DNA分子复制的特点补充

张卓鹏

中学教材中关于DNA分子复制的特点一般提到两点：半保留复制、边解旋边复制.随着现代生物科技的突飞猛进，发现DNA分子复制还有许多新的特点，如真核生物DNA分子的多起点双向复制，所合成的两条子链方向相反等.在近年的高考中，有关DNA分子复制的试题常以新情境、信息给予题的形式出现，较好地考查了学生独立收集信息、处理应用信息的能力.在平常的生物教学中，如进行相关的内容补充，还有利于培养学生的发散思维和创新精神.

一、DNA多起点双向复制

DNA分子复制时，双链要解开成两股链分别进行，所以，这个复制起点呈现叉子的形式，被称为复制叉.许多实验证明，DNA的复制是从固定的起始点开始的.一般把生物体的复制单位称为复制子.一个复制子只含有一个复制起点.通常，细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是作为单个复制子完成复制的，而真核生物基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制，也就是说它们的基因组包含有多个复制子.实验结果表明，无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速的复制方式进行的.复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速前进.

例1图1为真核生物染色体上DNA分子复制过程示意图，有关叙述错误的是（）.

A.图中DNA分子复制是从多个起点同时开始的

B.图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的

C.真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶

D.真核生物的这种复制方式提高了复制速率

解析本题通过图示信息考查DNA分子复制的相关知识.从图中能看出有3个复制起点，图中DNA分子复制是边解旋边双向复制的.真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶、DNA聚合酶等参与.真核生物DNA分子这种多起点的双向复制，显然提高了复制速率.选项A强调了多起点，还强调各起点同时开始，有一定的迷惑性.从图中形成的复制环大小来看，各复制起点的开始时间是有先后的，其中右边的复制起点处应先开始复制，故A项有误.解好此题，需要有敏锐的观察力和图文信息转换能力.

答案 A.

例2 1958年，Meselson和Stahl通过一系列实验首次证明了DNA的半保留复制，此后科学家便开始了有关DNA复制起点数目、方向等方面的研究.试回答下列问题：

（1）由于DNA分子呈结构，DNA复制开始时首先必需解旋从而在复制起点位置形成复制叉（如图2）.因此，研究中可以根据复制叉的数量推测.

（2）1963年Cairns将不含放射性的大肠杆菌（拟核DNA呈环状）放在含有3H-胸腺嘧啶的培养基中培养，进一步证明了DNA的半保留复制.根据图3的大肠杆菌亲代环状DNA示意图，请用简图表示复制一次和复制两次后形成的DNA分子.（注：以“……”表示含放射性的脱氧核苷酸链）.

（3）DNA的复制从一点开始以后是单向还是双向进行的，用不含放射性的大肠杆菌DNA放在含有3H-胸腺嘧啶的培养基中培养，给以适当的条件，让其进行复制，得到图4所示结果，这一结果说明.

（4）为了研究大肠杆菌DNA复制是单起点复制还是多起点复制，用第（2）题的方法，观察到的大肠杆菌DNA复制过程如图5所示，这一结果说明大肠杆菌细胞中DNA复制是起点复制的.

解析本题同样是通过图示信息，考查学生分析DNA分子复制的新特点.

（1）问中介绍了推测DNA分子复制起点数的方法：DNA分子复制开始时首先需解旋，在复制起点位置会形成复制叉，有一个复制叉，便有一个复制起点；有多个复制叉，便有多个复制起点.如（4）问中，从图5大肠杆菌DNA复制过程中可观察到一个复制叉，故大肠杆菌细胞中DNA复制是单起点复制的.事实上原核细胞与真核细胞DNA复制的起点数是有区别的，真核生物DNA分子的复制常有多个起点.

（2）通过绘图，考查学生对DNA分子半保留复制特点的掌握情况.其中第二代DNA分子应有两种情况：一是DNA分子两条脱氧核苷酸链中仅有一条含放射性标记；二是DNA分子两条链都含放射性标记.

（3）从图4看出，DNA分子复制从复制起点开始，向两边同时进行，可见是双向复制，这也提高了复制速率.

