复制fuzhi

一般指从一个DNA分子生成两个相同结构的DNA分子的过程。早在1953年，沃森和克里

图579 梅塞尔森-斯塔尔实验
图的右侧为实验结果，左侧为实验结果的解释。

克在DNA双螺旋结构模型的基础上，就提出了DNA的半保留复制假说。他们推测：复制时，DNA的两条链分开，然后用碱基配对方式依照每条DNA单链的核苷酸顺序合成新链，以组成新DNA分子。这样，新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基序列完全相同，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的。这种复制方式叫做半保留复制。1958年，梅塞尔森(M.S.Meselson)和斯塔尔(F.W.Stahl)首次用实验直接证明了DNA的半保留复制。他们先使大肠杆菌长期在以¹⁵NH₄Cl为唯一氮源的培养基中生长，使其DNA全部变成[¹⁵N]DNA。然后再将细菌转入普通培养基(含¹⁴NH₄Cl)中，并将各代的细菌DNA抽提出来进行氯化铯(CsCl)密度梯度离心。此法是用每分钟数万转的高速长时间离心，使离心管内的氯化铯溶液，因离心作用与扩散作用达到平衡而形成密度梯度（即其密度从管底部向上逐渐变小）。同时，溶液中的DNA就逐渐聚集在与其密度相同的氯化铯位置处形成区带。由于[¹⁵N]DNA比[14N]DNA的密度大，离心达到平衡时，[¹⁵N]DNA区带的位置比[¹⁴N]DNA区带的位置更靠近离心管底部。梅塞尔森和斯塔尔发现在[¹⁵N]培养基中的细菌DNA只形成一条[¹⁵N]DNA区带。移至[¹⁴N]培养基经过一代后，所有DNA的密度都在[1⁵N]DNA和[¹⁴N]DNA之间，说明形成了一半[¹⁵N]DNA和一半[1⁴N]DNA的杂交分子。实验证明第2代正好一半为此杂交分子，一半为[¹⁴N]DNA分子。第3代以后，[1⁴N]DNA成比例地增加，整个变化与半保留复制预期的完全一样。此后，又对细菌、动植物细胞及病毒进行了许多实验研究，都证明了DNA复制的半保留方式。
脱氧核苷酸单元如何聚合成DNA大分子呢？从50年代后期开始，对DNA复制的分子机制逐渐有所了解。现在知道这是一个有多种因子参与的复杂过程。
其中起主要作用的是“DNA指导的DNA聚合酶”。这个酶催化新DNA生成时，除需要所有4种脱氧核苷三磷酸(dATP、dGTP、dCTP和dTTP)作底物外，还需要Mg²⁺、“DNA模板链”以及与模板DNA互补的一小段多核苷酸作为“引物”。反应中新加入的脱氧核苷三磷酸的α-磷酸基与引物的3′-羟基共价结合，其β与γ磷用无机焦磷酸(PPi)的形式释放。反应所产生的焦磷酸随即被酶分解产生无机磷酸，由于产物之一不断移去，使聚合反应趋向完成。引物与模板链互补，并按照G与C配对、A与T配对的规律用氢键连在一起，DNA聚合酶催化新的脱氧核苷酸单位，按照模板链的碱基序列和同样的碱基配对原则，逐个加到引物的3′端，从5′→3′逐渐延伸合成一条碱基序列与模板链互补的新DNA链。

图580 DNA聚合酶的作用模式图

染色体DNA复制时，先在复制起始点上解开螺旋并将两条链分开，然后以之为模板，新合成的链沿模板链不断延伸，像一个叉子的形状（叫做复制叉）前进，直到整个分子复制完成才停止。DNA双螺旋结构的两条链方向相反。所以，在复制时，如一条新生DNA链从5端向3'端合成，则另 一条链必定从3'端向5'端延伸。已知的DNA聚合酶都催化DNA链从5'向3'延长，那么，从3'到5'延伸的DNA又是怎样合成的呢？经深入研究发现：双链DNA的复制是一个半不连续过程，即新DNA的一条链是按5'→3'方向（与复制叉移动的方向一致）连续合成的，而另 一条链的合成则是不连续的，先按5'→3'方向（与复制叉移动的方向相反）合成若干短片段，再连在一起。多数DNA复制双向进行，即有两个复制叉，它们向相反的方向前移。染色体上的起始点是一段由100～200碱基对(bp)组成的核苷酸序列。原核生物有一个固定的起始点，真核生物染色体有多个起始点（原点）。
37℃时，每个大肠杆菌复制叉每分钟能合成多于45000bp长的新DNA，从复制叉移动的速度计算，大肠杆菌染色体DNA(4×10⁶bp)增加1倍约需40分钟。真核生物的复制叉移动较慢，但因有多个起始点，其DNA复制的总速度仍较快。如果蝇的基因组是大肠杆菌基因组的40倍，其DNA增加1倍仅需3分钟。以上是DNA复制的主要方式。某些噬菌体和线粒体DNA等，也可朝一个方向、按其他不同的方式复制。有些RNA病毒的RNA也可进行复制，产生结构完全相同的RNA分子，但复制机制完全不同(参见“RNA病毒”、“解旋”条)。

图581 (1)复制叉模式图
(2)真核生物染色体DNA的复制