有關DNA分子的結構和復制的計算

摘要：DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，每個脫氧核苷酸是由一分子磷酸、一分子脫氧核糖和一分手含氮堿基組成的。組成脫氧核苷酸的含氮堿基有四種，它們是腺嘌呤(A)、烏嘌呤(G)、胞嘧啶(c)和胸腺嘧啶(T)。因此，脫氧核苷酸也有四種，即腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥嘌呤脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸。DNA分子就是由很多個脫氧核苷酸聚合而成的長鏈，簡稱多核苷酸鏈。

關鍵詞：DNA分子、脫氧核苷酸結構和復制

[中圖分類號]：D631.15[文獻標識碼]：A[文章編號]：1002-2139(2010)-16-0083-01

1953年，沃森和克里克提出了DNA分子的立體結構是規則的雙螺旋結構。這種結構的主要特點是：

(1)DNA分子是由兩條鏈組成的，這兩條鏈按、反向平行方式盤旋成雙螺旋結構。

(2)DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架；堿基排列在內測。

(3)DNA分子兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對。

一、堿基互補配對原則的計算規律

不同生物的DNA分子，其互補配對的堿基之和的比值不同。堿基T是DNA分子的特征堿基，在單鏈DNA分子中一般不存在A=T、G=C這樣的堿基數量關系。

設在雙鏈DNA分子中一條為1鏈，另一條為2鏈，根據堿基互補配對原則(^-T，C=G)。有：

AI=T2，A2=TI，CI=G2，C2=GI

AI+A2=A，TI+T2=T，CI+C2=C，GI+G2=G

1，兩個不互補的堿基之和的比值相等，并且任意兩個不互補的堿基之和占其總量的50％。

RP，

A+G/T+C=A+C/T+G=I，A+G＝T+C=A+C=T+C＝50％

(說明：嘌呤總數一定等于嘧啶總數。)

2 整個DNA分子中，一條鏈A+G/T+C的比值和另一條鏈該比值成倒數關系。即：

AI+GI/TI+CI=a，A2+G2/T2+C2=I/a

3 整個DNA分子中，一條鏈A+T/G+C的比值和另一條鏈及整個DNA分子中該比值都相等。即：AI+T1/GI+CI=a，A2+T2/G2+C2=a，A+T/G+C=a，

(說明：A與T或G與C之和占雙鏈的百分數也等于它在任意一條單鏈中占單鏈中的百分數。)

例：假設在一個DNA分子的片段中，含有鳥嘌呤240個，占全部堿基總數的24％，在此DNA片段中，胸腺嘧啶的數目和所占百分比分別是多少?

解析：根據堿基互補配對原則可知，T：(1-G-C)/2=(1-24％X2)/2=26％，又知G共240個，占24％，該DNA分子中共有堿基數為240/24％=1000，則T的數目為1000×26％=260個。

例：分析一個DNA分子時，發現30％的脫氧核苷酸含有腺嘌呤，由此可知該分子中一條鏈上鳥嘌呤含量的最大值可占此鏈堿基總數的( )

A 20％ B 30％ C 40％ D 70％

解晰：根據上面的公式計算可知：A=T=30％，C=G=I/2(1-2X30％)=20％

兩條鏈上的鳥嘌呤總含量為20％，一般情況下兩條鏈上都有鳥嘌呤，而如果DNA分子中所有的鳥嘌呤都分布在分子中的一條鏈上，則達到含量的最大值，由于一條鏈上的堿基總只有雙鏈的一半，所以一條鏈上鳥嘌呤含量的最大值為2×20％=40％

例：分析一個DNA分子時，發現30％的脫氧核苷酸含有腺嘌呤，由此可知該分子中一條鏈上鳥嘌呤含量的最大值可占此鏈堿基總數的( )

A 20％ B 30％ C 40％ D 70％

解析：根據上面的公式計算可知：A=T=30％，C＝G=1/2(1-2×30％)=20％

兩條鏈上的鳥嘌呤總含量為20％，一般情況下兩條鏈上都有鳥嘌呤，而如果DNA分子中所有的鳥嘌呤都分布在分子中的一條鏈上，則達到含量的最大值，由于一條鏈上的堿基總只有雙鏈的一半，所以一條鏈上鳥嘌呤含量的最大值為2×20％=40％

DNA分子的復制是指以親代的DNA分子為模板合成子代DNA的過程。這一過程是在細胞有絲分裂的間期和減數第一次分裂的間期，隨著染色體的復制而完成的。DNA分子的復制是邊解旋邊復制，并以半保留方式進行。DNA分子復制需要引物、模板、原料、能量和酶等基本條件。DNA分子獨特的雙螺旋結構，為復制提供了精確的模板，通過堿基互補配對，保證了復制能夠準確地進行。

二、有關半保留復制的計算

DNA的半保留復制，親代DNA雖然多代復制，但它的兩條母鏈仍存在于后代而不會消失，這是解答DNA復制有關計算的關鍵。

設：將一個全部被15N標記的DNA分子轉移到含14N的培養基中培養n代。則：

1 含15N的DNA分子占總DNA分子數為：i/2n-i

2 含14N的DNA分子占總DNA分子數為：100％

3 只含15N的DNA分子占總DNA分子數為：0

4 只含14N的DNA分子占總DNA分子數為：1-1/2n-1

5 含15N的單鏈占總單鏈數為：1/2n

6 含14N的單鏈占總單鏈數為：1-1/2n

7 若某DNA分子含某堿基a個，如該DNA分子進行n次復制，則需該堿基為a(2n-1)；如進行第n次復制，需該堿基為a，2n-i

例：現有從生物體內提取的一個DNA分子(稱第一代)和標記放射性同位素3H的四種脫氧核苷酸，要在實驗中合成新的DNA分子。

(1)除上述幾種物質外，還必須有______，方能合成第二代DNA分子。

(2)在一個第二代DNA分子中，有______條含3H的鏈。

(3)在第二代DNA分子中，含3H鏈的堿基序列相同嗎7______。

(4)在第五代的全部DNA分子中，有幾條不含3H的鏈7______。

解析：解題思路應是：

①解旋，由一個DNA分子分成兩條母鏈；

②以每一條母鏈為模板，按照堿基互補配對的原則，從周圍吸收新的脫氧核苷酸，形成新的子鏈，產生兩個子代DNA分子

@DNA分子復制需要哪些條件?

④在分析(2)、(3)、(4)小題時，應注意DNA的自我復制是半保留復制，因為兩個子代DNA分子的新鏈必然也是互補的，互補的兩鏈，其堿基有對應關系，但堿基排列順序是不同的。

答案：(1)酶、ATP (2)一條 (3)不同 (4)兩條

例：一個DNA分子中有i00個堿基對，其中有40個腺嘌呤，如果該DNA分子連續復制兩次，參與到DNA分子得復制中的游離的胞嘧啶脫氧核苷酸有多少個?

(分析)胞嘧啶與鳥嘌呤相配，原DNA分子中共有鳥嘌呤G=(100X2-40X2)/2=60個。

解法一：第1次復制得2個DNA分子，需要游離的胞嘧啶脫氧核苷酸60個，第2次復制得4個DNA分子，需要游離的胞嘧啶脫氧核苷酸2×60=120個，連續復制兩次，參與到DNA分子得復制中的游離的胞嘧啶脫氧核苷酸有60+120=180個。

解法二：復制2次共得4個DNA分子，新增加3~'DNA分子，需要游離的胞嘧啶脫氧核苷酸3×60=-180個。