第3节 DNA的复制

对DNA复制的推测

沃森和克里克紧接着发表了第二篇论文,提出了遗传物质自我复制的假说:DNA复制时,DNA双螺旋解开,互补的碱基之间的氢键断裂,解开的两条单链分别作为复制的模板,游离的脱氧核苷酸根据碱基互补配对原则,通过形成氢键,结合到作为模板的单链上。由于新合成的每个DNA分子中,都保留了原来DNA分子中的一条链,因此这种复制方式称作半保留复制(图3-9,左)。

这一假说提出后,也有人持不同观点,提出全保留复制等不同假说。全保留复制是指DNA复制以DNA双链为模板,子代DNA的双链都是新合成的(图3-9,右)。到底哪种假说正确呢?

DNA半保留复制的实验证据

要证明DNA复制是半保留复制,就需要通过实验区分亲代与子代的DNA。

1958年,美国生物学家梅塞尔森(M. Meselson,1930—)和斯塔尔(F.Stah1,1929-)以大肠杆菌为实验材料,运用同位素标记技术,设计了一个巧妙的实验。

思考讨论 证明DNA半保留复制的实验

背景知识

¹⁵N和¹⁴N是N元素的两种稳定同位素,这两种同位素的相对原子质量不同,含¹⁵N的DNA比含¹⁴N的DNA密度大,因此,利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。

实验过程

科学家先用含有¹⁵NH₄Cl的培养液培养大肠杆菌,让大肠杆菌繁殖若干代,这时大肠杆菌的DNA几乎都是¹⁵N标记的。然后,将大肠杆菌转移到含有¹⁴NH₄Cl的普通培养液中。在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA,再将提取的DNA进行离心,记录离心后试管中DNA的位置。

实验预期

假设DNA是半保留复制,离心后试管中DNA的位置会是怎样的呢?这就需要运用演绎推理来预测。

科学家完成上述实验的结果是:亲代大肠杆菌的DNA经离心处理后,试管中只出现了一条DNA带,位置靠近试管的底部,说明其密度最大,是¹⁵N标记的亲代双链DNA(¹⁵N/¹⁵N-DNA);将转移培养后第一代细菌的DNA离心后试管中也只有一条带,但位置居中,说明其密度居中,是只有一条单链被¹⁵N标记的子代双链DNA(¹⁵N/¹⁴N-DNA);将第二代细菌的DNA离心后,试管中出现两条带,一条带位置居中,为¹⁵N/¹⁴N-DNA,另一条带的位置更靠上,说明其密度最小,是两条单链都没有被¹⁴N标记的子代双链DNA(¹⁴N/¹⁴N-DNA)。实验结果证明:DNA的复制是以半保留的方式进行的。

DNA复制的过程

DNA的复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。在真核生物中,这一过程是在细胞分裂前的间期随着染色体的复制而完成的。

复制开始时,在细胞提供的能量的驱动下,解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开,这个过程叫作解旋。然后,DNA聚合酶等以解开的每一条母链为模板,以细胞中游离的4种脱氧核苷酸为原料,按照碱基互补配对原则,各自合成与母链互补的一条子链。随着模板链解旋过程的进行新合成的子链也在不断延伸。同时,每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构(图3-10)。这样,复制结束后，一个DNA分子就形成了两个完全相同的DNA分子。新复制出的两个子代DNA分子,通过细胞分裂分配到子细胞中。

DNA复制是一个边解旋边复制的过程,需要模板、原料、能量和酶等基本条件。DNA独特的双螺旋结构,为复制提供了精确的模板,通过碱基互补配对,保证了复制能够准确地进行。

DNA通过复制,将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞,从而保持了遗传信息的连续性。