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DNA-Replikation: Ablauf, Enzyme und Stränge
DNA-Replikation bedeutet: Eine Zelle verdoppelt ihre DNA vor der Zellteilung. Jeder alte Einzelstrang dient dabei als Vorlage für einen neuen komplementären Strang. So entstehen zwei DNA-Doppelstränge mit derselben Erbinformation.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum die DNA vor der Zellteilung kopiert wird
Vor einer Zellteilung muss die gesamte Erbinformation verdoppelt werden. Bei Eukaryoten geschieht das während der S-Phase im Zellkern. Prokaryoten besitzen keinen Zellkern; ihre DNA liegt im Zellplasma.
Semikonservative Replikation
Bei der semikonservativen Replikation besteht jeder neue DNA-Doppelstrang aus einem alten und einem neu gebildeten Einzelstrang. Semikonservativ bedeutet also: Die Hälfte jedes Doppelstrangs bleibt erhalten.
Die beiden alten Stränge sind Matrizen oder Vorlagen. An jede Matrize werden passende DNA-Bausteine angefügt. Dabei gelten die komplementären Basenpaare:
- Adenin (A) paart sich mit Thymin (T).
- Guanin (G) paart sich mit Cytosin (C).
Aus einem DNA-Doppelstrang entstehen zwei Doppelstränge. Der erste enthält den alten Strang 1 und einen neuen Gegenstrang. Der zweite enthält den alten Strang 2 und einen neuen Gegenstrang. Es bleibt also nicht ein vollständig alter Doppelstrang erhalten.
Wie die Replikation beginnt
Die Replikation beginnt an einem Replikationsursprung, auch Origin genannt. Von dort öffnet sich die DNA gewöhnlich in beide Richtungen. So entstehen eine Replikationsblase und an ihren Enden zwei Replikationsgabeln.
Mehrere Proteine arbeiten dabei nacheinander zusammen:
- Die Topoisomerase baut Spannungen ab, die beim Entwinden der DNA entstehen. Dazu kann sie DNA-Stränge vorübergehend öffnen und anschließend wieder schließen.
- Die Helikase löst die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen. Der Doppelstrang öffnet sich ähnlich wie ein Reißverschluss.
- SSB-Proteine stabilisieren die getrennten Einzelstränge und verhindern, dass sie sich sofort wieder verbinden.
- Die Primase stellt kurze RNA-Stücke her. Diese Primer liefern den Startpunkt für die DNA-Polymerase.
Die Helikase öffnet die DNA, aber sie baut keinen neuen DNA-Strang. Den Startpunkt liefert die Primase; die DNA-Polymerase verlängert ihn.
Warum die Strangrichtung entscheidend ist
Jeder DNA-Strang besitzt zwei verschieden bezeichnete Enden: ein 5′-Ende und ein 3′-Ende. Die beiden Stränge einer Doppelhelix verlaufen antiparallel, also in entgegengesetzten Richtungen.
Die DNA-Polymerase kann neue Bausteine nur an das freie 3′-Ende eines wachsenden Strangs anfügen. Deshalb entsteht jeder neue Strang ausschließlich in 5′→3′-Richtung. Die Polymerase nutzt die Matrize dabei in der Gegenrichtung, also von 3′ nach 5′.
Gegeben ist eine Matrize:
3′-A C G T T A-5′
- Ergänze die komplementären Basen: A–T, C–G, G–C, T–A, T–A, A–T.
- Beachte die antiparallele Richtung.
Der neue Strang lautet:
5′-T G C A A T-3′
Der neue Strang ist komplementär und verläuft entgegengesetzt zur Matrize.
Wie Leit- und Folgestrang entstehen
Die beiden Matrizen sind entgegengesetzt ausgerichtet, die DNA-Polymerase kann aber nur in 5′→3′-Richtung synthetisieren. Daraus entstehen zwei unterschiedliche Arbeitsweisen.
Leitstrang
Am Leitstrang kann die DNA-Polymerase der sich öffnenden Replikationsgabel folgen. Der neue Strang entsteht kontinuierlich, also ohne ständige Unterbrechungen.
Folgestrang
Am Folgestrang weist die mögliche Syntheserichtung von der Replikationsgabel weg. Deshalb setzt die Primase wiederholt neue Primer. Die DNA-Polymerase stellt dazwischen kurze DNA-Abschnitte her, die Okazaki-Fragmente heißen.
Die Stücke des Folgestrangs müssen anschließend verarbeitet werden:
- RNase H entfernt die RNA-Primer.
- Eine DNA-Polymerase füllt die entstandenen Lücken mit DNA-Bausteinen.
- Die DNA-Ligase verbindet die Fragmente zu einem durchgehenden Strang.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Die DNA-Polymerase synthetisiert neue DNA in -Richtung. Der Leitstrang entsteht , während der Folgestrang aufgebaut wird. Die verbindet schließlich die DNA-Fragmente.
Wie die Replikation abgeschlossen wird
Bei Eukaryoten beginnt die Replikation an vielen Ursprüngen gleichzeitig. Sie endet in einem Bereich, wenn zwei Replikationsgabeln aufeinandertreffen oder das Ende eines linearen DNA-Moleküls erreicht ist. Bei Prokaryoten können besondere Terminationssequenzen das Ende auf der meist ringförmigen DNA kennzeichnen.
Nach der Verarbeitung der Primer liegen zwei DNA-Doppelstränge vor. Ihre Basenfolge entspricht der Information des ursprünglichen Doppelstrangs; jeder enthält einen alten und einen neuen Einzelstrang.
Vertiefung: Das Problem linearer Chromosomenenden
Am Ende des Folgestrangs kann nach der Entfernung des letzten RNA-Primers eine Lücke bleiben: Dort fehlt ein weiter außen liegendes 3′-Ende, an das eine DNA-Polymerase anknüpfen könnte. Dadurch können sich die Endbereiche linearer Chromosomen, die Telomere, bei wiederholten Replikationen verkürzen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- DNA-Replikation
- Zweck und Ergebnis
- DNA vor der Zellteilung verdoppeln
- je ein alter und ein neuer Strang
- Öffnung der Doppelhelix
- Topoisomerase baut Spannung ab
- Helikase trennt die Stränge
- SSB-Proteine stabilisieren sie
- Aufbau neuer Stränge
- Primase setzt RNA-Primer
- Polymerase synthetisiert 5′→3′
- Antiparallele Matrizen
- Leitstrang entsteht kontinuierlich
- Folgestrang bildet Okazaki-Fragmente
- Fertigstellung
- Primer werden entfernt
- Lücken werden mit DNA gefüllt
- Ligase verbindet die Fragmente
- Zweck und Ergebnis
Abschluss-Check
Du hast den Ablauf verstanden, wenn du die feste 5′→3′-Syntheserichtung als Ursache für Leitstrang, Folgestrang und Okazaki-Fragmente erklären kannst.