有關(guān)“DNA分子復(fù)制”幾個(gè)問題的探討 論文

有關(guān)“DNA分子復(fù)制”幾個(gè)問題的探討摘要：DNA作為生物主要的遺傳物質(zhì)，通過復(fù)制，將遺傳信息從親代細(xì)胞傳遞給子代細(xì)胞，從而保持了遺傳信息在親子代間的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在高中生物新舊教材中，都是以真核生物為對(duì)象，來學(xué)習(xí)DNA復(fù)制知識(shí)的。相對(duì)于其他學(xué)科來說，內(nèi)容編寫是比較簡易的，但對(duì)于高中學(xué)生來說，由于學(xué)業(yè)的壓力和初中的基礎(chǔ)薄弱，平時(shí)很少積累生物方面的知識(shí)，所以在學(xué)習(xí)過程中還是會(huì)遇到不少問題的。師生之間通過探討分析，并利用相關(guān)資源，共同來解決這些問題，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和生物科學(xué)素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：發(fā)生時(shí)期,葉綠體,線粒體,半保留復(fù)制,N/N-DNA,DNA聚合酶,解旋,疑問1：如何正確理解DNA復(fù)制發(fā)生的時(shí)期？在高中生物教材2004人教版和新教材2019人教版中，關(guān)于DNA復(fù)制的時(shí)期是這樣敘述的：DNA復(fù)制這一過程是在細(xì)胞分裂（有絲分裂和減數(shù)第一次分裂）前的間期，隨著染色體的復(fù)制而[1]完成的。學(xué)完這節(jié)內(nèi)容，就有學(xué)生過來問：“兩種半自主性細(xì)胞器----線粒體，葉綠體中也有少量DNA。那它們中的DNA，在細(xì)胞分裂過程中是不是也要復(fù)制？如何復(fù)制？復(fù)制的時(shí)期是什么？”對(duì)于學(xué)生的這一連串的問題，我當(dāng)時(shí)是驚喜的：學(xué)生能對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深入思考是很好的，這也說明了他是對(duì)生物學(xué)習(xí)感興趣的。我當(dāng)時(shí)并沒有立即告訴他答案，而是給了他幾本資料，并告訴他：“學(xué)習(xí)就是不斷探究和挖掘的過程，通過自己的雙手得來的知識(shí)才更長久。”學(xué)生通過3查閱資料，告訴我：“線粒體DNA和葉綠體DNA也都是按照半保留方式進(jìn)行自我復(fù)制的。用H-嘧啶核苷標(biāo)記證明，線粒體DNA主要在細(xì)胞周期的S期及G2期復(fù)制，DNA先復(fù)制，隨后線粒體分裂。葉綠體DNA主要在G1期復(fù)制。但是它們的復(fù)制仍然受細(xì)胞核的控制，復(fù)制過程所需要的DNA聚合酶是由核DNA編碼，隨后在細(xì)胞質(zhì)的核糖體上合成，然后通過一定誘導(dǎo)運(yùn)輸途徑進(jìn)[2]”入線粒體和葉綠體中發(fā)揮作用的。聽后，我以為問題解決了。不過，他們又有了新的疑問：1.線粒體是細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”，主要功能是進(jìn)行有氧呼吸，分解有機(jī)物，合成ATP，為細(xì)胞的生命活動(dòng)直接提供能量?？墒窃诓煌?xì)胞內(nèi)，線粒體的形態(tài)，大小，數(shù)量與分布變動(dòng)卻很大，即使是同一細(xì)胞處在不同生理狀態(tài)下也不一樣。2.葉綠體是植物細(xì)胞特有的,通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能,具有合成有機(jī)物和儲(chǔ)存能量的功能。其形態(tài)大小、數(shù)量以及生物活性與高等植物的生長[2]發(fā)育息息相關(guān)。