《DNA的復(fù)制》延伸與拓展

周悅寒 彭文裕 侯金海

(河北省石家莊市第二中學(xué))

《DNA的復(fù)制》是人教版新教材中必修2第3章第3節(jié)的內(nèi)容,教材中重點(diǎn)闡述了“對DNA復(fù)制的推測”“DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”“DNA復(fù)制的過程”等內(nèi)容,但是在高考題和模擬題中呈現(xiàn)了一些更加復(fù)雜的DNA復(fù)制圖解和信息,這些試題都體現(xiàn)了較強(qiáng)的綜合性。

一、鏈狀雙鏈DNA的半不連續(xù)復(fù)制

1.相關(guān)概念

指DNA復(fù)制時,前導(dǎo)鏈上DNA新鏈的合成是連續(xù)的,后隨鏈上DNA新鏈?zhǔn)怯砷g斷合成的短片段連接而成的,不連續(xù)的,故稱為半不連續(xù)復(fù)制。

2.知識回顧

名稱作用部位作用結(jié)果限制酶磷酸二酯鍵將DNA切成兩個片段DNA連接酶磷酸二酯鍵將兩個DNA片段連接為一個DNA分子DNA聚合酶磷酸二酯鍵將單個脫氧核苷酸依次連接到單鏈末端DNA(水解)酶磷酸二酯鍵將DNA片段水解為單個脫氧核苷酸解旋酶堿基對之間的氫鍵將雙鏈DNA分子局部解旋為單鏈,形成兩條長鏈RNA聚合酶磷酸二酯鍵與DNA上的啟動子結(jié)合,催化核糖核苷酸形成RNA單鏈

3.要點(diǎn)梳理

圖1 真核生物核DNA復(fù)制部分過程示意圖

(1)細(xì)胞中引物的化學(xué)本質(zhì)是RNA,引物的合成需要RNA聚合酶催化。

(2)復(fù)制過程中,引物最終會被酶切除,引物切除后的部分“空白”區(qū)域,可以通過新DNA鏈合成修復(fù),兩個岡崎片段的“缺口”通過DNA連接酶連接。

4.典型例題

【例1】DNA在復(fù)制時,其雙鏈?zhǔn)紫冉忾_,形成復(fù)制叉后先合成RNA引物,然后引導(dǎo)子鏈的合成。圖2為DNA復(fù)制部分過程示意圖。以下敘述錯誤的是

圖2

( )

A.實(shí)現(xiàn)DNA復(fù)制,需要解旋酶、RNA聚合酶、DNA連接酶及DNA聚合酶等多種酶參與

B.解旋后在DNA聚合酶的作用下,兩條子鏈均由5′→3′方向連續(xù)合成

C.從解旋到兩個子代DNA的形成,可能要8種核苷酸參與

D.從解旋方向來看,互補(bǔ)的兩條子鏈的合成方向相反

【答案】B

【解析】DNA復(fù)制過程,需要解旋酶解開DNA雙鏈、RNA聚合酶合成引物、DNA連接酶連接岡崎片段及DNA聚合酶合成子鏈,A正確;解旋后,在DNA聚合酶的作用下,兩條子鏈均由5′→3′方向合成,但其中一條鏈的合成是不連續(xù)的,B錯誤;從解旋到兩個子代DNA的形成,需要合成引物RNA和子鏈DNA,可能要8種核苷酸參與,C正確。

二、鏈狀雙鏈DNA的多起點(diǎn)、雙向復(fù)制

1.相關(guān)概念

多起點(diǎn)復(fù)制:一個DNA分子可以由多個復(fù)制起點(diǎn)同時(或先后)復(fù)制。

雙向復(fù)制:DNA合成時從一個單獨(dú)的復(fù)制起始點(diǎn)上形成兩個復(fù)制叉,然后相背而行,這種復(fù)制方式稱為雙向復(fù)制。

