DNA is het genetische materiaal dat elke cel definieert. Voor een cel duplicaten en is verdeeld in nieuw dochtercellen via een van beide mitose of meiosis, biomoleculen en organellen moet worden gekopieerd om over de cellen te worden verdeeld. DNA, gevonden in het kern, moet worden gerepliceerd om ervoor te zorgen dat elke nieuwe cel het juiste aantal ontvangt chromosomen. Het proces van DNA-duplicatie wordt genoemd DNA-replicatie. Replicatie volgt verschillende stappen waarbij meerdere betrokken zijn eiwitten replicatie-enzymen genoemd en RNA. In eukaryotische cellen, zoals dierlijke cellen en planten cellen, DNA-replicatie vindt plaats in de S fase van interfase tijdens de celcyclus. Het proces van DNA-replicatie is van vitaal belang voor celgroei, reparatie en reproductie in organismen.
DNA of deoxyribonucleïnezuur is een type molecuul dat bekend staat als een Nucleïnezuur. Het bestaat uit een 5-koolstof deoxyribose suiker, een fosfaat en een stikstofbase. Dubbelstrengs DNA bestaat uit twee spiraalvormige nucleïnezuurketens die in een zijn gedraaid
dubbele helix vorm. Door deze draaiing kan DNA compacter worden. Om in de kern te passen, wordt DNA verpakt in strak opgerolde structuren genaamd chromatine. Chromatine condenseert om te vormen chromosomen tijdens celdeling. Voorafgaand aan DNA-replicatie maakt de chromatine los waardoor celreplicatieapparatuur toegang krijgt tot de DNA-strengen.Voordat DNA kan worden gerepliceerd, moet het dubbelstrengs molecuul worden "uitgepakt" in twee enkele strengen. DNA heeft vier basen genoemd adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G) die paren vormen tussen de twee strengen. Adenine paren alleen met thymine en cytosine bindt alleen met guanine. Om DNA te ontspannen, moeten deze interacties tussen basenparen worden verbroken. Dit wordt uitgevoerd door een enzym dat bekend staat als DNA helicase. DNA-helicase verstoort de waterstofbinding tussen basisparen om de strengen te scheiden in een Y-vorm die bekend staat als de replicatievork. Dit gebied wordt de sjabloon voor replicatie om te beginnen.
DNA is directioneel in beide strengen, aangeduid met een 5'- en 3'-uiteinde. Deze notatie geeft aan aan welke zijgroep het DNA-skelet is bevestigd. De 5 'einde heeft een fosfaat (P) -groep bevestigd, terwijl de 3 'einde heeft een hydroxyl (OH) -groep bevestigd. Deze directionaliteit is belangrijk voor replicatie omdat het alleen in de 5 'naar 3' richting vordert. De replicatievork is echter bidirectioneel; één streng is georiënteerd in de richting van 3 'tot 5' (belangrijke bundel) terwijl de ander 5 'tot 3' is georiënteerd (achterblijvende streng). De twee zijden worden daarom gerepliceerd met twee verschillende processen om het richtingsverschil op te vangen.
De leidende streng is het eenvoudigst te repliceren. Zodra de DNA-strengen zijn gescheiden, een kort stukje RNA genaamd a primer bindt aan het 3'-uiteinde van de streng. De primer bindt altijd als het startpunt voor replicatie. Primers worden gegenereerd door het enzym DNA-primase.
Enzymen bekend als DNA-polymerasen zijn verantwoordelijk voor het maken van de nieuwe streng door een proces dat verlenging wordt genoemd. Er zijn vijf verschillende bekende soorten DNA-polymerasen in bacteriën en menselijke cellen. In bacteriën zoals E. coli, polymerase III is het belangrijkste replicatie-enzym, terwijl polymerase I, II, IV en V verantwoordelijk zijn voor foutcontrole en reparatie. DNA-polymerase III bindt aan de streng op de plaats van de primer en begint tijdens replicatie nieuwe basenparen toe te voegen die complementair zijn aan de streng. In eukaryotische cellen zijn polymerasen alfa, delta en epsilon de primaire polymerasen die betrokken zijn bij DNA-replicatie. Omdat replicatie in de 5 'naar 3' richting op de leidende streng plaatsvindt, is de nieuw gevormde streng continu.
De achterblijvende streng begint met replicatie door binding met meerdere primers. Elke primer ligt slechts enkele basen uit elkaar. DNA-polymerase voegt vervolgens stukjes DNA toe, genaamd Okazaki-fragmenten, op de streng tussen primers. Dit replicatieproces is discontinu omdat de nieuw gemaakte fragmenten onsamenhangend zijn.
Zodra zowel de continue als de discontinue strengen zijn gevormd, wordt een enzym genoemd exonuclease verwijdert alle RNA-primers van de oorspronkelijke strengen. Deze primers worden vervolgens vervangen door geschikte basen. Een ander exonuclease “corrigeert” het nieuw gevormde DNA om eventuele fouten te controleren, te verwijderen en te vervangen. Een ander enzym genaamd DNA-ligase voegt Okazaki-fragmenten samen en vormt een enkele verenigde streng. De uiteinden van het lineaire DNA vormen een probleem omdat DNA-polymerase alleen nucleotiden in de 5 'tot 3' richting kan toevoegen. De uiteinden van de ouderstrengen bestaan uit herhaalde DNA-sequenties die telomeren worden genoemd. Telomeren fungeren als beschermkapjes aan het einde van chromosomen om te voorkomen dat chromosomen in de buurt samensmelten. Een speciaal type DNA-polymerase-enzym genoemd telomerase katalyseert de synthese van telomeersequenties aan de uiteinden van het DNA. Eenmaal voltooid, rolt de ouderstreng en zijn complementaire DNA-streng in het bekende dubbele helix vorm. Uiteindelijk levert replicatie twee op DNA-moleculen, elk met een streng van het moedermolecuul en een nieuwe streng.
DNA-replicatie is de productie van identiek DNA-helices van een enkel dubbelstrengs DNA-molecuul. Elk molecuul bestaat uit een streng van de oorspronkelijke molecule en een nieuw gevormde streng. Voorafgaand aan replicatie rolt het DNA af en worden de strengen gescheiden. Er wordt een replicatievork gevormd die dient als sjabloon voor replicatie. Primers binden aan het DNA en DNA-polymerasen voegen nieuwe nucleotidesequenties toe in de richting van 5 'tot 3'.
Deze toevoeging is continu in de leidende streng en gefragmenteerd in de achterblijvende streng. Zodra de verlenging van de DNA-strengen voltooid is, worden de strengen op fouten gecontroleerd, worden reparaties uitgevoerd en worden telomeersequenties aan de uiteinden van het DNA toegevoegd.