DNA-synthese

De DNA-synthese vindt plaats als onderdeel van de replicatie van DNA. Het DNA is de drager van genetische informatie en controleert alle levensprocessen. Bij mensen bevindt het zich, net als bij alle andere levende wezens, in de kern van de cel. DNA heeft de vorm van een dubbele streng, vergelijkbaar met een gedraaide touwladder die een helix wordt genoemd. Deze dubbele helix bestaat uit twee DNA-moleculen. Elk van de twee complementaire afzonderlijke strengen bestaat uit een ruggengraat van suikermoleculen (deoxyribose) en fosfaatresiduen, waaraan de vier organische, stikstofhoudende basen guanine, adenine, cytosine en thymine zijn gebonden. De twee strengen zijn met elkaar verbonden via waterstofbruggen tussen tegengestelde, zogenaamde complementaire basen. Volgens het principe van complementaire basenparing zijn alleen koppelingen mogelijk tussen guanine en cytosine enerzijds en adenine en thymine anderzijds.

Wat is DNA-synthese?

Om DNA te laten repliceren, is het proces van DNA-synthese noodzakelijk. Het beschrijft de structuur van deoxyribonucleïnezuur (afgekort als DNA of DNA). Het sleutelenzym hier is DNA-polymerase. Dit is de enige manier waarop celdeling mogelijk is.

Voor replicatie wordt de gedraaide dubbele DNA-streng eerst losgemaakt door enzymen, zogenaamde helicases en topoisomerases, en worden de twee enkele strengen van elkaar gescheiden. Deze voorbereiding op de daadwerkelijke replicatie wordt initiatie genoemd. Nu wordt een stukje RNA gesynthetiseerd, dat het DNA-polymerase nodig heeft als uitgangspunt voor zijn enzymatische activiteit.

Tijdens de daaropvolgende verlenging (strengverlenging) kan elke enkele streng door het DNA-polymerase worden gebruikt als een sjabloon om het complementaire tegenhanger-DNA te synthetiseren. Omdat een van de basen alleen kan binden aan een andere basis, is het mogelijk om de andere, bijbehorende streng te reconstrueren met een enkele streng. Deze toewijzing van de complementaire basen is de taak van DNA-polymerase.

De suikerfosfaat-ruggengraat van de nieuwe DNA-streng wordt vervolgens verbonden door een ligase. Hierdoor ontstaan ​​twee nieuwe dubbele DNA-strengen, elk met een streng van de oude DNA-helix. De nieuwe dubbele helix wordt daarom semiconservatief genoemd.

Beide strengen van de dubbele helix hebben een polariteit die de oriëntatie van de moleculen aangeeft. De richting van de twee DNA-moleculen in een helix is ​​tegengesteld. Omdat het DNA-polymerase slechts in één richting werkt, kan alleen de streng die zich in de juiste oriëntatie bevindt continu worden opgebouwd. De andere streng wordt stuk voor stuk gesynthetiseerd. De resulterende DNA-segmenten, ook wel Okazaki-fragmenten genoemd, worden vervolgens met elkaar verbonden door de ligase.Het beëindigen van DNA-synthese met behulp van verschillende cofactoren staat bekend als beëindiging.

Functie en taak

Aangezien de meeste cellen maar een beperkte levensduur hebben, moeten er voortdurend nieuwe cellen in het lichaam worden gevormd door celdeling om de afstervende cellen te vervangen. De rode bloedcellen in het menselijk lichaam hebben bijvoorbeeld een gemiddelde levensduur van 120 dagen, terwijl sommige darmcellen na één of twee dagen vervangen moeten worden door nieuwe cellen. Hiervoor is mitotische celdeling nodig, waarbij uit een moedercel twee nieuwe, identieke dochtercellen ontstaan. Beide cellen hebben de volledige set genen nodig, wat betekent dat het, in tegenstelling tot andere celcomponenten, niet zomaar kan worden opgesplitst. Om ervoor te zorgen dat er geen genetische informatie verloren gaat tijdens de deling, moet het DNA vóór deling worden verdubbeld ("gerepliceerd").

Celdelingen vinden ook plaats tijdens de rijping van mannelijke en vrouwelijke geslachtscellen (eicellen en zaadcellen). In de meiotische delingen die plaatsvinden, wordt het DNA niet verdubbeld omdat een reductie met de helft van het DNA gewenst is. Wanneer de eicel en de zaadcel samensmelten, wordt het volledige aantal chromosomen, de verpakkingstoestand van het DNA, weer bereikt.

DNA is essentieel voor het functioneren van het menselijk lichaam en alle andere organismen, aangezien het de basis vormt voor de synthese van eiwitten. Een combinatie van drie opeenvolgende basen staat voor één aminozuur, daarom wordt het een tripletcode genoemd. Elk basetriplet wordt via boodschapper-RNA (mRNA) in een aminozuur "vertaald"; deze aminozuren worden vervolgens gekoppeld aan eiwitten in het celplasma. Het mRNA verschilt slechts van het DNA in één atoom in het suikerresidu van de ruggengraat en in enkele basen. MRNA dient vooral als informatiedrager voor het transport van in het DNA opgeslagen informatie van de celkern naar het celplasma.

Ziekten en aandoeningen

Een organisme dat niet in staat is tot DNA-synthese zou niet levensvatbaar zijn, aangezien nieuwe cellen moeten worden gevormd door celdeling tijdens de embryonale ontwikkeling. Fouten in de DNA-synthese, dat wil zeggen individuele onjuist geïncorporeerde basen die niet het principe van complementaire basenparing volgen, komen relatief vaak voor. Hierdoor hebben menselijke cellen herstelsystemen. Deze zijn gebaseerd op enzymen die de dubbelstrengs van het DNA controleren en onjuist ingevoegde basen corrigeren met behulp van verschillende mechanismen.

Hiervoor kan bijvoorbeeld het gebied rond de verkeerde basis worden uitgesneden en opnieuw opgebouwd volgens het toegelichte syntheseprincipe. Als de DNA-reparatiesystemen van de cel echter defect of overbelast zijn, kunnen basismismatches, zogenaamde mutaties, zich ophopen. Deze mutaties destabiliseren het genoom en vergroten zo de kans op nieuwe fouten tijdens de DNA-synthese. Een opeenstapeling van dergelijke mutaties kan tot kanker leiden. De mutatie geeft sommige genen een kankerbevorderend effect (functiewinst), terwijl andere genen hun beschermende werking verliezen (functieverlies).

In sommige cellen is een verhoogd foutenpercentage echter zelfs wenselijk om ze beter aanpasbaar te maken, bijvoorbeeld in bepaalde cellen van het menselijke immuunsysteem.