2.知識回顧

(1)DNA復(fù)制的條件:模板(DNA的雙鏈)、能量(ATP水解提供)、酶(解旋酶和DNA聚合酶等)、原料(游離的脫氧核苷酸)。

(2)DNA復(fù)制過程:邊解旋邊復(fù)制、半保留復(fù)制。

3.要點(diǎn)梳理

圖3:真核細(xì)胞的DNA分子復(fù)制時可觀察到多個復(fù)制泡(多起點(diǎn)復(fù)制)。

圖3

圖4:尚未解開雙螺旋的親代DNA同新合成的兩條子代DNA的交界處會形成復(fù)制叉。

圖4

圖5:復(fù)制叉從位于復(fù)制起點(diǎn)的位置開始沿著DNA鏈有序移動,形成多起點(diǎn)雙向復(fù)制。

圖5

4.典型例題

【例2】如圖6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

圖6

圖7

( )

A.DNA分子的復(fù)制是一個邊解旋邊復(fù)制的過程

B.復(fù)制過程中氫鍵的破壞需要DNA聚合酶的催化

C.真核生物多起點(diǎn)雙向復(fù)制能提高DNA復(fù)制的速率

D.DNA分子的獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制提供了精確的模板

【答案】B

【解析】DNA復(fù)制過程中在解旋酶的作用下使雙鏈間的氫鍵斷裂,B錯誤。

三、環(huán)狀雙鏈DNA的D環(huán)復(fù)制

1.相關(guān)概念

哺乳動物線粒體DNA復(fù)制是不對稱的,且雙鏈不是同時復(fù)制。先復(fù)制雙鏈中的一條鏈,待該鏈復(fù)制到2/3的長度時,另一條鏈才開始復(fù)制。這是由于重鏈和輕鏈上有各自的復(fù)制起點(diǎn),因而兩條鏈的復(fù)制進(jìn)度相差甚遠(yuǎn)。其復(fù)制起始的特點(diǎn)是,在起始區(qū)形成D環(huán)結(jié)構(gòu),即重鏈(H鏈)和以重鏈為模板合成的新鏈組成的雙鏈部分以及被新鏈替代出來的單鏈(輕鏈,L鏈)部分形成的結(jié)構(gòu)。

2.知識回顧

(1)解旋酶可以使雙鏈DNA分子的氫鍵斷裂使之形成單鏈。

(2)DNA聚合酶只能將游離的脫氧核苷酸連接到已有的核苷酸鏈上,因此DNA復(fù)制需要引物。

3.要點(diǎn)梳理

(1)兩條子鏈的復(fù)制起點(diǎn)不同。

(2)兩條子鏈復(fù)制的起始與結(jié)束時間不同。

(3)兩條子鏈的合成都是連續(xù)的。

4.典型例題

【例3】動物細(xì)胞的線粒體DNA分子通常呈環(huán)狀雙鏈,即H鏈和L鏈上有兩個復(fù)制起始區(qū),一個用于H鏈合成(簡稱OH),一個用于L鏈合成(簡稱OL)。該DNA復(fù)制時,OH首先被啟動,以L鏈為模板,合成一段RNA作為引物,然后合成H鏈片段,新H鏈一邊合成,一邊取代原來的H鏈,被取代的H鏈以環(huán)的形式游離出來,由于像字母D,被稱為D環(huán)復(fù)制。當(dāng)H鏈合成約2/3時,OL啟動,以被取代的H鏈為模板,合成新的L鏈,待全部復(fù)制完成后,新的H鏈和老的L鏈、新的L鏈和老的H鏈各自組合成兩個環(huán)狀雙螺旋DNA分子。整個過程如圖8所示。下列正確的有幾項(xiàng)

圖8

圖9

( )

①線粒體DNA分子的復(fù)制方式為半保留復(fù)制

②該過程需要解旋酶、RNA聚合酶、DNA聚合酶、DNA連接酶、限制酶

③一條子鏈的復(fù)制是連續(xù)的,另一條子鏈的復(fù)制是不連續(xù)的

④線粒體環(huán)狀DNA分子不含游離的磷酸基團(tuán)

