طی همانندسازی DNA، ماده ژنتیکی سلول تکثیر می شود. آنزیم های متفاوتی در این فرایند باعث سنتز (ترکیب دو ماده اولیه و تولید یک چیز جدید) رشته های جدید از روی رشته الگو می گردد.
DNA ماده ژنتیکی هر سلول است. در تمامی مراحلی که یک سلول به دو سلول دختر تقسیم می شود و تمام اندام ها نیز می توانند کپی شوند شاهد تقسیم DNA در هسته هستیم. فرایند دو برابر شدن DNA، همانندسازی (replication) نام دارد. همانندسازی در چندین مرحله که شامل آنزیم های همانندسازی و RNA است دنبال می گردد.
در سلول های یوکاریوتی، مانند سلول های گیاهی و جانوری، همانندسازی DNA در فاز S اینترفاز چرخه سلولی انجام می شود. (اینترفاز مرحله‌ای از روند تقسیم است که در آن یاخته تقسیم نمی‌شود. در این مرحله یاخته خود را برای ورود به مرحله دیگر تقسیم آماده می کند. اینترفاز شامل سه مرحله G1 ، S و G2 است.)
≡ ساختار DNA
دئوکسی ریبونوکلئیک اسید شامل یک قند 5 کربنه دئوکسی ریبوز، یک فسفات و بازهای آلی است.DNA شامل دو زنجیره نوکلئیک اسیدی به شکل مارپیچی است. این شکل مارپیچی به فشردگی آن کمک می کند.DNA در ساختارهای فنرمانندی به نام کروماتین قرار دارد. در طول تقسیم سلولی کروماتین به شکل کروموزوم فشرده می گردد.
مرحله 1: تشکیل چنگال همانندسازی
قبل از این که همانندسازی شروع شود، دو رشته باید به صورت رشته های منفرد از هم باز شوند. DNA از 4 باز آلی تشکیل شده است: آدنین (A)، تیمین (T)، سیتوزین (C) و گوانین (G).
آدنین تنها با تیمین جفت می شود وگوانین با سیتوزین. برای آغاز همانندسازی اینها باید باز شوند. این عمل به وسیله آنزیم DNA هلیکاز صورت می گیرد. این آنزیم پیوندهای هیدروژنی بین بازها را برای جدا کردن رشته ها و ایجاد یک شکل Y مانند به نام چنگال همانندسازی می شکند. این منطقه الگوی شروع همانندسازی است.
DNA در هر دو رشته دوطرفه است: انتهای 5' و انتهای 3'. سمت 5' در اسکلت اصلی دارای گروه فسفات و انتهای 3' دارای گروه هیدروکسیل (OH) است. این دوطرفه بودن برای همانندسازی مهم است و باعث پیشرفت همانندسازی از سمت 5 به 3 می گردد. اگرچه چنگال همانندسازی دوطرفه است ولی یک رشته در جهت 3 به 5 سازمان دهی شده است و رشته پیشرو (leading strand) و رشته دیگر در جهت 5 به3 سازمان دهی شده است و رشته پیرو (lagging strand) نام دارد. دو رشته در دو مسیر متفاوت همانندسازی می شوند.
مرحله 2: اتصال پرایمرها
قطعه کوتاهی از RNA به نام پرایمر به انتهای 3 رشته متصل می گردد. پرایمر همیشه به نقطه شروع همانندسازی متصل می شود.
مرحله 3: طویل سازی
آنزیم DNA پلیمر مسئول ایجاد رشته های جدید در طی طویل سازی است. 5 نوع متفاوت DNA پلیمر در باکتری ها و انسان وجود دارد. در باکتری ای کولای (E. coli)، پلیمراز III آنزیم اصلی همانندسازی است در حالی که پلیمراز I، II، IV و Vمسئول تعمیر و تصحیح خطا است. بنابراین پلیمراز III به رشته ها در محل پرایمر متصل می شود و شروع به اضافه کردن بازهای جدید می کند. چون همانندسازی درجهت 5 به 3 انجام می شود، رشته های جدید پیوسته هستند.
در سلول های یوکاریوتی پلیمراز آلفا، دلتا و اپسیلون باعث شروع همانندسازی می گردند. رشته پیرو به وسیله اتصال به پرایمرهای چندگانه همانندسازی می کند. پرایمر شامل چند باز است. DNA پلیمراز، قطعاتی از DNA را به نام قطعات اوکازاکی به رشته ها اضافه می کند. این بخش از فرایند همانندسازی غیرپیوسته است و در پایان این قطعات به هم متصل می شوند.
مرحله 4: پایان
پس از تشکیل رشته های پیوسته و غیر پیوسته، آنزیم اگزونوکلئاز قطعات پرایمر را از ابتدای رشته ها حذف می کند. اگزونوکلئازهای دیگر وظیفه بررسی و حذف اشتباه ها را دارند. آنزیم دیگری به نام DNA لیگاز قطعات اوکازاکی را به هم متصل می کند. انتهای رشته های والدی، شامل قطعاتی از توالی DNA است و تلومراز نام دارد. تلومراز یک عامل حفاظتی در انتهای کروموزوم است و از الحاق کروموزوم ها جلوگیری می کند. آنزیم تلومراز باعث سنتز تلومر در انتهای DNA می گردد. در پایان همانندسازی دو مولکول DNA تولید می کند که دارای یک رشته از مولکول پدری و یک رشته جدید است.
≡ آنزیم های مسئول همانندسازی
در سلول های یوکاریوتی، آنزیم هایی مسئول همانندسازی هستند که عبارتند از:
⇐ DNA هلیکاز: جداکردن دو رشته DNA و حرکت در طول DNA
⇐ پرایماز: RNA پلیمرازی که قطعات پرایمرهای RNA را تولید می کند. پرایمرها به عنوان نقطه شروع همانندسازی عمل می کنند.
⇐ DNA پلیمراز: سنتز مولکول های DNA جدید با اضافه کردن نوکلئوتیدها به رشته های رهبر و پیرو
⇐ توپوایزومراز: آنزیم شکست و بست، از اتصال مجدد رشته ها و تشکیل سوپرکویل جلوگیری می کند.
⇐ اگزونوکلئازها: آنزیم هایی که بازهای نوکلئوتیدی را از انتهای زنجیره DNA حذف می کند.
⇐ DNA لیگاز: قطعات DNA را با تشکیل باندهای فسفودی استری به هم متصل می کنند.
