半保留復(fù)制
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半保留復(fù)制（semiconservative replication）：一種雙鏈脫氧核糖核酸（DNA）的復(fù)制模型，其中親代雙鏈分離后，每條單鏈均作為新鏈合成的模板。因此，復(fù)制完成時(shí)將有兩個(gè)子代DNA分子，每個(gè)分子的核苷酸序列均與親代分子相同，這是1953年沃森（J.D.Watson）和克里克（F.H.C.Crick）在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出的假說(shuō)，1958年得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
1958年Meselson和Stahl利用氮標(biāo)記技術(shù)在大腸桿菌中首次證實(shí)了DNA的半保留復(fù)制，他們將大腸桿菌放在含有15N標(biāo)記的NH4Cl培養(yǎng)基中繁殖了15代，使所有的大腸桿菌DNA被15N所標(biāo)記，可以得到15N桪NA。然后將細(xì)菌轉(zhuǎn)移到含有14N標(biāo)記的NH4Cl培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，在培養(yǎng)不同代數(shù)時(shí)，收集細(xì)菌，裂介細(xì)胞，用氯化銫(CsCl)密度梯度離心法觀察DNA所處的位置。由于15N桪NA的密度比普通DNA(14N-DNA)的密度大，在氯化銫密度梯度離心(density gradient centrifugation)時(shí)，兩種密度不同的DNA分布在不同的區(qū)帶?！ ?/p>
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實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明
在全部由15N標(biāo)記的培養(yǎng)基中得到的15N桪NA顯示為一條重密度帶位于離心管的管底。當(dāng)轉(zhuǎn)入14N標(biāo)記的培養(yǎng)基中繁殖后第一代，得到了一條中密度帶，這是15N桪NA和14N-DNA的雜交分子。第二代有中密度帶及低密度帶兩個(gè)區(qū)帶，這表明它們分別為15N14N-DNA和14N14N-DNA。隨著以后在14N培養(yǎng)基中培養(yǎng)代數(shù)的增加，低密度帶增強(qiáng)，而中密度帶逐漸減弱，離心結(jié)束后，從管底到管口，CsCl溶液密度分布從高到低形成密度梯度，不同重量的DNA分子就停留在與其相當(dāng)?shù)腃sCl密度處，在紫外光下可以看到DNA分子形成的區(qū)帶。為了證實(shí)第一代雜交分子確實(shí)是一半15N-DNA－半14N-DNA，將這種雜交分子經(jīng)加熱變性，對(duì)于變性前后的DNA分別進(jìn)行CsCl密度梯度離心，結(jié)果變性前的雜交分子為一條中密度帶，變性后則分為兩條區(qū)帶，即重密度帶(15N-DNA)及低密度帶(14N-DNA)。它們的實(shí)驗(yàn)只有用半保留復(fù)制的理論才能得到圓滿的解釋?！ ?/p>
主要的遺傳物質(zhì)
DNA既然是主要的遺傳物質(zhì)，它必須具備自我復(fù)制的能力。瓦特森和克里克（1953）在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的同時(shí)，對(duì)DNA復(fù)制也進(jìn)行了假設(shè)。他們根據(jù)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為DNA分子的復(fù)制，首先是從它的一端氫鍵逐漸斷開(kāi)。當(dāng)雙螺旋的一端已拆開(kāi)為兩條單鏈時(shí)，各自可以作為模板，從細(xì)胞核內(nèi)吸取與自己堿基互補(bǔ)的游離核苷酸（A吸取T，C吸取G），進(jìn)行氫鍵的結(jié)合，在復(fù)雜的酶系統(tǒng)的作用下，逐漸連接起來(lái)，各自形成一條新的互補(bǔ)鏈，與原來(lái)模板單鏈互相盤(pán)旋在一起，兩條分開(kāi)的單鏈恢復(fù)為雙鏈DNA分子，與原來(lái)的完全一樣。DNA的這種復(fù)制方式稱(chēng)為半保留復(fù)制（semiconservative replication）,因?yàn)橥ㄟ^(guò)復(fù)制所形成的新的DNA分子，保留原來(lái)親本DNA雙鏈分子的一條單鏈。
DNA在活體內(nèi)的半保留復(fù)制特征已為1958年以來(lái)的大量試驗(yàn)所證實(shí)。DNA的這種復(fù)制方式對(duì)保持生物遺傳的穩(wěn)定具有非常重要的作用。
還可能存在其他兩種復(fù)制方式，都以原來(lái)親本DNA雙鏈分子作為模板鏈。一種方法稱(chēng)為全保留復(fù)制（conservative replication）,在復(fù)制過(guò)程中新的DNA分子單鏈結(jié)合在一起，形成一條新的DNA雙鏈，而親本DNA雙鏈仍然被保留在一起。另一種方法稱(chēng)為散布式復(fù)制(dispersive replication)，在復(fù)制過(guò)程中親本DNA雙鏈被切割成小片段，分散在新合成的兩條DNA雙鏈分子中?！ ?/p>
