→3′，所以復(fù)制的方向是相反的.其中一條子鏈?zhǔn)沁B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(xì)胞中DNA復(fù)制的場所主要在細(xì)胞核，還可以發(fā)生在線粒體和葉綠體中.復(fù)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(shù)第二次分裂后期隨著著絲點的分裂而分離.

（5）卵原細(xì)胞的一條染色體上的β-珠蛋白基因在復(fù)制時一條脫氧核苷酸鏈中一個A替換成T，則復(fù)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(jìn)入四個子細(xì)胞中，所以卵細(xì)胞攜帶突變基因的概率為1/4.

答案：（1）半保留復(fù)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(xì)胞核、線粒體和葉綠體， 有絲分裂后期、減數(shù)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(xué)家岡崎提出DNA半不連續(xù)復(fù)制假說：DNA復(fù)制形成互補(bǔ)子鏈時，一條子鏈?zhǔn)沁B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(jìn)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(biāo)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(jìn)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(yīng)位置DNA單鏈片段的放射性，結(jié)果如圖9.請分析回答：

（1）以3H標(biāo)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(fù)制四次，在第四次復(fù)制時需要消耗 個胞嘧啶脫氧核苷酸，復(fù)制4次后含親代脫氧核苷酸鏈的DNA有 個.

（3）DNA解旋在細(xì)胞中需要解旋酶的催化，在體外通過加熱也能實現(xiàn).解旋酶不能為反應(yīng)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(jié)果相比，120秒結(jié)果中短鏈片段減少的原因是 .該實驗結(jié)果為岡崎假說提供的有力證據(jù)是 .

解析本題考查DNA復(fù)制及實驗分析能力.（1）T4噬菌體是一種病毒，在侵染細(xì)菌時，將自身DNA注入到細(xì)菌細(xì)胞中，利用細(xì)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(zhì)和DNA，最后組裝成完整噬菌體.而噬菌體是細(xì)胞內(nèi)寄生，不能直接從培養(yǎng)基中獲得營養(yǎng)物質(zhì)，必須用細(xì)菌培養(yǎng).（2）由于在雙鏈DNA中存在堿基互補(bǔ)配對原則，因此，DNA分子中堿基數(shù)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(fù)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(jù)實驗結(jié)果可知：在實驗時間內(nèi)均出現(xiàn)較多的短DNA單鏈片段，說明在DNA復(fù)制時先形成短片段，可以支持岡崎假說.拓展：在細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)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(biāo)記的脫氧核苷酸被大腸桿菌吸收，為噬菌體DNA復(fù)制提供原料.（2）5200， 2.（3）降低反應(yīng)所需要的活化能， DNA分子中G+C的比例越高，氫鍵越多，DNA結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定. （4）短鏈片段連接形成長片段，在實驗時間內(nèi)細(xì)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(shù)擴(kuò)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(bǔ)配對，這是在體外.事實上，細(xì)胞內(nèi)的DNA的合成也是由RNA引物引發(fā)進(jìn)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(zhuǎn)錄合成新RNA鏈.因此在體內(nèi)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(bǔ)是由DNA聚合酶Ⅰ完成的，最后由DNA連接酶連接.

例5DNA復(fù)制過程大致可以分為DNA復(fù)制的引發(fā)、DNA鏈的延伸和DNA復(fù)制的終止三個階段.如圖10所示為DNA復(fù)制的部分示意圖.結(jié)合此圖，下列對遺傳的相關(guān)敘述正確的有（ ）.

①在DNA復(fù)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(jié)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(yīng)需要多種酶的催化才能完成

⑤與DNA復(fù)制過程相比，轉(zhuǎn)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(fù)制時，RNA引物將會與DNA母鏈結(jié)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(jié)合蛋白發(fā)揮了重要作用，②正確；DNA完成復(fù)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(fù)制需要DNA聚合酶、DNA連接酶等多種酶的催化，④正確；DNA復(fù)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(zhuǎn)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）