三、遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)

1、三、遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)DNA分子的復(fù)制福建師大附中 劉冰妍 教學(xué)目標(biāo) DNA作為遺傳物質(zhì)，必須能夠?qū)⑺鶖y帶的遺傳信息傳遞給下一代，并在下一代表達(dá)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)生物的延續(xù)，表現(xiàn)出生物界特有的“生生不息、生命不止”。通過(guò)引入科學(xué)家的探究實(shí)驗(yàn)，從分子水平闡明了遺傳信息的傳遞過(guò)程，展現(xiàn)了生命的延續(xù)與發(fā)展，使學(xué)生深刻領(lǐng)悟到生命的神奇，加深了學(xué)生對(duì)生命科學(xué)的熱愛(ài)。本案例的內(nèi)容在普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）中的教學(xué)要求是“概述DNA分子的復(fù)制”，并有“制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”的活動(dòng)建議，具體學(xué)習(xí)目標(biāo)是：1、  概述DNA復(fù)制的時(shí)間、過(guò)程和條件；2、  掌握DNA復(fù)制的特

2、點(diǎn)；3、  理解DNA復(fù)制的實(shí)質(zhì)和意義。 學(xué)生在初中知道DNA是遺傳物質(zhì)，至于DNA為什么充當(dāng)遺傳物質(zhì)的重任、遺傳物質(zhì)有什么功能，對(duì)生命的延續(xù)和發(fā)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實(shí)驗(yàn)，從學(xué)生智力發(fā)展水平出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生感受、理解、掌握和領(lǐng)悟，在師生共同的學(xué)習(xí)過(guò)程中提高了探究能力、思維能力，增強(qiáng)了對(duì)生命科學(xué)的熱愛(ài)和孜孜不倦的追求探索。教學(xué)設(shè)計(jì)（提出DNA分子復(fù)制的主題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究。）作為遺傳物質(zhì)的DNA，不僅能貯存大量的遺傳物質(zhì)，還能夠把遺傳信息由親代傳遞給子代。怎樣傳遞遺傳信息呢？通過(guò)在每次細(xì)胞分裂之前，DNA精確地復(fù)制自己，將復(fù)制的子代DNA傳遞給下一代。提

3、出問(wèn)題：（提出問(wèn)題，開(kāi)展探究性活動(dòng)。）新DNA的合成就是產(chǎn)生兩個(gè)跟親代DNA完全相同的新DNA分子的過(guò)程，稱為復(fù)制。那么，DNA是如何復(fù)制自己，以保證子代得到親代的全部遺傳信息呢？做出假設(shè)：（教師提供解決問(wèn)題的思路，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)的角度思考問(wèn)題。） 可能有三種復(fù)制方式：如圖所示（親代DNA分子用藍(lán)色表示，黃色表示新合成的DNA鏈。） 圖1 圖2 圖3（引入科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)作為探究材料，引導(dǎo)學(xué)生從分子水平探究。） 1958年，科學(xué)家設(shè)計(jì)了DNA合成的同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。（同位素用于追蹤物質(zhì)運(yùn)行和變化過(guò)程時(shí)，叫做示蹤元素。用示蹤元素標(biāo)記的化合物，化學(xué)性質(zhì)不變。人們可以根據(jù)這種化合物的放射性，對(duì)有關(guān)的一系列

4、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行追蹤。這種科學(xué)研究方法叫做同位素標(biāo)記法。）他們先將大腸桿菌放入含15N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)若干代，使所有細(xì)菌的DNA都標(biāo)記上15N，然后將這些細(xì)菌轉(zhuǎn)移到只含有14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。隨后，分別取完成一次細(xì)胞分裂的細(xì)菌（細(xì)胞數(shù)增加一倍）和完成兩次細(xì)胞分裂的細(xì)菌，并將細(xì)菌中的DNA分離出來(lái)，做密度梯度離心和分析。預(yù)測(cè)結(jié)果：經(jīng)過(guò)同位素的標(biāo)記，將復(fù)制后的DNA分子密度梯度離心會(huì)出現(xiàn)什么樣的結(jié)果呢？科學(xué)家認(rèn)為，可能會(huì)出現(xiàn)三種DNA分子：含15N的雙鏈DNA分子，含14N的雙鏈DNA和分別含15N和14N的雙鏈DNA分子。含15N的雙鏈DNA分子密度較大，離心后的條帶應(yīng)分布于離心管的下部；含14N的雙