提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)
1953年J．D．Watson和 F．H．C． Crick在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)其互補(bǔ)關(guān)系予以很大的重視，而且提出了DNA的復(fù)制模型。DNA在進(jìn)行復(fù)制時(shí)各以雙鏈中的每一條鏈作為模板，各個(gè)和互補(bǔ)的前體單核苷酸配對(duì)重合而形成與這二條單鏈各各對(duì)應(yīng)的雙重子螺旋二條。所謂互補(bǔ)就是指腺嘌呤一定只與胸腺嘧啶配對(duì)，鳥(niǎo)嘌呤一定只與胞嘧啶配對(duì)，新的單核苷酸排列在模板上時(shí)，其排列法是依原來(lái)鏈上的堿基通過(guò)互補(bǔ)來(lái)決定的。這樣無(wú)論子分子與子分子間，還是子分子與母分子間，堿基排列順序是完全相同。這樣一來(lái)具有和親本完全一樣的遺傳信息的子分子自我增殖了二倍。這時(shí)所產(chǎn)生的子雙重螺旋分子一條鏈?zhǔn)菑挠H代原封不動(dòng)的接受下來(lái)的，只有相對(duì)的一條鏈?zhǔn)切潞铣傻模园堰@種復(fù)制方式稱(chēng)作半保留復(fù)制。這個(gè)模型曾用重同位素標(biāo)記的DNA以密度梯度離心法進(jìn)行分析，或用放射性同位素標(biāo)記的DNA以放射自顯影法進(jìn)行測(cè)定等等，用幾種不同原理的方法，曾在從人到病毒的許多種生物中進(jìn)行了驗(yàn)證，肯定了這個(gè)模型的正確性和普遍性。關(guān)于DNA是以半保留方式復(fù)制這一點(diǎn)已被認(rèn)為是生物學(xué)中最基本的肯定性原理。
基本單位是脫氧核苷酸
構(gòu)成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，許許多多脫氧核苷酸通過(guò)一定的化學(xué)鍵連接起來(lái)形成脫氧核苷酸鏈，每個(gè)DNA分子是由兩條脫氧核苷酸鏈組成。DNA分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：①DNA分子的基本骨架是磷酸和脫氧核糖交替排列的兩條主鏈；②兩條主鏈?zhǔn)瞧叫械聪颍P(pán)旋成的規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)，一般是右手螺旋，排列于DNA分子的外側(cè)；③兩條鏈之間是通過(guò)堿基配對(duì)連接在一起，堿基與堿基間是通過(guò)氫鍵配對(duì)在一起的，其中A與T以2個(gè)氫鍵相配對(duì)，C與G之間以3個(gè)氫鍵配對(duì)。所以在一個(gè)DNA分子中，G和C的比例較高，則該DNA分子就比較穩(wěn)定。
具有相對(duì)的穩(wěn)定性
DNA分子結(jié)構(gòu)具有相對(duì)的穩(wěn)定性是由兩個(gè)方面決定的。一是基本骨架部分的兩條長(zhǎng)鏈?zhǔn)怯闪姿岷兔撗鹾颂窍嚅g排列的順序穩(wěn)定不變；二是空間結(jié)構(gòu)一般都是右旋的雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA 分子的多樣性是由堿基對(duì)的排列順序的多樣性決定的。DNA分子的特異性是指對(duì)于控制某一特定性狀的DNA分子中的堿基排列順序是穩(wěn)定不變的，如控制合成唾液淀粉酶的基因中，不論是何人，這段DNA分子中的堿基排列順序是穩(wěn)定不變的。
DNA分子的結(jié)構(gòu)
20世紀(jì)40年代～50年代，科學(xué)家已經(jīng)知道DNA
分子是由四種脫氧核苷酸組成的一種高分子化合物。但是，對(duì)于只
由四種脫氧核苷酸組成的DNA分子為什么能夠成為遺傳物質(zhì)，仍然
感到困惑不解。為此，許多科學(xué)家都投入到對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)的研究
中。1953年，美國(guó)科學(xué)家沃森和英國(guó)科學(xué)家克里克，共同提出了
DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(如圖)?！ ?/p>
結(jié)構(gòu)模式圖
DNA分子的結(jié)構(gòu)模式圖中可以看出，DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸(如圖)。由于組成脫氧核苷酸的堿基只有四種：腺嘌呤(A)、鳥(niǎo)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(niǎo)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(gè)脫氧核苷酸聚合而成的長(zhǎng)鏈，簡(jiǎn)稱(chēng)多核苷酸鏈?！ ?/p>
沃森和克里克認(rèn)為
