Το μόριο του DNA αποτελεί τη βάση κάθε γνωστής ζωής, επειδή η δομή του επιτρέπει την εύκολη αντιγραφή του μέσα στα ζωντανά κύτταρα, επιτρέποντάς τους να αναπαράγονται. Οι γενετικές πληροφορίες ενός οργανισμού περιέχονται στο DNA του και απαιτείται ακριβής αντιγραφή για να μεταδοθούν αυτές οι πληροφορίες στις επόμενες γενιές. Η αντιγραφή του γενετικού υλικού μέσα στον πυρήνα του κυττάρου ονομάζεται αντιγραφή DNA. Ο μηχανισμός με τον οποίο εμφανίζεται είναι γνωστός ως ημι-συντηρητικός αναδιπλασιασμός και περιλαμβάνει τη διάσπαση του μορίου σε δύο μέρη, καθένα από τα οποία σχηματίζει ένα πρότυπο για ένα εντελώς νέο μόριο. Υλικά που είναι διαθέσιμα μέσα στο κελί προστίθενται στη συνέχεια σε αυτά τα πρότυπα για να ολοκληρωθεί η διαδικασία.
Η Δομή του DNA
Κάθε μόριο DNA αποτελείται από δύο κλώνους, που αποτελούνται από ομάδες σακχάρων και φωσφορικών, με μόρια γνωστά ως βάσεις να σχηματίζουν δεσμούς μεταξύ τους. Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές βάσεις: αδενίνη (Α), γουανίνη (G), κυτοσίνη (C) και θυμίνη (Τ). Κάθε βάση, μαζί με τις ομάδες σακχάρου και φωσφορικών αλάτων στις οποίες είναι συνδεδεμένη, είναι γνωστή ως νουκλεοτίδιο. Οι δύο κλώνοι συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των βάσεων. Το A συνδέεται με το T και το C με το G, έτσι ώστε να σχηματίζουν ζεύγη γνωστά ως συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων.
Οι κλώνοι σχηματίζουν μια διπλή έλικα, ή δύο παράλληλες σπειροειδείς δομές, ενώ τα ζεύγη βάσεων εκτείνονται στο διάκενο μεταξύ των κλώνων. Τα μόρια του DNA είναι συνήθως σφιχτά περιελιγμένα, πολλές φορές και σχηματίζουν δομές γνωστές ως χρωμοσώματα. Η πλήρης γενετική πληροφορία ή γονιδίωμα ενός οργανισμού περιέχεται σε ένα σύνολο χρωμοσωμάτων. το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει περίπου τρία δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Η αντιγραφή του DNA σχηματίζει ένα νέο σύνολο χρωμοσωμάτων, πριν από την κυτταρική διαίρεση. Η διαδικασία αντιγραφής μπορεί να αναλυθεί σε διάφορα στάδια, καθένα από τα οποία ελέγχεται από ένζυμα.
Δυνατός
Για την αντιγραφή, οι κλώνοι του DNA πρέπει να διαχωριστούν. Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των ζευγών βάσεων είναι αρκετά ισχυροί ώστε να συγκρατούν τους κλώνους κάτω από κανονικές συνθήκες, αλλά αρκετά αδύναμοι ώστε να μπορούν να αποκολληθούν εύκολα όταν απαιτείται. Δεδομένου ότι το μόριο είναι κανονικά σε κατάσταση υψηλής περιέλιξης, οι δύο κλώνοι δεν θα χωριστούν χωρίς κάποια βοήθεια. Τα ένζυμα που ονομάζονται γυράσες λειτουργούν για να χαλαρώσουν ή να ξετυλίξουν το DNA, ενώ τα ένζυμα που ονομάζονται ελικάσες αρχίζουν να το αποσυνδέουν, σπάζοντας τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ζευγών βάσεων. Στη συνέχεια, ειδικές πρωτεΐνες συνδέονται με τους διαχωρισμένους κλώνους για να τους κρατήσουν χωριστά και να επιτρέψουν την αναπαραγωγή.
