Replikation der DNA

Wie erfolgt die Replikation?

Die Replikation der DNA erfolgt semikonservativ. Das bedeutet, dass in einem neuen DNA-Strang immer ein Strang von dem ursprünglichen DNA-Strang stammt und es einen Strang gibt, der komplett neu synthetisiert wird. Die Theorie der semikonservativen Replikation wurde 1958 von Matthew Meselson und Franklin Stahl entwickelt. Mithilfe einer Dichtemarkierung durch ein Stickstoff-Isotop und einer Dichtegradientenzentrifugation mit Caesiumchlorid konnte sie bestätigt werden. Die Mutter DNA enthielt dabei ausschließlich das schwere Stickstoffisotop. Für neuen Stränge stand das Isotop nicht mehr zur Verfügung, sodass das leichtere Stickstoff in der DNA verbaut wurde. In der Dichtegradientenzentrifugation nahm die Menge an schwerer DNA kontinuierlich ab, während die leichte DNA vermehrt auftrat. 

Replikation am Leitstrang

 

Aufgrund der Antiparallelität der DNA-Stränge kann die Replikation der DNA nicht einheitlich an beiden Strängen erfolgen. Das Enzym, welches die neuen Tochterstränge synthetisiert kann nur in einer Richtung arbeiten. Zudem wäre es deutlich weniger energieeffizient, wenn die DNA für die Replikation an zu vielen Stellen für die Replikation aus den Histon-Komplexen entpackt werden müsste. 

Das 3' Ende der DNA besitzt eine freie OH-Gruppe. Nur dort kann die DNA-Polymerase ansetzen und einen neuen Strang synthetisieren. Den komplementären 5'-3' orientierten Strang des 3'-5' Strangs (Leitstrang) zu bilden ist daher einfach, da die Replikation dort kontinuierlich erfolgen kann, sobald die Polymerase einmal gebunden hat. 

Die Replikation läuft wie folgt ab: 

1. Die Topoisomerase entwindet die Doppelhelixstruktur.

2. Die Helicase spaltet die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen und SSB-Proteine (Einzelstrangbindende-Proteine) stabilisieren die Stränge, damit sie sich nicht direkt wieder verbinden. 

3. Die Primase setzt einen Primer an den DNA-Matrizenstrang (Mutterstrang) an. Der Primer ist ein kurzer RNA-Einzelstrang der komplementär zum Matrizenstrang ist. Die DNA-Polymerase kann den neuen Strang nur synthetisieren, wenn sie an einen Primer andocken kann. 

4. Die Polymerase setzt an den Primer an und synthetisiert kontinuierliche den 5'-3' Strang. Die Nukleotide dafür stammen aus der Umgebung. 

5. Der RNA-Primer wird durch DNA ersetzt.

Replikation am Folgestrang

Am Folgestrang hat die Polymerase nicht die Möglichkeit am 3' OH-Ende eines Primers anzuknüpfen und in dieselbe Richtung zu synthetisieren wie es beim Leitstrang der Fall ist. Um dieses Problem zu umgehen wird ein Loop gebildet, sodass beide Stränge in eine Richtung synthetisiert werden können. Zudem lässt die Primase eine Lücke bevor sie den Primer ansetzt, sodass ein freies 3' OH-Ende entsteht an welches die DNA -Polymerase ansetzen kann. Sobald die Polymerase das Ende des Strangs oder der Lücke erreicht beendet sie die Replikation. In dieser Zeit hat die Primase wieder einen neuen Primer angesetzt. Dort kann die Polymerase erneut binden und den Strang synthetisieren. Dieser Vorgang wiederholt sich bis die Replikation des Folgestrangs komplett abgeschlossen ist. Einen Primer und das synthetisierte Stück des Tochterstranges werden als Okazaki-Fragment bezeichnet. Schließlich müssen nur noch die Primer entfernt und durch DNA ausgetauscht werden, damit eine Ligase die Stränge verbinden kann. 

Der letzte Primer am Folgestrang kann nicht durch DNA ersetzt werden, da es dort keine Möglichkeit für eine Polymerase gibt anzusetzen. Man bezeichnet das als das Endlückenproblem. Die Lösung für dieses Problem sind die Telomere. Telomere sitzen an den Enden jedes Chromosoms und werden bei jeder Zellteilung etwas kürzer. Telomere sind Schutzkappen aus Nukleotiden mit der Basenabfolge TTAGGG, die sich mehrmals wiederholt. Ist diese Schutzkappe abgebaut würde bei einer erneuten Replikation wichtige Erbinformation verloren gehen. Damit die Zelle nicht entartet begeht sie kontrollierten Zelltod (Apoptose).

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Weiterführende Literatur

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