DNA-replikasjon

Replikasjon er prosessen der DNA (deoksyribonukleinsyre) kopieres. Kopieringen av arvestoffet DNA skjer i forkant av celledelingen. DNA er formet som en dobbeltheliks. Det vil si at to DNA-tråder er tvunnet sammen som en spiral. Hver av de to trådene i dobbeltheliksen virker som en mal (templat) for to nye DNA tråder som lages under replikasjonen. Etter replikasjon består DNA-heliksen dermed av en gammel og en ny tråd.

Komplementære basepar

En kan si at DNA ser ut som en vridd stige hvor stigebeina er bygd opp av annethvert sukkermolekyl og annethvert fosfatmolekyl. Stigetrinnene består av fire forskjellige baser, et par i hvert trinn. Byggesteinene i DNA er nukleotider som består av fosforsyre, sukkeret deoksyribose og en nitrogenholdig base som kan variere. Disse basene består av grunnstoffene karbon, oksygen, nitrogen og hydrogen. Nukleotidene koples sammen av sterke kovalente bindinger (elektronparbindinger) mellom sukkermolekylene og fosfatene. Dette gjør at nukleotidene danner en sterk ryggrad i enkelttråden, der basene er frie til å binde seg til andre molekyler, f.eks. basene på motsatt tråd. I DNA er disse basene enten adenin, cytocin, guanin og tymin. En forutsetning for at det skal skje en binding mellom to enkelttråder under DNA-replikasjonen er at basene på hvert trinn i stigen danner et komplementært basepar. Dermed vil adenin alltid danne basepar med tymin, og guanin vil danne basepar med cytosin. Grunnen til dette er at basenes struktur skal passe sammen og at dobbelttråden skal få en jevn diameter på 2 nm. Baseparene holdes sammen av hydrogenbindinger og det er rekkefølgen av disse basene som bestemmer en organismes arvelige egenskaper.

Replikasjonsboble og replikasjonsgaffel

For at DNA-replikasjonen skal komme i gang må dobbelttråden åpnes. Dette gjøres av enzymet helikase. En replikasjonsboble dannes ved startpunktet der dobbelttråden åpnes. Replikasjonsboblen består av to replikasjonsgafler sammen med nydannet dobbelttrådet DNA mellom de to replikasjonsgaflene. Replikasjonsboblen utvider seg i begge retninger av dobbelttråden fra startpunktet til hele DNA-molekylet blir kopiert. I eukaryote celler er det hundrevis eller tusenvis av slike startpunkter der dobbelttråden åpnes i hvert kromosom. I det sirkulære kromosomet i bakterier er det ett startpunkt. På hvert startpunkt der dobbelttråden åpnes, foregår det syntese, nemlig dannelse av nytt DNA. Det er på grunn av den Y-formete strukturen der dobbelttråden åpnes, at dette område kalles for en replikasjonsgaffel.

Enzymer i arbeid

Helikase-enzymet åpner dobbelttråden ved at det bryter hydrogenbindingene mellom basene og tvinner opp DNA-et. Spesielle proteiner binder seg til enkelttrådene og sørger for at de ikke rekombinerer (går sammen igjen) for tidlig. Enzymet DNA-polymerase III lager nytt DNA ved å feste nukleotider på den voksende enden av den nye DNA-enkelttråden. I eukaryote celler er det minst elleve kjente, forskjellige DNA-polymeraser. DNA-polymerase III sin oppgave er å forlenge enden av en allerede påbegynt tråd. Før dette gjøres må et annet enzym kalt primase lage en kort RNA-tråd med ca. 10 nukleotider. Denne korte tråden kalles en RNA-primer. Den er komplementær til den templattråden som skal kopieres. DNA-polymerasen bindes så til RNA-primeren og setter i gang produksjon av nytt DNA ved å feste nukleotider til 3'-enden på primeren. 3' er en nummerering av en av de fem karbonatomene i sukkeret som inngår i et nukleotid. Sukkeret er en pentose, dvs. at det har fem karbonatomer. Rekkefølgen disse er nummerert i er 5', 4', 3', 2', 1'. Når nukleotider bindes til hverandre for å danne DNA skjer dette alltid ved at en fri hydroksylgruppe (OH-gruppe) på 3'-atomet i sukkeret i et nukleotid, danner en binding til fosfatet som er bundet til 5'-atomet i sukkeret i et annet nukleotid. 
RNA-primeren blir siden fjernet fra DNA-et. DNA-polymerasen klarer forøvrig ikke å erstatte RNA-primeren på enden av templattråden med DNA. Denne biten går dermed tapt. Det fører til at endene på kromosomene blir forkortet med 50-10 nukleotider for hver runde med kopiering, dvs. før hver celledeling. Cellene kan allikevel dele seg svært mange ganger, nærmest i det uendelige, takket være enzymet telomerase. Under kopiering vokser DNA-tråden med omtrent 500 nukleotider per sekund i bakterier og med 50 nukleotider per sekund i eukaryote celler. At hastigheten er lavere i eukaryote celler kan skyldes at DNA-et er pakket inn i proteiner og dermed mer beskyttet.

Ledertråd og lagtråd i DNA-et

De to enkelttrådene i DNA-et er antiparallelle. Det vil si at de ikke løper likt, de er orientert motsatt vei av hverandre. Man kan se på det som at nukleotidene er snudd opp ned i forhold til hverandre. Dersom vi følger en DNA-dobbelttråd i en retning, går den ene enkelttråden i 3'-5' retning, mens den andre går i 5'-3' retning. Det blir dannet nytt DNA på begge disse enkelttrådene, det vil si at begge brukes som templattråd. Den ene blir avlest kontinuerlig i "riktig" 5'-3' retning, samme retning som DNA-et blir åpnet. Den nye enkelttråden som blir dannet kontinuerlig kalles ledertråden. 
Den andre templattråden er orientert i en 3'-5' retning og blir avlest stykkevis. Dette er fordi den også blir avlest i 5'-3' retning. Det første som skjer er at RNA-primase legger ned en RNA-primer. Deretter legger DNA-polymerase III ned nytt DNA. Deretter vil polymerasen forflytte seg tilbake til replikasjonsgaffelen og på nytt legge ned DNA til den treffer på en ny RNA-primer. DNA-polymerasen beveger seg dermed baklengs. Denne sekvensen gjentar seg på nytt og på nytt. RNA-primeren blir siden erstattet med DNA av enzymet DNA-polymerase I. Til slutt er det enzymet DNA-ligase som binder sammen disse fragmentene som kalles Okazaki-fragmenter - oppkalt detter det lapanske forskerpar som oppdaget dette - Rejiki og Tsuneko Okazaki.  Denne nye enkelttråden som blir dannet stykkevis kalles lagtråden.

Mutasjon

For at dattercellene skal inneholde den samme genetiske informajsonen som morcellen, må kopieringen av DNA-et være svært nøyaktig. Så lite som én feil per 10^9 kopierte baser er observert for arvestoffet hos pattedyr. I løpet av replikasjonen sammenlikner DNA-polymerasene basen i hvert nukleotid med basen i templatets nukleotider. Nukleotider som ikke danner komplementære basepar med templatet blir raskt fjernet. I tillegg bruker cellen andre spesialiserte enzymer for å fjerne feil som har sluppet unna korrekturen, eller er oppstått siden. Dette systemet er svært nøyaktig, men feil kan allikevel forekomme og det kan oppstå en mutasjon.