DNA-molekylen utgör grunden för allt känt liv eftersom dess struktur gör att den lätt kan kopieras in i levande celler, vilket gör att de kan fortplanta sig. En organisms genetiska information finns i dess DNA, och noggrann duplicering krävs för att vidarebefordra denna information till efterföljande generationer. Kopieringen av genetiskt material i cellkärnan kallas DNA-replikation. Mekanismen genom vilken det uppstår är känd som semi-konservativ replikation, och det innebär att molekylen delas i två delar, som var och en bildar en mall för en helt ny molekyl. Material som är tillgängligt i cellen läggs sedan till dessa mallar för att slutföra processen.
DNA:s struktur
Varje DNA-molekyl består av två strängar, bestående av socker- och fosfatgrupper, med molekyler som kallas baser som bildar länkar mellan dem. Det finns fyra olika baser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T). Varje bas, tillsammans med socker- och fosfatgrupperna som den är bunden till, är känd som en nukleotid. De två strängarna hålls samman av vätebindningar mellan baserna; A binder med T och C med G, så att de bildar par som kallas komplementära baspar.
Strängarna bildar en dubbel helix, eller två parallella spiralstrukturer, medan basparen spänner över gapet mellan strängarna. DNA-molekylerna är normalt tätt lindade, många gånger om, och bildar strukturer som kallas kromosomer. Den fullständiga genetiska informationen, eller genomet för en organism, finns i en uppsättning kromosomer; det mänskliga genomet innehåller cirka tre miljarder baspar. DNA-replikation bildar en ny uppsättning kromosomer, före celldelning. Replikationsprocessen kan delas upp i ett antal steg, var och en kontrollerad av enzymer.
delning
För att replikera måste DNA-strängarna separeras. Vätebindningarna mellan basparen är tillräckligt starka för att hålla ihop strängarna under normala omständigheter, men tillräckligt svaga för att de lätt ska kunna dras isär vid behov. Eftersom molekylen normalt är i ett starkt lindat tillstånd kommer de två strängarna inte att delas utan hjälp. Enzymer som kallas gyraser arbetar för att slappna av, eller linda upp, DNA:t, medan enzymer som kallas helikaser börjar packa upp det och bryter vätebindningarna mellan basparen. Speciella proteiner binder sedan till de separerade strängarna för att hålla isär dem och tillåta replikation att ske.
Duplicering
Nukleotider existerar oberoende av DNA i cellkärnan eller, i fallet med bakterier, i cellvätskan. När en DNA-molekyl har delats binder dessa fria nukleotider till de oparade komplementära baserna i varje sträng – A till T och C till G – och bildar en ny dubbelsträngad molekyl. Denna process möjliggörs av enzymer som kallas DNA-polymeraser. De två resulterande kopiorna har vardera en ny sträng och en från den ursprungliga molekylen. Det är därför DNA-replikation kallas semi-konservativ – hälften av varje molekyl är ny och hälften sparas från sin förälder.
Processerna för splittring och duplicering överlappar varandra. När trådarna lossnar byggs nya komplementära trådar medan splittringen fortsätter längs den dubbla helixen. DNA-molekyler i de flesta organismer är mycket långa, så det är mer effektivt att splittringen och dupliceringen sker på många ställen samtidigt. Dessa punkter är kända som ursprung för replikation. När två sådana ursprung möts sammanfogar enzymer som kallas ligaser de nya strängarna.
Felkontroll
Replikeringsprocessen är extremt exakt, men fel uppstår. Ibland kan ett band bildas mellan fel kombination av baser. Till exempel kan G ibland binda till T istället för A. Baserna kan också existera i lite olika former som kan binda i andra, felaktiga, parningar.
Vanligtvis finns det cirka ett fel för varje 100 miljoner basparobligationer. Hos en människa skulle detta resultera i cirka 30 fel för varje fullständig replikering. Det finns dock ett antal felkontroll- och korrigeringsmekanismer som upptäcker och reparerar misstag mycket effektivt. Till exempel är bindningar mellan felaktiga baspar relativt instabila, och polymerasenzymer som hjälper dupliceringsprocessen kan också ta bort en felaktig nukleotid, vilket gör att en ny, korrekt, kan läggas till. Dessa minskar det genomsnittliga antalet fel per replikering till cirka tre.
Replikeringsfel: mutationer, cancer och evolution
Fel i DNA-replikering är vanligtvis en dålig sak på individnivå. De kan leda till mutationer, som i allmänhet är ogynnsamma; de kan leda till cancer eller andra livshotande sjukdomar. Å andra sidan, utan dessa fel skulle människor och andra organismer som de är kända idag inte vara här. Ibland kan en mutation ge en fördel, vilket ökar en organisms chanser att överleva tillräckligt länge för att föröka sig och föra den gynnsamma förändringen vidare, som då blir vanligare. Så här fungerar evolutionen: replikationsfel tillåter organismer att anpassa sig till föränderliga miljöer och att utvecklas till nya livsformer.