DNA复制及精准性：揭示遗传科学的历史与真相

每个细胞都有它的DNA，作为这个细胞所有遗传信息的“储存库”。因此，每当细胞生长和分裂的时候，DNA也要“生长”。 但是DNA的生长并不是像我们眼睛能看到的动植物的生长那样，慢慢地变大。 DNA的生长就是简单地“一个变两个、两个变四个”。 这个过程叫做“DNA复制”。

图12 四种脱氧核苷三磷酸

DNA是四种核苷酸按碱基配对规则连接而成的双链螺旋。 这里我们要详细解释一下这四种核苷酸（图12）。 这四种核苷酸是由嘌呤或嘧啶（就是碱基）连上一个核糖分子，核糖分子上又连上一个或几个磷酸分子构成的。 核糖分子上有5个羟基，都编了号，从1到5。 和碱基相连的那个羟基是2号，和磷酸分子相连的羟基是5号。 因此，当构成DNA链以后，科学家就把DNA链的两端也编了号，和核糖的5号羟基连接的那个磷酸分子所在的一端，叫做“5’端”（“’”读“撇”——笔者注）；核糖分子还有一个3号羟基，和3号羟基连接的磷酸分子所在的一端就叫做“3’端”。 这两个端头的性质可不一样，我们在讲DNA复制的时候就要讲。而且，参加DNA复制的那四种核苷酸，“尾巴”上拖着的磷酸分子不是一个而是3个，所以叫做“脱氧核糖核苷三磷酸”。 这些核苷三磷酸的磷酸-磷酸键里，储存着大量的化学能量，像压紧了的弹簧一样。 这些能量是供DNA形成新链时用的。 在合成DNA的时候，化学能像弹簧弹出似的释放出来，同时脱氧核苷三磷酸“尾巴”上的后面两个磷酸分子（连在一起的两个磷酸又叫焦磷酸）就脱落掉，而头一个磷酸分子就和下一个核苷酸的核糖上的3’羟基通过磷酸二酯键共价连接起来。 因此，DNA合成（复制）是从5’端向3’端进行的。

如果DNA单独存在，就是说除了它和它的四种核苷酸以外没有别的东西，那它是根本不会动的，可以说是没有生命的。 只有DNA周围还有相应的功能蛋白质——与DNA相关的“酶”存在着，当这些酶活动起来的时候，DNA才表现出生命。 这里，DNA说到底是比较“被动”的，而跟DNA相互作用的酶才是比较主动的。 当然，这一切都要在水中进行。 如果把细胞核比喻成“工厂”，酶就是工厂里的“工人”，而DNA则是“产品”。

有好几十种酶和其他功能蛋白质参加DNA复制，其中最主要的是“依赖DNA的DNA聚合酶”。 在这些酶和功能蛋白质的联合作用下， DNA的双链首先被解开成为两条单链；然后，一些与DNA单链区互补的短RNA片段在特定功能的酶的作用下被转移到DNA单链并和它结合，这条单链就作为DNA复制的“模板”；继之，预先被集中到DNA单链区来的四种脱氧核糖核苷三磷酸就在依赖DNA的DNA聚合酶的引导下，被安装到DNA单链区与它们互补的核苷酸的位置，第一个脱氧核糖核苷三磷酸与短RNA片段通过磷酸二酯键共价连接，同时丢掉一个焦磷酸分子。 注意，由于DNA复制总是从5’端向3’端进行，DNA两条链中的一条上的合成可以连续进行，但另一条链上的合成却不能连续进行，只能一段一段间断地进行。 这样就在这条新合成的双链上造成许多缺口。 这些缺口就由专门的“修补工”——DNA连接酶负责补好。(www.xing528.com)

这样，脱氧核糖核苷酸不断地按碱基互补规则连上去，就使那条互补的DNA链越来越长，最后与作为模板的DNA链一样长。 这时，先前被结合到模板链上去的短RNA片段就被专门的酶清除掉；出现的缺口也被另一些酶补平。 至此，DNA复制（见下页图13）才算大功告成。

图13 DNA复制

在整个复制过程中，DNA复制的精确性是由多种酶类控制的。 这些酶类比人类社会的任何工人都更加“负责任”，在它们的精密监管下， DNA复制具有令人无法想象的极高精密度。 具体说，即使DNA复制反复进行100万次，也难得弄错一个碱基！ 无怪乎地球上的每一种生物都能把自己的特征性状完美地遗传到下一代，也因此人类的单卵双胞胎的兄弟或姐妹是那么相像，以至于根本分不出谁是哥（姐）、谁是弟（妹）。

当然，自然界的变化是复杂的。 DNA复制虽然精确度无与伦比地高，但也还是会出一点错。 这些错误大部分情况下于生物无害，这就造成物种中的个体差异。 但是也有的时候，环境因素会造成DNA复制发生对生物有害的错误；这些就是遗传病和肿瘤的起因。 这些事情，我们以后还会讲。