DNA半保留复制

“半保留”：指的是在复制过程中，亲代DNA分子的每条链都作为模板，合成一条新的互补链。因此，每个新合成的DNA双螺旋分子都由一条来自亲代的“旧”链和一条新合成的“新”链组成。

复制：指DNA分子制造自身拷贝的过程。

双链解开： DNA双螺旋结构在特定位置（复制起点）解开，形成复制叉。

模板作用： 解开的每一条亲代DNA单链都作为合成新链的模板。

碱基互补配对： 按照碱基互补配对原则（A与T配对，G与C配对），游离的脱氧核苷三磷酸被聚合酶催化，添加到新链的3'端。

产物： 复制完成后，产生两个完全相同的DNA双螺旋分子。每个分子都包含一条来自亲代DNA的链（保留的旧链）和一条新合成的链。

为什么叫“半保留”？

“保留”指的是保留了亲代链。

“半”指的是每个子代双链中，只有一半（即一条链）是保留下来的亲代链，另一半是新合成的链。

半保留复制是一个高度精确和复杂的过程，涉及多种酶和蛋白质因子的协同作用，主要分为三个阶段：

起始：

识别起点： 在特定的核苷酸序列（复制起点）处，起始蛋白识别并结合。

解旋： 解旋酶利用ATP水解的能量，在复制起点处解开DNA双链，形成复制叉（Y形结构）。

稳定单链： 单链结合蛋白迅速结合到解开的单链DNA上，防止它们重新退火（结合）或形成二级结构。

引物合成： 引发酶（一种特殊的RNA聚合酶）在模板链上合成一段短RNA引物（通常约10个核苷酸）。DNA聚合酶不能从头开始合成DNA链，必须依赖引物提供自由的3'-OH末端。

延伸：

DNA链的合成：

前导链： 在复制叉打开的方向上（3'->5'模板链），DNA合成是连续的。DNA聚合酶 III（原核）或DNA聚合酶 δ/ε（真核）在引物的3'端后，沿着模板链连续添加脱氧核苷酸。

后随链： 在复制叉打开的反方向上（5'->3'模板链），DNA合成是不连续的。引发酶会多次合成RNA引物。DNA聚合酶在引物后合成一段段DNA片段（约1000-2000个核苷酸原核，100-200个真核），称为冈崎片段。

校对与校正： DNA聚合酶具有3'->5'外切酶活性（校对功能）。如果在合成过程中加入了错误的核苷酸，它能立即将其切除并替换上正确的核苷酸，大大提高了复制的精确度（保真度）。

解旋与拓扑张力释放： 随着复制叉前进，解旋酶持续解链。拓扑异构酶（I型和II型如DNA旋转酶）在复制叉前方切断DNA骨架，释放因解旋产生的超螺旋张力，然后再重新连接起来。

终止：

片段连接： 在后随链上，DNA聚合酶 I（原核）或DNA聚合酶 δ + FEN1（真核）利用其5'->3'外切酶活性切除RNA引物，同时利用其5'->3'聚合酶活性用DNA填补引物留下的空隙。

连接酶封口： DNA连接酶利用ATP（真核/古菌）或NAD⁺（原核）的能量，催化相邻的DNA片段（前导链的连续片段或后随链上填补了空隙的冈崎片段）之间形成磷酸二酯键，使新链成为连续的分子。

复制叉相遇： 在环状DNA（如细菌染色体、质粒）或线性DNA上，当两个方向移动的复制叉相遇，或在特定终止位点相遇时，复制终止。

端粒复制（真核线性染色体）： 真核细胞染色体末端有端粒结构（重复序列）。由于后随链末端引物被切除后无法填补，需要端粒酶（含RNA模板的反转录酶）来维持端粒长度，防止遗传信息丢失。

DNA半保留复制是一个精巧、复杂且高度精确的过程。其核心在于亲代DNA双链解开，每条单链作为模板，按照碱基互补配对原则指导新链的合成，最终产生两个子代DNA分子，每个子代分子都包含一条来自亲代的旧链和一条新合成的链。这一机制由多种酶和蛋白质因子协同完成，经过起始、延伸、终止三个阶段。梅塞尔森-斯塔尔实验为其提供了经典证据。半保留复制是遗传信息稳定传递和生命延续的分子基石，具有极其重要的生物学意义。

半保留复制