答案：（1）（规则）双螺旋 复制起点数量

（2）见图6（3）DNA复制是双向的

（4）单

二、DNA半不连续复制

早在1966年，日本科学家冈崎提出DNA半不连续复制假说：DNA复制时，以3′→5′走向为模板的一条链合成方向为5′→3′，与复制叉方向一致，称为前导链；另一条以5′→3′走向为模板链的合成链走向与复制叉移动的方向相反，称为滞后链，其合成是不连续的，先形成许多不连续的片段（冈崎片段），最后连成一条完整的DNA链.该假说后经实验得以证实.

例3图7为高等植物细胞DNA复制过程模式图，请根据图示过程，回答问题：

（1）由图示得知，1个DNA分子复制出乙、丙2个DNA分子，其方式是 .

（2）DNA解旋酶能使双链DNA解开，但需要细胞提供 .除了图中所示酶外，丙DNA分子的合成还需要 酶.

（3）从图中可以看出合成两条子链的方向，其中一条子链是连续形成，另一条子链是.

（4）细胞中DNA复制的场所有；在复制完成后，乙、丙分开的时期为 .

（5）若一个卵原细胞的一条染色体上的β-珠蛋白基因在复制时一条脱氧核苷酸链中一个A替换成T，则由该卵原细胞产生的卵细胞携带该突变基因的概率是 .

解析（1）由图可知，复制出乙、丙2个子代DNA分子中，均保留了亲代DNA的一条母链，其方式为半保留复制.

（2）解旋酶使氢键断裂时需要消耗能量，而丙DNA分子复制的过程中，两个片段的连接需要DNA连接酶.以往DNA连接酶只在基因工程中提到，此处考查了学生灵活迁移知识的能力.

（3）DNA的两条链反向平行，但是复制的方向都是由5′→3′，所以复制的方向是相反的.其中一条子链是连续形成，另一条子链不连续形成即先形成短链片段，然后再由短链片段连接形成长片段.

（4）植物细胞中DNA复制的场所主要在细胞核，还可以发生在线粒体和叶绿体中.复制后的两个子代DNA存在于两个姐妹染色单体中，故在有丝分裂后期或减数第二次分裂后期随着着丝点的分裂而分离.

（5）卵原细胞的一条染色体上的β-珠蛋白基因在复制时一条脱氧核苷酸链中一个A替换成T，则复制以后，这一对同源染色体中一条染色单体的DNA中有一碱基对A=T将替换成T=A，而四条染色单体最终要进入四个子细胞中，所以卵细胞携带突变基因的概率为1/4.

答案：（1）半保留复制.（2）能量（ATP），

DNA连接.（3）相反， 不连续形成即先形成短链片段. （4）细胞核、线粒体和叶绿体， 有丝分裂后期、减数第二次分裂后期. （5）1/4.

例4双链DNA是由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成.早在1966年，日本科学家冈崎提出DNA半不连续复制假说：DNA复制形成互补子链时，一条子链是连续形成，另一条子链不连续即先形成

短链片段（如图8）.为验证这一假说，冈崎进行了如下实验：让T4噬菌体在20℃时侵染大肠杆菌70min后，将同位素3H标记的脱氧核苷酸添加到大肠杆菌的培养基中，在2秒、7秒、15秒、30秒、60秒、120秒后，分离T4噬菌体DNA并通过加热使DNA分子变性、全部解螺旋，再进行密度梯度离心，以DNA单链片段分布位置确定片段大小（分子越小离试管口距离越近），并检测相应位置DNA单链片段的放射性，结果如图9.请分析回答：

（1）以3H标记的脱氧核苷酸添加到大肠杆菌的培养基中，最终在噬菌体DNA中检测到放射性，其原因是 .

（2）若1个双链DNA片段中有1000个碱基对，其中胸腺嘧啶350个，该DNA连续复制四次，在第四次复制时需要消耗 个胞嘧啶脱氧核苷酸，复制4次后含亲代脱氧核苷酸链的DNA有 个.

