《DNA的复制》延伸与拓展

周悦寒 彭文裕 侯金海

(河北省石家庄市第二中学)

《DNA的复制》是人教版新教材中必修2第3章第3节的内容,教材中重点阐述了“对DNA复制的推测”“DNA半保留复制的实验证据”“DNA复制的过程”等内容,但是在高考题和模拟题中呈现了一些更加复杂的DNA复制图解和信息,这些试题都体现了较强的综合性。

一、链状双链DNA的半不连续复制

1.相关概念

指DNA复制时,前导链上DNA新链的合成是连续的,后随链上DNA新链是由间断合成的短片段连接而成的,不连续的,故称为半不连续复制。

2.知识回顾

名称作用部位作用结果限制酶磷酸二酯键将DNA切成两个片段DNA连接酶磷酸二酯键将两个DNA片段连接为一个DNA分子DNA聚合酶磷酸二酯键将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端DNA(水解)酶磷酸二酯键将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸解旋酶碱基对之间的氢键将双链DNA分子局部解旋为单链,形成两条长链RNA聚合酶磷酸二酯键与DNA上的启动子结合,催化核糖核苷酸形成RNA单链

3.要点梳理

图1 真核生物核DNA复制部分过程示意图

(1)细胞中引物的化学本质是RNA,引物的合成需要RNA聚合酶催化。

(2)复制过程中,引物最终会被酶切除,引物切除后的部分“空白”区域,可以通过新DNA链合成修复,两个冈崎片段的“缺口”通过DNA连接酶连接。

4.典型例题

【例1】DNA在复制时,其双链首先解开,形成复制叉后先合成RNA引物,然后引导子链的合成。图2为DNA复制部分过程示意图。以下叙述错误的是

图2

( )

A.实现DNA复制,需要解旋酶、RNA聚合酶、DNA连接酶及DNA聚合酶等多种酶参与

B.解旋后在DNA聚合酶的作用下,两条子链均由5′→3′方向连续合成

C.从解旋到两个子代DNA的形成,可能要8种核苷酸参与

D.从解旋方向来看,互补的两条子链的合成方向相反

【答案】B

【解析】DNA复制过程,需要解旋酶解开DNA双链、RNA聚合酶合成引物、DNA连接酶连接冈崎片段及DNA聚合酶合成子链,A正确;解旋后,在DNA聚合酶的作用下,两条子链均由5′→3′方向合成,但其中一条链的合成是不连续的,B错误;从解旋到两个子代DNA的形成,需要合成引物RNA和子链DNA,可能要8种核苷酸参与,C正确。

二、链状双链DNA的多起点、双向复制

1.相关概念

多起点复制:一个DNA分子可以由多个复制起点同时(或先后)复制。

双向复制:DNA合成时从一个单独的复制起始点上形成两个复制叉,然后相背而行,这种复制方式称为双向复制。

2.知识回顾

(1)DNA复制的条件:模板(DNA的双链)、能量(ATP水解提供)、酶(解旋酶和DNA聚合酶等)、原料(游离的脱氧核苷酸)。

(2)DNA复制过程:边解旋边复制、半保留复制。

3.要点梳理

图3:真核细胞的DNA分子复制时可观察到多个复制泡(多起点复制)。

图3

图4:尚未解开双螺旋的亲代DNA同新合成的两条子代DNA的交界处会形成复制叉。

图4

图5:复制叉从位于复制起点的位置开始沿着DNA链有序移动,形成多起点双向复制。

图5

4.典型例题

【例2】如图6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

图6

图7

( )

A.DNA分子的复制是一个边解旋边复制的过程

B.复制过程中氢键的破坏需要DNA聚合酶的催化

C.真核生物多起点双向复制能提高DNA复制的速率

D.DNA分子的独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板

【答案】B

【解析】DNA复制过程中在解旋酶的作用下使双链间的氢键断裂,B错误。

三、环状双链DNA的D环复制

1.相关概念

哺乳动物线粒体DNA复制是不对称的,且双链不是同时复制。先复制双链中的一条链,待该链复制到2/3的长度时,另一条链才开始复制。这是由于重链和轻链上有各自的复制起点,因而两条链的复制进度相差甚远。其复制起始的特点是,在起始区形成D环结构,即重链(H链)和以重链为模板合成的新链组成的双链部分以及被新链替代出来的单链(轻链,L链)部分形成的结构。

2.知识回顾

(1)解旋酶可以使双链DNA分子的氢键断裂使之形成单链。

(2)DNA聚合酶只能将游离的脱氧核苷酸连接到已有的核苷酸链上,因此DNA复制需要引物。

3.要点梳理

(1)两条子链的复制起点不同。

(2)两条子链复制的起始与结束时间不同。

(3)两条子链的合成都是连续的。

4.典型例题

【例3】动物细胞的线粒体DNA分子通常呈环状双链,即H链和L链上有两个复制起始区,一个用于H链合成(简称OH),一个用于L链合成(简称OL)。该DNA复制时,OH首先被启动,以L链为模板,合成一段RNA作为引物,然后合成H链片段,新H链一边合成,一边取代原来的H链,被取代的H链以环的形式游离出来,由于像字母D,被称为D环复制。当H链合成约2/3时,OL启动,以被取代的H链为模板,合成新的L链,待全部复制完成后,新的H链和老的L链、新的L链和老的H链各自组合成两个环状双螺旋DNA分子。整个过程如图8所示。下列正确的有几项

图8

图9

( )

