Před každým dělením buňky se každý chromosom musí samostatně zreplikovat a jeho kopie musí být rozděleny do obou dceřinných buněk. Při tomto procesu dochází k přenosu dědičné informace z mateřské buňky do dceřinné. Oba řetězce DNA obsahují navzájem komplementární sekvence nukleotidů, proto oba mohou sloužit jako templát (matrice, předloha) pro syntézu nového komplementárního řetězce.

Replikace DNA je semikonzervativní, protože výsledkem replikace jsou dvě dceřinné dvoušroubovice, z nichž každá má jedno vlákno původní (mateřské) a jedno nově nasyntetizované.

2. Jak začíná replikace?

Celý proces replikace začínají iniciační proteiny, které se vážou na DNA a rozvíjejí její dvoušroubovicovou strukturu přerušováním vodíkových vazeb. Místům, kde je struktura dvoušroubovice nejdříve narušena, se říká replikační počátky a jsou určeny speciální nukleotidovou sekvencí.

Bakteriální genom, který je obvykle tvořen jednou kruhovou DNA o délce několika miliónů bází má jediný replikační počátek. Lidský genom, který má přibližně 3x10⁹ nukleotidů má zhruba 10 000 takovýchto počátků.^{(citace Alberts)} Jejich velký počet umožňuje lidské buňce zreplikovat veškerou DNA během relativně krátké doby.

3. Co jsou replikační vidličky?

Pro začátky replikace jsou typické útvary ve tvaru písmena Y, které se nazývají replikační vidličky. V replikačních vidličkách jsou navázány proteiny replikačního aparátu (viz dále), které se pohybují ve směru replikace a rozvíjejí dvoušroubovicovou strukturu za současné syntézy nového řetězce. V jednom replikačním počátku se vytvoří dvě replikační vidličky, které se pohybují směrem od sebe, proto je tato replikace nazývána obousměrná.

4. Jakou funkci má enzym DNA-polymerasa?

Nejdůležitějším replikačním enzymem je DNA-polymerasa (viz tab. 1), která syntetizuje nové vlákno DNA podle původního řetězce. Tento enzym katalyzuje připojování nukleotidů na 3' konec rostoucího řetězce DNA za vzniku fosfodiesterové vazby mezi hydroxylovou skupinou na 3. uhlíku pentosy rostoucího řetězce a fosfátovou skupinou na 5. uhlíku pentosy přidávaného nukleotidu (viz obr. 2). DNA je syntetizována ve směru 5' → 3' (tzn., že narůstá na 3' konci), viz obr. 1.

Obr. 1: Replikace na vedoucím řetězci.

DNA-polymerasa I	vyplňuje vzniklé mezery v řetězci DNA
	opravovač chyb v párování bází v DNA (3' → 5' exonukleasová aktivita, hydrolyzuje DNA od 3' konce); viz korektorská schopnost DNA-polymerasy
	odbourává primery (5' → 3' exonukleasová aktivita, hydrolyzuje DNA od 5 ' konce)
DNA-polymerasa II	funkce není zcela objasněna, předpokládá se, že je funkčně podobná DNA-polymerase I ^{(citace McKee)}
DNA-polymerasa III	syntetizuje DNA
DNA-polymerasa III	opravovač chyb v párování bází v DNA (3' → 5' exonukleasová aktivita, hydrolyzuje DNA od 3' konce); viz korektorská schopnost DNA-polymerasy

Nukleotidy vstupují do reakce jako energeticky bohaté deoxynukleosidtrifosfáty (dATP, dTTP, dGTP a dCTP) a dodávají energii polymerizační reakci (viz obr. 2). Energie uvolněná hydrolýzou jedné fosfodiesterové vazby v deoxynukleosidtrifosfátu je dostatečná pro kondenzační reakci, při které se váže deoxynukleotidový monomer (dAMP, dTMP, dGMP a dCMP) do nově syntetizovaného řetězce za současného uvolnění difosfátu. DNA-polymerasa se neodděluje od DNA po každém přidání nukleotidu, ale zůstává navázána na DNA a během polymerace se podél ní pohybuje.

replikace, fosfodiesterová vazba
Obr. 2: Vznik fosfodiesterové vazby.

5. Proč jsou replikační vidličky asymetrické?

DNA-polymerasa je schopna syntetizovat nové vlákno pouze prodlužováním 3' konce DNA. V replikační vidličce nastává problém, protože původní dvoušroubovice se skládá ze dvou antiparalelních řetězců (je asymetrická). Jeden nový řetězec je v replikační vidličce syntetizován podle templátu ve směru 3' → 5'. (Vzniká 5' → 3' řetězec). Druhý nový řetězec je v replikační vidličce syntetizován podle templátu ve směru 5' → 3'. Avšak neexistuje DNA-polymerasa, která by dokázala prodlužovat 5' konec DNA. Tudíž v tomto směru roste diskontinuálně tzn., že jsou ve směru 5' → 3' syntetizovány krátké úseky DNA (tzv. Okazakiho fragmenty), které jsou následně spojovány v kontinuální řetězec.

