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高一生物集体备课3-3《DNA的复制》

[日期:2011-07-12]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:753[字体: ]

一、 教学目标

1.概述DNA分子的复制。

2.探讨DNA复制的生物学意义。

二、教学重点和难点

1.教学重点

DNA分子复制的条件、过程和特点。

2.教学难点

DNA分子复制的过程。

三、教学策略

本节内容对应的“课程标准”要求是:“概述DNA分子的复制”,属于“理解水平”的要求。教学课时建议1课时。

在教学中可以充分挖掘教材内容,把基础知识与经典实验有机结合在一起,建立起一个自然流畅、逻辑清晰的教学过程。通过设置问题情境,引导学生在思索中学习新知识。

1.将“问题探讨”作为问题情境,引入课题。

由本节教材开头提供的“问题探讨”中的“中国印·舞动的北京”作为情境引入,结合沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构特点,设置问题“DNA是如何复制的”。讨论过程中,不要将探讨的焦点放在中国印的复制上,以免偏离主题。

2.分析经典实验,让学生领悟科学探究的魅力。

如果教师直接讲解DNA分子半保留复制的特点,学生虽然可以较快地掌握结论,但却是被动地接受知识,失去了科学探究的乐趣。因此,教师可以通过“问题探讨”,使学生自己提出关于DNA复制的疑问,教师再积极引导学生分析教材中证明DNA是半保留复制的实验。

在分析实验的过程中,教师可以首先让学生假设DNA的复制方式:是半保留复制还是全保留复制呢?然后层层设疑,逐步剖析经典实验。DNA是肉眼看不见的,如何才能分辨DNA呢?此时,教师可以让学生分析经典实验中用同位素15N 标记的方法,分析用CsCl密度梯度离心后重带、中带、轻带表示的DNA分子的双链构成是怎样的,在整个实验的亲代、子一代、子二代细胞中提取出的DNA离心的结果说明了什么。通过层层分析,学生不仅能够自己得出结论:DNA的确具有半保留复制的特点,同时还能感受科学探究的魅力。

3.借助媒体手段,突破DNA复制过程的难点。

在条件允许的情况下,教师可以利用多媒体演示DNA复制的动态变化过程。首先让学生明确DNA并不是由原来的DNA分子产生一个全新的DNA分子,而是DNA分子的两条链分开,每一条链(母链)作为一个模板再配上一条子链,这样形成的2个DNA分子每个都有一条母链和一条子链。DNA复制过程大体分为三个阶段:(1)DNA双螺旋结构在DNA解旋酶作用下解旋成2个单链片段;(2)以解开的每一条单链片段(母链)为模板,遵循碱基互补配对原则,与提供原料中的4种核苷酸各自互补配对,并在DNA聚合酶作用下连接成一段子链;(3)子链不断延伸并与对应母链盘绕成双螺旋结构,形成各含一条母链和一条子链的2个DNA分子。

然后,设置问题让学生分析DNA复制过程的特点、条件等,领会DNA的结构和碱基互补配对与复制的关系。思考问题有:(1)DNA复制过程的特点有哪些?(其特点是边解旋边复制,半保留复制。)(2)DNA复制需要哪些条件?(复制需要模板、原料、酶和能量等基本条件。特别需要向学生说明的是,DNA复制所需要的酶有多种,教材中介绍的“DNA解旋酶”、“DNA聚合酶”只是其中主要的两种。)(3)DNA复制的场所在哪里?在什么时间进行的?(DNA复制的场所是细胞核,复制时间是在细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂的间期。)教师还可结合教材经典实验中大肠杆菌的半保留复制图例,计算在第一代、第二代和第三代中含15NDNA分子的个数及所占比例,进一步强调DNA半保留复制的特点。

最后,教师可以让学生分析子代DNA与亲代DNA的碱基序列的特征,探讨DNA自我复制的生物学意义。正是由于DNA分子的这一复制过程,才使得亲代的遗传信息传递给子代,从而使前后代保持了一定的连续性。

四、答案和提示

(一)问题探讨

提示:两个会徽所用的原料应该选自一块石材;应先制造模型,并按模型制作会徽;应使用电子控制的刻床;刻床应由一名技术熟练的师傅操作,或完全数控等。(以上可由学生根据自己的经验推测回答,事实是原料确实选自一块石材,但由于时间紧迫,两个会徽是由两名技术最好的师傅手工雕刻的)。验证的最简单的方法是:将两个印章的图形盖在白纸上进行比较(学生也可能提出更科学、更现代化的方法)。