⑤若此DNA連續(xù)復(fù)制2次,最終形成4個環(huán)狀DNA分子,則完成2次復(fù)制共需要6個引物

A.1項(xiàng) B.2項(xiàng)

C.3項(xiàng) D.4項(xiàng)

【答案】C

【解析】①DNA分子的復(fù)制都遵循半保留復(fù)制,①對。②DNA進(jìn)行半保留復(fù)制,以單鏈為模板合成子鏈,因此需要解旋酶將雙鏈解旋為單鏈。題干中“該DNA復(fù)制時,OH首先被啟動,以L鏈為模板,合成一段RNA作為引物,然后合成H鏈片段”,合成RNA引物需要RNA聚合酶。DNA復(fù)制需要用到DNA聚合酶。最終形成兩個環(huán)狀DNA分子,子鏈成環(huán)需要用到DNA連接酶。圖中整個D環(huán)復(fù)制過程中沒有磷酸二酯鍵的斷裂,因此不需要限制酶,②錯。③兩條子鏈的合成都是連續(xù)的,③錯。④鏈狀雙鏈DNA的兩條單鏈的5′端分別存在一個游離的磷酸基團(tuán)。而環(huán)狀DNA中所有的磷酸基團(tuán)都參與磷酸二酯鍵的形成,因此不含游離的磷酸基團(tuán),④對。⑤DNA連續(xù)復(fù)制2次,最終形成4個環(huán)狀DNA分子,新合成的子鏈數(shù)為23-2=6,每合成一個子鏈都需要引物,因此需要6個引物,⑤對。

四、環(huán)狀雙鏈DNA的θ復(fù)制

1.相關(guān)概念

大腸桿菌DNA環(huán)狀雙鏈分子從復(fù)制起點(diǎn)開始復(fù)制,形成兩個復(fù)制叉,雙向復(fù)制形成外形酷似θ字而得名,該復(fù)制需要RNA引物進(jìn)行半保留、半不連續(xù)復(fù)制。

2.知識回顧

(1)RNA引物需要RNA聚合酶合成。

(2)子鏈的合成方向都是從5′到3′。

3.要點(diǎn)梳理

(1)復(fù)制泡中的兩條子鏈的合成具有連續(xù)和不連續(xù)的部分。

(2)DNA連接酶可將不連續(xù)的DNA片段合成完整的片段。

4.典型例題

【例4】大腸桿菌DNA、多瘤病毒DNA等環(huán)狀DNA,因?yàn)橹挥幸粋€復(fù)制起始點(diǎn),向兩個相反的方向進(jìn)行復(fù)制,其復(fù)制泡形成希臘字母θ型結(jié)構(gòu)。隨著復(fù)制的進(jìn)行,“復(fù)制泡”逐漸擴(kuò)大,直至產(chǎn)生2個相同的環(huán)狀DNA,相關(guān)過程如圖10所示。下列說法錯誤的是

圖10

( )

A.子鏈的合成方向都是從5′到3′

B.“復(fù)制泡”逐漸擴(kuò)大的過程中有氫鍵的斷裂和生成

C.上面子鏈合成是連續(xù)的,下面子鏈合成是不連續(xù)的

D.可加入外源放射性標(biāo)記胸腺嘧啶,探究DNA復(fù)制的起始點(diǎn)

【答案】C

【解析】DNA聚合酶能夠從引物的3′端開始連接脫氧核苷酸,因此子鏈的合成方向都是從5′到3′,A正確。雙鏈解旋為兩條單鏈,堿基之間的氫鍵斷裂;以單鏈為模板合成子鏈的過程中,堿基之間合成氫鍵,B正確?！皬?fù)制泡”向兩端擴(kuò)大的過程中,以上面一條子鏈為例,由于子鏈的合成方向都是從5′到3′,因此左側(cè)片段的合成是連續(xù)的,右側(cè)片段需要“復(fù)制泡”向右擴(kuò)大,暴露出特定的序列,子鏈在該序列基礎(chǔ)上從5′到3′延伸,因此右側(cè)片段的合成是不連續(xù)的,C錯誤。外源放射性標(biāo)記的胸腺嘧啶可參與胸腺嘧啶脫氧核苷酸的合成,作為DNA復(fù)制的原料,當(dāng)DNA開始復(fù)制時,起始點(diǎn)具有的放射性高,其他位置幾乎沒有放射性,D正確。

