DNS molekula veido visas zināmās dzīvības pamatu, jo tās struktūra ļauj to viegli kopēt dzīvās šūnās, ļaujot tām vairoties. Organisma ģenētiskā informācija ir ietverta tā DNS, un ir nepieciešama precīza dublēšanās, lai šo informāciju nodotu nākamajām paaudzēm. Ģenētiskā materiāla kopēšanu šūnas kodolā sauc par DNS replikāciju. Mehānisms, ar kuru tas notiek, ir pazīstams kā daļēji konservatīva replikācija, un tas ietver molekulas sadalīšanos divās daļās, no kurām katra veido veidni pilnīgai jaunai molekulai. Pēc tam šīm veidnēm tiek pievienoti šūnā pieejamie materiāli, lai pabeigtu procesu.
DNS struktūra
Katra DNS molekula sastāv no diviem pavedieniem, kas sastāv no cukura un fosfātu grupām, un molekulas, kas pazīstamas kā bāzes, veido saites starp tām. Ir četras dažādas bāzes: adenīns (A), guanīns (G), citozīns (C) un timīns (T). Katra bāze, kā arī cukura un fosfātu grupas, kurām tā ir pievienota, ir pazīstama kā nukleotīds. Abas šķipsnas satur kopā ūdeņraža saites starp bāzēm; A savienojas ar T un C ar G, lai tie veido pārus, kas pazīstami kā komplementāri bāzes pāri.
Virzieni veido dubultu spirāli vai divas paralēlas spirālveida struktūras, savukārt pamatnes pāri aptver spraugu starp dzīslām. DNS molekulas parasti ir daudzkārt cieši savītas un veido struktūras, kas pazīstamas kā hromosomas. Visa ģenētiskā informācija jeb organisma genoms ir ietverts hromosomu komplektā; cilvēka genomā ir aptuveni trīs miljardi bāzes pāru. DNS replikācija veido jaunu hromosomu kopu pirms šūnu dalīšanās. Replikācijas procesu var iedalīt vairākos posmos, no kuriem katru kontrolē fermenti.
Sadalīšana
Lai replikētu, DNS virknes ir jāatdala. Ūdeņraža saites starp bāzes pāriem ir pietiekami spēcīgas, lai normālos apstākļos turētu dzīslas kopā, bet pietiekami vājas, lai vajadzības gadījumā tās varētu viegli atdalīt. Tā kā molekula parasti ir ļoti saritinātā stāvoklī, abas dzīslas nesadalīsies bez palīdzības. Fermenti, ko sauc par žirāzēm, darbojas, lai atslābinātu vai attītu DNS, savukārt enzīmi, ko sauc par helikāzēm, sāk to atraisīt, saraujot ūdeņraža saites starp bāzes pāriem. Īpašas olbaltumvielas pēc tam saistās ar atdalītajām šķiedrām, lai tās nošķirtu un ļautu notikt replikācijai.
Kopēšana
Nukleotīdi pastāv neatkarīgi no DNS šūnas kodolā vai, baktēriju gadījumā, šūnu šķidrumā. Kad DNS molekula ir sadalīta, šie brīvie nukleotīdi saistās ar katras virknes nepāra komplementārajām bāzēm — A līdz T un C līdz G —, veidojot jaunu, divpavedienu molekulu. Šo procesu nodrošina fermenti, kas pazīstami kā DNS polimerāzes. Abām iegūtajām kopijām katrā ir viena jauna daļa un viena no sākotnējās molekulas. Tāpēc DNS replikāciju sauc par daļēji konservatīvu – puse no katras molekulas ir jauna, un puse ir saglabāta no tās vecāka.
Sadalīšanas un dublēšanās procesi pārklājas. Kad dzīslas atdalās, tiek veidotas jaunas papildu šķipsnas, kamēr šķelšanās turpinās gar dubulto spirāli. DNS molekulas vairumā organismu ir ļoti garas, tāpēc šķelšanās un dublēšanās ir efektīvāka daudzās vietās vienlaikus. Šie punkti ir pazīstami kā replikācijas sākumi. Kad satiekas divas šādas izcelsmes, enzīmi, ko sauc par ligāzēm, savieno jaunos pavedienus.
Pārbaudes kļūda
Replikācijas process ir ļoti precīzs, taču rodas kļūdas. Dažreiz starp nepareizu bāzu kombināciju var izveidoties saite. Piemēram, G dažkārt var savienoties ar T, nevis A. Bāzes var pastāvēt arī nedaudz atšķirīgās formās, kas var izveidoties citos, nepareizos pāros.
Parasti uz katriem 100 miljoniem bāzes pāru obligāciju ir aptuveni viena kļūda. Cilvēkam tas radītu aptuveni 30 kļūdas katrai pilnīgai replikācijai. Tomēr ir vairāki kļūdu pārbaudes un labošanas mehānismi, kas ļoti efektīvi atklāj un labo kļūdas. Piemēram, saites starp nesakrītošiem bāzes pāriem ir salīdzinoši nestabilas, un polimerāzes enzīmi, kas palīdz dublēšanās procesā, var arī atdalīt nepareizu nukleotīdu, ļaujot pievienot jaunu, pareizu. Tie samazina vidējo kļūdu skaitu vienā replikācijā līdz aptuveni trim.
Replikācijas kļūdas: mutācijas, vēzis un evolūcija
Kļūdas DNS replikācijā parasti ir slikta lieta indivīda līmenī. Tās var izraisīt mutācijas, kas parasti ir nelabvēlīgas; tie var izraisīt vēzi vai citas dzīvībai bīstamas slimības. No otras puses, bez šīm kļūdām cilvēku un citu organismu, kā tos pazīst mūsdienās, šeit nebūtu. Reizēm mutācija var dot priekšrocības, palielinot organisma iespējas izdzīvot pietiekami ilgi, lai vairotos un nodotu labvēlīgās izmaiņas, kas pēc tam kļūs biežākas. Lūk, kā darbojas evolūcija: replikācijas kļūdas ļauj organismiem pielāgoties mainīgajai videi un attīstīties jaunās dzīvības formās.