AP生物学 DNA复制 — AP生物学
1. 半保留复制与实验证据 ★★☆☆☆ ⏱ 4 min
在标志性的Meselson-Stahl实验之前，人们提出了三种相互竞争的DNA复制模型：全保留（亲代螺旋保持完整，新的子代螺旋完全全新）、半保留（每个子代螺旋含有一条原始亲代链和一条新链），以及分散（亲代链断裂，每个子代都含有新旧DNA的混合物）。
Meselson和Stahl通过将*E. coli*培养在含有重氮（$^{15}\text{N}$）的培养基中，使所有亲代DNA都带上重氮标记，随后将细菌转移到只含有轻氮（$^{14}\text{N}$）的培养基中，每完成一代复制后按密度分离DNA，以此检验三种模型。他们的结果排除了全保留模型和分散模型，证实了半保留复制的正确性。
2. 复制叉机制与酶功能 ★★★☆☆ ⏱ 4 min
复制叉是DNA解旋、新链合成的Y形区域。一个核心约束决定了所有复制的特点：所有DNA聚合酶只能向已存在链的游离3'羟基端添加核苷酸，因此所有新链的合成都始终沿5' → 3'方向进行。由于两条亲代链是反向平行的，因此在复制叉处会产生两种不同类型的新链：
- **前导链**：连续向复制叉打开的方向合成，因为它的3'端指向复制叉。
- **滞后链**：合成为短的不连续片段，称为冈崎片段，因为它的5'端指向复制叉，随着复制叉打开，不断有新的3'模板端暴露出来。
关键酶按顺序在复制叉处发挥作用：
- 解旋酶：解开双螺旋，分离亲代链
- 单链结合蛋白（SSBs）：防止分离后的链重新复性
- 拓扑异构酶：缓解复制叉前方的超螺旋
- 引物酶：合成短RNA引物，提供DNA聚合酶启动合成所需的3' OH
- DNA聚合酶：延伸新链
- DNA连接酶：引物去除后连接滞后链上的冈崎片段
3. 原核生物 vs 真核生物复制与端粒 ★★★☆☆ ⏱ 3 min
原核生物只有一条环状染色体，因此复制从一个复制起点开始，沿环双向进行直到完成。真核生物具有长的线性染色体，因此在S期会在每条染色体上使用多个复制起点，才能在合理时间内复制整个基因组。
真核生物的一个特有关键问题是末端复制问题：因为新链5'端的RNA引物无法被替换为DNA（没有上游3' OH端可以延伸），每一轮复制都会使染色体缩短末端引物长度的片段。为了防止编码DNA丢失，真核染色体末端存在非编码重复序列，称为端粒。在生殖细胞、干细胞和大多数癌细胞中，酶端粒酶会向染色体末端添加新的端粒重复序列，防止缩短。大多数体细胞没有活性端粒酶，因此染色体每次分裂都会缩短，这个过程与衰老和细胞衰老相关。
4. AP风格概念检测 ★★☆☆☆ ⏱ 3 min
Common Pitfalls
Why: 学生混淆了亲代模板链的方向和新链的合成方向
Why: 学生错误认为第一代后原始重双螺旋仍保持完整
Why: 学生混淆了解旋酶和拓扑异构酶的功能
Why: 学生将生殖细胞的端粒酶功能推广到所有细胞类型
Why: 学生混淆了DNA聚合酶和RNA聚合酶，后者可以从头启动合成