（3）DNA解旋在细胞中需要解旋酶的催化，在体外通过加热也能实现.解旋酶不能为反应提供能量，但能 .研究表明，在DNA分子加热解链时，DNA分子中G+C的比例越高，需要解链温度越高的原因是 .

（4）图9中，与60秒结果相比，120秒结果中短链片段减少的原因是 .该实验结果为冈崎假说提供的有力证据是 .

解析本题考查DNA复制及实验分析能力.（1）T4噬菌体是一种病毒，在侵染细菌时，将自身DNA注入到细菌细胞中，利用细胞提供的原料（氨基酸、脱氧核苷酸）、ATP、多种酶（如DNA聚合酶）、核糖体等分别合成噬菌体蛋白质和DNA，最后组装成完整噬菌体.而噬菌体是细胞内寄生，不能直接从培养基中获得营养物质，必须用细菌培养.（2）由于在双链DNA中存在碱基互补配对原则，因此，DNA分子中碱基数量存在A=T、C=G；在有1000个碱基对的双链DNA中，胸腺嘧啶350个，胞嘧啶650个，第四次复制形成24-23=8个DNA，需要消耗650×8=5200个胞嘧啶脱氧核苷酸.（3）根据实验结果可知：在实验时间内均出现较多的短DNA单链片段，说明在DNA复制时先形成短片段，可以支持冈崎假说.拓展：在细胞内DNA复制时，形成的短片段之间（图8中缺口）需要通过DNA连接酶催化连接成长链.

答案：（1）标记的脱氧核苷酸被大肠杆菌吸收，为噬菌体DNA复制提供原料.（2）5200， 2.（3）降低反应所需要的活化能， DNA分子中G+C的比例越高，氢键越多，DNA结构越稳定. （4）短链片段连接形成长片段，在实验时间内细胞中均能检测到较多的短链片段.

三、DNA合成由RNA引物引发

利用PCR技术扩增目的基因，需要有引物.引物是一小段DNA或RNA，它能与DNA母链的一段碱基序列互补配对，这是在体外.事实上，细胞内的DNA的合成也是由RNA引物引发进行的.

DNA聚合酶不能发动新链的合成，只能催化已有链的延长；RNA聚合酶则不同，只要有模板存在，不需引物，就可以转录合成新RNA链.因此在体内先由RNA聚合酶合成RNA引物，DNA聚合酶再从RNA引物的3′-OH端开始合成新的DNA链.催化RNA引物合成的酶称为引物合成酶.引物长度通常只有几个～10多个核苷酸，冈崎片段合成也需要引物.RNA引物的消除和缺口填补是由DNA聚合酶Ⅰ完成的，最后由DNA连接酶连接.

例5DNA复制过程大致可以分为DNA复制的引发、DNA链的延伸和DNA复制的终止三个阶段.如图10所示为DNA复制的部分示意图.结合此图，下列对遗传的相关叙述正确的有（ ）.

①在DNA复制过程中，与DNA母链相配对的碱基种类共有4种

②DNA解旋后，单链结合蛋白的作用可能是防止母链间重新形成氢键

③图中a过程表明引物发挥作用后将会切去，使DNA碱基纯化

④完成a、b、c过程应需要多种酶的催化才能完成

⑤与DNA复制过程相比，转录过程所需模板、原料、酶的种类等均不同

A.②③④⑤ B.①②③④ C.①②③ D.②④⑤

解析从图中信息可知，DNA复制时，RNA引物将会与DNA母链结合，可见与DNA母链相配对的碱基种类有5种，①错误；DNA解旋后，为了防止母链间重新形成氢键，单链结合蛋白发挥了重要作用，②正确；DNA完成复制后，子链DNA中不含引物，这样可以使DNA中碱基纯化，③正确；DNA复制需要DNA聚合酶、DNA连接酶等多种酶的催化，④正确；DNA复制的模板是DNA的两条链、原料是四种脱氧核苷酸、所需的酶有DNA聚合酶；转录的模板是DNA的一条链，原料是四种核糖核苷酸，所需酶有RNA聚合酶等，⑤正确.

答案 A.

（收稿日期：2015-12-10）