5、鏈DNA密度較小，離心后的條帶應(yīng)分布于離心管的上部；而兩條鏈分別含15N和14N的雙鏈DNA密度應(yīng)該介于雙鏈均含15N的DNA和雙鏈均含14N的DNA之間，離心后的條帶應(yīng)分布與離心管的中部。實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 如圖所示： 親代 子一代 子二代（輕）DNA（中）DNA（重）DNA討論分析：（從實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)。）1、  從實(shí)驗(yàn)結(jié)果知道，親代DNA分子是什么樣的DNA分子？（親代DNA分子是含15N的雙鏈DNA分子。）2、請(qǐng)從結(jié)果推測(cè)，子一代細(xì)胞的DNA分子的雙鏈組成有什么特點(diǎn)？子二代細(xì)胞的DNA分子的雙鏈組成又有什么特點(diǎn)？（子一代的DNA分子全部位于中部，根據(jù)假設(shè)說(shuō)明是一條

6、鏈含15N和一條鏈含14N的雙鏈DNA分子；子二代的DNA分子有的位于上部，有的位于中部，根據(jù)假設(shè)說(shuō)明有的是含14N的雙鏈DNA分子，有的是含15N和含14N的雙鏈DNA分子。）3、請(qǐng)說(shuō)說(shuō)DNA分子復(fù)制的特點(diǎn)。（親代是15N的雙鏈DNA分子，子一代全部是一條鏈含15N和一條鏈含14N的雙鏈DNA分子，說(shuō)明親代DNA分子拆開(kāi)，產(chǎn)生的子代DNA分子一條鏈?zhǔn)?5N，另一條鏈?zhǔn)?4N，即一條鏈?zhǔn)悄告?，另一條鏈新合成的鏈。 子二代DNA分子有的是含雙鏈14N的DNA分子，有的是一條鏈含15N和一條鏈含14N的雙鏈DNA分子，說(shuō)明是把子一代DNA分子拆開(kāi)進(jìn)行復(fù)制的。）得出結(jié)論： （總結(jié)學(xué)生的分析，恰當(dāng)?shù)氐?/p>

7、出結(jié)論。）根據(jù)同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，新合成的雙鏈DNA分子中，有一條鏈?zhǔn)莵?lái)自親代DNA，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻模?xì)胞中DNA的復(fù)制是以親代的一條DNA鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，合成另一條互補(bǔ)堿基的新鏈，復(fù)制出的DNA分子與親代DNA分子完全相同，因此，細(xì)胞中DNA的復(fù)制稱為半保留復(fù)制。DNA分子復(fù)制的過(guò)程：（結(jié)合多媒體動(dòng)畫課件學(xué)習(xí)DNA分子的復(fù)制過(guò)程。） DNA的復(fù)制不僅與細(xì)胞的分裂密切相關(guān)，而且它還是一個(gè)有許多酶和大分子參與的十分精細(xì)的調(diào)控過(guò)程。DNA的復(fù)制是一個(gè)邊解旋邊復(fù)制的過(guò)程。DNA復(fù)制有固定的起始部位，稱為復(fù)制起點(diǎn)，復(fù)制起點(diǎn)處，一般A、T含量較高，因?yàn)锳、T之間只有兩個(gè)氫鍵結(jié)合，G

