DNA復(fù)制方式探究中不需要考慮“彌散”復(fù)制嗎-

1、DNA復(fù)制方式的探究中不需要考慮“彌散”復(fù)制嗎 ?-生物論文DNA復(fù)制方式的探究中不需要考慮“彌散”復(fù)制嗎 ？對DNA復(fù)制方式的考查，成為近幾年高考命題的熱點(diǎn)。筆者在高三生物課堂教學(xué)中，對此知識點(diǎn)作了適當(dāng)?shù)难由?，將人教版高中生物必??遺傳與進(jìn)化（教師教學(xué)用書）P82中“關(guān)于DNA分子復(fù)制方式的早期推測”內(nèi) 容有機(jī)滲透于復(fù)習(xí)課中，同時(shí)輔以相應(yīng)的習(xí)題加以鞏固，在教學(xué)中收到較好效果。 但學(xué)生在解答2010年北京理綜卷第30題時(shí)，對題中解題思維和答案產(chǎn)生質(zhì)疑， 因?yàn)樗o答案沒有考慮對DNA分子復(fù)制的第三種方式一一彌散（分散）復(fù)制的探 索。筆者也仔細(xì)斟酌再三，覺得所給答案值得商榷。/1題目科學(xué)家以大腸

2、桿菌為實(shí)驗(yàn)對象，運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)及密度梯度離心方法進(jìn)行了DNA復(fù)制方式的探索實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果見表1。請分析并回答：（1）要得到DNA中的N全部被放射性標(biāo)記的大腸桿菌 B，必須經(jīng)過代培養(yǎng)，且培養(yǎng)液中的是唯一氮源。（2）綜合分析本實(shí)驗(yàn)的DNA離心結(jié)果，第組結(jié)果對得到結(jié)論起到了關(guān)鍵作用，但需把它與第組和第組的結(jié)果進(jìn)行比較，才能說明DNA分子的復(fù)制方式是。（3）分析討論：DNA若子I代DNA的離心結(jié)果為“輕”和“重”兩條密度帶，則“重帶”來自于，據(jù)此可判斷DNA分子的復(fù)制方式不是復(fù)制。 若將子I代DNA雙鏈分開后再離心，其結(jié)果（選填“能”或“不能”）判斷 DNA的復(fù)制方式。 若在同等條件下將子U

3、代繼續(xù)培養(yǎng)，子 n代DNA離心的結(jié)果是：密度帶的數(shù)量和位置，放射性強(qiáng)度發(fā)生變化的是帶。 若某次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，子I代 DNA的“中帶”比以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“中帶”略寬，本題以實(shí)驗(yàn)形式考查DNA的復(fù)制方式，同時(shí)考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力以及對知 識的理解和應(yīng)用能力。此考點(diǎn)幾乎每年都有考查。（1）據(jù)表1中DNA在15NH4CI為唯一氮源的培養(yǎng)液中培養(yǎng)多代，可得到大腸桿菌 B。（2）若證明DNA的復(fù)制為半保留復(fù)制，則需證明后代 DNA的兩條鏈，一條鏈?zhǔn)窃?來的，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻模?3組結(jié)果與第1組、第2組的結(jié)果對比可以證 實(shí)。（3）“輕” DNA 為 14N/14N-DAN，“重” DNA 為15N/15

4、N-DNA ，據(jù)表1，“重帶”DN來自于B代。的結(jié)果是后代 DNA的兩條鏈或全是原來的，或全是新合成的，說明 DNA分子的復(fù)制方式不是半保 留復(fù)制。 將子I代DNA雙鏈分開后再離心，無法判斷后代DNA的兩條鏈的來源，不能判斷 DNA的復(fù)制方式。將子U代繼續(xù)培養(yǎng)，子n代DNA的情況是有2個(gè)為15N/14N-DNA ，其余全部為14N/14N-DNA ，所 以子n代DNA離心的結(jié)果是：密度帶的數(shù)量和位置沒有變化， 放射性強(qiáng)度發(fā)生 變化的是輕帶。 “中帶”為15N/14N-DNA ，“中帶”略寬，說明新合成DNA單鏈中的N尚有少部分為15N。3答案（1）多15NH4CL （2） 3 1 2半保留復(fù)制

