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高中二~高中三年级 (16-18岁)

高中生物 DNA复制与基因表达

DNA 的两条链解开后，以每条链为模板合成新链，复制出的每个 DNA 分子都含有一条原来的链和一条新链，这就是半保留复制。 DNA 聚合酶只能沿 5' → 3' 方向延伸新链，所以一条链（前导链）紧跟着复制叉连续合成，另一条链（后随链）则分成一个个短的冈崎片段合成，再连接起来。 梅塞尔森和斯塔尔把用重氮（¹⁵N）和轻氮（¹⁴N）标记的 DNA 离心，证明了半保留复制；复制下来的遗传信息再经过转录和翻译表达为蛋白质。 图中可以看到，随着复制的进行，复制叉向上移动，前导链和冈崎片段不断延长；还能看到离心管中的条带随世代变化而移动。

为什么准确复制很重要

💡 一字不错地抄写一本 30 亿字的书
①人的 DNA 约有 30 亿个碱基对，每次细胞分裂都要把它们全部复制一遍
②DNA 聚合酶还能自己纠正配错的碱基，所以错误极少，约每 10 亿个碱基才出现 1 个
③两条链解开后，每条链都作为模板，A 与 T、G 与 C 互补配对，合成新链
④所以复制出的两个 DNA 分子各由一条原来的链和一条新链组成（半保留复制）

复制叉：前导链与后随链

5
复制所需的酶
解旋酶（解开双链）→ 引物酶（RNA 引物）→ DNA 聚合酶（合成新链）→ DNA 连接酶（连接片段）
DNA 聚合酶不能自己开始合成新链，只能在引物的末端接上核苷酸
🔍 前导链与后随链
①DNA 聚合酶只能沿 5' → 3' 方向延伸新链
②前导链上新链延伸的方向与复制叉移动的方向相同，所以紧跟着复制叉连续合成
③后随链上新链延伸的方向与复制叉相反，每露出一段模板，就单独合成一个短的冈崎片段
④每个片段都从 RNA 引物开始，之后引物被换成 DNA，再由 DNA 连接酶把片段连成一条完整的链

梅塞尔森－斯塔尔实验：证明半保留复制

F₁
💡 解读实验结果
①大肠杆菌在 ¹⁵N 培养基中培养许多代后，DNA 两条链都含 ¹⁵N，离心后只有一条重带（P）
②把它转到 ¹⁴N 培养基中复制一次，所有 DNA 都由一条 ¹⁵N 链和一条 ¹⁴N 链组成，只出现一条中带（F₁）
③再复制一次，中带（¹⁵N-¹⁴N）和轻带（¹⁴N-¹⁴N）按 1 : 1 出现（F₂）
④如果是全保留复制，F₁ 应出现重带和轻带；如果是分散复制，F₂ 也应只有一条带，所以这一结果只能用半保留复制来解释

基因表达：中心法则

中心法则
DNA →（转录）→ mRNA →（翻译）→ 蛋白质
遗传信息从 DNA 经 RNA 流向蛋白质
📐 转录与翻译
①转录：RNA 聚合酶读取 DNA 的模板链合成 mRNA，在真核细胞中发生在细胞核内
②翻译：核糖体读取 mRNA，把氨基酸连接成蛋白质，发生在细胞质中
③mRNA 上相邻的三个碱基（一个密码子）决定一个氨基酸
④起始密码子是 AUG（甲硫氨酸），终止密码子 UAA、UAG、UGA 不编码氨基酸

例题与真题检验

例题 1
某双链 DNA 中，腺嘌呤（A）占全部碱基的 30%。这个 DNA 中鸟嘌呤（G）占多少？
1
双链 DNA 中 A 与 T 配对、G 与 C 配对，所以 A ＝ T，G ＝ C。
2
A 占 30%，T 也占 30%，两者共 60%；其余 40% 由 G 和 C 平分，所以 G ＝ 20%。
▸ 20%
由于碱基互补配对，A ＝ T、G ＝ C（查哥夫法则）。再加上四种碱基之和为 100%，知道一种碱基的比例就能求出其余全部。
例题 2
把只在 ¹⁵N 中培养的大肠杆菌转到 ¹⁴N 培养基中，使 DNA 只复制一次（F₁）。把这些 DNA 离心，会出现怎样的条带？
1
在半保留复制中，复制出的每个 DNA 分子都由一条 ¹⁵N 链和一条新合成的 ¹⁴N 链组成。
2
所以全部 DNA 都是 ¹⁵N-¹⁴N（中等密度），只出现一条中带。
▸ 一条中带（¹⁵N-¹⁴N）
F₁ 只出现一条中带，是排除全保留复制的关键证据。在图中把世代推进到 F₂，就会分成中带和轻带两条。
模拟考类型
关于 DNA 复制和基因表达，下列说法正确的是哪一项？
①DNA 以全保留方式复制。
②后随链形成冈崎片段，不连续地合成。
③转录在核糖体上进行。
④翻译的终止密码子编码甲硫氨酸。
⑤梅塞尔森－斯塔尔实验证明了全保留复制。
▸ ② 后随链形成冈崎片段，不连续地合成。
1
后随链延伸方向与复制叉相反，所以以短的冈崎片段合成，再由 DNA 连接酶连接起来。
2
复制是半保留的（①、⑤），转录由 RNA 聚合酶完成，翻译在核糖体上进行（③），终止密码子不编码氨基酸（④）。

总结

DNA 复制
半保留复制：每个复制出的 DNA ＝ 一条原链 ＋ 一条新链
解旋酶 → 引物酶 → DNA 聚合酶（5' → 3'）→ DNA 连接酶
🎯 考试要点
①DNA 以半保留方式复制，梅塞尔森－斯塔尔实验证明了这一点
②DNA 聚合酶只能沿 5' → 3' 方向合成新链，并且需要引物才能开始
③前导链连续合成，后随链以冈崎片段的形式不连续合成
④转录时沿 3' → 5' 方向读取模板链，沿 5' → 3' 方向合成 mRNA
⑤翻译时密码子与反密码子配对，氨基酸依次连接，从 AUG 开始，到 UAA、UAG 或 UGA 结束
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