Die Replikation der DNA

Im folgenden wird die Replikation der DNA, dem Träger der Erbinformation eines Organismus, allgemein erläutert.

Damit bei der Zellteilung (Mitose) die Erbinformation in der DNA nicht reduziert wird, ist eine Replikation der DNA während der Interphase notwendig.

Hierbei werden die beiden Stränge der Doppelhelix, aus der die DNA besteht, zuerst getrennt und dann wieder um die jeweils andere Hälfte ergänzt. So einen Vorgang nennt man semikonservativ.

Trennung der DNA-Stränge

Zunächst löst das Enzym Helicase die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Basen in der Mitte der Doppelhelix. Dadurch werden die beiden Stränge getrennt. Dann lagern sich DNA-bindende Proteine an die Stränge und verhindern so, dann sich die Wasserstoffbrücken neu bilden.

Replikation des ersten DNA-Stranges – kontinuierliche Elongation

Dann wird im ebenfalls an die DNA angelagerten Primosom von der Primase ein Primer gebildet, ein RNA-Fragment, das, ebenso wie die DNA, ein 3‘ und ein 5‘ Ende besitzt. Das heißt, dass das 3′-Ende mit einer OH-Gruppe am 3. Kohlenstoffatom „aufhört“ und das 5′-Ende mit einem Phosphattrest am 5. Kohlenstoffatom. Der Primer lagert sich an das 3‘ Ende des einen DNA-Stranges so an, dass sein 3‘-Ende in Spaltungsrichtung zeigt, also gegenläufig zum bestehenden DNA-Strang.

Am 3‘-Ende gibt es, im Gegensatz zum 5‘-Ende, eine freie OH-Gruppe. Mithilfe der DNA-Polymerase III, einem Enzym, kann diese freie OH-Gruppe in einem nucleophilen Angriff auf das Alpha-Phosphat eines Nucleosidtriphosphats von diesem Nucleosidtriphosphat zwei Phosphatgruppen abspalten und so Energie erzeugen.

Übrig bleibt nach dieser Abspaltung ein Nucleotid, also eine Nucleinsäure mit Desoxyribose und einer Phosphatgruppe. Nucleosidtriphosphat ist also ein Nucleotid mit zwei weiteren Phosphatgruppen.

Die durch die Abspaltung erzeugte Energie wird von dem Enzym DNA-Polymerase III benutztm um den Nucleotiden an den Primer anzugliedern.

Durch weitere nucleophile Angriffeder freien OH-Gruppe am 3‘-Ende erfolgt nun eine kontinuierliche Elongation, also eine fortwährende Verlängerung dieses neuen, aus dem Primer gebildeten DNA-Stranges in Spaltungsrichtung.

Anschließend ersetzt die DNA-Polymerase I die nun noch in der DNA erhaltenen RNA-Fragmente (Primer) durch DNA. Hierbei entstehen Lücken, die von einem weiteren Enzym, Ligase, geschlossen werden.

Replikation des zweiten DNA-Stranges – Okazaki Fragmente

Am anderen DNA-Strang, der von 5‘ nach 3‘ aufgespalten wird, ist eine kontinuierliche Elongation unmöglich, da aufgrund der fehlenden OH-Gruppe am 5‘-Ende die DNA nur von 5‘ nach 3‘ wachsen kann. Da die Primer aber immer gegenläufig (also mit dem 3‘-Ende in Richtung des 5‘-Endes des bestehenden DNA-Strangs) an die DNA „andocken“ kann die DNA bei diesem Strang nur gegenläufig zur Spaltungsrichtung repliziert werden.

Deswegen müssen in regelmäßigen Abständen Primer gesetzt werden, die dann sozusagen zum vorherigen Primer „zurückwachsen“. Dadurch entstehen mehrere Fragmente, die aus Primern und DNA bestehen. Diese Fragmente heißen Okazaki-Fragmente.

Auch bei diesem DNA-Strang ersetzt die DNA-Polymerase I die RNA-Teile im neuen Strang und die entstehenden Lücken werden von Ligase geschlossen.

Sobald die gesamte Doppelhelix geteilt und repliziert wurde, sind zwei identische DNA-Moleküle entstanden, die auf die bei der Zellteilung entstehenden Tochterzellen verteilt werden.

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