Replikacja DNA
Replikacja to proces prowadzący do wytworzenia dwóch identycznych cząsteczek DNA z jednej helisy macierzystej (synteza DNA na matrycy DNA). Każda cząsteczka potomna złożona jest z jednej nici macierzystej i jednej zsyntetyzowanej. Ten proces ma zawsze miejsce przed każdym podziałem komórki. Mechanizmy prowadzące do replikacji DNA zwane są mechanizmami semikonserwatywnymi i są stosowane przez wszystkie żywe organizmy.
Wszystkie cząsteczki DNA zawierają charakterystyczną sekwencję kilkudziesięciu nukleotydów, od której zaczyna się replikacja. Minimalna długość DNA, który rozpoczyna replikację wynosi jedynie 11 par zasad: [A/T]TTTAT[A/G]TTT[A/T] i nosi nazwę miejsca inicjacji replikacji, czyli origin. W DNA Prokariota występuje dokładnie jedno miejsce inicjacji. U Eukariota tych miejsc jest wiele, a proces replikacji rozpoczyna się jednocześnie. Występowanie wielu origin u organizmów eukariotyczny tłumaczone jest wielkością DNA sięgającej dziesiątek miliardów par zasad i niewielkiej prędkość replikacji, wynikającej ze złożoności struktury DNA, sięgającej około 50 par zasad na sekundę. W takim tempie replikacja trwałaby 30 dni, z tego powodu zachodzi potrzeba istnienia wielu miejsc inicjacji. Do tych miejsc przyłączają się różne cząsteczki białek enzymatycznych przygotowujące DNA do replikacji. Enzym helikaza rozrywa wiązania wodorowe łączące komplementarne nukleotydy, przez co DNA ulega rozwinięciu na dwie pojedyncze sekwencje polinukleotydowe. Rozwijające się DNA tworzy w obie strony widełki replikacyjne. Każdy pojedynczy łańcuch DNA, który powstał podczas procesu rozwijania helisy, posłuży jako matryca do syntezy drugiego komplementarnego łańcucha, z którym stworzy strukturę dwuniciowej helisy. Enzym polimeraza DNA jest najważniejszym enzymem odpowiadającym za przyłączenie nukleotydów do tworzącego się łańcucha polinukleotydowego. Może ona jedynie przyłączać kolejne nukleotydy do końca 3’ istniejącego łańcucha, dlatego nie jest wstanie zainicjować proces replikacji. Replikacja rozpoczyna się od syntezy primera, krótkiego fragmentu RNA, za którą odpowiada enzym polimeraza RNA (primaza). Polimeraza DNA dołącza do końca 3’ primera nukleotydy, które są komplementarne do macierzystej nici. Proces replikacji umożliwia syntezę tylko w kierunku 5’→3’. Skoro nici DNA leżą antyrównolegle do siebie, to tylko na jednej nici biegnącej w kierunku 3’→5’ replikacja zachodzi w sposób ciągły i w tym samym kierunku co rozszerzanie się widełek replikacyjnych. Taka nić jest nazywana nicią wiodącą. Na drugiej nici, zwanej nicią opóźnioną, biegnąca w kierunku 5’→3’, mechanizm replikacji musiałby odbywać w kierunku 3’→5’, co jest niemożliwe. Synteza nowego łańcucha na macierzy nici opóźnionej zachodzi fragmentami i jest opóźniona w czasie. W czasie rozwijania helisy na nici opóźnionej powstaje wiele primerów, a następnie przyłączane są do nich krótkie fragmenty DNA, zwane Okazaki. Po zakończeniu syntezy usuwane są primery z ocinków Okazaki, a enzym ligaza łączy te krótkie fragmenty w jedną długą nić polinukleotydową. W wyniku replikacji DNA powstają dwie nowe cząsteczki DNA o identycznych sekwencjach nukleotydów, zawierające jedną nić macierzystą oraz jedną nowopowstałą nić. Błędy powstałe podczas replikacji są od razy rozpoznawane i niwelowane przez polimerazę DNA. Jednakże raz na 1010 tworzonych par zasad podczas replikacji zachodzą zmiany w sekwencjach nukleotydów i kodowanych przez nie informacji genetycznej. Utrzymanie owej zmiany w kolejnych replikacjach nazywa się mutacją.
