Replikation der DNA

Replikation [M1] der DNA

Aus Gründen der Fortpflanzung oder des Wachstums muss sich jede Zelle eines Organismus teilen. Die Verdopplung der DNS (Replikation) erfolgt in der S-Phase des Zellzyklus.

Nach einer Mitose enthalten die Tochterzellen die gleichen Erbinformationen, wie die Mutterzellen, weil vorher die DNA identisch kopiert und auf beide Zellen verteilt wurde. Diesen Vorgang nennt man Replikation.

Beim Bakterium E. coli ist der Verlauf der Replikation am bekanntesten. Zuerst sammeln sich Enzyme an einen Startpunkt. Dort wird die DNA entschraubt und dann durch das Enzym Helicase in zwei Einzelstränge aufgetrennt. An die freien Basen heften sich Proteine locker an, damit die Einzelstränge nicht wieder zusammenkommen können. Hinter der vorrückenden Helicase wandert das Enzym-Polymerase her. Es baut aus dem Zellplasma Nukleotide an den "Original"-Einzelstrang an und verbindet sie dann zu einem neuen Einzelstrang. Die Polymerase lagert nur Nukleotide an, die komplementär zum Originalstrang sind. Dadurch ergibt sich ein neuer Doppelstrang, der dieselbe Basensequenz hat, wie das Original. Die Polymerase kann nur in der Richtung 5' nach 3' schnell und genau einen neuen Einzelstrang aufbauen. Nur an diesem Einzelstrang kann sie direkt der Helicase folgen. Der andere Einzelstrang wird erst ergänzt, wenn ein größeres Stück der DNA aufgetrennt ist. Wenn dies geschehen ist, baut die DNA-Polymerase entgegen der Wanderungsrichtung der Helicase (also auch von 5' nach 3') den fehlenden Einzelstrang auf, bis sie auf ein schon repliziertes Stück stößt. Das heißt, dass dieser Einzelstrang stückweise repliziert wird. Durch das Enzym Ligase werden die einzelnen Stücke zu einem durchgehenden Strang verbunden. Dieser Vorgang verlangt eine enorme Exaktheit. Die Kopiergenauigkeit liegt bei etwa einem Fehler pro 10 Nukleotiden. Das entspricht etwa einem Tippfehler auf ca. 500000 Maschinen geschriebene Seiten. Wenn aber ein Kopierfehler auftritt, kann es zur Folge haben, dass schwere Schäden in den Tochterzellen auftreten.

Watson & Crick haben die Struktur der DNA -Doppelhelix aufgeklärt. Durch sie wurde ersichtlich, wie die DNA als Matrize (d.h. als Vorlage für die Vervielfältigung und Weitergabe der genetischen Informationen) dienen könnte. Jeder DNA-Strang ist komplementär zum anderen, da A mit T und G mit C Basenpaare bildet.

Man kann sich verschiedene Arten der Replikation vorstellen. Schon 1953 schlugen Watson und Crick bei der Beschreibung der Doppelhelix folgenden Typ vor: Ein Mutterstrang (Doppelhelix) wird in zwei Einzelstränge getrennt. Dabei entstehen ein doppelsträngiger Stamm und zwei einzelsträngige Zweige, deren Nukleotidfolgen für die Synthese als Matrize für neue komplementäre Stränge dienen. Dies sieht wie eine Y-Figur aus. An jedem von diesen Einzelsträngen werden nun durch Enzyme neue Stränge synthetisiert. Diese Art von Replikation nannten sie semikonservativ. 1957 bewiesen Meselson und Franklin Stahl, dass die DNA -Replikation semikonservativ verläuft.

Reiji Okazaki fand in den 60ern Jahren heraus, wie sich der 5'-3'-Strang repliziert. Es werden viele kurze Stücke in 5'-3'- Richtung synthetisiert. Diese Stücke hat man nach dem Entdecker benannt: Okazaki-Fragmente. Ein Fragment ist etwa 100 bis 2000 Nucleotide lang. Dies hängt aber vom Zelltyp ab. Somit wird der eine Strang kontinuierlich (Leitstrang) und der andere diskontinuierlich (Folgestrang) synthetisiert. Beim Leitstrang läuft die Synthese des neuen Stranges in die gleiche Richtung wie die Replikationsgabel. Beim Folgestrang läuft die Synthese in die Gegenrichtung der Replikationsgabel.