既然是這樣的，那是不是可以理解為在細(xì)胞生長時(shí)，細(xì)胞會(huì)根據(jù)代謝的需要，線粒體和葉綠體都可在細(xì)胞質(zhì)中分裂增殖呢？1這個(gè)問題還真是把我問住了，不過不怕，現(xiàn)在資源那么豐富，我們肯定能找到答案的。翻閱翟中和主編的高校教材《細(xì)胞生物學(xué)》，書中是這樣描述線粒體增殖的：“在細(xì)胞發(fā)育過程中，[2]”線粒體也隨之生長，基質(zhì)蛋白質(zhì)增多，線粒體DNA進(jìn)行復(fù)制，膜表面積增加，然后線粒體分裂。也有研究表明：有氧運(yùn)動(dòng)可激活肝細(xì)胞線粒體增殖和自噬過程，改善線粒體數(shù)量和質(zhì)量，減少線粒體的活性氧自由基的釋放，抑制氧化應(yīng)激對(duì)干細(xì)胞的損傷，從而減少肝脂質(zhì)的沉積和炎癥，阻[3]止肝纖維化的發(fā)生。另外，有學(xué)者利用電鏡觀察和電鏡冷凍蝕刻技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在大鼠精子生成過程中，分裂期初級(jí)精母細(xì)胞中線粒體數(shù)目迅速增加，并在細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)10多個(gè)線粒體群，在一個(gè)[4]線粒體群體中可見到正在分裂的線粒體。1個(gè)線粒體分裂為2---4個(gè)。研究表明葉綠體的增殖和細(xì)胞膨大有著緊密的聯(lián)系,細(xì)胞大小和葉綠體數(shù)量呈現(xiàn)出正相關(guān)性：根據(jù)統(tǒng)計(jì)觀察分析,在二倍體和四倍體植物中葉肉細(xì)胞出現(xiàn)兩個(gè)高速膨大期，葉綠體也會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)高速分裂期。另外，倍性增[5]加使葉肉細(xì)胞體積增大,從而間接導(dǎo)致四倍體葉肉細(xì)胞中葉綠體數(shù)量比二倍體更多。綜上分析，DNA復(fù)制是主要發(fā)生在間期的，在分裂期或細(xì)胞生長發(fā)育期，細(xì)胞會(huì)根據(jù)代謝的需要，進(jìn)行線粒體或葉綠體的增殖。高中教材介紹的只是細(xì)胞核內(nèi)的DNA復(fù)制的相關(guān)知識(shí)，而且比較淺顯，并沒有深入挖掘。學(xué)生想要一探究竟，可以自由并充分的有效利用課程資源，去解決自己的疑團(tuán)，這也體現(xiàn)了新教材要培養(yǎng)學(xué)生的探究思維能力。疑問2.在DNA半保留復(fù)制方式的探究實(shí)驗(yàn)中，大腸桿菌最初DNA的N鏈去向是？在筆者講授完DNA復(fù)制這節(jié)內(nèi)容后，學(xué)生拿著課本請(qǐng)教我，說：“老師，在含有NHCl培41515養(yǎng)液中培養(yǎng)大腸桿菌，讓大腸桿菌繁殖若干代，目的是得到N//N的親代DNA分子。可是根據(jù)半保留復(fù)制的原理，子代DNA分子中是保留了親代DNA分子一條鏈的，那最初大腸桿菌中DNA1415的N鏈應(yīng)該在子代大腸桿菌中存在的。怎么可能得到都是只含N的DNA呢？聽后，我首先夸獎(jiǎng)了這位學(xué)生，他勤學(xué)好問，善于思考的品質(zhì)是值得現(xiàn)在很多學(xué)生學(xué)習(xí)的。然后，我給他畫復(fù)制14過程示意圖（以1個(gè)僅含N的DNA分子為最初的親代，n表示繁殖代數(shù)）：214n14從圖中可以總結(jié)出：1個(gè)僅含N的DNA復(fù)制n代，DNA分子總數(shù)為2個(gè)，含N的DNA14nn-1分子數(shù)2個(gè)。含N的DNA所占比例為2/2（即：1/2)。但是大腸桿菌的繁殖是非常快的，每2014分鐘就能繁殖一次，那也就是說一天就能繁殖72次了?？梢姡?dāng)n不斷增大，含N的DNA就15微乎其微了，所以將大腸桿菌接種在含NHCl培養(yǎng)液中培養(yǎng)，讓其繁殖若干代，就可以得到幾41515乎都是N//N的親代DNA分子了。