（2010北京卷）DNA半保留复制的实验证据题目的解析
2015-10-20 20:25阅读：
（2010年
北京卷）科学家以大肠杆菌为实验对象，运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验，实验内容及结果见下表。
请分析并回答：
（1）
要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌B，必须经过___________代培养，且培养液中的__________是唯一氮源。
（2）
综合分析本实验的DNA离心结果，第_________组结果对得到的结论起到了关键作用，但需把它与第__________组和第___________组的结果进行比较，才能说明DNA分子的复制方式是_________。
（3）分析讨论：
①
若子I代DNA的离心结果为“轻”和“重”两条密度带，则“重带”DNA来自于________，据此可判断DNA分子的复制方式不是___________复制。
②
若将子I代DNA双链分开后再离心，其结果是___________（选填“能”或“不能”）判断DNA的复制方式。
③
若在同等条件下将子II代继续培养，子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置_____________，放射性强度发生变化的是__________带。
④
若某次实验的结果中，子I代DNA的“中带”比以往实验结果的“中带”略宽，可能的原因是新合成的DNA单链中的N尚有少部分为______________.
考点：DNA分子的复制
分析：分析表格：DNA的复制方式可能为半保留复制、全保留复制和混合复制．若为全保留复制，则3组中子代DNA经离心后应该分为轻带（14N/14N）和重带（15N/15N），而实际只有中带（14N/15N），说明DNA复制不是全保留复制；若为混合复制，则4组中子代DNA经离心后应该只有中带（14N/15N），而实际结果与之不符，说明DNA复制不是混合复制，则DNA的复制方式为半保留复制．
解答：
（1）培养液中以15NH4Cl为唯一氮源，需经过多代培养，才能要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌B．
（2）若证明DNA的复制为半保留复制，则需证明后代DNA的两条链，一条链是母链，另一条链是新合成的子链，第3组结果与第1组、第2组的结果对比可以证实．
（3）①“轻”DNA为14N/14NDNA，“重”DNA为15N/15NDNA，据表，“重带”DNA来自于B代．①的结果是：后代DNA的两条链全是原来的或全是新合成的，说明DNA分子的复制方式不是半保留复制．
②将子Ⅰ代DNA双链分开后再离心，无法判断后代DNA的两条链的来源，不能判断DNA的复制方式．
③将子Ⅱ代继续培养，子n代DNA的情况是有两个为14N/15NDNA，其余全部为14N/14NDNA，所以子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置没有变化，放射性强度发生变化的是轻带。（在含15N培养基上培养得到的细菌细胞里还含有游离的15N脱氧核苷酸，在换到的14N培养基环境中培养时，DNA进行半保留复制，新合成的互补子链上不全是14N的脱氧核苷酸构建，还含有少量15N的脱氧核苷酸参与。由于轻带含量增加，
15N的DNA链数量增加，导致轻带放射性发生变化。【从误差分析方面解答此题】）．
④“中带”为14N/15NDNA，“中带”略宽，说明新合成的DNA单链中N尚含有部分15N（在含15N培养基上培养得到的细菌细胞里还含有游离的15N脱氧核苷酸，在换到的14N培养基环境中培养时，DNA进行半保留复制，新合成的互补子链上不全是14N的脱氧核苷酸构建，还含有少量15N的脱氧核苷酸参与．在离心后，由于这些互补链上含少量15N的DNA的密度只是比中型DNA略大，不会形成新的带，而是沉降在中型DNA的下缘，结果看上去还是一条带，所以比以往实验结果的“中带“略宽了）．【从误差分析方面解答此题】
故答案为：（1）多
15NH4Cl（2）3 1
2 半保留复制（3）①B
半保留②不能③没有变化
轻④15N
点评：本题以大肠杆菌为素材，运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验，要求考生认真分析表中实验结果，根据结果推测DNA复制方式，得出正确的实验结论，属于考纲理解和应用层次的考查．
此题的争议：
讨论：
自1953年美国生物学家沃森和英国物理学家克里克提出DNA双螺旋结构模型后，他们紧接着又提出了遗传物质自我复制的假说:DNA的半保留复制。1958年，美国科学家马修·米西尔逊（Matthew
