DNA Replikation: Enzyme, semikonservatives Prinzip

Geschrieben von: Dennis Rudolph
Donnerstag, 28. Dezember 2017 um 18:51 Uhr

In diesem Artikel befassen wir uns mit der DNA Replikation. Wir sehen uns dazu den Ablauf der DNA Replikation an, gehen auf Enzyme ein und befassen uns auch mit zahlreichen Fachbegriffen wie Leitstrang, Folgestrang, semikonservative Replikation und vieles mehr. Aufgaben zum Üben werden im Artikel und an dessen Ende verlinkt. Dieser Artikel gehört zu unserem Bereich Biologie.

Hinweise:

  • Wer eine vereinfachte Darstellung der DNA Replikation wünscht, der sieht bitte in den Artikel DNA Replikation einfach erklärt / Ablauf kurz. Dieser Artikel hier verwendet deutlich mehr Fachbegriffe und erklärt den doch recht komplexen Vorgang der DNA Replikation sehr viel anspruchsvoller. Wer von der DNA Replikation also keine Ahnung hat, möge bitte erst einmal den eben genannten Artikel aufrufen. Sonst wird dieser Artikel wie Fachchinesisch klingen.
  • Einige Fachbegriffe werden im Text bei erstmaligem Auftauchen kurz erklärt. Falls dies beim Weiterlesen nicht reicht und ihr nochmal nachlesen wollt, bitte ans Artikelende sehen, dort werden bestimmte Fachbegriffe noch einmal kurz erläutert.

Ausgangsbedingungen DNA Replikation:

Bevor sich eine Zelle teilen kann, muss zunächst einmal die DNA / DNS verdoppelt werden. Man bezeichnet dies als identische Replikation. Die Kopie soll dabei genetisch mit dem Original identisch sein. Die Betonung liegt dabei auf soll, denn es können beim Kopiervorgang Fehler auftreten. Die Replikation der DNA findet in der S-Phase des Zellzyklus statt (Siehe auch Artikel Zellzyklus).

Zu Beginn liegt die DNA als Doppelstrang vor. Der Strang links und der Strang rechts werden durch Wasserstoffbrücken verbunden (in rot eingezeichnet). Zwischen Cytosin (C) und Guanin (G) gibt es drei Wasserstoffbrücken und zwischen Adenin (A) und Thymin (T) gibt es zwei Wasserstoffbrücken.

DNA Replikation Ausgangssituation

Verlauf der DNA Replikation

Sehen wir uns nun der Verlauf der DNA Replikation einmal Stück für Stück an.

Schritt 1: Verschraubung aufheben

DNA DNS verschraubt

Hinweis:
Ihr bereitet euch auf eine Klausur vor? Ihr wollt euer Wissen zur DNA-Replikation einmal testen? Dann solltet ihr unsere Aufgaben bzw. Übungen zu diesem Thema einmal ansehen.

Die DNA-Doppelhelix ist verschraubt, im Prinzip wie eine Kordel oder eine Strickleiter, welche sich verdreht hat (Siehe vorheriges Bild). Dies muss sich ändern, damit die DNA Replikation überhaupt durchlaufen kann. Daher beginnt das Enzym Topoisomerase die DNA Doppelhelix zu entwinden.

Schritt 2: Doppelstrang trennen:

Nun startet die Trennung des Doppelstrangs.

DNA Replikation unterbrechen

Die DNA-Helikasen - manchmal auch DNA-Helicasen geschrieben - sind spezielle Enzyme, die nun die Trennung des Doppelstrangs in zwei Einzelstränge starten. Dazu werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen gelöst. Dies geschieht unter Verbrauch von ATP (Adenosintriphosphat). Das Ganze sieht so ähnlich aus wie ein Y. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Replikationsgabel. Es entstehen dabei zwei Einzelstränge. Damit sich die Einzelstränge nicht sofort wieder verbinden, lagern sich entsprechende Proteine an. Aus dem Doppelstrang werden gerade zwei Einzelstränge.

3. Primase und Primer

Der DNA-Doppelstrang hat sich geteilt. Nun beginnen die Arbeiten aus jedem Einzelstrang wieder einen Doppelstrang zu bauen. Dazu werden nun kurze Startstücke gebraucht, so genannte Primer. Der Grund dafür ist, dass DNA-Polymerasen nur schon bestehende Stränge verlängern können. Die DNA-Polymerase gehört zur Gruppe der Replikasen und ist ein Enzym. Die Primer wiederum werden mit Hilfe der Primase hergestellt, einer RNA-Polymerase. Die Primase bindet sich an einen Einzelstrang der DNA und beginnt mit dem Aufbau von kurzen RNA-Stücken. Diese Stücke aus RNA dienen der DNA-Polymerase als Startbereich.