Řetězec, který je tvořen kontinuálně, se nazývá vedoucí řetězec. Řetězec, který je tvořen diskontinuálně, se nazývá opožďující se nebo též váznoucí řetězec, viz obr. 3.

obr
Obr. 3: Asymetričnost replikační vidličky.

6. Co znamená korektorská schopnost DNA-polymerasy?

DNA-polymerasa katalyzuje reakci: (DNA)_n + dNTP ⇄ (DNA)_{n + 1} + difosfát (P₂O₇^4- neboli PPi).

DNA-polymerasa je schopna hydrolyzovat DNA od 3' konce (3' → 5' exonukleasová aktivita). Připojí-li se chybný nukleotid, vznikne nestabilní produkt (nukleotid se chybně páruje s nukleotidem v templátu), čímž dojde k posunutí rovnováhy ve směru výchozích látek. Proto DNA-polymerasa je velice přesně párující enzym, který udělá průměrně jednu chybu na 10⁷ zreplikovaných párů bází. Proto taky DNA-polymerasa neumí začít syntetizovat nové vlákno (neboť přidává další nukleotid po kontrole správného párování předcházejících bází).

7. Jaká je funkce enzymu primasy?

Protože DNA-polymerasa neumí začít syntetizovat nové vlákno, musí existovat jiný enzym, který by dokázal spojit dva volné nukleotidy a začal syntetizovat nové vlákno podle jednořetězcové DNA. Tento enzym se nazývá primasa. Primasa ale nesyntetizuje DNA, ale krátké úseky RNA mající cca 10 nukleotidů. Tyto úseky se párují na základě komplementarity s templátovým řetězcem a poskytují 3' konec pro DNA-polymerasu. Slouží tedy jako primery pro syntézu DNA. Při syntéze vedoucího řetězce je třeba pouze jeden RNA-primer. Syntéza opožďujícího se řetězce je však diskontinuální a vyžaduje neustále tvorbu RNA-primerů.

8. Jak vzniká souvislé vlákno DNA z Okazakiho fragmentů?

Opožďující řetězec je tvořen mnoha oddělenými úseky DNA tzv. Okazakiho fragmenty. Na vytvoření souvislého vlákna DNA z Okazakiho fragmentů jsou třeba tyto enzymy: DNA-polymerasa I (odstraňuje RNA-primery (exonukleasová funkce) a nahrazuje RNA-primery DNA) a DNA-ligasa (pospojuje všechny úseky dohromady), viz obr. 4.

Primasa nemá schopnost provádět korekce, proto v primerech vzniká mnoho chyb. Primery jsou však určeny k degradaci a DNA-polymerasa I má obdobně jako replikační DNA-polymerasa III korektorskou schopnost, proto replikační aparát zajišťuje přesnost kopírování templátu.

Obr. 4: Replikace na váznoucím řetězci. Nejprve enzym primasa nasyntetizuje krátký úsek RNA (tzv. RNA-primer, na obrázku znázorněno fialově). Poté enzym DNA-polymerasa III nahradí primasu a začne syntetizovat nové vlákno DNA napojením na nasyntetizovaný RNA-primer. Vzniká tzv. Okazakiho fragment (viz 1. část). V momentě, kdy již není volné místo pro pokračování syntézy DNA, nasedá enzym DNA-polymerasa I, která odstraňuje RNA-primery (viz 2. část) a nahrazuje je vláknem DNA (viz 3. část). Nakonec enzym DNA-ligasa spojí všechny úseky DNA (resp. Okazakiho fragmenty) dohromady (viz 4. část).

9. Jaká je funkce replikačního aparátu?

Replikace DNA vyžaduje spolupráci několika druhů enzymů. Replikační aparát umožňuje vznik a posun replikační vidličky a syntézu nové DNA. Hlavní složky replikačního aparátu: DNA-polymerasa (viz výše); primasa (viz výše); helikasa – využívá energii z hydrolýzy ATP k pohybu podél DNA a současnému rozvíjení dvoušroubovicové struktury; SSB-proteiny (single-strand binding poteins) – ochraňují jednořetězcovou DNA uvolněnou helikasou před znovuspárováním; svírací protein (sliding camp) – pevně váže DNA-polymerasu na templát. Má tvar prstence, který obemyká DNA a pohybuje se podél ní i s navázanou DNA-polymerasou ve směru replikace, viz obr. 5.

replikace
Obr. 5: Replikační aparát.

Takto popsaný průběh procesu replikace probíhá u prokaryotních organismů. U eukaryotních organismů probíhá obdobným způsobem. U eukaryotních organismů existuje 5 druhů DNA-polymeras: α, β, γ, δ a ε.