疑問3：細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制，兩條新的子鏈都是連續(xù)合成的嗎？DNA是邊解旋邊進(jìn)行復(fù)制的。在解旋的同時(shí)，解開的兩條母鏈片段就可以作為模板進(jìn)行合成子鏈了，但是親代DNA分子的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，如果兩條子鏈的合成方向都是連續(xù)合成的，也就是和解旋方向是一致的，那就說明DNA聚合酶的種類和作用特點(diǎn)不單一了。是不是這樣呢？[6]筆者查閱了高中選修1教材和大學(xué)教材聶劍初等主編的《生物化學(xué)簡明教程》，明確指出：DNA聚合酶是有三種的（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ），都只有5’→3’聚合酶活性，這就說明了DNA只能沿“著5’→3’方向合成。另外明確敘述：DNA聚合酶不能從頭開始催化DNA新鏈的合成，只能從核苷酸鏈的3’端延伸子鏈，所以DNA聚合酶發(fā)揮作用是需要引物的。”顯而易見，之前的推測(cè)是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，在DNA復(fù)制過程中，只有一條子鏈的合成是和解旋方向一致的。在兩條子鏈中，和解旋方向一致的這條子鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的，稱為前導(dǎo)鏈；而另一條子鏈的合成由于和解旋方向不一致，是從剛解開的那一端反向合成的，所以是不連續(xù)合成的，稱為后隨鏈。DNA的這種半不連續(xù)復(fù)制機(jī)制，是1968年被岡崎等科學(xué)家用同位素標(biāo)記法發(fā)現(xiàn)的，所以這些間斷合成的子鏈片段被稱為岡崎片段。岡崎片段在細(xì)菌和真核細(xì)胞中是普遍存在的。其實(shí)，岡崎片段的合成也是需要引物的，引物通常是極短的RNA，需要在細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)合成。隨后，各個(gè)岡崎片段的連接是DNA連接酶的作用，最終形成后隨鏈的。從上面的敘述中，可以看出：細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行DNA的復(fù)制是需要多種酶參與的，不僅需要解旋酶，DNA聚合酶，也需要DNA連接酶。由于DNA聚合酶的特性，也需要引物。所以，體外進(jìn)行DNA擴(kuò)增（PCR技術(shù)），也是需要這些條件的。綜上所探討，我們體會(huì)到了對(duì)生物知識(shí)的理解要靈活，不能僅局限于教材。比如：對(duì)概念的理解，不能“望文生義”，“咬文嚼字”式的意會(huì)與解讀，應(yīng)該根據(jù)概念名稱或生物學(xué)術(shù)語，理[7]解其內(nèi)涵與外延，理解其所代指的科學(xué)知識(shí)和生物學(xué)意義。學(xué)習(xí)就是不斷探索的過程，作為師者，不能讓學(xué)生在生物的“汪洋大?！敝忻つ啃旭偅覀儜?yīng)給學(xué)生造個(gè)“燈塔”，引導(dǎo)他們?nèi)ヌ骄繂栴}的真相。參考文獻(xiàn)[1]普通高中教科書[M]北京：人民教育出版社，2014（54），2019（55）.[2]翟中和，王喜忠，定明孝.細(xì)胞生物學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000：207-241.[3]趙軍,史長征,徐曉陽,董合玲,栗原博.基于SIRT1軸的線粒體增殖和自噬通路探討有氧運(yùn)3動(dòng)對(duì)NASH大鼠脂肪性肝炎的影響[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),2016,39(01):68-75.[4]黨連凱,魯崎唔.大鼠和小鼠精子發(fā)生過程中線粒體結(jié)構(gòu)增殖和分布的研究[J].解剖學(xué)報(bào),1