5、（3）B半保留 不能 沒有變化 輕 15N4質(zhì)疑該命題有不少問題，對于14N和15N是否具有“放射性” 一說，中學(xué)生物教學(xué)2010年第9期P60頁張興亞和常正良等已探討 清楚，在此不必贅述。假使14N和15N具有“放射性”，上述試題對于 DNA 分子復(fù)制方式的推測也應(yīng)考慮彌散（分散）復(fù)制。但是根據(jù)題干第（2）小題所給答案進(jìn)行推理，得出的結(jié)論是：“綜合分析本實(shí)驗(yàn)第1、2、3組結(jié)果，能說明DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，并且第3組結(jié)果對結(jié)論分析起到關(guān)鍵性作用”。筆者認(rèn)為這種說法值得商榷?；仡櫼幌驴茖W(xué)家的探究歷程：當(dāng)沃森和克里克提出DNA半保留復(fù)制假設(shè)后，由于當(dāng)時(shí)人們并不了解 DNA鏈可以 分離，

6、所以對這個(gè)假說提出質(zhì)疑，于是又有人提出了另外的假說，即全保留復(fù)制 和彌散復(fù)制（也稱分散復(fù)制）。全保留復(fù)制模型認(rèn)為：在DNA復(fù)制時(shí)，母鏈DNA 分開，分別復(fù)制形成兩條子鏈 DNA，此后兩條母鏈DNA彼此結(jié)合，恢復(fù)原狀， 新合成的兩條子鏈彼此互補(bǔ)結(jié)合形成一條新的雙鏈DNA分子;彌散復(fù)制認(rèn)為：在復(fù)制過程中親代DNA雙鏈被切割成許多雙鏈片段，然后以這些片段作為模板合 成新鏈，形成一條舊鏈和一條新鏈組成的雙鏈片段， 之后這些雙鏈片段又以某種 方式聚集成“雜種鏈”（參見下文例題中圖 1 ）。此后，美國科學(xué)家馬修？米西爾遜和福蘭克林？斯塔爾在15NH4CI培養(yǎng)基中連續(xù)培養(yǎng)大腸桿菌15代，制 備只含15N標(biāo)記

7、的大腸桿菌的DNA。然后將它轉(zhuǎn)移到只含14N氮源中培養(yǎng)， 復(fù)制一代后，所有DNA密度介于15N/15N-DNA 和14N/14N-DAN 之間，即 梯度離心后“僅為中帶”。再復(fù)制一代后，出現(xiàn)兩條區(qū)帶，一半是中帶，一半是 輕帶。隨著在14N培養(yǎng)液中培養(yǎng)代數(shù)的增加，中間密度區(qū)的區(qū)帶量逐漸減少， 低密度區(qū)帶的量逐漸增加，但并不出現(xiàn)新的區(qū)帶。為了準(zhǔn)確證實(shí)第一代DNA分子確實(shí)是一半是15N-DNA、一半14N-DNA，他們還將這種分子經(jīng)加熱變性， 對變性前后的DNA分別進(jìn)行CsCI密度梯度離心。結(jié)果變性前的一條“中帶”， 變性后則分為兩條區(qū)帶，即“重帶” （15N/15N-DNA）和“輕帶”（14N/1

8、4N-DNA）。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯然只有用半保留復(fù)制機(jī)制才能圓滿解釋。而第（2）小題所給答案中，只將第3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第1、2組比較，這只能排 除全保留復(fù)制，卻不能排除彌散復(fù)制的可能，即“不能說明 DNA分子的復(fù)制方 式是半保留復(fù)制”。要想進(jìn)一步排除彌散復(fù)制的可能性，可以再復(fù)制一代，如果所有DNA全部位于“中帶”，則是彌散復(fù)制；如果一半是“中帶”，一半是“輕 帶”，則是半保留復(fù)制了?；蛘邔Φ谝淮挥凇爸袔А钡腄NA進(jìn)行熱變性和梯度離心，如果僅得到“中帶”，則是彌散復(fù)制；若一半“中帶”、一半“重帶”， 則是半保留復(fù)制。所以，就本題而言，對半保留復(fù)制方式的得出，關(guān)鍵作用的不 能僅僅是第3組結(jié)果，必須同