4. Ergänzenden Strang bilden

Ein DNA-Strang hat zwei Enden. Diese werden mit 3' und 5' bezeichnet. Die nächste Grafik zeigt dabei in schwarz die beiden Original-Stränge. Diese wurden aufgetrennt und werden nun einzeln ergänzt (in grün und blau dargestellt).

DNA Replikation 5 zu 3

Dabei gilt es etwas ganz besonderes zu beachten: Die Ergänzung - also die Polymerase - kann nur in einer Richtung "einfach" durchgeführt werden. Es gibt dabei regelmäßig Verwirrung darum in welcher Richtung. Es gilt:

  • Die Neusynthese erfolgt in der Richtung von 3' nach 5'.
  • Schaut man auf den neuen Strang, so wächst dieser in Richtung 5' nach 3'.

Die Verknüpfung der Nucleotide kann also nur von 5' nach 3' erfolgen, daher kann der Strang, der von 3' nach 5' verläuft kontinuierlich aufgebaut werden. Am gegenläufigen Strang kann die Synthese nur stückweise stattfinden. Die DNA-Polymerase arbeitet hier im Prinzip rückwärts und muss nach Synthese eines Stückes immer wieder an anderer Stelle arbeiten. Ist ein Teilstück komplett, erreicht die Polymerase einen weiteren Primer. Auf diese Weise entstehen zwischen den Primern, einzelne, synthetisierte Stücke der DNA, die man als Okazaki-Fragmente bezeichnet. Benannt ist es nach der japanischen Wissenschaftlerin Tsuneko Okazaki und ihrem Mann Reiji Okazaki, die den Replikationsmechanismus vorschlugen.

5. RNA Primer entfernen, Ligase

Ribonuclease H (RNase H) entfernt nun die RNA Primer aus der DNA und die DNA Polymerase schließt die entstandenen Lücken mit Basen. Die Verknüpfung der Teilstücke wird nun durch das Enzym DNA-Ligase durchgeführt. Aus ursprünglich einem DNA-Doppelstrang sind nun zwei DNA-Doppelstränge geworden. Die DNA wurde kopiert.

Hinweis: Leider kommt es bei der DNA Replikation immer wieder zu Fehlern. Viele dieser Fehler können durch Korrekturmechanismen repariert werden, manche verbleiben jedoch. Man bezeichnet die Veränderung von Erbgut als Mutationen. Folgen können schwere Krankheiten wie zum Beispiel Krebs sein. Mutationen sind auch teils des menschlichen Alterungsprozesses (Siehe Artikel Warum altern wir?).

DNA Replikation Begriffe

In diesem Abschnitt findet ihr noch einmal entsprechende Fachbegriffe / Begriffe zur DNA Replikation in Kurzform erläutert.

  • Enzym: Enzyme sind die biologisch wichtigste Gruppe der Proteine. Sie beschleunigen die Stoffwechselprozesse lebender Zellen und stellen ihr Gleichgewicht ein.
  • Topoisomerase: Eines von ganz vielen Enzymen im menschlichen Körper. Man unterscheidet zwei Varianten von Topoisomerasen in Prokaryoten und Eukaryoten.
  • DNA Helikase: DNA-Helicasen sind eine Gruppe von Enzymen, durch die während der Replikation der DNA-Doppelstrang vor der Replikationsgabel unter Energieverbrauch entspiralisiert wird.
  • Leitstrang: Einer der beiden Stränge und zwar der, welcher auf "einfache" Art und Weise ergänzt werden kann.
  • Folgestrang: Einer der beiden Stränge und zwar der, der "rückwärts" und damit deutlich aufwendiger ergänzt wird.
  • Okazaki-Fragmente: Okazaki-Fragment nennt man in der Molekularbiologie einen während der DNA-Replikation entstehenden kurzen Abschnitt des Folgestrangs aus DNA und RNA.
  • Ribonuclease H (RNase H): Ribonuclease H (RNase H) entfernt die RNA Primer aus der DNA.
  • semikonservatives Prinzip: Die Vervielfältigung erfolgt semikonservativ. Das heißt, dass der ursprüngliche DNA-Doppelstrang in seine Einzelstränge getrennt, an denen dann jeweils komplementäre Stränge neu gebildet werden.
  • Primer: Als Primer wird in der Molekularbiologie ein Oligonukleotid bezeichnet, das als Startpunkt für DNA-replizierende Enzyme wie die DNA-Polymerase dient.
  • Polymerase: Polymerasen sind in allen Lebewesen vorkommende Enzyme, die die Polymerisation von Nukleotiden, die Grundbausteine der Nukleinsäure, katalysieren.

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