(二)旁栏思考题

提示:本实验是根据半保留复制原理和DNA密度的变化来设计的。在本实验中根据试管中DNA带所在的位置就可以区分亲代与子代的DNA了。

(三)练习

基础题

1.腺嘌呤脱氧核苷酸,鸟嘌呤脱氧核苷酸,胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。

2.模板、原料、能量、酶,双螺旋,碱基互补配对。

3.D。

4.B。

拓展题

提示:可能有6个碱基会发生错误。产生的影响可能很大,也可能没有影响(这一问可由学生做开放式回答)。

五、参考资料

1.关于DNA分子复制的早期推测

关于DNA分子是如何复制的,在早期的研究中,科学家们提出了三个模型,它们是全保留复制模型(conservative model)、弥散复制模型(dispersive model)和半保留复制模型(semiconservative model)。这里我们主要介绍全保留复制模型和弥散复制模型。

全保留复制模型  在全保留复制模型中,母链DNA分开,分别复制形成两条子链DNA,此后两条母链DNA彼此结合,恢复原状,新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子(图26)。

图26 DNA分子复制模型

弥散复制模型  在弥散(分散)复制模型中,亲代双链被切成双链片段,而这些片段又可以作为新合成双链片段的模板,新、老双链片段又以某种方式聚集成“杂种链”。

2.DNA分子的复制

DNA复制的最主要特点是半保留复制、半不连续复制(图27)。在复制过程中,原来双螺旋的两条链并没有被破坏,它们分成单独的链,每一条旧链作为模板再合成一条新链,这样在新合成的两个双螺旋分子中,一条链是旧的而另外一条链是新的,因此这种复制方式被称为半保留复制。

DNA双螺旋的两条链是反向平行的,一条是5′→3′方向,另一条是3′→5′方向。在复制起点处,两条链解开形成复制泡(replication bubble),DNA向两侧复制形成两个复制叉(replication fork)。随着DNA双螺旋的不断解旋,两条链变成单链形式,可以作为模板合成新的互补链。但是,生物细胞内所有的DNA聚合酶都只能催化5′→3′延伸。因此,以3′→5′的链为模板链时,DNA聚合酶可以沿5′→3′的方向合成互补的新链,这条链称为前导链(leading strand)。当以另一条链为模板时则不能连续合成新链,被称为滞后链(lagging strand)。这时,DNA聚合酶从复制叉的位置开始向远离复制叉的方向合成大约1~2 kb的新链片段,待复制叉向前移动相应的距离后,又重复这一过程,合成另一个类似大小的新链片段,这些片段被称为冈崎片段(Okazaki fragment)。最后,由一种DNA聚合酶和DNA连接酶负责把这些冈崎片段之间的RNA引物除去,并把缺口补平,使冈崎片段连成完整的DNA链。这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物细胞中是普遍存在的,称为DNA合成的半不连续复制。

图27 DNA分子的复制

(1)参与DNA复制的物质

DNA的复制是一个复杂的过程,需要DNA模板、合成原料──三磷酸核苷酸(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)、酶和蛋白质等多种物质的参与。

解旋酶(helicase)  DNA复制涉及的第一个问题就是DNA两条链要在复制叉位置解开。DNA双螺旋并不会自动解旋,细胞中有一类特殊的蛋白质可以促使DNA在复制叉处打开,这就是解旋酶。解旋酶可以和单链DNA以及ATP结合,利用ATP分解生成ADP时产生的能量沿DNA链向前运动促使DNA双链打开。

单链DNA结合蛋白(SSB)  解旋酶沿复制叉方向向前推进产生了一段单链区,但是这种单链DNA极不稳定,很快就会重新配对形成双链DNA或被核酸酶降解。在细胞内有大量单链DNA结合蛋白(single strand DNA binding protein,SSB),能很快地和单链DNA结合,防止其重新配对或降解。SSB结合到单链DNA上之后,使DNA呈伸展状态,有利于复制的进行。当新DNA链合成到某一位置时,该处的SSB便会脱落,可以重复利用。

DNA拓补异构酶(DNA topoisomerase)  DNA在细胞内往往以超螺旋状态存在,DNA拓补异构酶催化同一DNA分子不同超螺旋状态之间的转变。DNA拓补异构酶有两类。DNA拓补异构酶I的作用是暂时切断一条DNA链,形成酶—DNA共价中间物,使超螺旋DNA松弛,再将切断的单链DNA连接起来,不需要任何辅助因子,如大肠杆菌的ε蛋白;DNA拓补异构酶Ⅱ能将负超螺旋引入DNA分子,该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA,同时需要ATP水解提供能量,如大肠杆菌中的DNA旋转酶(DNA gyrase)。

引物酶(primase)  引物酶在复制起点处合成RNA引物,引发DNA的复制。它与RNA聚合酶的区别在于可以催化核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸的聚合,而RNA聚合酶只能催化核糖核苷酸的聚合,其功能是启动DNA转录合成RNA,将遗传信息由DNA传递到RNA。

