DNA复制方式探究中不需要考虑“弥散”复制吗-

1、DNA复制方式的探究中不需要考虑“弥散”复制吗 ?-生物论文DNA复制方式的探究中不需要考虑“弥散”复制吗 ？对DNA复制方式的考查，成为近几年高考命题的热点。笔者在高三生物课堂教学中，对此知识点作了适当的延伸，将人教版高中生物必修2?遗传与进化（教师教学用书）P82中“关于DNA分子复制方式的早期推测”内 容有机渗透于复习课中，同时辅以相应的习题加以巩固，在教学中收到较好效果。 但学生在解答2010年北京理综卷第30题时，对题中解题思维和答案产生质疑， 因为所给答案没有考虑对DNA分子复制的第三种方式一一弥散（分散）复制的探 索。笔者也仔细斟酌再三，觉得所给答案值得商榷。/1题目科学家以大肠

2、杆菌为实验对象，运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验，实验内容及结果见表1。请分析并回答：（1）要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌 B，必须经过代培养，且培养液中的是唯一氮源。（2）综合分析本实验的DNA离心结果，第组结果对得到结论起到了关键作用，但需把它与第组和第组的结果进行比较，才能说明DNA分子的复制方式是。（3）分析讨论：DNA若子I代DNA的离心结果为“轻”和“重”两条密度带，则“重带”来自于，据此可判断DNA分子的复制方式不是复制。 若将子I代DNA双链分开后再离心，其结果（选填“能”或“不能”）判断 DNA的复制方式。 若在同等条件下将子U

3、代继续培养，子 n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置，放射性强度发生变化的是带。 若某次实验的结果中，子I代 DNA的“中带”比以往实验结果的“中带”略宽，本题以实验形式考查DNA的复制方式，同时考查学生的实验分析能力以及对知 识的理解和应用能力。此考点几乎每年都有考查。（1）据表1中DNA在15NH4CI为唯一氮源的培养液中培养多代，可得到大肠杆菌 B。（2）若证明DNA的复制为半保留复制，则需证明后代 DNA的两条链，一条链是原 来的，另一条链是新合成的，第 3组结果与第1组、第2组的结果对比可以证 实。（3）“轻” DNA 为 14N/14N-DAN，“重” DNA 为15N/15

4、N-DNA ，据表1，“重带”DN来自于B代。的结果是后代 DNA的两条链或全是原来的，或全是新合成的，说明 DNA分子的复制方式不是半保 留复制。 将子I代DNA双链分开后再离心，无法判断后代DNA的两条链的来源，不能判断 DNA的复制方式。将子U代继续培养，子n代DNA的情况是有2个为15N/14N-DNA ，其余全部为14N/14N-DNA ，所 以子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置没有变化， 放射性强度发生 变化的是轻带。 “中带”为15N/14N-DNA ，“中带”略宽，说明新合成DNA单链中的N尚有少部分为15N。3答案（1）多15NH4CL （2） 3 1 2半保留复制

5、（3）B半保留 不能 没有变化 轻 15N4质疑该命题有不少问题，对于14N和15N是否具有“放射性” 一说，中学生物教学2010年第9期P60页张兴亚和常正良等已探讨 清楚，在此不必赘述。假使14N和15N具有“放射性”，上述试题对于 DNA 分子复制方式的推测也应考虑弥散（分散）复制。但是根据题干第（2）小题所给答案进行推理，得出的结论是：“综合分析本实验第1、2、3组结果，能说明DNA分子的复制方式是半保留复制，并且第3组结果对结论分析起到关键性作用”。笔者认为这种说法值得商榷。回顾一下科学家的探究历程：当沃森和克里克提出DNA半保留复制假设后，由于当时人们并不了解 DNA链可以 分离，

6、所以对这个假说提出质疑，于是又有人提出了另外的假说，即全保留复制 和弥散复制（也称分散复制）。全保留复制模型认为：在DNA复制时，母链DNA 分开，分别复制形成两条子链 DNA，此后两条母链DNA彼此结合，恢复原状， 新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子;弥散复制认为：在复制过程中亲代DNA双链被切割成许多双链片段，然后以这些片段作为模板合 成新链，形成一条旧链和一条新链组成的双链片段， 之后这些双链片段又以某种 方式聚集成“杂种链”（参见下文例题中图 1 ）。此后，美国科学家马修？米西尔逊和福兰克林？斯塔尔在15NH4CI培养基中连续培养大肠杆菌15代，制 备只含15N标记

