DNR molekulė sudaro visos žinomos gyvybės pagrindą, nes jos struktūra leidžia ją lengvai kopijuoti gyvose ląstelėse ir joms daugintis. Organizmo genetinė informacija yra jo DNR, todėl norint perduoti šią informaciją vėlesnėms kartoms, reikalingas tikslus dubliavimas. Genetinės medžiagos kopijavimas ląstelės branduolyje vadinamas DNR replikacija. Mechanizmas, kuriuo tai vyksta, yra žinomas kaip pusiau konservatyvi replikacija, ir tai apima molekulės padalijimą į dvi dalis, kurių kiekviena sudaro šabloną visiškai naujai molekulei. Tada prie šių šablonų pridedamos langelyje esančios medžiagos, kad būtų užbaigtas procesas.
DNR struktūra
Kiekviena DNR molekulė sudaryta iš dviejų gijų, susidedančių iš cukraus ir fosfatų grupių, o molekulės, vadinamos bazėmis, sudaro ryšius tarp jų. Yra keturios skirtingos bazės: adeninas (A), guaninas (G), citozinas (C) ir timinas (T). Kiekviena bazė kartu su cukraus ir fosfato grupėmis, prie kurių ji yra prijungta, yra žinoma kaip nukleotidas. Abi sruogos yra laikomos kartu vandeniliniais ryšiais tarp bazių; A jungiasi su T ir C su G, todėl jie sudaro poras, žinomas kaip papildomos bazinės poros.
Sruogos sudaro dvigubą spiralę arba dvi lygiagrečias spiralines struktūras, o pagrindo poros apima tarpą tarp sruogų. DNR molekulės paprastai yra sandariai suvyniotos, daug kartų ir sudaro struktūras, žinomas kaip chromosomos. Visa genetinė informacija arba organizmo genomas yra chromosomų rinkinyje; žmogaus genome yra apie tris milijardus bazinių porų. DNR replikacija sudaro naują chromosomų rinkinį prieš ląstelių dalijimąsi. Replikacijos procesą galima suskirstyti į keletą etapų, kurių kiekvieną kontroliuoja fermentai.
Suskaidymas
Norint daugintis, DNR grandinės turi būti atskirtos. Vandeniliniai ryšiai tarp bazinių porų yra pakankamai stiprūs, kad įprastomis aplinkybėmis laikytų sruogas kartu, tačiau pakankamai silpnos, kad prireikus jas būtų galima lengvai atskirti. Kadangi molekulė paprastai yra labai susisukusi, dvi gijos nesuskils be tam tikros pagalbos. Fermentai, vadinami girazėmis, atpalaiduoja arba išvynioja DNR, o fermentai, vadinami helikazėmis, pradeda ją išardyti, suardydami vandenilio ryšius tarp bazinių porų. Specialūs baltymai jungiasi prie atskirtų sruogų, kad išlaikytų jas atskirai ir leistų įvykti replikacijai.
Kopijavimas
Nukleotidai egzistuoja nepriklausomai nuo DNR ląstelės branduolyje arba, bakterijų atveju, ląstelės skystyje. Kai DNR molekulė suskaidoma, šie laisvieji nukleotidai susijungia su nesuporuotomis komplementariomis kiekvienos grandinės bazėmis – nuo A iki T ir C iki G – ir sudaro naują, dvigrandę molekulę. Šį procesą įgalina fermentai, žinomi kaip DNR polimerazės. Dvi gautos kopijos turi po vieną naują grandinę ir vieną iš pradinės molekulės. Štai kodėl DNR replikacija vadinama pusiau konservatyvia – pusė kiekvienos molekulės yra nauja, o pusė – išsaugota iš pirminės.
Skaldymo ir dubliavimo procesai sutampa. Sruogoms atsiskiriant, sukuriamos naujos papildomos gijos, o skilimas tęsiasi išilgai dvigubos spiralės. Daugumos organizmų DNR molekulės yra labai ilgos, todėl skilimas ir dubliavimasis vienu metu vyksta daugelyje vietų. Šie taškai yra žinomi kaip replikacijos ištakos. Kai susitinka dvi tokios kilmės, fermentai, vadinami ligazėmis, sujungia naujas grandines.
Patikrinimo klaida
Replikacijos procesas yra labai tikslus, tačiau pasitaiko klaidų. Kartais tarp netinkamo bazių derinio gali susidaryti ryšys. Pavyzdžiui, G kartais gali susieti su T, o ne A. Bazės taip pat gali egzistuoti šiek tiek skirtingomis formomis, kurios gali susieti ir kitose, neteisingose porose.
Paprastai kiekvienai 100 milijonų bazinių porų obligacijų yra maždaug viena klaida. Žmogui tai sukeltų apie 30 klaidų kiekvienai pilnai replikacijai. Tačiau yra keletas klaidų tikrinimo ir taisymo mechanizmų, kurie labai efektyviai nustato ir ištaiso klaidas. Pavyzdžiui, ryšiai tarp nesutampančių bazių porų yra santykinai nestabilūs, o polimerazės fermentai, padedantys dubliuotis, taip pat gali atskirti neteisingą nukleotidą, leidžiantį pridėti naują, teisingą. Tai sumažina vidutinį klaidų skaičių vienoje replikacijoje iki maždaug trijų.
Replikacijos klaidos: mutacijos, vėžys ir evoliucija
DNR replikacijos klaidos paprastai yra blogas dalykas individo lygmeniu. Jie gali sukelti mutacijas, kurios paprastai yra nepalankios; jie gali sukelti vėžį ar kitas gyvybei pavojingas ligas. Kita vertus, be šių klaidų žmonių ir kitų organizmų, kaip jie žinomi šiandien, čia nebūtų. Kartais mutacija gali suteikti pranašumą, padidindama organizmo galimybes išgyventi pakankamai ilgai, kad galėtų daugintis ir perduoti palankius pokyčius, kurie vėliau taps dažnesni. Taip veikia evoliucija: replikacijos klaidos leidžia organizmams prisitaikyti prie besikeičiančios aplinkos ir išsivystyti į naujas gyvybės formas.