Meselson）和福兰克林·斯塔尔（Franklin
Stahl）以大肠杆菌为实验对象，运用同位素标记法、氯化铯密度梯度离心法设计了巧妙的实验，成功证实了沃森和克里克的假设。本题实验背景就取自米西尔逊和斯塔尔的经典实验，属实验和探究能力的考查，旨在考查探究实验的实验设计、对照分析、实验结果的分析和讨论等。
但题支设问和答案有几处值得商榷，兹作如下分析。
首先，题支“（1）
要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌B，”中的“放射性标记”，“（3）③若在同等条件下将子II代继续培养，子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置_____________，放射性强度发生变化的是__________带”中的“放射性强度”的问法欠妥。
为了更加明确此知识点，简要回顾一下题干提到的同位素示踪技术。同位素示踪技术，又称同位素标记法，是借助同位素原子以研究化学反应历程的方法。1912年瑞典放射化学家赫维西首先试用同位素示踪法，并陆续作了许多工作，由于其开创性贡献，赫维西获得了1943年诺贝尔化学奖，1959年和平利用原子能奖。从20世纪30年代开始随着重氢同位素和各种人工放射性同位素的发现，同位素示踪法大量应用于生命科学、医学、化学等领域。
同位素示踪所利用的同位素称示踪剂，它可以是放射性同位素，也可使用稳定性同位素。放射性同位素常用的有3H、14C、32P、35S、131I，稳定性同位素常用的有15N
、18O、13C、2H等。放射性同位素是指原子核不稳定、会不断发生衰变，能够不断地放出α射线（或β射线、γ射线）等，常用自显影技术或液体闪烁计数器等射线测量、分析、记录仪，随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。稳定性同位素是指原子核结构稳定，不会发生衰变的同位素，因为它不释放射线，科研人员一般利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪、气相层析仪、核磁共振、密度梯度离心等质量分析仪器来测定和追踪，这尽管也是同位素标记法，但不能称为放射性同位素标记法。因此，本实验过程中，无论15N
还是14N都没有放射性，所以无法“得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌”，同样“放射性强度”也没有变化。
其次，由题支第（2）问的答案进行推理，得出的结论是：“综合分析本实验第1、2、3组结果，能说明DNA分子的复制方式是半保留复制，并且第3组结果对结论分析起到关键性作用”。这种说法同样值得商榷。
我们再回顾一下科学家的探究历程：当沃森和克里克提出DNA半保留复制假设后，由于当时人们并不了解DNA链可以分离，所以对这个假说提出质疑，于是又有人提出了另外的假说，即全保留复制和分散复制（也称散布式复制）。全保留复制模型认为：在DNA复制时，DNA并不需要解链，只是在复制位点解开几个碱基，亲代分子保持完整。分散复制认为：在复制过程中亲代ＤＮＡ双链被切割成小片段，分散在新合成的两个ＤＮＡ双链分子中（如图）。
此后，美国科学家米西尔逊和斯塔尔在15NH4Cl培养基中连续培养大肠杆菌
15代，制备只含15N标记的大肠杆菌的DNA。然后将它转移到只含14N氮源中培养，复制一代后，所有DNA密度介于15N-DNA和14N-DNA之间，即梯度离心后“仅为中带”。再复制一代后，出现两条区带，一半是中带，一半是轻带。随着在14N培养液中培养代数的增加，中间密度区的区带量逐渐减少，低密度区带的量逐渐增加，但并不出现新的区带。为了准确证实第一代DNA分子确实是一半15N-DNA、－半14N-DNA，他们还将这种分子经加热变性，对变性前后的DNA分别进行CsCl密度梯度离心，结果变性前的一条“中带”，变性后则分为两条区带，即“重带”(15N-DNA)和“轻带”(14N-DNA)。这些实验结果显然只有用半保留复制机制才能圆满解释。
而本小题答案中，只将第3组实验结果与第1、2组比较，这只能排除全保留复制，却不能排除分散复制的可能，即“不能说明DNA分子的复制方式是半保留复制”。要想进一步排除分散复制的可能性，可以再复制一代，如果所有DNA全部位于“中带”，则是分散复制；如果一般是“中带”，一半是“轻带”，则是半保留复制了。或者对第一代全位于“中带”的DNA进行热变性和梯度离心，如果仅得到“中带”，则是分散复制；若一半“中带”、一半“重带”，则是半保留复制。所以，就本题而言，对半保留复制方式的得出，关键作用的不能仅仅是第3组结果，必须同时还有第4组结果。
原参考答案： （1）
多
15N（15NH4Cl）
（2）3 1
2 半保留复制 （3）①
B 半保留
② 不能 ③ 没有变化
轻 ④
15N
