DNA複製

  在細胞分裂之前，它必須產生兩份DNA，每個子細胞一份。在這一過程中，來自母細胞的兩條原始DNA鏈將首先分離，進而作為模板進行複製。值得注意的是，核苷酸鹼基A總是與T配對，而C總是與G配對。如果一條鏈具有序列ATCG，那麼新鏈將具有序列TAGC。原始鏈的互補鏈是TAGC，其子鏈為ATCG。通過這種方式，兩個完全相同的DNA序列複製本便產生了。這種複製方式被稱為半保留複製，其精確度通常可達到很高的水平。複製過程中的任何錯誤都將導致突變的發生，進而導致遺傳信息發生改變，並傳遞至子細胞中。DNA的合成是一個持續不間斷的過程，大約需要占用一個完整細胞周期的三分之一時間。對細菌而言，一個細胞周期可能僅持續幾分鐘，而在簡單的真核生物（如酵母菌）中則需要花費數小時時間。與之不同的，大多數哺乳動物的一個細胞周期約持續24小時。在人體內，只有一小部分細胞可以每天分裂。例如，我們每天都會製造一層新的皮膚細胞，並不斷地對腸道表面進行修復。但與此同時，有些神經細胞卻可以存活一生之久。DNA的複製發生於遍布整個細胞核的大約100個「複製工廠」中。DNA被送入複製機器中，就像膠片放到放映機中，可額外獲得一幅同膠片一樣的圖像。若想從分子水平對這一過程進行準確描述，恐怕得用兩本書的內容來細細講述，因此接下來我們將對細胞間遺傳信息傳遞的總過程進行簡要的概述。

  DNA複製的第一步是將DNA螺旋解開，以提供新鏈合成的模板——兩條單鏈的原始DNA。這一過程在原核生物中相對簡單（因為其DNA裸露在細胞中）。而在真核生物中，僅從一端開始複製將耗費大量時間。因此，一種被稱為解旋酶的蛋白酶將會在DNA上的1000個不同位點打開DNA雙鏈結構，我們可以利用一段扭繩來理解這一過程中的拓撲學原理。在複製過程中，首先需要將螺旋結構中的其中一條鏈切斷，這樣才能將雙鏈DNA解開。此時，參與複製的主要蛋白酶——DNA聚合酶將錨定在這些「複製叉」處，以每秒100個鹼基的速率按照正確的順序向新鏈中添加新的核苷酸鹼基（如圖10所示）。細菌能夠以更高的速率進行這一過程——每秒可高達1000個鹼基。儘管複製速度很快，準確度卻很高，因為細胞內存在相關的蛋白，可以對任何錯配的核苷酸進行校對與糾正。通常每合成10億個核苷酸才會產生一個錯誤。

  圖10 DNA複製

  a.複製叉。解旋酶解開雙鏈DNA，使得每條鏈得以複製。兩個DNA聚合酶各結合一條DNA鏈，以相反的方向合成互補鏈（如箭頭所示）。在細菌中，DNA鏈是連續環狀的結構，因此複製將從一個點開始，環繞一圈後即可完成對整個DNA分子的複製。b.在動物細胞中，複製在多個位點同時進行。（1）圖中最上方是一條雙鏈DNA（灰色鏈，黑色鏈），（X）表示複製開始的位置或起點。（2）（3）DNA聚合酶開始沿箭頭指示的方向對兩條鏈進行複製。（3）每條鏈上有許多DNA聚合酶進行複製，從而產生多個新合成的DNA鏈片段。（4）隨著複製泡的增長，這些片段逐漸連接在一起，並進行準確性檢查，最終形成了兩個起始DNA的精確複製本