在細(xì)胞分裂過程中，親代細(xì)胞所含的遺傳信息完整地傳遞到兩個子代細(xì)胞，其中的DNA 在傳代時完整地復(fù)制成兩份，這個過程稱為DNA 復(fù)制。復(fù)制是嚴(yán)格按照A 與T 配對和G 與C 配對的規(guī)律進(jìn)行的，通常有高度的完整性與準(zhǔn)確性。但生物存在的內(nèi)外環(huán)境有許多使DNA 分子損傷的因素，致使復(fù)制造成一些錯誤，因此，生物體本身有一套機制來修復(fù)這種損傷。未能修復(fù)的錯誤被保留下來，成為突變。突變有可能改善了基因，增強了生物適應(yīng)環(huán)境的能力;也可能產(chǎn)生不利的影響，嚴(yán)重的可致死。隱性突變對生物性狀不產(chǎn)生影響。突變是生物進(jìn)化的一種手段。
(一)半保留復(fù)制
為研究復(fù)制的機理，1957 年Meselson 和Stahl 設(shè)計了一個實驗。他們先把大腸桿菌在15NH4Cl 的培養(yǎng)液中培育15代，使所有的DNA都被15N標(biāo)記，15N-DNA(重DNA)比通常的14N-DNA(輕DNA)重約l%;然后把大腸桿菌轉(zhuǎn)移到含14NH4Cl 的培養(yǎng)液中繼續(xù)培育，隨著復(fù)制的進(jìn)行，14N DNA不斷生成。在培育過程的不同時間取出樣品，將大腸桿菌細(xì)胞用裂解液裂解，放入CsCl 溶液中超速離心(140,000 r/min)20小時，此時從管底到管口CsCl 密度形成一個梯度分布，DNA分子在與它密度相等的層次中停留，在紫外檢測下可觀察到一條吸收帶。他們發(fā)現(xiàn)在含15NH4Cl 培養(yǎng)液中所得到的親代全為重DNA(兩條鏈都是含15N的重鏈)，在轉(zhuǎn)移入含14NH4Cl 的培養(yǎng)液中所得到的第一子代(F1)的DNA則既不是重DNA，也不是輕DNA(兩條鏈都是含14N的輕鏈)，而是密度介于兩者之間的混合鏈DNA;第二子代(F2)的DNA也顯示兩條吸收帶，一條是密度介于輕、重DNA 之間的DNA，另一條是輕DNA;第三子代(F3)的DNA也顯示兩條吸收帶，使輕DNA的比例加大;第四子代(F4)的輕DNA的比例則更大。子代DNA中從不出現(xiàn)重DNA，說明了大腸桿菌中DNA復(fù)制是半保留復(fù)制。
他們的實驗結(jié)果支持了Watson和Crick提出的DNA復(fù)制模式。由于DNA分子由兩條多核苷酸鏈組成，兩條鏈上的堿基有嚴(yán)格的配對規(guī)律，所以兩條鏈?zhǔn)腔パa的。也就是說，DNA 分子中任一條鏈上的核苷酸排列順序就已經(jīng)決定了與其互補的另一條鏈的核苷酸排列順序。所以他們提出了DNA 的半保留復(fù)制機制：DNA 在復(fù)制過程中堿基間的氫鍵首先斷裂，雙螺旋解鏈分開，兩條鏈分別作為模板合成新鏈，產(chǎn)生互補的兩條新鏈。這樣新形成的兩個DNA 分子與原來的DNA 分子的核苷酸順序完全一樣，只是子代DNA分子中的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的。
DNA 的半保留復(fù)制機理很好地說明了DNA 作為遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的完美統(tǒng)一。
(二)復(fù)制的起始與方向
DNA復(fù)制是從鏈上某個特定的起始點開始的，同時向兩側(cè)相反方向進(jìn)行，稱為雙向復(fù)制。簡單生物像大腸桿菌只有一個起始點，真核細(xì)胞DNA 分子巨大，有多個復(fù)制起始點，哺乳動物細(xì)胞的Alu 重復(fù)序列可能與復(fù)制起始點有關(guān)。絕大部分原核細(xì)胞和真核細(xì)胞以及病毒都是雙向復(fù)制，并且兩個方向的復(fù)制速率對稱相等。
復(fù)制開始時起始點處的DNA雙螺旋先解開，電鏡下可看到眼泡狀，稱為復(fù)制泡或復(fù)制眼;松解開的兩股DNA 單鏈和未松解開的雙螺旋形狀像一把叉子，稱為復(fù)制叉;復(fù)制起始點和兩側(cè)的復(fù)制叉共同構(gòu)成一個單位，稱為復(fù)制子。大腸桿菌只形成一個復(fù)制子，而真核細(xì)胞由于有多個復(fù)制起始點，所以有多個復(fù)制子。
由于DNA雙螺旋的兩條鏈為反向平行，所以當(dāng)復(fù)制時兩條母鏈松解開分別作為模板合成子鏈，如果一條子鏈的方向是5’-3’，則另一條子鏈的方向為3’-5’。DNA 聚合酶的催化合成的方向只能是5’-3’，故一條子鏈能夠以 5’-3’的方向連續(xù)合成，稱為前導(dǎo)鏈;另一條子鏈只能以5’-3’的方向不連續(xù)合成許多小片段，這條鏈被稱為隨從鏈，這些小片段被稱為崗崎片段，小片段的隨從鏈最后由DNA 連接酶連接成完整的一條子鏈。
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