9、時(shí)還有第 4組結(jié)果。筆者在教學(xué)時(shí)舉例如下：【例1】DNA的復(fù)制方式，可以通過設(shè)想來進(jìn)行預(yù)測，可能的情況是全保留復(fù) 制、半保留復(fù)制、彌散（分散）復(fù)制三種。究竟是哪種復(fù)制方式呢？（圖1） 下 面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來證明DNA的復(fù)制方式。實(shí)驗(yàn)步驟：a.在氮源為14N的培養(yǎng)基中生長的大腸桿菌，其 DNA分子均為14NDNA （對照）。b.在氮源為15N的培養(yǎng)基中生長的大腸桿菌，其 DNA分子均為15NDNA （親代）。 C.將親代15N大腸桿菌轉(zhuǎn)移到氮源為含14N的培養(yǎng)基中，再連續(xù)繁殖兩代（I 和U），用密度梯度離心法分離，不同分子量的 DNA分子將分布在試管中的不 同位置上。實(shí)驗(yàn)預(yù)測：（1）如果與對照（14N

10、/14N ）相比，子代I能分辨出兩條DNA帶：一條 帶和一條 帶，則可以排除 。（2）如果子代I只有一條中密度帶，則可以排除，但不能肯定是。（3）如果子代I只有一條中密度帶，再繼續(xù)做子代U密度鑒定：若子代U可以分出 和，則可以排除分散復(fù)制，同時(shí)肯定半保留復(fù)制；如果子代U不能分出 密度兩條帶，則排除，同時(shí)確定為 。解析：從題目中的圖示可知，深色為親代DNA的脫氧核苷酸鏈（母鏈），淺色為新形成的子代DNA的脫氧核 苷酸鏈（子鏈）。因此全保留復(fù)制后得到的兩個(gè) DNA分子，一個(gè)是原來的兩條 母鏈重新形成的親代DNA分子，一個(gè)是兩條子鏈形成的子代 DNA分子;半保留 復(fù)制后得到的每個(gè)子代DNA分子的一條

11、鏈為母鏈，一條鏈為子鏈；分散復(fù)制后得到的每個(gè)子代DNA分子的單鏈都是由母鏈片段和子代片段間隔連接而成的。 答案：（1）輕（14N/14N）重（15N/15N ）半保留復(fù)制和彌散復(fù)制（2）全保留復(fù)制 半保留復(fù)制或彌散復(fù)制 （3）一條中密度帶 一條輕密度帶 中、輕 半 保留復(fù)制彌散復(fù)制【例2】科學(xué)家在研究DNA分子復(fù)制方式時(shí)進(jìn)行了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)研究（已知培養(yǎng)用的細(xì)菌大約每20 min分裂一次）。（1）實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的作用是。（2）從實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果C、D可以看出DNA分子復(fù)制（是/不是）半保留復(fù)制。（3）如果實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果都為 F,則可判斷DNA分子的復(fù)制方式（是/不是）半保留復(fù)制。（4）如果DNA分

12、子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，某次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，結(jié)果C比以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)的帶略寬，那么可能的原因是新合成DNA單鏈中的N尚有少部分為 。（5）如果DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，與結(jié)果 D相比，結(jié)果E密度 帶的數(shù)量和位置，放射性強(qiáng)度不同的是帶。解析：（1）實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二分別表示14N和15N標(biāo)記的DNA分子的離心結(jié)果，其作用是與后面 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成對照。（2）從實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果C、D可以看出新形成的DNA分 子中有的保留了原來DNA分子（15N/15N ）中的一條鏈，可見DNA分子復(fù)制 具有半保留復(fù)制的特點(diǎn)。（3）結(jié)果E表明原來被15N標(biāo)記的DNA分子的兩條 鏈沒有分開。（4） “中帶”為15N/14N，“中帶”略寬，說明新合成的 DNA 分子之間的相對分子質(zhì)量有差別，是由 DNA單鏈中的N尚有少部分為15N引 起的。（5）假設(shè)原有DNA分子數(shù)目為n，結(jié)果D和結(jié)果E都有2n個(gè)DNA分 子為15N/14N，結(jié)果D有2n個(gè)DNA 分子為14N/14N，結(jié)果E有6n個(gè)DNA