DNA复制

在分子生物学中，DNA复制是从一个原始DNA分子中产生两个相同的DNA复制体的生物学过程。DNA复制发生在所有生物中，是生物遗传最重要的部分。该细胞具有独特的分裂特性，这使得DNA复制必不可少。

DNA由两条互补链的双螺旋结构组成。复制期间，这些链被分离。然后，原始DNA分子的每条链都用作产生其对应物的模板，此过程称为半保守复制。由于半保守复制，新螺旋将由原始DNA链和新合成的链组成。细胞校对和错误检查机制可确保DNA复制的逼真度接近完美。

在细胞中，DNA复制始于基因组中的特定位置或复制起点。在起源处解开DNA并合成新链，由称为解旋酶的酶调节，导致复制叉从起源方向双向生长。许多蛋白质与复制叉有关，以帮助DNA合成的起始和继续。最突出的是，DNA聚合酶通过添加核苷酸来合成新链补充每个（模板）链。DNA复制发生在相间的S期。

DNA复制（DNA扩增）也可以在体外（人为地在细胞外）进行。从细胞和人工DNA引物中分离出的DNA聚合酶可用于以模板DNA分子中的已知序列开始DNA合成。聚合酶链反应（PCR），连接酶链反应（LCR）和转录介导的扩增（TMA）是示例。

DNA以双链结构存在，两条链都缠绕在一起形成特征性的双螺旋。DNA的每条单链都是四种核苷酸的链。DNA中的核苷酸含有脱氧核糖、磷酸和核碱基。四种类型的核苷酸分别对应腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶的四个核碱基 ，通常缩写为A、C、G和T.腺嘌呤和鸟嘌呤是嘌呤碱基，而胞嘧啶和胸腺嘧啶是嘧啶。这些核苷酸形式磷酸二酯键，形成DNA双螺旋的磷酸-脱氧核糖主链，其核碱基指向内（即，指向相对链）。核碱基通过氢键在链之间匹配，形成碱基对。腺嘌呤与胸腺嘧啶配对（两个氢键），鸟嘌呤与胞嘧啶配对（三个氢键）。

DNA链具有方向性，单链的不同末端称为“ 3'（三引物）末端”和“ 5'（五引物）末端”。按照惯例，如果给出了一条DNA单链的碱基序列，则该序列的左端是5'端，而序列的右端是3'端。双螺旋的链反平行，其中一个为5'至3'，相反的链为3'至5'。这些术语是指脱氧核糖中的碳原子，链中的下一个磷酸盐与之相连。方向性对DNA合成有影响，因为DNA聚合酶可以通过向DNA链的3'末端添加核苷酸来仅在一个方向上合成DNA。

DNA中互补碱基的配对（通过氢键）意味着每条链中包含的信息是多余的。磷酸二酯（链内）键比氢（链间）键强。这允许线股彼此分开。因此，单链上的核苷酸可用于重建新合成的伴侣链上的核苷酸。

DNA聚合酶是执行所有形式DNA复制的酶家族。DNA聚合酶通常不能启动新链的合成，而只能延伸与模板链配对的现有DNA或RNA链。要开始合成，必须创建称为引物的RNA短片段，并将其与模板DNA链配对。

DNA聚合酶通过延伸现有核苷酸链的3'端来添加一条新的DNA链，并通过创建磷酸二酯键一次添加与模板链匹配的新核苷酸。DNA聚合过程中的能量来自与每个未结合的碱基相连的三种磷酸酯之间的高能磷酸酯（磷酸酐）键的水解。带有磷酸基的游离碱称为核苷酸; 特别地，具有三个连接的磷酸酯基团的碱称为三磷酸核苷。当将核苷酸添加到生长的DNA链中时，核苷酸的近端磷酸酯与生长链之间的磷酸二酯键的形成伴随着高能磷酸酯键的水解，同时释放出两个远端的焦磷酸盐。将所得的焦磷酸盐酶促水解为无机磷酸盐会消耗第二个高能磷酸盐键，并使反应有效不可逆。

通常，DNA聚合酶具有很高的准确性，每10 ⁷个核苷酸的固有错误率小于一个错误。此外，某些DNA聚合酶也具有校对能力；它们可以从生长链的末端去除核苷酸，以纠正错配的碱基。最后，复制后错配修复机制可监测DNA的错误，能够将新合成的DNA链中的错配与原始链序列区分开。这三个辨别步骤共同使每10 ⁹个核苷酸添加的复制保真度小于一个错误。

首先测量活细胞中DNA复制的速率，作为噬菌体感染的大肠杆菌中噬菌体T4 DNA伸长的速率。在37°C的指数DNA增长期间，速率为每秒749个核苷酸。

有许多事件导致复制压力，包括：

• 核糖核苷酸的错误掺入
• 不寻常的DNA结构
• 复制和转录之间的冲突
• 基本复制因子不足
• 常见的脆弱地点
• 癌基因的过表达或组成性激活
• 染色质难以接近

研究人员通常使用聚合酶链反应（PCR）在体外复制DNA 。PCR使用一对引物跨越模板DNA中的目标区域，然后使用热稳定的DNA聚合酶在每个方向上从这些引物聚合伴侣链。通过多个循环重复此过程可扩增目标DNA区域。在每个循环的开始，将模板和引物的混合物加热，分离出新合成的分子和模板。然后，随着混合物冷却，这两个都成为新引物退火的模板，聚合酶从这些引物延伸。结果，目标区域的副本数每轮增加一倍，呈指数增长。