DNA -molekyyli muodostaa kaiken tunnetun elämän perustan, koska sen rakenteen ansiosta se voidaan helposti kopioida eläviin soluihin, jolloin ne voivat lisääntyä. Organismin geneettiset tiedot sisältyvät sen DNA: han, ja näiden tietojen välittämiseksi tuleville sukupolville vaaditaan tarkkaa päällekkäisyyttä. Geneettisen materiaalin kopioimista solun ytimessä kutsutaan DNA: n replikaatioksi. Mekanismi, jolla se tapahtuu, tunnetaan puolikonservatiivisena replikaationa, ja siihen kuuluu molekyylin jakautuminen kahteen osaan, joista jokainen muodostaa mallin täydelliselle uudelle molekyylille. Solun sisällä olevat materiaalit lisätään sitten näihin malleihin prosessin loppuun saattamiseksi.
DNA: n rakenne
Kukin DNA -molekyyli koostuu kahdesta juosteesta, jotka koostuvat sokeri- ja fosfaattiryhmistä, ja emäksinä tunnetut molekyylit muodostavat linkkejä niiden välille. Emäksiä on neljä: adeniini (A), guaniini (G), sytosiini (C) ja tymiini (T). Jokainen emäs yhdessä sokeri- ja fosfaattiryhmien kanssa, joihin se on kiinnitetty, tunnetaan nukleotidina. Kaksi säiettä pidetään yhdessä emästen välisillä vetysidoksilla; Sidos T: n ja C: n kanssa G: llä, niin että ne muodostavat pareja, jotka tunnetaan toisiaan täydentävinä emäspareina.
Säikeet muodostavat kaksoiskierukan tai kaksi rinnakkaista kierrerakennetta, kun taas emäsparit kattavat säikeiden välisen raon. DNA -molekyylit ovat normaalisti tiukasti kierrettyjä, moninkertaisia ja muodostavat rakenteita, jotka tunnetaan kromosomeina. Organismin täydellinen geneettinen tieto tai genomi sisältyy joukkoon kromosomeja; ihmisen genomi sisältää noin kolme miljardia emäsparia. DNA: n replikaatio muodostaa uuden joukon kromosomeja ennen solujen jakautumista. Replikointiprosessi voidaan jakaa useisiin vaiheisiin, joista kukin on entsyymien ohjaama.
Halkaisu
Toistuakseen DNA -juosteet on erotettava. Emäsparien väliset vetysidokset ovat riittävän vahvoja pitämään säikeet yhdessä normaaliolosuhteissa, mutta riittävän heikkoja, jotta ne voidaan helposti irrottaa tarvittaessa. Koska molekyyli on normaalisti erittäin kierteisessä tilassa, kaksi säiettä eivät jakaudu ilman apua. Entsyymit, joita kutsutaan gyraaseiksi, rentouttavat tai kelaavat DNA: ta, kun taas helikaaseiksi kutsutut entsyymit alkavat purkaa sitä, rikkomalla emäsparien väliset vetysidokset. Erilliset proteiinit sitoutuvat sitten erotettuihin juosteisiin pitääkseen ne erillään ja mahdollistamaan replikaation.
jäljentäminen
Nukleotideja on DNA: sta riippumatta solun ytimessä tai bakteerien tapauksessa solunesteessä. Kun DNA-molekyyli on jaettu, nämä vapaat nukleotidit sitoutuvat jokaisen juosteen parittomien komplementaaristen emästen kanssa-A-T ja C-G-muodostaen uuden kaksijuosteisen molekyylin. Tämän prosessin mahdollistavat entsyymit, joita kutsutaan DNA -polymeraaseiksi. Molemmissa tuloksena olevissa kopioissa on kumpikin yksi uusi juoste ja yksi alkuperäisestä molekyylistä. Siksi DNA: n replikaatiota kutsutaan puolikonservatiiviseksi-puolet jokaisesta molekyylistä on uutta ja puolet pelastuu vanhemmaltaan.
Halkaisu ja päällekkäisyys ovat päällekkäisiä. Kun säikeet hajoavat, uusia täydentäviä säikeitä rakennetaan, kun halkeama jatkuu kaksoiskierrellä. Useimmissa organismeissa olevat DNA -molekyylit ovat hyvin pitkiä, joten halkaisu ja päällekkäisyys tapahtuvat tehokkaammin monissa paikoissa kerralla. Nämä kohdat tunnetaan replikaation lähteinä. Kun kaksi tällaista alkuperää kohtaavat, ligaaseiksi kutsutut entsyymit yhdistävät uudet säikeet yhteen.
Virheiden tarkistaminen
Toistoprosessi on erittäin tarkka, mutta virheitä tapahtuu. Joskus sidos voi muodostua väärän emäsyhdistelmän välille. Esimerkiksi G voi toisinaan sitoutua T: ään A: n sijasta. Emäkset voivat myös esiintyä hieman eri muodoissa, jotka voivat sitoutua muihin, virheellisiin pareihin.
Tyypillisesti jokaista 100 miljoonaa perusparilainaa kohden on noin yksi virhe. Ihmisessä tämä aiheuttaisi noin 30 virhettä jokaista täydellistä replikointia kohti. On kuitenkin olemassa useita virheiden tarkastus- ja korjausmekanismeja, jotka havaitsevat ja korjaavat virheet erittäin tehokkaasti. Esimerkiksi epäsopivien emäsparien väliset sidokset ovat suhteellisen epävakaita, ja monistusprosessia avustavat polymeraasientsyymit voivat myös irrottaa väärän nukleotidin, jolloin voidaan lisätä uusi, oikea. Nämä vähentävät keskimääräisen virheen toistoa kohden noin kolmeen.
Toistovirheet: mutaatiot, syöpä ja evoluutio
Virukset DNA: n replikaatiossa ovat yleensä huonoja asioita yksilötasolla. Ne voivat johtaa mutaatioihin, jotka ovat yleensä epäedullisia; ne voivat johtaa syöpään tai muihin hengenvaarallisiin sairauksiin. Toisaalta ilman näitä virheitä ihmiset ja muut nykyisin tunnetut organismit eivät olisi täällä. Joskus mutaatio voi antaa etua, mikä lisää organismin mahdollisuuksia selviytyä riittävän kauan lisääntyäkseen ja välittääkseen suotuisan muutoksen, joka sitten yleistyy. Evoluutio toimii näin: replikointivirheiden ansiosta organismit voivat sopeutua muuttuviin ympäristöihin ja kehittyä uusiksi elämänmuodoiksi.