Αναπαραγωγή σε πανομοιότυπο
Τα νουκλεοτίδια υπάρχουν ανεξάρτητα από το DNA στον πυρήνα ενός κυττάρου ή, στην περίπτωση των βακτηρίων, μέσα στο κυτταρικό υγρό. Όταν ένα μόριο DNA έχει διαχωριστεί, αυτά τα ελεύθερα νουκλεοτίδια συνδέονται με τις ασύζευκτες συμπληρωματικές βάσεις κάθε κλώνου — Α έως Τ και Γ προς G — σχηματίζοντας ένα νέο, δίκλωνο μόριο. Αυτή η διαδικασία ενεργοποιείται από ένζυμα γνωστά ως πολυμεράσες DNA. Τα δύο αντίγραφα που προκύπτουν έχουν το καθένα ένα νέο σκέλος και ένα από το αρχικό μόριο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η αντιγραφή του DNA ονομάζεται ημι-συντηρητική – το μισό από κάθε μόριο είναι νέο και το μισό έχει σωθεί από τον γονέα του.
Οι διαδικασίες διάσπασης και επικάλυψης επικαλύπτονται. Καθώς οι κλώνοι αποχωρίζονται, δημιουργούνται νέοι συμπληρωματικοί κλώνοι ενώ η διάσπαση συνεχίζεται κατά μήκος της διπλής έλικας. Τα μόρια DNA στους περισσότερους οργανισμούς είναι πολύ μακριά, επομένως είναι πιο αποτελεσματικό ο διαχωρισμός και ο διπλασιασμός να συμβαίνουν σε πολλά σημεία ταυτόχρονα. Αυτά τα σημεία είναι γνωστά ως προέλευση της αναπαραγωγής. Όταν συναντώνται δύο τέτοιες πηγές, τα ένζυμα που ονομάζονται λιγάσες ενώνουν τους νέους κλώνους μεταξύ τους.
Έλεγχος σφαλμάτων
Η διαδικασία αναπαραγωγής είναι εξαιρετικά ακριβής, αλλά συμβαίνουν σφάλματα. Μερικές φορές, ένας δεσμός μπορεί να δημιουργηθεί μεταξύ λανθασμένου συνδυασμού βάσεων. Για παράδειγμα, το G μπορεί περιστασιακά να συνδέεται με το T αντί για το A. Οι βάσεις μπορεί επίσης να υπάρχουν σε ελαφρώς διαφορετικές μορφές που μπορούν να συνδεθούν σε άλλα, λανθασμένα, ζεύγη.
Συνήθως, υπάρχει περίπου ένα σφάλμα για κάθε 100 εκατομμύρια ομόλογα ζεύγους βάσεων. Σε έναν άνθρωπο, αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα περίπου 30 σφάλματα για κάθε πλήρη αναπαραγωγή. Υπάρχει, ωστόσο, ένας αριθμός μηχανισμών ελέγχου και διόρθωσης σφαλμάτων που εντοπίζουν και επιδιορθώνουν τα λάθη πολύ αποτελεσματικά. Για παράδειγμα, οι δεσμοί μεταξύ αταίριαστων ζευγών βάσεων είναι σχετικά ασταθείς και τα ένζυμα πολυμεράσης που βοηθούν τη διαδικασία διπλασιασμού μπορούν επίσης να αποσπάσουν ένα εσφαλμένο νουκλεοτίδιο, επιτρέποντας την προσθήκη ενός νέου, ορθού. Αυτά μειώνουν τον μέσο αριθμό σφαλμάτων ανά αναπαραγωγή σε περίπου τρία.
Σφάλματα αναπαραγωγής: Μεταλλάξεις, Καρκίνος και Εξέλιξη
Τα λάθη στην αντιγραφή του DNA είναι συνήθως κακό σε ατομικό επίπεδο. Μπορούν να οδηγήσουν σε μεταλλάξεις, οι οποίες είναι γενικά δυσμενείς. μπορεί να οδηγήσουν σε καρκίνο ή άλλες απειλητικές για τη ζωή ασθένειες. Από την άλλη πλευρά, χωρίς αυτά τα λάθη, τα ανθρώπινα όντα και οι άλλοι οργανισμοί όπως είναι γνωστοί σήμερα δεν θα ήταν εδώ. Περιστασιακά, μια μετάλλαξη μπορεί να δώσει ένα πλεονέκτημα, αυξάνοντας τις πιθανότητες ενός οργανισμού να επιβιώσει αρκετά ώστε να αναπαραχθεί και να μεταδώσει την ευνοϊκή αλλαγή, η οποία στη συνέχεια θα γίνει πιο κοινή. Έτσι λειτουργεί η εξέλιξη: τα σφάλματα αντιγραφής επιτρέπουν στους οργανισμούς να προσαρμοστούν σε μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα και να εξελιχθούν σε νέες μορφές ζωής.