用數(shù)形結(jié)合思想求解PCR技術(shù)中的數(shù)量關(guān)系

張愛清 譚亞丹

(湖北省武漢市第六中學(xué) 武漢 430016)

在人教版和江蘇版的高中生物學(xué)教材中，PCR技術(shù)是在選修1和選修3中都有涉及的內(nèi)容。PCR技術(shù)是基因工程的核心環(huán)節(jié)、構(gòu)建基因表達(dá)載體的基礎(chǔ)。PCR技術(shù)中的數(shù)量關(guān)系是本節(jié)中的教學(xué)難點之一。這些知識抽象、深奧，學(xué)生缺乏感性的認(rèn)識，自主學(xué)習(xí)的困難較大。

數(shù)學(xué)家華羅庚先生說過：“數(shù)缺形時少直觀，形少數(shù)時難入微，數(shù)形結(jié)合百般好，裂隔分家萬事休?！北疚睦脭?shù)形結(jié)合的思想方法(即結(jié)合圖表)，構(gòu)建PCR過程的數(shù)學(xué)模型(圖1)，使其中的數(shù)量關(guān)系一目了然。

圖1 PCR過程的數(shù)學(xué)模型圖

DNA聚合酶不能從頭開始合成DNA，只能將單個脫氧核苷酸連續(xù)結(jié)合到雙鏈DNA片段的引物鏈上。PCR反應(yīng)中有兩種引物，即5′端引物與3′端引物，兩者分別是與模板5′端序列和模板3′端序列互補(bǔ)的寡核苷酸。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物可分為長產(chǎn)物片段和短產(chǎn)物片段兩部分，這是由于引物所結(jié)合的模板不一樣而形成的。其中的短產(chǎn)物片段才是需要擴(kuò)增的目的基因特定片段，其長度嚴(yán)格地限定在兩個引物鏈5′端之間。以一個原始模板為例，在第1輪反應(yīng)周期中，以兩條互補(bǔ)的DNA鏈為模板，引物是從3′端開始延伸，其5′端是固定的，3′端則沒有固定的止點，長短不一，這就是“長產(chǎn)物片段”。進(jìn)入第2輪循環(huán)后，引物除與原始模板結(jié)合外，還要同新合成的鏈(即“長產(chǎn)物片段”)結(jié)合。引物在與新鏈結(jié)合時，由于新鏈模板的5′端序列是固定的，這就等于這次延伸的片段3′端被固定了止點，保證了新片段的起點和止點都限定于引物擴(kuò)增序列以內(nèi)，開始形成“短產(chǎn)物片段”。

學(xué)生通過自行繪圖可推知，第1、2輪循環(huán)后，得到的兩DNA片段中2條脫氧核苷酸鏈都不等長，需到第3輪才出現(xiàn)2條脫氧核苷酸鏈長度一致的短產(chǎn)物片段。大多數(shù)PCR含25～35輪循環(huán)，在最后一個循環(huán)后，反應(yīng)在72℃維持5～15min，使引物延伸完全，并使單鏈產(chǎn)物退火成雙鏈。由圖1可知，3輪循環(huán)中PCR技術(shù)中的數(shù)量關(guān)系。不難看出，“短產(chǎn)物片段”是按指數(shù)倍數(shù)增加，而“長產(chǎn)物片段”則以算術(shù)倍數(shù)增加，幾乎可以忽略不計，這就能保證足夠純的DNA片段供分析與檢測用。

在已經(jīng)學(xué)習(xí)過DNA半保留復(fù)制原理知識的基礎(chǔ)上，利用不完全歸納法便可總結(jié)出n輪循環(huán)后的DNA分子產(chǎn)物情況的規(guī)律公式(表1)。

表1 PCR技術(shù)中的數(shù)量關(guān)系

表1 PCR技術(shù)中的數(shù)量關(guān)系

PCR循環(huán)次數(shù)123nDNA分子數(shù)2482n不含引物的DNA分子數(shù)0000含引物A(或B)的DNA分子數(shù)1372n-1同時含引物A、 B的DNA分子數(shù)0262n-2共消耗的(產(chǎn)物中含)引物數(shù)量26142n+1-2兩條脫氧核苷酸鏈等長的DNA分子數(shù)0022n-2n與目的基因相同的DNA分子數(shù)0022n-2nDNA分子種類2455(n≥3)