Replicatie in de biologie verwijst naar de duplicatie van genetische informatie die het menselijk lichaam opslaat in de vorm van desoxyribonucleïnezuur (DNA). Zeker enzymen kopieer de genen, met behoud van de helft van de originele DNA-streng. Biologie verwijst daarom ook naar semiconservatieve replicatie.
Wat is replicatie?
Replicatie is een biologisch proces dat zich vermenigvuldigt desoxyribonucleïnezuur (DNA). DNA is een lange keten die is samengesteld uit vier soorten nucleosiden. Een nucleoside is samengesteld uit een suiker (deoxyribose) en een nucleair zuur. In de kern is DNA aanwezig in de vorm van chromosomen, die bestaan uit niet-opgerold DNA en eiwit moleculen Voor replicatie is het chromosomen rol af en de dubbele DNA-streng wordt gladgestreken. Dan scheiden de twee complementaire DNA-strengen van elkaar, zoals de rijen tanden in een rits. Pas dan kan de daadwerkelijke replicatie beginnen. Alle levende organismen vermenigvuldigen hun genetische informatie semiconservatief: de ene helft van de dubbele streng blijft over, terwijl een tweede helft nieuw wordt gevormd door enzymen In de eerste dochtergeneratie bezit elke kopie daarom de helft van het originele DNA van de oudercel; in de tweede dochtergeneratie maakt het nog steeds een kwart van de genen uit. Al in 1958 waren de onderzoekers Meselson en Stahl in staat om semiconservatieve replicatie aan te tonen. Daarvoor gebruikten ze een biochemische marker waarmee ze het DNA van labelden bacteriën De analyses bevestigden de kwantitatieve verhouding tussen origineel en nieuw DNA, zoals de wetenschappers hadden voorspeld voor semiconservatieve replicatie.
Functie en taak
De meeste mensen associëren genetica met de erfenis van eigenschappen die ouders doorgeven aan hun kinderen. Hoewel dit een zeer bekende functie is, is het verre van de enige functie van replicatie. DNA-duplicatie vindt niet alleen plaats in het menselijk lichaam om te vormen eieren en sperma Bij elke celdeling is een kopie van het DNA nodig. Geen enkele cel kan functioneren zonder de genen in de kern - omdat genen metabolische processen controleren en de blauwdrukken voor biomoleculen leveren. Vier verschillende nucleïnezuren komen voor in menselijk DNA: adenine, guanine, cytosine en thymine. Twee daarvan vormen een zogenaamd basenpaar; ze passen in elkaar als twee stukjes van een puzzel. De sequentie van nucleosiden vertegenwoordigt de genetische code die alle erfelijke informatie van het menselijk lichaam bevat. De combinatie van de afzonderlijke nucleosiden is vergelijkbaar met de combinatie van letters: hoewel het alfabet slechts een beperkt aantal letters bevat, kunnen er bijna oneindig veel woorden uit worden gevormd. Theoretisch hebben cellen maar één enkele DNA-streng nodig om informatie op te slaan en door te geven. DNA heeft echter twee strengen die elkaar aanvullen. Elk stukje informatie wordt dus twee keer opgeslagen. Wetenschappers noemen de complementaire DNA-streng ook wel de sjabloon. De twee kettingen wikkelen om elkaar heen en vormen zo de karakteristieke dubbele helix. Zeer gespecialiseerd enzymen kopieer het DNA in de celkern. Deze katalysatoren staan in de biologie bekend als DNA-polymerasen en zijn samengesteld uit eiwitten moleculen Tot nu toe hebben wetenschappers drie verschillende DNA-polymerasen kunnen identificeren, die enigszins verschillen in de functies die ze vervullen. De DNA-polymerasen worden op een zeer specifieke plaats aan een DNA-streng gekoppeld, die is gemarkeerd met een primer. Een primer is een startmolecuul waarmee de polymerasen het eerste nucleoside van de nieuwe DNA-streng verbinden. De enzymen krijgen de energie voor hun werk door er twee af te splitsen fosfaat residuen van de nucleosiden, die ze gebruiken als bouwstenen. Vanaf de primer werken de polymerasen van het 5'-uiteinde naar het 3'-uiteinde. Dit gebeurt tegelijkertijd op beide DNA-strengen van de oorspronkelijke genen. Op een van de strengen kunnen de enzymen continu doorgaan en het complementaire nucleïnezuur toevoegen bases een voor een. Aangezien de tegenoverliggende streng echter wordt gespiegeld en dus in de "verkeerde" volgorde verloopt, vindt replicatie daar plaats als een discontinue synthese. De polymerasen kopiëren ook het DNA op de matrijs, beginnend bij de primer; ze kunnen echter alleen fragmenten synthetiseren omdat ze het proces herhaaldelijk onderbreken. Deze zogenaamde Okazaki-fragmenten worden later vergezeld door een ander enzym - ook een DNA-polymerase. Dit DNA-polymerase vult de gaten tussen de Okazaki-fragmenten door ook de complementaire nucleosiden aan de matrijsstreng toe te voegen. Vervolgens migreert een DNA-ligase over de nieuwe dubbele streng en verbindt de uitgelijnde nucleosiden tot een vaste ketting.
Ziekten en aandoeningen
Fouten bij replicatie kunnen leiden aan de ontwikkeling van genetische ziekten zonder dat er een specifieke ziekte is. Af en toe neemt DNA-polymerase het verkeerde nucleoside op in de nieuwe DNA-streng. Zo'n fout wordt in de biologie een puntmutatie genoemd. Bij een ander type mutatie, de insertie, voegen de enzymen één te veel nucleosiden in tijdens replicatie. Dit verschuift het raster dat de nucleosiden in groepen van drie verdeelt. Een groep van drie vormt een gen Verwijderen verschuift ook het leeskader. In tegenstelling tot insertie slaan de enzymen een nucleoside over tijdens replicatie: het lijkt verwijderd in de DNA-kopie. Deze fout betekent dat andere enzymen het DNA niet correct kunnen lezen; het resultaat zijn verkeerd geproduceerde celbouwstenen of boodschappersubstanties. Als gevolg hiervan kunnen stofwisselingsstoornissen optreden, die mogelijk kunnen leiden tot een verscheidenheid aan lichamelijke ziekten. Mutaties hoeven echter niet altijd tot ziektes te leiden. In het bijzonder vormen puntmutaties minder risico als ze voorkomen in DNA-segmenten die geen praktische betekenis hebben voor de eiwitsynthese. Replicatiefouten zijn vooral kritiek als het defecte DNA in ei of sperma cellen. Een embryo- dat uit dit DNA ontstaat, heeft naast het gemuteerde DNA ook geen foutloos DNA: elke nieuwe kopie van zijn DNA bevat dan ook de mutatie.
