半保留复制的论述证明

半保留复制的论述证明（共3篇）

篇1：半保留复制的论述证明

半保留复制实验证明 Watson和Crick在他们发表在1953年4月25日的Nature上的具有划时代意义的题为“Molecular structure of Nucleic Acids”论文的最后一段这样写道：“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.The structure itself suggested that each strand could separate and act as a template for a new strand,therefore doubling the amount of DNA, yet keeping the genetic information,in the form of the original sequence,intact.”翻译成中文的意思是，“特定的碱基配对性质让我们立刻注意到遗传物质可能的复制机制。结构(双螺旋)的本身意味着每一条链可以分离开来，作为新链的模板，于是DNA的量加倍了，而且保证了遗传物质以原封不动的序列形式存在。”在文中，他们虽然并没有提及DNA复制的具体机制，但已经就DNA复制的可能采取的是一种半保留方式做了大胆的预测。然而，细胞内DNA复制是不是就是以这种方式进行的，光凭预测是不够的，还必须用实验去验证。由Meselson和Stahl(图32－50)设计的被誉为生物学最美丽的实验“the most beautiful experiment in biology”最终证明了Watson和Crick预测的正确性。

1953年，Meselson在加州理工学院(Caltech)开始了以化学为专业的研究生阶段的学习。他进了Pauling的实验室，最终完成了其博士论文第二个阶段关于N,N-二甲基丙二酰胺(N，N-dimethyl malonamide,)晶体结构的工作。这部分工作的重点是确定这个分子中含有的肽键是不是共平面的，即是否与Pauling的共振理论相符。与他的博士论文的第一个部分关于大分子的密度梯度平衡沉降技术在DNA研究上的应用相比，这一部分鲜为人知。身为Pauling的弟子，在听过Pauling开设的有关化学键的课程以后，他对当H被其同位素氚(2H)取代以后氢键的相对强度产生了兴趣。就在他对氚参入到生物分子以后，生物体如何能够生存下来的问题发生兴趣的时刻，Meselson正好去听了Jacques Monod在Caltech做的有关细菌诱导酶合成的学术报告。Meselson推测，如果细菌能在重水里培养，然后被转移到一般的水里培养以后一旦加入诱导物，则任何新合成的蛋白质就应该具有正常的密度，与原来老的蛋白质的密度是有差别的，利用密度差异可以将“老”的蛋白质和新合成的蛋白质分开。事实上，如果在一个具有中间密度的溶液中离心，“老”的蛋白质可能沉降下来，而新合成的蛋白质应该悬浮在上面。

