DNA分子的复制

DNA分子的复制

福建师大附中  刘冰妍

 

［教学目标］

    DNA作为遗传物质，必须能够将所携带的遗传信息传递给下一代，并在下一代表达出来，从而实现生物的延续，表现出生物界特有的“生生不息、生命不止”。通过引入科学家的探究实验，从分子水平阐明了遗传信息的传递过程，展现了生命的延续与发展，使学生深刻领悟到生命的神奇，加深了学生对生命科学的热爱。

本案例的内容在《普通高中生物课程标准（实验）》中的教学要求是“概述DNA分子的复制”，并有“制作DNA分子双螺旋结构模型”的活动建议，具体学习目标是：

1、  概述DNA复制的时间、过程和条件；

2、  掌握DNA复制的特点；

3、  理解DNA复制的实质和意义。

   学生在初中知道DNA是遗传物质，至于DNA为什么充当遗传物质的重任、遗传物质有什么功能，对生命的延续和发展有什么作用不甚理解。高中引入大量的分子水平的探究性实验，从学生智力发展水平出发，引导学生感受、理解、掌握和领悟，在师生共同的学习过程中提高了探究能力、思维能力，增强了对生命科学的热爱和孜孜不倦的追求探索。

［教学设计］

（提出DNA分子复制的主题，引导学生进行探究。）

作为遗传物质的DNA，不仅能贮存大量的遗传物质，还能够把遗传信息由亲代传递给子代。怎样传递遗传信息呢？通过在每次细胞分裂之前，DNA精确地复制自己，将复制的子代DNA传递给下一代。

提出问题：

（提出问题，开展探究性活动。）

新DNA的合成就是产生两个跟亲代DNA完全相同的新DNA分子的过程，称为复制。那么，DNA是如何复制自己，以保证子代得到亲代的全部遗传信息呢？

做出假设：

（教师提供解决问题的思路，引导学生从科学的角度思考问题。）

  可能有三种复制方式：如图所示（亲代DNA分子用蓝色表示，黄色表示新合成的DNA链。）

图1         图2          图3

 

 

 

 

 

 

 

 

  

   图1表示子代DNA分子一个跟亲代完全一样，一个是完全新合成的；图2表示子代DNA分子的每一条链一段是新合成的，一段是亲代DNA的；图3表示每个子代DNA双链分子中一条链是子代的，另一条链新合成的。

   可能是哪一种方式进行复制呢？

设计实验：

（引入科学家的实验作为探究材料，引导学生从分子水平探究。）

    1958年，科学家设计了DNA合成的同位素标记实验。

（同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫做示踪元素。用示踪元素标记的化合物，化学性质不变。人们可以根据这种化合物的放射性，对有关的一系列化学反应进行追踪。这种科学研究方法叫做同位素标记法。）

他们先将大肠杆菌放入含¹⁵N的培养基中培养若干代，使所有细菌的DNA都标记上¹⁵N，然后将这些细菌转移到只含有¹⁴N的培养基中培养。随后，分别取完成一次细胞分裂的细菌（细胞数增加一倍）和完成两次细胞分裂的细菌，并将细菌中的DNA分离出来，做密度梯度离心和分析。

预测结果：

经过同位素的标记，将复制后的DNA分子密度梯度离心会出现什么样的结果呢？

科学家认为，可能会出现三种DNA分子：含¹⁵N的双链DNA分子，含¹⁴N的双链DNA和分别含¹⁵N和¹⁴N的双链DNA分子。

含¹⁵N的双链DNA分子密度较大，离心后的条带应分布于离心管的下部；含¹⁴N的双链DNA密度较小，离心后的条带应分布于离心管的上部；而两条链分别含¹⁵N和¹⁴N的双链DNA密度应该介于双链均含¹⁵N的DNA和双链均含¹⁴N的DNA之间，离心后的条带应分布与离心管的中部。

实验结果：

   如图所示：

             亲代        子一代       子二代

（轻）DNA

（中）DNA

（重）DNA

 

讨论分析：

（从实验结果，提出问题链引导学生深入学习。）

1、  从实验结果知道，亲代DNA分子是什么样的DNA分子？

（亲代DNA分子是含¹⁵N的双链DNA分子。）

2、请从结果推测，子一代细胞的DNA分子的双链组成有什么特点？子二代细胞的DNA分子的双链组成又有什么特点？

（子一代的DNA分子全部位于中部，根据假设说明是一条链含¹⁵N和一条链含¹⁴N的双链DNA分子；子二代的DNA分子有的位于上部，有的位于中部，根据假设说明有的是含¹⁴N的双链DNA分子，有的是含¹⁵N和含¹⁴N的双链DNA分子。）

3、请说说DNA分子复制的特点。

（亲代是¹⁵N的双链DNA分子，子一代全部是一条链含¹⁵N和一条链含¹⁴N的双链DNA分子，说明亲代DNA分子拆开，产生的子代DNA分子一条链是¹⁵N，另一条链是¹⁴N，即一条链是母链，另一条链新合成的链。

