DNA er arvestoffet som definerer hver celle. Før a celle duplikater og er delt inn i nytt datterceller gjennom enten mitose eller meiose, biomolekyler og organeller må kopieres for å bli distribuert mellom cellene. DNA, funnet i cellekjernen, må kopieres for å sikre at hver nye celle får riktig antall kromosomer. Prosessen med DNA-duplisering kalles DNA-replikasjon. Replikering følger flere trinn som involverer flere proteiner kalt replikasjonsenzymer og RNA. I eukaryote celler, som dyreceller og planteceller, DNA-replikasjon forekommer i S fase av fase i løpet av cellesyklus. Prosessen med DNA-replikasjon er avgjørende for cellevekst, reparasjon og reproduksjon i organismer.
DNA eller deoksyribonukleinsyre er en type molekyl kjent som en nukleinsyre. Det består av et 5-karbon deoxyribosesukker, et fosfat og en nitrogenholdig base. Dobbeltstrenget DNA består av to spiralnukleinsyrekjeder som er vridd til a dobbeltspiralen form. Denne vridningen gjør at DNA kan være mer kompakt. For å få plass i kjernen pakkes DNA i tett kveilete strukturer som kalles
kromatin. Kromatin kondenseres til dannelse kromosomer under celledeling. Før DNA-replikasjon løsner kromatinet og gir cellereplikasjonsmaskineri tilgang til DNA-strengene.Før DNA kan replikeres, må det dobbeltstrengede molekylet "pakkes ut" i to enkeltstrenger. DNA har fire baser som heter adenin (A), tymin (T), cytosin (C) og guanine (G) som danner par mellom de to strengene. Adenin parer seg bare med timin og cytosin binder bare med guanin. For å slappe av DNA, må disse interaksjonene mellom basepar brytes. Dette utføres av et enzym kjent som DNA heli. DNA-helikase forstyrrer hydrogenbinding mellom basepar for å skille strengene i en Y-form kjent som replikasjonsgaffel. Dette området vil være malen for replikering å begynne.
DNA er retningsbestemt i begge trådene, betegnet ved en 5 'og 3' ende. Denne notasjonen betyr hvilken sidegruppe som er festet til DNA-ryggraden. De 5 'slutt har en fosfatgruppe (P) festet, mens 3 'slutt har en hydroksylgruppe (OH) festet. Denne retning er viktig for replikering, da den bare går i 5 'til 3' retning. Imidlertid er replikasjonsgaffelen toveis; en tråd er orientert i 3 'til 5' retning (ledende streng) mens den andre er orientert 5 'til 3' (hengende strand). De to sidene er derfor replikert med to forskjellige prosesser for å imøtekomme retningsforskjellen.
Den ledende tråden er den enkleste å kopiere. Når DNA-strengene har blitt separert, et kort stykke RNA kalt a primer binder seg til 3'-enden av tråden. Primeren binder seg alltid som utgangspunkt for replikering. Primere genereres av enzymet DNA-primase.
Enzymer kjent som DNA-polymeraser har ansvar for å skape den nye strengen ved en prosess som kalles forlengelse. Det er fem forskjellige kjente typer DNA-polymeraser i bakterie og menneskelige celler. Hos bakterier som E. coli polymerase III er det viktigste replikasjonsenzymet, mens polymerase I, II, IV og V er ansvarlig for feilkontroll og reparasjon. DNA-polymerase III binder seg til strengen på stedet for primeren og begynner å tilsette nye basepar som er komplementære til strengen under replikasjon. I eukaryote celler er polymeraser alpha, delta og epsilon de primære polymeraseene som er involvert i DNA-replikasjon. Fordi replikasjon fortsetter i 5 'til 3' retning på den ledende tråden, er den nydannede streng kontinuerlig.
De hengende strand begynner replikering ved binding med flere primere. Hver grunning er bare flere baser fra hverandre. DNA-polymerase legger deretter til deler av DNA, kalt Okazaki fragmenter, til tråden mellom grunningene. Denne replikasjonsprosessen er diskontinuerlig ettersom de nyopprettede fragmentene er usammenhengende.
Når både de kontinuerlige og diskontinuerlige trådene er dannet, kalles et enzym eksonuklease fjerner alle RNA-primere fra de opprinnelige strengene. Disse primerne erstattes deretter med passende baser. En annen eksonuklease "korrekturles" det nydannede DNAet for å sjekke, fjerne og erstatte eventuelle feil. Et annet enzym het DNA-ligase skjøter sammen Okazaki-fragmenter og danner en enkelt enhet. Endene av det lineære DNA utgjør et problem da DNA-polymerase bare kan tilføre nukleotider i retningen 5 til 3 ′. Endene av foreldrestrengene består av gjentatte DNA-sekvenser kalt telomerer. Telomerer fungerer som beskyttelseshetter på slutten av kromosomer for å forhindre at kromosomer i nærheten smelter sammen. En spesiell type DNA-polymeraseenzym kalt telomerase katalyserer syntesen av telomeresekvenser ved endene av DNA. Når den er fullført, blir foreldestrengen og dens komplementære DNA-streng spiralformet inn i den kjente dobbeltspiralen form. Til slutt produserer replikering to DNA-molekyler, hver med en tråd fra foreldremolekylet og en ny streng.
DNA-replikasjon er produksjonen av identisk DNA-helikser fra et enkelt dobbeltstrenget DNA-molekyl. Hvert molekyl består av en streng fra det opprinnelige molekylet og en nydannet streng. Før replikasjonen skilles DNA-spolene og -strengene ut. Det dannes en replikasjonsgaffel som fungerer som en mal for replikering. Primere binder seg til DNA og DNA-polymeraser legger til nye nukleotidsekvenser i retningen 5 ′ til 3 ′.
Denne tilsetningen er kontinuerlig i den ledende streng og fragmentert i den hengende streng. Når forlengelsen av DNA-strengene er fullført, sjekkes strengene for feil, utføres reparasjoner og telomeresekvenser blir lagt til endene av DNA.