不久，他开始将注意力转移到DNA复制的问题。在与Max Delbrück进行了有关DNA双螺旋结构和可能的复制方式的一番热烈的讨论以后，他突然想到相同的方法也许可以用来研究DNA复制。于是，他决定要投入精力去确定DNA复制是否就是按照Watson和Crick预测的半保留的方式进行的。与此决定无关的一件事也许对其最后的成功带来决定性的影响：1954年的夏天，Meselson去马里兰州位于Woods Hole的海洋生物实验室协助Watson进行一些滴定实验，以获得RNA双螺旋结构的证据。巧合的是，来自Rochester大学的Frank Stahl博士也在Woods Hole修生理学课程。一天正当Stahl在树下思考噬菌体遗传性的一个问题的时候，他们相遇了，并从此成为了朋友和学术伙伴。就在Meselson对噬菌体遗传学还似懂非懂的时候，他在微积分上的专长帮助Stahl解决了问题。于是，他们变得更加熟悉了，不久Meselson提出了利用Stahl在研究噬菌体DNA上的特长使用噬菌体DNA来合作研究DNA复制的可能性。他还提出了使用氚来重标记DNA的设想，以此用密度梯度离心来分离重的DNA和轻的DNA。然而，他们很快就意识到使用噬菌体DNA进行实验带来的复杂性问题，因为噬菌体DNA之间存在高频的重组事件，由此引起亲代和子代DNA片段的交换是可以预见的，这势必会影响到结果的分析。幸运的是，Stahl已经打算去Caltech做博士后研究，以方便以后的讨论和合作。既然噬菌体行不通，较为简单的单细胞系统——E.coli也许是一个不错的选择。后来Meselson想知道更多有关DNA合成前体分子性质的知识，在文献调研中，得知胸腺嘧啶的类似物——5-溴尿嘧啶(5-bromouracil，5-BrU)能够代替T参入到正在合成的DNA分子之中。5-BrU相当于T，除了由Br原子代替嘧啶环C5上的甲基以外。Br与甲基具有几乎相同的范德华半径，但由于5-BrU与T的离子化程度不同，Meselson想到也许可以用5-BrU标记DNA，然后利用电泳的方法将它与含有T的DNA分离开来。特别重要的是，他特别想到含有5-BrU的DNA要比含有T的DNA重得多！于是，他考虑使用5-BrU来重标记DNA以验证DNA半保留复制的可能性。因为需要超离心技术的关系，他认识了Caltech的超离心技术奇才Jerry Vinograd，并学会了如何操作当时最先进的Beckman Spinco E型超离心机。在Vinograd悉心指导下，Meselson开始尝试用7 mol/L的CsCl重盐溶液来沉降DNA。使用CsCl的主意来自他认为可以将重标记的DNA与轻DNA分开来的设想——重标记DNA沉降下来，轻DNA悬浮在表面。然而，令他们惊诧的是，在高速离心场下，一种盐密度梯度很快就形成了，而且DNA迁移到与其等密度的区域，形成很窄的条带。于是有关密度梯度离心的概念被Meselson提出来了，相关的论文后来发表在1957年5月份的Proceedings of National Academy Science上。论文中的图和理论计算实际上是他博士论文第一部分的内容。论文中还记录了含有5-BrU的DNA(在含有5-BrU培养基中培养的受T4噬菌体感染E.coli中，得到被5-BrU标记的T4噬菌体DNA)在密度梯度离心中的沉降情况。结果显示，被5-BrU标记的DNA条带所处位置的密度是

1.8g/cm3，而含有T的DNA所在位置的密度是1.7g/cm3。尽管文中没有提到使用这种方法研究DNA复制，但用于研究完整病毒和生物大分子的报道还是非常富有开创性的。

似乎幸运之神正在一步一步地将Meselson和Stahl带到研究DNA复制的里程碑的实验设计思路上去。他们本来想用5-BrU去重标记DNA的，但后来担心5-BrU能诱发DNA突变和因此细胞产生的毒性，以及能否获得标记的均一性的问题，他们决定使用15NH4Cl作为唯一N源的合成培养基去培养E.coli以获得被15N标记的重DNA。他们首先将E.coli放在15NN4Cl培养基中连续培养十几代，得到了几乎都被15N标记的E.coli DNA；然后，随着细菌的指数生长，用10倍过量的14NH4Cl稀释培养基。期间在不同的时段，将DNA从细菌中抽取出来，并使用CsCl密度梯度离心的方法进行分析。

他们的结果是，起初完全被15N标记的DNA具有单一的条带，而在14NH4Cl培养基中培养的第一代细菌中的DNA的密度介于15N-DNA和14N-DNA之间，为杂交带DNA(15N/14N-DNA)。随着杂交带的出现，亲代的条带(15N-DNA)消失了。而在第二代细菌中，得到几乎等量的14N-DNA和杂交带DNA。随着培养代数的增加，杂交带始终存在，而且它的量维持不变，但14N-DNA的量越来越多。由此可以得出结论，DNA复制以半保留的方式进行。为了进一步确认这一点，Meselson和Stahl在密度梯度离心之前用热变性处理CsCl溶液中DNA样品(100℃下30 min)，结果发现，杂交DNA分成了15N-DNA和14N-DNA两条带。不久，他们将数据整理，投给了PNAS，并很快得以发表。

