DNA er det genetiske materiale, der definerer hver celle. Før a celle duplikater og er opdelt i nye datterceller gennem begge mitose eller meiose, biomolekyler og organeller skal kopieres for at blive fordelt mellem cellerne. DNA, der findes inden for kerne, skal replikeres for at sikre, at hver nye celle modtager det rigtige antal af kromosomer. Processen med DNA-duplikation kaldes DNA-replikation. Replikering følger flere trin, der involverer flere proteiner kaldte replikationsenzymer og RNA. I eukaryote celler, såsom dyreceller og planteceller, DNA-replikation forekommer i S fase af interfase under cellecyklus. Processen med DNA-replikation er afgørende for cellevækst, reparation og reproduktion i organismer.
DNA eller deoxyribonukleinsyre er en type molekyle kendt som en nukleinsyre. Det består af et 5-carbon deoxyribosesukker, et fosfat og en nitrogenholdig base. Dobbeltstrenget DNA består af to spiralnukleinsyrekæder, der er snoet til en dobbelt helix form. Denne vridning gør det muligt for DNA at være mere kompakt. For at passe ind i kernen pakkes DNA i tæt opviklede strukturer, der kaldes
kromatin. Kromatin kondenseres til dannelse kromosomer under celledeling. Før DNA-replikation løsnes kromatinet, hvilket giver cellereplikationsmaskineri adgang til DNA-strengene.Inden DNA kan replikeres, skal det dobbeltstrengede molekyle "pakkes ud" i to enkeltstrenge. DNA har fire baser kaldet adenin (A), thymin (T), cytosin (C) og guanine (G) der danner par mellem de to tråde. Adenin parres kun med thymin og cytosin binder kun med guanin. For at slappe af DNA skal disse interaktioner mellem basepar brydes. Dette udføres af et enzym kendt som DNA helicase. DNA-helikase forstyrrer hydrogenbinding mellem basepar for at adskille strengene i en Y-form kendt som replikationsgaffel. Dette område vil være skabelonen til replikation, der begynder.
DNA er retningsbestemt i begge strenge, betegnet ved en 5 'og 3' ende. Denne notation angiver, hvilken sidegruppe der er knyttet DNA-rygraden. Det 5 'slutning har en phosphatgruppe (P) knyttet, mens 3 'ende har en hydroxyl (OH) gruppe knyttet. Denne retning er vigtig for replikation, da den kun skrider frem i 5 'til 3' retningen. Imidlertid er replikationsgafflen tovejs; en streng er orienteret i 3 'til 5' retning (førende streng) mens den anden er orienteret 5 'til 3' (hængende streng). De to sider replikeres derfor med to forskellige processer for at imødekomme retningsforskellen.
Den førende streng er den enkleste at replikere. Når DNA-strengene er blevet adskilt, er et kort stykke RNA kaldet a primer binder til 3'-enden af strengen. Primeren binder altid som udgangspunkt for replikation. Primere genereres af enzymet DNA-primase.
Enzymer kendt som DNA-polymeraser er ansvarlige for at skabe den nye streng ved en proces, der kaldes forlængelse. Der er fem forskellige kendte typer DNA-polymeraser i bakterie og humane celler. Hos bakterier som E. coli, polymerase III er det vigtigste replikationsenzym, medens polymerase I, II, IV og V er ansvarlige for fejlkontrol og reparation. DNA-polymerase III binder til strengen på primerstedet og begynder at tilføje nye basepar par komplementære til strengen under replikation. I eukaryotiske celler er polymeraser alpha, delta og epsilon de primære polymeraser involveret i DNA-replikation. Da replikation fortsætter i 5 'til 3' retning på den førende streng, er den nydannede streng kontinuerlig.
Det hængende streng begynder replikation ved binding med flere primere. Hver primer er kun flere baser fra hinanden. DNA-polymerase tilføjer derefter stykker DNA, kaldet Okazaki fragmenter, til strengen mellem primerne. Denne replikationsproces er diskontinuerlig, da de nyoprettede fragmenter er usammenhængende.
Når både de kontinuerlige og diskontinuerlige tråde er dannet, kaldes et enzym exonuclease fjerner alle RNA-primere fra de originale strenge. Disse primere erstattes derefter med passende baser. En anden exonuclease "korrekturlæser" det nyligt dannede DNA for at kontrollere, fjerne og erstatte eventuelle fejl. Et andet enzym kaldes DNA-ligase sammenføjer Okazaki-fragmenter sammen og danner en enkelt samlet streng. Enderne af det lineære DNA udgør et problem, da DNA-polymerase kun kan tilføje nukleotider i retningen 5 til 3 ′. Enderne af forældrestrengene består af gentagne DNA-sekvenser kaldet telomerer. Telomerer fungerer som beskyttelseskapper i slutningen af kromosomer for at forhindre, at nærliggende kromosomer smelter sammen. En speciel type DNA-polymeraseenzym kaldet telomerase katalyserer syntesen af telomeresekvenser ved enderne af DNA'et. Når den er afsluttet, samles den overordnede streng og dens komplementære DNA-streng ind i den velkendte dobbelt helix form. I sidste ende producerer replikation to DNA-molekyler, hver med en streng fra modermolekylet og en ny streng.
DNA-replikation er produktion af identisk DNA helices fra et enkelt dobbeltstrenget DNA-molekyle. Hvert molekyle består af en streng fra det originale molekyle og en nydannet streng. Før replikation adskilles DNA-spolerne og -strengene. Der dannes en replikationsgaffel, der fungerer som en skabelon til replikation. Primere binder til DNA'et, og DNA-polymeraser tilføjer nye nukleotidsekvenser i 5 'til 3' retningen.
Denne tilføjelse er kontinuerlig i den førende streng og fragmenteret i den haltende streng. Når forlængelsen af DNA-strengene er afsluttet, kontrolleres strengene for fejl, der foretages reparationer, og telomeresekvenser sættes til enderne af DNA'et.