师：同学们，大家好。2017年，科学家首次用显微镜拍摄到了大肠杆菌DNA的复制过程。DNA以其独特的“语言”诉说着生命的秘密，大家能读懂它的“语言”吗？早在20世纪中叶，科学家们就对DNA的复制方式提出了三种假说，分别是全保留复制、半保留复制和弥散复制。这里是三种假说的复制模型。科学家梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为材料，利用同位素标记技术和密度梯度离心法，设计了一个巧妙的实验。通过实验结果，我们首先能排除哪一种复制方式呢？我们借助模型来分析，重点关注第三组实验。

　　在第三组实验中，b的子一代经过离心，主要分布在离心管的中部。在全保留复制中，子一代DNA一部分只含有氮 - 14，另一部分只含有氮 - 15，离心后应分布于离心管的上层和下层。而在半保留复制和弥散复制中，子一代DNA既含有氮 - 14，也含有氮 - 15，离心后分布于离心管的中部。所以，我们可以首先排除全保留复制这种方式。

　　那么，怎样设计实验来区分半保留复制和弥散复制呢？从模型中可以看到，半保留复制和弥散复制产生的子二代DNA元素组成有差异。我们可以把b放在只含有氮 - 14的培养液中培养两代，提取子二代DNA进行离心。如果DNA的复制方式为半保留复制，子二代DNA离心后应该分别位于下层和中部；如果是弥散复制，DNA应该均分布在离心管的中部。同学们，你们还能想出其他实验方案吗？课后可以进一步思考和讨论。

　　刚才我们研究问题的方法是假说 - 演绎法。对提出的问题做出假设，用假设进行演绎和推理，最终设计实验，并通过实验结果进行判断。最终实验结果证明了DNA的复制方式是半保留复制。而半保留复制是科学家克里克基于DNA结构的特征提出的假说。我们知道，科学家沃森和克里克在多位科学家不同领域研究成果的基础上，通过构建模型的方法得出了DNA分子的双螺旋结构。把双螺旋打开，这是DNA分子的平面结构。

　　每一条链都是一条脱氧核苷酸长链，脱氧核糖核苷酸是它的基本组成单位。脱氧核糖核酸由三种化学基团组成，这就是DNA的结构层次。两个上下相邻的脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键是怎样形成的呢？我们借助模式图来分析。在脱氧核糖的3号碳原子上连接着一个羟基，5号碳原子上连接着一个磷酸基团。上一个脱氧核苷酸3号位上的羟基和下一个脱氧核苷酸5号位上连着的磷酸基团之间发生反应，这样在上下两个核苷酸之间，此处的磷酸基团同时与前后两个脱氧核糖形成酯键，故称为磷酸二酯键。

　　那么，为什么说DNA的两条链是反向平行的呢？借助它的平面结构图分析，刚才我们知道在脱氧核糖的5号碳原子上连接有磷酸基团，3号碳原子上连接有羟基，具有游离磷酸基团的这一端称为5’端，具有游离羟基的这一端称为3’端。由此可见，DNA的两条链是反向的。为什么GC含量越高，DNA分子越稳定呢？我们知道DNA解旋本质是氢键的断裂，而GC碱基对中的氢键有三个，相比AT碱基对中的氢键较多。从化学性质上分析，磷酸和脱氧核糖具有亲水性，碱基具有疏水性。我们与细胞膜的结构进行类比，排列在DNA外侧和内侧的分别是什么结构呢？这又有怎样的生物学意义呢？这是细胞膜亚显微结构示意图。我们知道具有亲水性的磷脂头部排列在外侧，类比可知，在DNA外侧排列的是具有亲水性的磷酸和脱氧核糖，它们交替排列构成了DNA的基本骨架。在细胞膜结构中，具有疏水性的磷脂尾部分布在细胞膜内侧，那么在DNA中具有疏水性的碱基包裹在内部。碱基对的排列顺序代表着生物的遗传信息，这样把碱基对包裹在内部，对遗传信息起到了一定的保护作用，使得DNA分子具有一定的稳定性。

　　早期，关于核酸有一种四核苷酸假说，认为核酸的基本结构是由四个含有不同碱基的核苷酸连接成的四核苷酸，并以此为基础聚合成核酸。下表的数据是否支持该假说呢？如果支持四核苷酸假说，同一种生物体内碱基的数量和比例应该相同，但表格中的数据并不支持该观点。并且，不同生物体内碱基的含量和比例也存在差异。能不能用现代生物学的观点来解释原因呢？我们知道DNA分子碱基对的数量和排列顺序千变万化，所以不同生物种类之间，碱基对的含量和比例存在差异，这就是DNA分子多样性和特异性的原因。现代生物技术中的DNA指纹技术、亲子鉴定技术等，就是利用了DNA的特异性。独特的DNA分子结构导致其复制过程有怎样的特点呢？比如，DNA的双螺旋结构使碱基位于螺旋内侧，复制过程中必须发生解旋行为，科学家认为这是一个边解旋边复制的过程。再比如，DNA碱基对之间通过氢键相连，复制过程中氢键必须被破坏，这就需要解旋酶的参与。这些是DNA分子结构的特征，相对应的在复制过程中有哪些特征呢？

　　严格遵循碱基互补配对原则，两条链都可以作为复制的模板，以脱氧核糖核苷酸作为原料，需要DNA聚合酶参与来催化磷酸二酯键的形成。DNA独特的结构使其可以储存和携带遗传信息，DNA的复制过程也就是传递遗传信息的过程，这是DNA的重要功能之一。由此可见，独特的结构决定了DNA分子独特的功能。那么，DNA分子的两条链反向平行，对DNA的复制有怎样的影响呢？借助模式图分析，我们可以看到图中形成的子链m和子链n，方向也是反向的。但是由于DNA聚合酶只能使新合成的子链从5’端向3’端的方向延伸，只能将游离的核苷酸连接到核苷酸链的3’端。因此从图中可以看到，m链的延伸是连续的，而n链的延伸则是不连续的。

　　那么图中的x酶可能是什么酶呢？我们看到图中的x酶作用是连接两个DNA片段，这应该是我们在基因工程中学习到的DNA连接酶的作用。DNA聚合酶只能将游离的核苷酸连接到核苷酸链的3’端，那么我们可以推测在DNA复制过程中应该还需要什么物质参与呢？结合PCR技术思考，应该还需要引物的参加。