①线粒体DNA分子的复制方式为半保留复制

②该过程需要解旋酶、RNA聚合酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、限制酶

③一条子链的复制是连续的,另一条子链的复制是不连续的

④线粒体环状DNA分子不含游离的磷酸基团

⑤若此DNA连续复制2次,最终形成4个环状DNA分子,则完成2次复制共需要6个引物

A.1项 B.2项

C.3项 D.4项

【答案】C

【解析】①DNA分子的复制都遵循半保留复制,①对。②DNA进行半保留复制,以单链为模板合成子链,因此需要解旋酶将双链解旋为单链。题干中“该DNA复制时,OH首先被启动,以L链为模板,合成一段RNA作为引物,然后合成H链片段”,合成RNA引物需要RNA聚合酶。DNA复制需要用到DNA聚合酶。最终形成两个环状DNA分子,子链成环需要用到DNA连接酶。图中整个D环复制过程中没有磷酸二酯键的断裂,因此不需要限制酶,②错。③两条子链的合成都是连续的,③错。④链状双链DNA的两条单链的5′端分别存在一个游离的磷酸基团。而环状DNA中所有的磷酸基团都参与磷酸二酯键的形成,因此不含游离的磷酸基团,④对。⑤DNA连续复制2次,最终形成4个环状DNA分子,新合成的子链数为23-2=6,每合成一个子链都需要引物,因此需要6个引物,⑤对。

四、环状双链DNA的θ复制

1.相关概念

大肠杆菌DNA环状双链分子从复制起点开始复制,形成两个复制叉,双向复制形成外形酷似θ字而得名,该复制需要RNA引物进行半保留、半不连续复制。

2.知识回顾

(1)RNA引物需要RNA聚合酶合成。

(2)子链的合成方向都是从5′到3′。

3.要点梳理

(1)复制泡中的两条子链的合成具有连续和不连续的部分。

(2)DNA连接酶可将不连续的DNA片段合成完整的片段。

4.典型例题

【例4】大肠杆菌DNA、多瘤病毒DNA等环状DNA,因为只有一个复制起始点,向两个相反的方向进行复制,其复制泡形成希腊字母θ型结构。随着复制的进行,“复制泡”逐渐扩大,直至产生2个相同的环状DNA,相关过程如图10所示。下列说法错误的是

图10

( )

A.子链的合成方向都是从5′到3′

B.“复制泡”逐渐扩大的过程中有氢键的断裂和生成

C.上面子链合成是连续的,下面子链合成是不连续的

D.可加入外源放射性标记胸腺嘧啶,探究DNA复制的起始点

【答案】C

【解析】DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸,因此子链的合成方向都是从5′到3′,A正确。双链解旋为两条单链,碱基之间的氢键断裂;以单链为模板合成子链的过程中,碱基之间合成氢键,B正确。“复制泡”向两端扩大的过程中,以上面一条子链为例,由于子链的合成方向都是从5′到3′,因此左侧片段的合成是连续的,右侧片段需要“复制泡”向右扩大,暴露出特定的序列,子链在该序列基础上从5′到3′延伸,因此右侧片段的合成是不连续的,C错误。外源放射性标记的胸腺嘧啶可参与胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成,作为DNA复制的原料,当DNA开始复制时,起始点具有的放射性高,其他位置几乎没有放射性,D正确。

五、环状双链DNA的滚环复制

1.相关概念

在环状双链DNA的一条链上造成专一性缺口,产生游离的3′—OH末端作为引物,以另一条完整环状单链作为模板,由DNA聚合酶催化延伸,新合成的链沿着环状的模板链滚动;这种环状结构称为滚环。随着它的滚动,3′端不断延长,5′端不断地被置换甩出而成为一条单链,该单链可以延长出基因组的多个拷贝单位,按照单位长度断裂,就会产生多个单链线性拷贝。

2.知识回顾

(1)限制酶是识别特定的核苷酸序列,并在特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键进行切割的一类酶。

(2)DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。

3.要点梳理

图11

(1)以b链为模板合成子链不需要合成引物,它以切开的a链为引物,并在3′端延伸。

(2)以a链为模板合成子链需要合成RNA引物。

(3)以b链为模板合成子链的过程是连续的。

(4)以a链为模板合成子链的过程是不连续的。

(5)DNA连接酶可以将不连续的DNA片段合成完整的DNA片段;可以连接链状双链DNA使之成环。

4.典型例题

【例5】一些低等生物的DNA或染色体外,环状双链DNA的正链(a链)由一核酸内切酶在特定的位置切开,游离出一个3′-OH和一个5′-磷酸基末端。5′-磷酸末端在酶的作用下,固着到细胞膜上。随后,在DNA聚合酶催化下,以环状负链(b链)为模板,从正链(a链)的3′-OH末端加入与负链(b链)互补的脱氧核苷酸,使链不断延长,通过滚动而合成新的正链。与此同时,以伸展的正链为模板,合成互补的新的负链。最后合成两个环状子代双链分子。下列说法错误的是

( )

图12

A.滚环复制起始时需要特异的酶在起始点切开一条链的磷酸二酯键

B.滚环复制中需要用到DNA连接酶

C.每条子链的合成都需要合成引物

D.滚环复制中,负链滚动方向为逆时针

【答案】C

【解析】环状双链DNA的正链由一核酸内切酶在特定的位置切开,A正确。图中以a链为模板合成的子链是不连续的,需要DNA连接酶进行连接,B正确。题干中,从正链的3′-OH末端加入与负链互补的脱氧核苷酸,因此正链充当了引物,该子链的合成不需要合成引物,C错误。由题目信息a链的5′端固着到细胞膜上可知,只有当负链逆时针滚动时,两条母链会解旋,并且以负链为模板合成的子链会持续延伸,以正链为模板的子链会不连续的合成,D正确。

以上例题充分考查了学生的生命观念、科学思维等核心素养,尤其考查了从新情境中获取相关信息的能力,以及将旧知识与新信息进行整合的能力,对标了高考关于创新性、综合性考查的要求。