Vad är DNA-replikation
DNA, som är en förkortning för deoxyribonukleinsyra, är ett självreplikerande material som finns i nästan alla levande organismer som huvudbeståndsdel i kromosomer. Det är den grundläggande bäraren av genetisk information och finns i praktiskt taget varje cell i din kropp.
Dubbelhelix-DNA består av två asymmetriska strängar. Varje sträng består av nukleotider uppradade efter varandra, och dessa nukleotider är bundna till motsvarande nukleotider på den andra strängen för att skapa en steglös struktur. DNA består av fyra nukleotider – nukleinsyrornas byggstenar – som består av en kvävebas, ett socker med fem kol (ribose eller deoxyribose) och minst en fosfatgrupp.
Adenin (A), tymin (T), guanin (G) och cytosin (C) kallas nukleotider. A och G kallas puriner medan T och C kallas pyrimidiner. Enligt reglerna för basparning är A alltid parat med T och C alltid parat med G.
För att en cell ska dupliceras eller delas, antingen genom mitos eller meios, måste DNA replikeras för att se till att varje ny cell får rätt antal kromosomer. Denna process sker i alla levande organismer och ligger till grund för biologiskt arv.
DNA-replikation sker i flera steg som involverar flera proteiner, så kallade replikationsenzymer, samt RNA. DNA-replikation är avgörande för celltillväxt, reparation och reproduktion i organismer.
DNA-replikationens steg
Det finns tre huvudsteg vid DNA-replikation: initiering, förlängning och terminering.
För att få plats i cellkärnan är DNA packat i tätt hoprullade strukturer som kallas kromatin, som lossnar före replikationen så att cellens replikationsmaskineri får tillgång till DNA-strängarna.
För att DNA-replikationen ska kunna påbörjas måste DNA-molekylernas dubbelspiralstruktur ”öppnas upp”. Helicas, ett enzym, är en integrerad del av denna process och bryter de vätebindningar som håller ihop DNA:s komplementära baser (A med T och C med G). Separationen skapar en ”Y”-form som kallas replikationsgaffel och de två enskilda DNA-strängarna fungerar nu som mallar för att göra nya DNA-strängar.
Nästan binder det enkelsträngade DNA-bindningsproteinet (SSB-proteinet) till det nu enkelsträngade DNA:t, vilket förhindrar att de separerande strängarna förenas igen.
De två strängarna i dubbelhelix-DNA:t förenas med varandra genom tvärgående barrer, som är vridna runt. För att detta ska fungera går varje DNA-sträng i motsatt riktning.
En av strängarna är orienterad i 3′ till 5′ riktning (mot replikationsgaffeln), detta är den ledande strängen. Den andra strängen är orienterad i 5′ till 3′-riktningen (bort från replikationsgaffeln), detta är den eftersläpande strängen.
Då enzymet som utför replikationen, DNA-polymeras, endast fungerar i 5′ till 3′-riktningen, innebär detta att dottersträngarna syntetiseras med hjälp av olika metoder, där den ena adderar nukleotider en och en i replikationsgaffelns riktning, medan den andra kan addera nukleotider endast i bitar. Den första strängen, som replikerar nukleotider en och en är den ledande strängen; den andra strängen, som replikerar i bitar, är den eftersläpande strängen.
Notationerna 5′ och 3′ betyder ”fem primtal” och ”tre primtal”, vilket anger kolnumren i DNA:s sockerryggrad. Dessa nummer anger den kemiska orienteringen från ände till ände, där siffrorna 5 och 3 representerar den femte respektive tredje kolatomen i sockerringen. Kolet 5′ har en fosfatgrupp knuten till sig och kolet 3′ en hydroxylgrupp (-OH). Det är denna asymmetri som ger en DNA-sträng en ”riktning”, vilket möjliggör en enkel bindning mellan nukleotider från de motsatta strängarna.
Det är viktigt att notera att de två sidorna replikeras genom två olika processer för att tillgodose riktningsskillnaden.
| Ledande sträng | Laggande sträng |
| En kort bit RNA som kallas primer, som produceras av ett enzym som kallas primas, binder till den ledande strängens ände i 5′- till 3′-riktningen. Primern fungerar som startpunkt för DNA-syntesen.
Enzymer som kallas DNA-polymeraser genererar nya komplementära nukleotidbaser (A, C, G och T) och ansvarar för att skapa den nya strängen genom en process som kallas elongation. I eukaryota celler är polymeraserna alfa, delta och epsilon de primära polymeraserna som är involverade i DNA-replikation. Denna typ av replikation kallas ”kontinuerlig.” |
Den eftersläpande strängen påbörjar replikationsprocessen genom att binda sig till flera RNA-primers, tgenererade av primasenzymet, på olika punkter längs den eftersläpande strängen.
DNA-bitar, så kallade Okazaki-fragment, läggs till den eftersläpande strängen mellan primrarna, också i 5′- till 3′-riktningen. Denna typ av replikation kallas ”diskontinuerlig”, eftersom Okazaki-fragmenten kommer att behöva sammanfogas senare. |
När både de kontinuerliga och diskontinuerliga strängarna har bildats tar ett enzym som kallas exonukleas bort alla RNA-primer från de ursprungliga strängarna. Luckorna där primerna hade varit fylls sedan av ännu fler komplementära nukleotider.
Ett annat enzym ”korrekturläser” de nybildade strängarna för att se till att det inte finns några fel.
Enzymet DNA-ligas sammanfogar sedan Okazaki-fragmenten och bildar en enda enhetlig sträng.
En särskild typ av DNA-polymerasenzym som kallas telomeras katalyserar syntesen av telomersekvenser i DNA:s ändar. Telomerer är områden med repetitiva nukleotidsekvenser i varje ände av en kromatid, som skyddar kromosomens ände från försämring eller från fusion med angränsande kromosomer. Tänk på skosnörena. Telomererna är också en biomarkör för åldrande, där telomererna förkortas vid varje celldelning eller, med andra ord, när man blir äldre. När en cells telomerer förkortas förlorar den sin förmåga att fungera normalt. Kortare telomerer gör dig mer mottaglig för ett antal sjukdomar, till exempel cancer och hjärt- och kärlsjukdomar.
Slutligt rullar modersträngen och dess komplementära DNA-sträng ihop sig till den välkända dubbelspiralformen. Resultatet är två DNA-molekyler som består av en ny och en gammal kedja av nukleotider. Var och en av dessa två dotterhelixer är en nästan exakt kopia av föräldrahelixen (den är inte 100 % densamma på grund av mutationer).
Den mänskliga arvsmassan – det vill säga den kompletta uppsättning gener som finns i en cellkärna – består av 3 miljarder baspar. Det är anmärkningsvärt att det tar mycket kort tid för vårt biologiska maskineri att kopiera något som är så oerhört långt. Varje cell slutför hela processen på bara en timme!