8、、C之間有三個(gè)氫鍵結(jié)合，所以解開(kāi)A-T堿基對(duì)所需要的能量要比G-C少。一般來(lái)講，原核生物DNA只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，而真核生物由于DNA分子比較長(zhǎng)，往往有許多復(fù)制起點(diǎn)。DNA復(fù)制起始時(shí)，首先利用細(xì)胞提供的能量，在解旋酶的作用下解旋，當(dāng)解開(kāi)大約十幾個(gè)核苷酸后，便以解開(kāi)的每一條DNA鏈為模板，利用周圍環(huán)境中游離的脫氧核糖核苷酸，按照堿基配對(duì)原則，在DNA聚合酶和其他大分子蛋白質(zhì)的作用下，各自合成與母鏈互補(bǔ)的一段DNA。隨著解旋過(guò)程的進(jìn)行，在DNA聚合酶的作用下，新合成的子鏈在不斷地延伸，于是每條新鏈與其互補(bǔ)的母鏈有盤繞成新的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而各形成一個(gè)新的DNA分子。復(fù)制結(jié)束后，由一個(gè)DNA分子形

9、成了兩個(gè)完全相同的新的DNA分子，這兩個(gè)DNA分子，都含有一條模板鏈和一條新合成的與模板完全互補(bǔ)的鏈。DNA復(fù)制的重大意義：（引申DNA分子復(fù)制的實(shí)質(zhì)，理解DNA分子復(fù)制的重大意義。） DNA復(fù)制是在細(xì)胞分裂 間期伴隨著染色體的復(fù)制而完成的。因此，通常情況下，經(jīng)過(guò)復(fù)制新形成的兩個(gè)子代DNA分子，也就隨著細(xì)胞分裂分配到兩個(gè)子細(xì)胞中。由于DNA分子在代謝上的穩(wěn)定性和復(fù)制的精確性，經(jīng)過(guò)許多代的復(fù)制，DNA分子上的遺傳信息仍可精確地傳遞給子代，這就保證了親子代遺傳信息的一致性，使子代的性狀與親代相同或相近，從而確保了生物物種的延續(xù)性和多樣性。布置研究性小課題： 隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用DNA復(fù)制

10、的原理，使DNA在體外完成復(fù)制成為現(xiàn)實(shí)，這就是著名的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（簡(jiǎn)稱PCR）。PCR技術(shù)是怎樣的？有什么應(yīng)用？請(qǐng)大家課下研究這個(gè)問(wèn)題。教學(xué)反思 將科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)資料轉(zhuǎn)變成探究性學(xué)習(xí)的材料，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題、作出假設(shè)、分析結(jié)果，進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)?？茖W(xué)家巧妙地設(shè)計(jì)，大膽地假設(shè)，嚴(yán)密地推理，融合在師生共同的學(xué)習(xí)過(guò)程中，使學(xué)生完全投入在不斷探究、不斷釋疑的活動(dòng)中，便時(shí)常有一種驚喜、興奮的感覺(jué)，大大提高了學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，學(xué)生感受到生命活動(dòng)的復(fù)雜、生物體的穩(wěn)定，激發(fā)他們進(jìn)一步探索生物奧秘的興趣。 教師在教學(xué)過(guò)程中要注意材料的篩選和設(shè)計(jì)問(wèn)題的可讀性，要讓學(xué)生理解問(wèn)題的意思，學(xué)生能夠經(jīng)過(guò)一番思考初步解決問(wèn)題。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，教師要提供解決問(wèn)題的思路，因?yàn)閷W(xué)生掌握的知識(shí)有限、思維能力有限。教師不能提供了探究材料就“置之不理”，要在探究活動(dòng)中發(fā)揮重要的引導(dǎo)、幫助作用。教學(xué)資源使用建議PCR技術(shù)是一種在體外快速擴(kuò)增特定DNA序列的方法，它的主要原理是：模板雙鏈DNA分子在左右的條件下，分離成單鏈的DNA分子，在左右條件下，引物（含幾十個(gè)堿基的DNA單鏈分子）與單鏈的模板DNA分子結(jié)合，然后耐高熱的DNA聚合酶以單鏈DNA為模板，利用反應(yīng)混合物中的四種脫氧核糖核苷酸，在條件下合成與模板DNA互補(bǔ)的DNA片段。這一反應(yīng)不斷重復(fù)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)幾十個(gè)循環(huán)之后，特定的DNA片段便得到數(shù)十萬(wàn)乃至千萬(wàn)倍的增加。 PCR技