五、環(huán)狀雙鏈DNA的滾環(huán)復(fù)制

1.相關(guān)概念

在環(huán)狀雙鏈DNA的一條鏈上造成專一性缺口,產(chǎn)生游離的3′—OH末端作為引物,以另一條完整環(huán)狀單鏈作為模板,由DNA聚合酶催化延伸,新合成的鏈沿著環(huán)狀的模板鏈滾動;這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)稱為滾環(huán)。隨著它的滾動,3′端不斷延長,5′端不斷地被置換甩出而成為一條單鏈,該單鏈可以延長出基因組的多個拷貝單位,按照單位長度斷裂,就會產(chǎn)生多個單鏈線性拷貝。

2.知識回顧

(1)限制酶是識別特定的核苷酸序列,并在特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵進(jìn)行切割的一類酶。

(2)DNA聚合酶能夠從引物的3′端開始連接脫氧核苷酸。

3.要點(diǎn)梳理

圖11

(1)以b鏈為模板合成子鏈不需要合成引物,它以切開的a鏈為引物,并在3′端延伸。

(2)以a鏈為模板合成子鏈需要合成RNA引物。

(3)以b鏈為模板合成子鏈的過程是連續(xù)的。

(4)以a鏈為模板合成子鏈的過程是不連續(xù)的。

(5)DNA連接酶可以將不連續(xù)的DNA片段合成完整的DNA片段;可以連接鏈狀雙鏈DNA使之成環(huán)。

4.典型例題

【例5】一些低等生物的DNA或染色體外,環(huán)狀雙鏈DNA的正鏈(a鏈)由一核酸內(nèi)切酶在特定的位置切開,游離出一個3′-OH和一個5′-磷酸基末端。5′-磷酸末端在酶的作用下,固著到細(xì)胞膜上。隨后,在DNA聚合酶催化下,以環(huán)狀負(fù)鏈(b鏈)為模板,從正鏈(a鏈)的3′-OH末端加入與負(fù)鏈(b鏈)互補(bǔ)的脫氧核苷酸,使鏈不斷延長,通過滾動而合成新的正鏈。與此同時,以伸展的正鏈為模板,合成互補(bǔ)的新的負(fù)鏈。最后合成兩個環(huán)狀子代雙鏈分子。下列說法錯誤的是

( )

圖12

A.滾環(huán)復(fù)制起始時需要特異的酶在起始點(diǎn)切開一條鏈的磷酸二酯鍵

B.滾環(huán)復(fù)制中需要用到DNA連接酶

C.每條子鏈的合成都需要合成引物

D.滾環(huán)復(fù)制中,負(fù)鏈滾動方向?yàn)槟鏁r針

【答案】C

【解析】環(huán)狀雙鏈DNA的正鏈由一核酸內(nèi)切酶在特定的位置切開,A正確。圖中以a鏈為模板合成的子鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)的,需要DNA連接酶進(jìn)行連接,B正確。題干中,從正鏈的3′-OH末端加入與負(fù)鏈互補(bǔ)的脫氧核苷酸,因此正鏈充當(dāng)了引物,該子鏈的合成不需要合成引物,C錯誤。由題目信息a鏈的5′端固著到細(xì)胞膜上可知,只有當(dāng)負(fù)鏈逆時針滾動時,兩條母鏈會解旋,并且以負(fù)鏈為模板合成的子鏈會持續(xù)延伸,以正鏈為模板的子鏈會不連續(xù)的合成,D正確。

以上例題充分考查了學(xué)生的生命觀念、科學(xué)思維等核心素養(yǎng),尤其考查了從新情境中獲取相關(guān)信息的能力,以及將舊知識與新信息進(jìn)行整合的能力,對標(biāo)了高考關(guān)于創(chuàng)新性、綜合性考查的要求。