Question

在氮源为¹⁴N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为¹⁴N－DNA(对照)；在氮源为¹⁵N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为¹⁵N－DNA(亲代)。将亲代大肠杆菌转移到含¹⁴N的培养基上，再连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ)，用某种离心方法分离得到的结果如图所示。

 

请分析：

(1)由实验结果可推测第一代(Ⅰ)细菌DNA分子中一条链是__________，另一条链是__________。

(2)将第一代(Ⅰ)细菌转移到含¹⁵N的培养基上繁殖一代，将所得到细菌的DNA用同样方法分离。请参照上图，将DNA分子可能出现在试管中的位置在下图中标出。

 

 

Answer 1

答案：
解析：

(1)15N母链   14N新链  (2)见下图

提示：

(1)DNA的复制发生在细胞分裂过程中，一个细胞周期，DNA复制一次。对于多细胞的生物来说，细胞分裂仅仅是增加细胞数目的方式，而对于单细胞生物来说，则是繁殖后代的方式。因此，题目中大肠杆菌的繁殖代数就与DNA的复制次数建立了一一对应的关系(多细胞动物的细胞周期数、细胞分裂次数与DNA复制次数有一一对应关系)。 (2)DNA复制是指以亲代DNA分子为模板合成子代DNA的过程。其复制过程是边解旋边复制，包括三个步骤：①解旋；②以母链为模板进行碱基互补配对；③每条子链与对应母链相盘绕，形成两个新的DNA分子。从复制过程不难发现，DNA分子复制的特点是半保留复制，新形成的DNA分子中都包含一条亲代DNA分子的脱氧核苷酸链(母链)和一条配对新合成的脱氧核苷酸链(子链)。由于两条母链间是互补关系，因此，新形成的分属在两个DNA分子中的两条子链也是互补关系。DNA复制所需的基本条件是模板(母链)、原料(环境中游离的脱氧核苷酸)、能量(ATP)、酶。正常情况下，原料从周围环境中吸收进入细胞核而被利用。在实验条件下，培养基即是大肠杆菌的生活环境，也是脱氧核苷酸的来源地，培养基中含有的N元素类型，就是游离脱氧核苷酸的标志类型。 (3)14N是自然界中N元素存在的主要形式，15N带有放射性，其他均与14N作用相同。科研人员正是利用了这一点，利用15N做示踪元素，标记DNA分子或其他要研究的物质分子，达到研究其过程变化的目的。解答本题时也可采用以不同形状代表N元素的不同类型链(例如，用“ ”代表14N链，用“ ”代表15N链)画草图的形式，快速、直观地反映出在不同培养基上的不同结果。草图举例   图示：——含14N的DNA分子，轻链，分离位置在上部。 ——含15N的DNA分子，重链，分离位置在下部。 或——14N－15N双链DNA分子，中间型，分离位置在中部。   就本题而言，本题给出了在不同氮源条件下以及变换氮源的条件下生长的大肠杆菌的DNA的分离结果。首先应当明确的是，大肠杆菌为单细胞生物，其繁殖一代实际上是经历了一个细胞周期，每个细胞周期中DNA复制一次，繁殖两代，就是DNA复制了两次。整个题目由表面上的细菌繁殖转化为DNA复制的问题。 (1) 从第一个图可看到，在14N培养基上培养的大肠杆菌DNA(对照)的分离位置位于试管上部，在15N培养基上培养的大肠杆菌DNA(亲代)的分离位置位于试管的下部，将亲代转移到14N培养基上培养繁殖出的Ⅰ代的DNA分离在中间位置上，Ⅱ代的DNA的分离位置有两个：1/2在试管上部，1/2在中间位置。从以上四个分离结果可知，含14N的DNA链较轻，在上层，含15N的DNA链较重，在下层，繁殖Ⅱ代一半DNA的表现同对照，即为14N－DNA，另一半DNA的表现同繁殖Ⅰ代。由DNA分子结构和DNA分子半保留复制可推断，亲代的15N－DNA在14N培养基上复制一次(繁殖一代)，新合成的两条双链DNA分子均是一条15N链和一条14N链，这也是繁殖Ⅰ代DNA分子分离位置在中间的原因。由此推断，繁殖Ⅰ代在14N培养基上繁殖二代，以14N链为模板合成的是均含14N的DNA分子，以15N链为模板合成的DNA分子是一条含14N的链，一条含15N的链，分离位置应一半在上部，一半在中间。此推论与繁殖Ⅱ代的实验分离结果完全相符，证明上述推断正确。 (2)根据上述推断方式，将第一代(Ⅰ)细菌转移到含15N的培养基上繁殖，Ⅰ代DNA复制，其中以含14N的链为模板合成的DNA分子，一条链含14N，一条链含15N，其分离位置应在中间；以含15N链为模板合成的DNA分子，两条均为15N链，其分离位置应在下部。