沃森和克里克認(rèn)為，DNA分子的立體結(jié)構(gòu)是規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)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(pán)旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。(2)DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連結(jié)，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架；堿基排列在內(nèi)側(cè)。(3)DNA分子兩條鏈上的堿基通過(guò)氫鍵連結(jié)成堿基對(duì)，并且堿基配對(duì)有一定的規(guī)律：A(腺嘌呤)一定與T(胸腺嘧啶)配對(duì)；G(鳥(niǎo)嘌呤)一定與C(胞嘧啶)配對(duì)。堿基之間的這種一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，叫做堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。在DNA分子的結(jié)構(gòu)中，堿基之間的氫鍵具有固定的數(shù)目，即A與T之間以2個(gè)化學(xué)鍵相連(A＝T)，G與C之間以3個(gè)化學(xué)鍵相連(G≡C)。由于嘌呤分子(A、G)大于嘧啶的分子(C、T)，因此，要保持DNA兩條長(zhǎng)鏈之間的距離不變，必定是一個(gè)嘌呤與一個(gè)嘧啶配對(duì)。根據(jù)堿基分子所占空間的大小，只有A與T配對(duì)，G與C配對(duì)，堿基對(duì)的長(zhǎng)度才能大致相同。根據(jù)DNA分子的上述特點(diǎn)，沃森和克里克制作出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。
制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型
從制作的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型中可以看出，組成DNA分子的堿基雖然只有四種，但是，堿基對(duì)的排列順序卻是可以千變?nèi)f化的。例如，在生物體內(nèi)，一個(gè)最短的DNA分子也大約有4000個(gè)堿基對(duì)，這些堿基對(duì)可能的排列方式就有4種。堿基對(duì)的排列順序就代表了遺傳信息。由此可見(jiàn)，DNA分子是能夠儲(chǔ)存大量的遺傳信息的。堿基對(duì)的排列順序的千變?nèi)f化，構(gòu)成了DNA分子的多樣性，而堿基對(duì)的特定的排列順序，又構(gòu)成了每一個(gè)DNA分子的特異性，這就從分子水平上說(shuō)明了生物體具有多樣性和特異性的原因。DNA分子的復(fù)制DNA分子的結(jié)構(gòu)不僅使DNA分子能夠儲(chǔ)存大量的遺傳信息，還使DNA分子能夠傳遞遺傳信息。遺傳信息的傳遞是通過(guò)DNA分子的復(fù)制來(lái)完成的。DNA分子的復(fù)制是指以親代DNA分子為模板合成子代DNA的過(guò)程。這一過(guò)程是在細(xì)胞有絲分裂的間期和減數(shù)第一次分裂的間期，隨著染色體的復(fù)制而完成的?！ ?/p>
DNA的復(fù)制
DNA的復(fù)制是一個(gè)邊解旋邊復(fù)制的過(guò)程(如圖)。復(fù)制開(kāi)始時(shí)，DNA分子首先利用細(xì)胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把兩條螺旋的雙鏈解開(kāi)，這個(gè)過(guò)程叫做解旋。然后，以解開(kāi)的每一段母鏈為模板，以周?chē)h(huán)境中游離的四種脫氧核苷酸為原料，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，在有關(guān)酶的作用下，各自合成與母鏈互補(bǔ)的一段子鏈。隨著解旋過(guò)程的進(jìn)行，新合成的子鏈也不斷地延伸，同時(shí)，每條子鏈與其對(duì)應(yīng)的母鏈盤(pán)繞成雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而各形成一個(gè)新的DNA分子。這樣，復(fù)制結(jié)束后，一個(gè)DNA分子就形成了兩個(gè)完全相同的DNA分子。新復(fù)制出的兩個(gè)子代DNA分子，通過(guò)細(xì)胞分裂分配到子細(xì)胞中去。由于新合成的每個(gè)DNA分子中，都保留了原來(lái)DNA分子中的一條鏈，因此，這種復(fù)制方式叫做半保留復(fù)制。由DNA的復(fù)制過(guò)程可以看出，DNA分子復(fù)制需要模板、原料、能量和酶等基本條件。DNA分子獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)，為復(fù)制提供了精確的模板，通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)，保證了復(fù)制能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行。DNA分子通過(guò)復(fù)制，使遺傳信息從親代傳給了子代，從而保持了遺傳信息的連續(xù)性。
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