Mit Google fortfahren
DNA-Replikation: Ablauf und Strangrichtungen verstehen
DNA-Replikation bedeutet: Eine Zelle verdoppelt ihre DNA vor der Zellteilung. Jeder alte Einzelstrang dient dabei als Vorlage für einen neuen komplementären Strang. Bei fehlerfreiem Ablauf entstehen so 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
Damit bei einer mitotischen Zellteilung beide Tochterzellen die vollständige Erbinformation erhalten, wird die DNA vorher kopiert. Bei Eukaryoten, also Lebewesen mit Zellkern, wird die DNA der Kernchromosomen während der S-Phase (Synthesephase des Zellzyklus) verdoppelt. Auch vor der ersten Teilung der Meiose wird sie kopiert; zwischen den beiden meiotischen Teilungen findet keine erneute Replikation statt. 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. Entlang jeder Matrize wird ein neuer Strang aus passenden DNA-Bausteinen, den Nukleotiden, aufgebaut. Ein Nukleotid enthält einen Zucker, Phosphat und eine Base. 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 zusammen. Während die Replikationsgabel weiterwandert, laufen ihre Aufgaben aufeinander abgestimmt ab:
- 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.
- Einzelstrang-bindende Proteine (bei Bakterien SSB-Proteine genannt) 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 ein 5′-Ende und ein 3′-Ende. Die Zahlen beziehen sich auf die nummerierten Kohlenstoffatome des Zuckers im Nukleotid. Am 3′-Ende liegt eine freie OH-Gruppe, an der die Verlängerung ansetzt. 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′.
Fiktives Sequenzbeispiel: 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. Von jedem Primer aus verlängert die DNA-Polymerase den neuen Strang bis zum zuvor gebildeten Abschnitt. Diese zunächst getrennten Abschnitte heißen Okazaki-Fragmente.
Die Stücke des Folgestrangs müssen anschließend verarbeitet werden:
- Enzyme entfernen die RNA-Primer. Welche Enzyme das übernehmen, hängt vom Organismus ab; beim Bakterium E. coli ist daran die DNA-Polymerase I mit ihrer abbauenden Enzymaktivität beteiligt.
- Eine DNA-Polymerase füllt die entstandenen Lücken mit DNA-Bausteinen.
- Die DNA-Ligase schließt die verbleibenden Verbindungsstellen im Zucker-Phosphat-Rückgrat. So entsteht ein durchgehender 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 im Verlauf der S-Phase an vielen Ursprüngen. Ein Bereich ist fertig kopiert, wenn die aufeinander zulaufenden Replikationsgabeln zusammenkommen und die letzten Verbindungsstellen geschlossen sind. Auch auf ringförmigen Bakterienchromosomen treffen die Gabeln aufeinander. Lineare Chromosomenenden bringen eine zusätzliche Schwierigkeit mit sich.
Nach der Verarbeitung der Primer liegen zwei DNA-Doppelstränge vor. Bei fehlerfreiem Kopieren entspricht ihre Basenfolge der Information des ursprünglichen Doppelstrangs; jeder enthält einen alten und einen neuen Einzelstrang.
Das Problem linearer Chromosomenenden
Am 5′-Ende des neu gebildeten 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. Das Enzym Telomerase kann dieser Verkürzung entgegenwirken, indem es Telomer-DNA verlängert; es ist aber nicht in allen Zellen ausreichend aktiv.
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
- Einzelstrang-bindende 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.