DNA聚合酶(DNA polymerase)  DNA聚合酶最早是在大肠杆菌中发现的,以后陆续在其他原核生物中找到。它们的共同性质是:以dNTP为前体催化DNA合成;需要模板和引物的存在;不能起始合成新的DNA链;催化dNTP加到生长中的DNA链的3′-OH末端;催化DNA合成的方向是5′→3′。

DNA连接酶(DNA ligase)  DNA连接酶是1967年在三个实验室同时发现的。它是一种封闭DNA链上的缺口的酶,借助ATP或NAD水解提供的能量催化DNA链的5′磷酸基团的末端与另一DNA链的3′-OH生成磷酸二酯键。只有两条紧邻的DNA链才能被DNA连接酶催化连接。

(2)DNA复制的引发

所有DNA的复制都是从固定起始点开始的,而目前已知的DNA聚合酶都只能延长已存在的DNA链,而不能从头合成DNA链,那么一个新DNA的复制是怎样开始的呢?研究发现,DNA复制时,往往先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物,再由DNA聚合酶从RNA引物3′端开始合成新的DNA链。对于前导链来说,这一引发过程比较简单,只要有一段RNA引物,DNA聚合酶就能以此为起点一直合成下去。但对于滞后链来说,引发过程就十分复杂,需要多种蛋白质和酶的协同作用,还牵涉到冈崎片段的形成和连接。

滞后链的引发过程通常由引发体(primosome)来完成。引发体由6种蛋白质共同组成,只有当引发前体与引物酶(primase)组装成引发体后才能发挥其功效。引发体可以在滞后链分叉的方向上移动,并在模板上断断续续地引发生成滞后链的引物RNA。由于引发体在滞后链模板上的移动方向与其合成引物的方向相反,所以在滞后链上所合成的RNA引物非常短,长度一般只有3~5个核苷酸。

在同一种生物体细胞中这些引物都具有相似的序列,表明引物酶要在DNA滞后链模板上比较特定的位置上才能合成RNA引物。DNA复制开始处的几个核苷酸最容易出现差错,用RNA引物即使出现差错最后也要被DNA聚合酶I切除,以提高DNA复制的准确性。

RNA引物形成后,由DNA聚合酶Ⅲ催化将第一个脱氧核苷酸按碱基互补配对原则加在RNA引物3′-OH端而进入DNA链的延伸阶段。

(3)DNA链的延伸

DNA新链的延伸由DNA聚合酶Ⅲ所催化。为了复制的不断进行,DNA解旋酶须沿着模板前进,边移动边解开双链。由于DNA的解链,在DNA双链区势必产生正超螺旋,在环状DNA中更为明显,当达到一定程度后就可能造成复制叉难以再继续前进,但在细胞内DNA的复制不会因出现拓扑学问题而停止,因为拓扑异构酶会解决这一问题。

随着引发体合成RNA引物,DNA聚合酶Ⅲ全酶开始不断将引物延伸,合成DNA。DNA聚合酶Ⅲ全酶是一个多亚基复合二聚体,一个单体用于前导链的合成,另一个用于滞后链的合成,因此它可以在同一时间分别复制DNA前导链和滞后链。虽然DNA前导链和滞后链复制的方向不同,但如果滞后链模板环绕DNA聚合酶Ⅲ全酶,并通过DNA聚合酶Ⅲ,然后再折向未解链的双链DNA的方向上,则滞后链的合成可以和前导链合成在同一方向上进行。

当DNA聚合酶Ⅲ沿着滞后链模板移动时,由特异的引物酶催化合成的RNA引物即可以由DNA聚合酶Ⅲ所延伸,合成DNA。当合成的DNA链到达前一次合成的冈崎片段的位置时,滞后链模板及刚合成的冈崎片段从DNA聚合酶Ⅲ上释放出来。由于复制叉继续向前运动,便产生了又一段单链的滞后链模板,它重新环绕DNA聚合酶Ⅲ全酶,通过DNA聚合酶Ⅲ开始合成新的滞后链冈崎片段。通过这种机制,前导链的合成不会超过滞后链太多,这样引发体在DNA链上和DNA聚合酶Ⅲ以同一速度移动。在复制叉附近,形成了以DNA聚合酶Ⅲ全酶二聚体、引发体和解旋酶构成的类似核糖体大小的以物理方式结合成的复合体,称为DNA复制体。复制体在DNA前导链模板和滞后链模板上移动时便合成了连续的DNA前导链以及由许多冈崎片段组成的滞后链。当冈崎片段形成后,DNA聚合酶I通过其5′→3′外切酶活性切除冈崎片段上的RNA引物,并利用后一个冈崎片段作为引物由5′→3′合成DNA填补缺口。最后由DNA连接酶将冈崎片段连接起来,形成完整的DNA滞后链。


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