7、的大肠杆菌的DNA。然后将它转移到只含14N氮源中培养， 复制一代后，所有DNA密度介于15N/15N-DNA 和14N/14N-DAN 之间，即 梯度离心后“仅为中带”。再复制一代后，出现两条区带，一半是中带，一半是 轻带。随着在14N培养液中培养代数的增加，中间密度区的区带量逐渐减少， 低密度区带的量逐渐增加，但并不出现新的区带。为了准确证实第一代DNA分子确实是一半是15N-DNA、一半14N-DNA，他们还将这种分子经加热变性， 对变性前后的DNA分别进行CsCI密度梯度离心。结果变性前的一条“中带”， 变性后则分为两条区带，即“重带” （15N/15N-DNA）和“轻带”（14N/1

8、4N-DNA）。这些实验结果显然只有用半保留复制机制才能圆满解释。而第（2）小题所给答案中，只将第3组实验结果与第1、2组比较，这只能排 除全保留复制，却不能排除弥散复制的可能，即“不能说明 DNA分子的复制方 式是半保留复制”。要想进一步排除弥散复制的可能性，可以再复制一代，如果所有DNA全部位于“中带”，则是弥散复制；如果一半是“中带”，一半是“轻 带”，则是半保留复制了。或者对第一代全位于“中带”的DNA进行热变性和梯度离心，如果仅得到“中带”，则是弥散复制；若一半“中带”、一半“重带”， 则是半保留复制。所以，就本题而言，对半保留复制方式的得出，关键作用的不 能仅仅是第3组结果，必须同

9、时还有第 4组结果。笔者在教学时举例如下：【例1】DNA的复制方式，可以通过设想来进行预测，可能的情况是全保留复 制、半保留复制、弥散（分散）复制三种。究竟是哪种复制方式呢？（图1） 下 面设计实验来证明DNA的复制方式。实验步骤：a.在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌，其 DNA分子均为14NDNA （对照）。b.在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其 DNA分子均为15NDNA （亲代）。 C.将亲代15N大肠杆菌转移到氮源为含14N的培养基中，再连续繁殖两代（I 和U），用密度梯度离心法分离，不同分子量的 DNA分子将分布在试管中的不 同位置上。实验预测：（1）如果与对照（14N

10、/14N ）相比，子代I能分辨出两条DNA带：一条 带和一条 带，则可以排除 。（2）如果子代I只有一条中密度带，则可以排除，但不能肯定是。（3）如果子代I只有一条中密度带，再继续做子代U密度鉴定：若子代U可以分出 和，则可以排除分散复制，同时肯定半保留复制；如果子代U不能分出 密度两条带，则排除，同时确定为 。解析：从题目中的图示可知，深色为亲代DNA的脱氧核苷酸链（母链），浅色为新形成的子代DNA的脱氧核 苷酸链（子链）。因此全保留复制后得到的两个 DNA分子，一个是原来的两条 母链重新形成的亲代DNA分子，一个是两条子链形成的子代 DNA分子;半保留 复制后得到的每个子代DNA分子的一条

11、链为母链，一条链为子链；分散复制后得到的每个子代DNA分子的单链都是由母链片段和子代片段间隔连接而成的。 答案：（1）轻（14N/14N）重（15N/15N ）半保留复制和弥散复制（2）全保留复制 半保留复制或弥散复制 （3）一条中密度带 一条轻密度带 中、轻 半 保留复制弥散复制【例2】科学家在研究DNA分子复制方式时进行了如图2所示的实验研究（已知培养用的细菌大约每20 min分裂一次）。（1）实验一和实验二的作用是。（2）从实验三的结果C、D可以看出DNA分子复制（是/不是）半保留复制。（3）如果实验三的结果都为 F,则可判断DNA分子的复制方式（是/不是）半保留复制。（4）如果DNA分

12、子的复制方式是半保留复制，某次实验的结果中，结果C比以往实验结果所呈现的带略宽，那么可能的原因是新合成DNA单链中的N尚有少部分为 。（5）如果DNA分子的复制方式是半保留复制，与结果 D相比，结果E密度 带的数量和位置，放射性强度不同的是带。解析：（1）实验一和实验二分别表示14N和15N标记的DNA分子的离心结果，其作用是与后面 的实验结果形成对照。（2）从实验三的结果C、D可以看出新形成的DNA分 子中有的保留了原来DNA分子（15N/15N ）中的一条链，可见DNA分子复制 具有半保留复制的特点。（3）结果E表明原来被15N标记的DNA分子的两条 链没有分开。（4） “中带”为15N/14N，“中带”略宽，说明新合成的 DNA 分子之间的相对分子质量有差别，是由 DNA单链中的N尚有少部分为15N引 起的。（5）假设原有DNA分子数目为n，结果D和结果E都有2n个DNA分 子为15N/14N，结果D有2n个DNA 分子为14N/14N，结果E有6n个DNA