Molekula DNK čini osnovu svega poznatog života jer njezina struktura omogućuje da se lako kopira unutar živih stanica, dopuštajući im reprodukciju. Genetske informacije organizma sadržane su u njegovoj DNK i potrebno je točno umnožavanje kako bi se te informacije prenijele na sljedeće generacije. Kopiranje genetskog materijala unutar stanične jezgre naziva se replikacija DNK. Mehanizam kojim se događa poznat je kao polukonzervativna replikacija, a uključuje cijepanje molekule na dva dijela, od kojih svaki tvori predložak za potpuno novu molekulu. Materijali dostupni unutar ćelije zatim se dodaju ovim predlošcima kako bi se dovršio proces.
Struktura DNK
Svaka molekula DNK sastoji se od dva lanca, koji se sastoje od šećerne i fosfatne skupine, s molekulama poznatim kao baze koje tvore veze između njih. Postoje četiri različite baze: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) i timin (T). Svaka baza, zajedno sa šećernim i fosfatnim skupinama na koje je vezana, poznata je kao nukleotid. Dva lanca zajedno drže vodikove veze između baza; A veže se s T i C s G, tako da tvore parove poznate kao komplementarni parovi baza.
Pramenovi tvore dvostruku spiralu, ili dvije paralelne spiralne strukture, dok parovi baza protežu prazninu između niti. Molekule DNK obično su čvrsto smotane, višestruko i tvore strukture poznate kao kromosomi. Potpuna genetska informacija, ili genom za organizam, sadržana je unutar skupa kromosoma; ljudski genom sadrži oko tri milijarde parova baza. Replikacija DNK tvori novi skup kromosoma prije stanične diobe. Proces replikacije može se podijeliti u nekoliko faza, od kojih svaki kontroliraju enzimi.
Cijepanje
Da bi se replicirali, lanci DNK moraju biti odvojeni. Vodikove veze između parova baza dovoljno su jake da drže pramenove zajedno u normalnim okolnostima, ali dovoljno slabe da ih po potrebi mogu lako rastaviti. Budući da je molekula normalno u jako smotanom stanju, dvije niti se neće podijeliti bez pomoći. Enzimi koji se nazivaju giraze rade na opuštanju ili odmotavanju DNK, dok enzimi zvani helikaze počinju je rastvarati, razbijajući vodikove veze između parova baza. Posebni proteini se zatim vežu na odvojene niti kako bi ih odvojili i omogućili replikaciju.
kopiranje
Nukleotidi postoje neovisno o DNK u jezgri stanice ili, u slučaju bakterija, unutar stanične tekućine. Kada je molekula DNA podijeljena, ti se slobodni nukleotidi vežu s nesparenim komplementarnim bazama svakog lanca – A do T i C do G – tvoreći novu, dvolančanu molekulu. Ovaj proces omogućuju enzimi poznati kao DNA polimeraze. Dvije rezultirajuće kopije imaju po jedan novi lanac i jednu od izvorne molekule. Zbog toga se replikacija DNK naziva polukonzervativnom – polovica svake molekule je nova, a polovica je sačuvana od svog roditelja.
Procesi cijepanja i umnožavanja se preklapaju. Kako se pramenovi rastavljaju, stvaraju se novi komplementarni niti dok se cijepanje nastavlja duž dvostruke spirale. Molekule DNK u većini organizama su vrlo dugačke, pa je učinkovitije da se cijepanje i umnožavanje dogodi na više mjesta odjednom. Ove točke su poznate kao ishodišta replikacije. Kada se dva takva porijekla sretnu, enzimi zvani ligaze spajaju nove niti.
Provjera pogrešaka
Proces replikacije je iznimno precizan, ali greške se događaju. Ponekad se može stvoriti veza između pogrešne kombinacije baza. Na primjer, G se povremeno može vezati s T umjesto A. Baze također mogu postojati u malo drugačijim oblicima koji se mogu vezati u drugim, netočnim, parovima.
Obično postoji oko jedna greška na svakih 100 milijuna obveznica baznih parova. Kod čovjeka bi to rezultiralo oko 30 pogrešaka za svaku potpunu replikaciju. Međutim, postoji niz mehanizama za provjeru i ispravljanje pogrešaka koji vrlo učinkovito otkrivaju i popravljaju pogreške. Na primjer, veze između neusklađenih parova baza su relativno nestabilne, a enzimi polimeraze koji pomažu procesu duplikacije također mogu odvojiti netočan nukleotid, omogućujući dodavanje novog, ispravnog. To smanjuje prosječan broj pogrešaka po replikaciji na oko tri.
Pogreške replikacije: mutacije, rak i evolucija
Pogreške u replikaciji DNK obično su loša stvar na individualnoj razini. Mogu dovesti do mutacija, koje su općenito nepovoljne; mogu dovesti do raka ili drugih bolesti opasnih po život. S druge strane, bez ovih grešaka, ljudska bića i drugi organizmi kakvi su danas poznati ne bi bili ovdje. Ponekad mutacija može dati prednost, povećavajući šanse organizma da preživi dovoljno dugo da se razmnoži i prenese povoljnu promjenu, koja će tada postati češća. Ovako funkcionira evolucija: pogreške u replikaciji omogućuju organizmima da se prilagode promjenjivom okruženju i evoluiraju u nove oblike života.