   子二代DNA分子有的是含双链¹⁴N的DNA分子，有的是一条链含¹⁵N和一条链含¹⁴N的双链DNA分子，说明是把子一代DNA分子拆开进行复制的。）

得出结论： 

  （总结学生的分析，恰当地得出结论。）

根据同位素标记实验的结果，新合成的双链DNA分子中，有一条链是来自亲代DNA，另一条链是新合成的，细胞中DNA的复制是以亲代的一条DNA链为模板，按照碱基互补配对原则，合成另一条互补碱基的新链，复制出的DNA分子与亲代DNA分子完全相同，因此，细胞中DNA的复制称为半保留复制。

DNA分子复制的过程：

（结合多媒体动画课件学习DNA分子的复制过程。）

   DNA的复制不仅与细胞的分裂密切相关，而且它还是一个有许多酶和大分子参与的十分精细的调控过程。

DNA的复制是一个边解旋边复制的过程。DNA复制有固定的起始部位，称为复制起点，复制起点处，一般A、T含量较高，因为A、T之间只有两个氢键结合，G、C之间有三个氢键结合，所以解开A-T碱基对所需要的能量要比G-C少。一般来讲，原核生物DNA只有一个复制起点，而真核生物由于DNA分子比较长，往往有许多复制起点。

DNA复制起始时，首先利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下解旋，当解开大约十几个核苷酸后，便以解开的每一条DNA链为模板，利用周围环境中游离的脱氧核糖核苷酸，按照碱基配对原则，在DNA聚合酶和其他大分子蛋白质的作用下，各自合成与母链互补的一段DNA。随着解旋过程的进行，在DNA聚合酶的作用下，新合成的子链在不断地延伸，于是每条新链与其互补的母链有盘绕成新的DNA双螺旋结构，从而各形成一个新的DNA分子。复制结束后，由一个DNA分子形成了两个完全相同的新的DNA分子，这两个DNA分子，都含有一条模板链和一条新合成的与模板完全互补的链。

DNA复制的重大意义：

（引申DNA分子复制的实质，理解DNA分子复制的重大意义。）

   DNA复制是在细胞分裂 间期伴随着染色体的复制而完成的。因此，通常情况下，经过复制新形成的两个子代DNA分子，也就随着细胞分裂分配到两个子细胞中。由于DNA分子在代谢上的稳定性和复制的精确性，经过许多代的复制，DNA分子上的遗传信息仍可精确地传递给子代，这就保证了亲子代遗传信息的一致性，使子代的性状与亲代相同或相近，从而确保了生物物种的延续性和多样性。

布置研究性小课题：

   随着分子生物学技术的发展，利用DNA复制的原理，使DNA在体外完成复制成为现实，这就是著名的聚合酶链式反应（简称PCR）。PCR技术是怎样的？有什么应用？请大家课下研究这个问题。

 

［教学反思］

    将科学家的实验资料转变成探究性学习的材料，引导学生提出问题、作出假设、分析结果，进行探究性学习。科学家巧妙地设计，大胆地假设，严密地推理，融合在师生共同的学习过程中，使学生完全投入在不断探究、不断释疑的活动中，便时常有一种惊喜、兴奋的感觉，大大提高了学习效果。同时，学生感受到生命活动的复杂、生物体的稳定，激发他们进一步探索生物奥秘的兴趣。

   教师在教学过程中要注意材料的筛选和设计问题的可读性，要让学生理解问题的意思，学生能够经过一番思考初步解决问题。在适当的时候，教师要提供解决问题的思路，因为学生掌握的知识有限、思维能力有限。教师不能提供了探究材料就“置之不理”，要在探究活动中发挥重要的引导、帮助作用。

 

［教学资源使用建议］

PCR技术是一种在体外快速扩增特定DNA序列的方法，它的主要原理是：模板双链DNA分子在94℃左右的条件下，分离成单链的DNA分子，在55℃左右条件下，引物（含几十个碱基的DNA单链分子）与单链的模板DNA分子结合，然后耐高热的DNA聚合酶以单链DNA为模板，利用反应混合物中的四种脱氧核糖核苷酸，在72℃条件下合成与模板DNA互补的DNA片段。这一反应不断重复进行，经过几十个循环之后，特定的DNA片段便得到数十万乃至千万倍的增加。

     PCR技术可以让微量的DNA在两三个小时之内大量复制，所以被广泛应用于检测细菌与病毒感染、人类的基因突变，甚至是亲子坚定或犯罪证据的分析等方面。比如，利用PCR技术人们可以轻而易举地检测出SARS病毒的存在。在搜集犯罪分子信息时，利用PCR技术对现场找到的一滴唾液或干渍的血迹也能做出准确的判断。另外PCR技术在出入境检测、食品检疫方面也有着广泛的应用。