Molekula DNK je osnova vsega znanega življenja, saj njena struktura omogoča enostavno kopiranje v živih celicah in jim omogoča razmnoževanje. Genetske informacije organizma so vsebovane v njegovi DNK, zato je potrebno natančno podvajanje, da se te informacije prenesejo na naslednje generacije. Kopiranje genetskega materiala v celičnem jedru se imenuje replikacija DNK. Mehanizem, s katerim se pojavi, je znan kot polkonzervativna replikacija in vključuje razdelitev molekule na dva dela, od katerih vsak tvori predlogo za popolnoma novo molekulo. Materiali, ki so na voljo v celici, se nato dodajo tem predlogam za dokončanje postopka.
Struktura DNK
Vsaka molekula DNK je sestavljena iz dveh verig, sestavljenih iz sladkornih in fosfatnih skupin, pri čemer molekule, znane kot baze, tvorijo povezave med njima. Obstajajo štiri različne baze: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) in timin (T). Vsaka baza, skupaj s sladkornimi in fosfatnimi skupinami, na katere je vezana, je znana kot nukleotid. Oba sklopa držita skupaj z vodikovimi vezmi med bazami; A se veže s T in C z G, tako da tvorita pare, znane kot komplementarni bazni pari.
Prameni tvorijo dvojno vijačnico ali dve vzporedni spiralni strukturi, medtem ko osnovni pari pokrivajo vrzel med prameni. Molekule DNK so običajno tesno zvite, večkrat in tvorijo strukture, znane kot kromosomi. Celotna genetska informacija ali genom za organizem je v nizu kromosomov; človeški genom vsebuje približno tri milijarde baznih parov. Podvajanje DNK tvori nov niz kromosomov pred delitvijo celice. Proces replikacije lahko razdelimo na več stopenj, od katerih vsako nadzirajo encimi.
Razdelitev
Za replikacijo je treba verige DNK ločiti. Vodikove vezi med osnovnimi pari so dovolj močne, da držijo pramene skupaj v normalnih okoliščinah, vendar dovolj šibke, da jih je mogoče zlahka razstaviti, ko je to potrebno. Ker je molekula običajno v zelo zvitem stanju, se obe niti ne bosta razcepili brez pomoči. Encimi, imenovani giraze, delujejo tako, da sprostijo ali odvijejo DNK, medtem ko jo encimi, imenovani helikaze, začnejo odpirati in prekinjajo vodikove vezi med baznimi pari. Posebni proteini se nato vežejo na ločene pramene, da jih zadržijo narazen in omogočijo replikacijo.
Podvajanje
Nukleotidi obstajajo neodvisno od DNK v jedru celice ali, v primeru bakterij, v celični tekočini. Ko je molekula DNK razcepljena, se ti prosti nukleotidi vežejo z neparnimi komplementarnimi bazami vsake verige – A do T in C do G – in tvorijo novo, dvoverižno molekulo. Ta proces omogočajo encimi, znani kot DNK polimeraze. Dve nastali kopiji imata vsak po eno novo verigo in eno iz prvotne molekule. Zato se replikacija DNK imenuje polkonzervativna – polovica vsake molekule je nova, polovica pa je shranjena od svojega starša.
Procesa cepitve in podvajanja se prekrivata. Ko se prameni razpadejo, se zgradijo novi komplementarni prameni, medtem ko se razcep nadaljuje vzdolž dvojne vijačnice. Molekule DNK v večini organizmov so zelo dolge, zato je učinkoviteje, da se cepitev in podvajanje zgodita na več mestih hkrati. Te točke so znane kot izvori replikacije. Ko se srečata dva taka izvora, encimi, imenovani ligaze, združijo nove verige.
Preverjanje napak
Postopek replikacije je izjemno natančen, vendar se pojavljajo napake. Včasih lahko nastane vez med napačno kombinacijo baz. Na primer, G se lahko občasno veže s T namesto z A. Baze lahko obstajajo tudi v nekoliko drugačnih oblikah, ki se lahko vežejo v drugih, napačnih parih.
Običajno je približno ena napaka na vsakih 100 milijonov obveznic osnovnih parov. Pri človeku bi to povzročilo približno 30 napak za vsako popolno replikacijo. Vendar pa obstajajo številni mehanizmi za preverjanje in popravljanje napak, ki zelo učinkovito odkrivajo in popravljajo napake. Na primer, vezi med neusklajenimi baznimi pari so razmeroma nestabilne in encimi polimeraze, ki pomagajo pri procesu podvajanja, lahko tudi ločijo napačen nukleotid, kar omogoča dodajanje novega, pravilnega. Ti zmanjšajo povprečno število napak na podvajanje na približno tri.
Napake pri replikaciji: mutacije, rak in evolucija
Napake pri replikaciji DNK so običajno slaba stvar na ravni posameznika. Lahko vodijo do mutacij, ki so praviloma neugodne; lahko povzročijo raka ali druge življenjsko nevarne bolezni. Po drugi strani pa brez teh napak ne bi bilo ljudi in drugih organizmov, kot jih poznamo danes. Občasno lahko mutacija daje prednost in poveča možnosti organizma za preživetje dovolj dolgo, da se lahko razmnoži in prenese ugodno spremembo, ki bo nato postala pogostejša. Tako deluje evolucija: napake pri replikaciji omogočajo organizmom, da se prilagodijo spreminjajočim se okoljem in razvijejo v nove življenjske oblike.