篇2：半保留复制的论述证明

1、复制过程需要能量供应以解开双螺旋链;

2、已经解开的单链也可能产生链内碱基配对;

3、复制过程必须设计若干安全保障以防止复制的错误，并纠正已发生的错误;

篇3：半保留复制的论述证明

【关键词】同位素标记 DNA复制 细胞分裂

全国高考考试大纲（新课标版）和考试说明中关于“DNA分子的复制”具体要求为：能理解DNA分子的复制与其他相关知识的联系和区别，并能在较复杂的情境中综合运用其进行分析，判断，推理和评价。其中运用DNA半保留复制原理进行计算是该部分的常见题型。在高三复习的实际教学中，笔者发现大多数学生对于半保留复制中简单数学计算多能正确应对，一旦联系细胞分裂过程为背景综合考查时则无法顺利解答，下面笔者就DNA复制与细胞分裂过程中同位素标记法的综合应用谈一下指导高三复习备考中的一些的经验。

在这一知识板块中，由于细胞分裂间期完成染色体的复制，包括DNA的复制和有关蛋白质的合成，之后DNA随着染色体的变化进入到子细胞中。故常以染色体作为标记载体，给予学生的背景较前述题型更复杂多变，考查学生在这两个知识点上综合运用，分析推理的能力，要求较高。即便是高三的学生，能熟练且正确的解决此类综合题型的同学并不多，学生反映解答时较为困难。以下题为例：

例1：蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中完成一个细胞周期，然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期，其染色体的放射性标记分布情况是（ ）

A.每条染色体的两条单体都被标记 B.每条染色体中都只有一条单体被标记

C.只有半数的染色体中一条单体被标记 D.每条染色体的两条单体都不被标记

答案：B

教学实践中发现，学生解题时的困难主要在于无法准确完成染色体与DNA的转换，因题中涉及染色单体标记情况，故学生时常将染色体复制后形成两条姐妹染色单体的结果直接替换为DNA半保留复制的结果，以此题为例，即得出右图错误的图示，导致同样方法分析第二个细胞周期后得出错误答案。

因此，筆者在教学中建议学生以画简图的形式，直观呈现细胞分裂中相应时期染色体的变化及DNA复制结果，转换结果显而易见，取得了较好的教学效果，思路如下：

1.以图示展现题中细胞分裂中染色体行为变化；（熟练后可省略）

2.绘制对应时期中染色体上DNA变化，根据DNA半保留复制原则注明标记情况

（注意以着丝点 连接两条姐妹染色单体，每条单体中均含一个双链DNA分子）；

3.根据题中要求识图完成染色体，染色单体与DNA的标记问题转换。

至此，识图即得出根尖细胞在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期每条染色体中都只有一条单体被标记，且被标记的单体中DNA分子只有一条链含有同位素标记。

例2：用32P标记的动物体细胞（2N=20）的DNA分子双链，再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养，让其连续进行有丝分裂，若一个细胞中的染色体总条数和被32P标记的染色体条数分别是40条和2条，则这至少是第几次分裂的分裂期（ ）

A.第一次 B.第二次 C.第三次 D.第四次

答案：C

解析：依题意，该体细胞含20条染色体即10对同源染色体，若出现染色体条数为40条，则知该细胞处于细胞分裂的后期。若用曲线表示含32P的母链，用直线表示在不含32P的培养基中所合成的新DNA链，则以其中一对同源染色体为例做图如下：

由上述分析亦可以看出，当细胞连续分裂至第三次以后，细胞中含有同位素标记的染色体数目具有随机性，无法具体分析，故目前多以连续两次有丝分裂或者减数分裂为题干背景。在基础知识熟练的前提下采用画简笔图的形式解决此类问题并不会浪费时间，反而提高了解题正答率。上述简图法亦可以用于考查DNA复制时发生基因突变与细胞分裂联系情景中的综合推理。