Das DNA-Molekül bildet die Grundlage allen bekannten Lebens, da es aufgrund seiner Struktur leicht in lebende Zellen kopiert werden kann, um sich zu vermehren. Die genetische Information eines Organismus ist in seiner DNA enthalten, und es ist eine genaue Vervielfältigung erforderlich, um diese Informationen an nachfolgende Generationen weiterzugeben. Das Kopieren von genetischem Material innerhalb des Zellkerns wird als DNA-Replikation bezeichnet. Der Mechanismus, nach dem es auftritt, ist als semikonservative Replikation bekannt und beinhaltet die Aufspaltung des Moleküls in zwei Teile, von denen jeder eine Matrize für ein komplett neues Molekül bildet. In der Zelle verfügbare Materialien werden dann zu diesen Vorlagen hinzugefügt, um den Vorgang abzuschließen.
Die Struktur der DNA
Jedes DNA-Molekül besteht aus zwei Strängen, bestehend aus Zucker- und Phosphatgruppen, zwischen denen Moleküle, die als Basen bekannt sind, Verbindungen bilden. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Jede Base wird zusammen mit den Zucker- und Phosphatgruppen, an die sie gebunden ist, als Nukleotid bezeichnet. Die beiden Stränge werden durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen zusammengehalten; A bindet an T und C an G, sodass sie Paare bilden, die als komplementäre Basenpaare bekannt sind.
Die Stränge bilden eine Doppelhelix oder zwei parallele Spiralstrukturen, während die Basenpaare die Lücke zwischen den Strängen überspannen. Die DNA-Moleküle sind normalerweise um ein Vielfaches dicht gewunden und bilden Strukturen, die als Chromosomen bekannt sind. Die vollständige genetische Information oder das Genom eines Organismus ist in einem Chromosomensatz enthalten; Das menschliche Genom enthält etwa drei Milliarden Basenpaare. Die DNA-Replikation bildet vor der Zellteilung einen neuen Chromosomensatz. Der Replikationsprozess lässt sich in mehrere Stufen unterteilen, die jeweils durch Enzyme gesteuert werden.
Spaltung
Zur Replikation müssen die DNA-Stränge getrennt werden. Die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren sind stark genug, um die Stränge unter normalen Umständen zusammenzuhalten, aber schwach genug, um sie bei Bedarf leicht auseinanderziehen zu können. Da sich das Molekül normalerweise in einem stark gewundenen Zustand befindet, können sich die beiden Stränge nicht ohne Hilfe spalten. Enzyme, die Gyrasen genannt werden, arbeiten daran, die DNA zu entspannen oder abzuwickeln, während Enzyme, die Helikasen genannt werden, beginnen, sie zu entpacken und die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren aufzubrechen. An die getrennten Stränge binden dann spezielle Proteine, um sie auseinander zu halten und die Replikation zu ermöglichen.
Vervielfältigung
Nukleotide existieren unabhängig von der DNA im Zellkern oder bei Bakterien in der Zellflüssigkeit. Wenn ein DNA-Molekül gespalten wurde, verbinden sich diese freien Nukleotide mit den ungepaarten komplementären Basen jedes Strangs – A bis T und C bis G – und bilden ein neues, doppelsträngiges Molekül. Dieser Prozess wird durch Enzyme ermöglicht, die als DNA-Polymerasen bekannt sind. Die beiden resultierenden Kopien haben jeweils einen neuen Strang und einen aus dem ursprünglichen Molekül. Aus diesem Grund wird die DNA-Replikation als semikonservativ bezeichnet – die Hälfte jedes Moleküls ist neu und die andere Hälfte wird von seinem Elternteil gerettet.
Die Prozesse der Aufteilung und Vervielfältigung überschneiden sich. Wenn sich Stränge lösen, werden neue komplementäre Stränge gebildet, während die Spaltung entlang der Doppelhelix fortgesetzt wird. DNA-Moleküle in den meisten Organismen sind sehr lang, daher ist es effizienter, wenn die Aufspaltung und Vervielfältigung an vielen Stellen gleichzeitig stattfindet. Diese Punkte werden als Replikationsursprünge bezeichnet. Wenn zwei solcher Ursprünge zusammentreffen, verbinden Enzyme, die Ligasen genannt werden, die neuen Stränge zusammen.
Fehlerüberprüfung
Der Replikationsprozess ist äußerst genau, es treten jedoch Fehler auf. Manchmal kann sich eine Bindung zwischen der falschen Basenkombination bilden. Zum Beispiel kann G gelegentlich mit T anstelle von A binden. Die Basen können auch in leicht unterschiedlichen Formen vorliegen, die in anderen, falschen Paarungen binden können.
Typischerweise gibt es etwa einen Fehler pro 100 Millionen Basenpaar-Anleihen. Bei einem Menschen würde dies bei jeder vollständigen Replikation zu etwa 30 Fehlern führen. Es gibt jedoch eine Reihe von Fehlerprüf- und Korrekturmechanismen, die Fehler sehr effektiv erkennen und beheben. Zum Beispiel sind Bindungen zwischen fehlgepaarten Basenpaaren relativ instabil, und die Polymeraseenzyme, die den Duplikationsprozess unterstützen, können auch ein falsches Nukleotid ablösen, wodurch ein neues, korrektes hinzugefügt werden kann. Diese reduzieren die durchschnittliche Anzahl von Fehlern pro Replikation auf etwa drei.
Replikationsfehler: Mutationen, Krebs und Evolution
Fehler bei der DNA-Replikation sind auf individueller Ebene normalerweise eine schlechte Sache. Sie können zu Mutationen führen, die im Allgemeinen ungünstig sind; sie können zu Krebs oder anderen lebensbedrohlichen Krankheiten führen. Andererseits wären ohne diese Fehler Menschen und andere Organismen, wie sie heute bekannt sind, nicht hier. Gelegentlich kann eine Mutation einen Vorteil bringen und die Überlebenschancen eines Organismus erhöhen, um sich zu reproduzieren und die günstige Veränderung weiterzugeben, die dann häufiger wird. So funktioniert Evolution: Replikationsfehler ermöglichen es Organismen, sich an veränderte Umgebungen anzupassen und sich zu neuen Lebensformen zu entwickeln.