In diesem Video geht es um die Replikation, also um die Verdopplung der DNA. Die DNA nennt man auch eine Doppelhelix, weil sie aus zwei Einzelsträngen besteht, die wie eine Schraube um ihre eigene Achse gefunden sind. Verdopplung heißt also konkret, dass aus einem doppelsträngigen DNA-Strang zwei Doppelstränge DNA werden. Um den Replikationsprozess Gut verstehen zu können, ist es enorm wichtig, sich eine Eigenschaft der DNA nochmal vor Augen zu führen. Die Verlaufsrichtung der Einzelstränge, die antiparallel, d.h.
entgegengesetzt ist. Betrachtet man die DNA mit ihren drei Grundbausteinen, die man auch Nukleotide nennt, nämlich eine von vier innenliegenden organischen Basen, Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, den Zucker der Soxiribose und die Phosphatgruppe, fällt die entgegengesetzte Verlaufsrichtung der beiden Einzelstränge zueinander auf. Beim rechten Strang steht das Zuckerphosphatrückgrat quasi auf dem Kopf.
Das hat etwas damit zu tun, dass sich die innenliegenden Basen immer nur mit dem ersten Kohlenstoffatom, der Desoxyribose, verbinden. Damit sich das erste Kohlenstoffatom auf der rechten Seite mit der Base verbinden kann, kann es nicht genauso positioniert sein wie auf der linken Seite. Diese Bindung wird erst ermöglicht, wenn es um 180° gedreht wird.
Erst dann kann sich das erste Kohlenstoffatom des Zuckers mit der Base verbinden. Durch die entgegengesetzte Verlaufsrichtung der beiden Einzelstränge unterscheiden sich auch die Enden der Stränge. Ein Ende wird als Dreistrichende bezeichnet, weil sich an diesem Ende am dritten Kohlenstoffatom der Desoxyribose eine freie OH-Gruppe befindet.
Am anderen Strang befindet sich hier das Fünfstrichende. Das 5-Strich-Ende erhält seinen Namen, weil sich am 5. Kohlenstoffatom hier eine freie Phosphatgruppe befindet. Die Unterschiedlichkeit der Enden der DNA-Einzelstränge hat einen direkten Einfluss auf die Art und Weise, wie die Einzelstränge verdoppelt werden, wie später noch deutlich wird.
Bestimmt wisst ihr aus dem Unterricht bereits, wie die DNA verdoppelt wird. In einem Experiment fanden Messelson und Stahl heraus, dass die DNA bei dem Vorgang jeweils zur Hälfte erhalten bleibt, was man auch als semikonservativ bezeichnet. Zu jeder Hälfte wird also jeweils ein neuer Strang synthetisiert bzw.
hergestellt. Schauen wir uns im nächsten Schritt an, wie genau die Replikation abläuft. Eigentlich ist der Vorgang relativ leicht verständlich, man darf sich nur nicht von den vielen an der Replikation beteiligten Enzymnamen durcheinander bringen lassen. Die Replikation ist ein von einer Vielzahl von Enzymen gesteuerter Vorgang. Das erste beteiligte Enzym ist die Topoisomerase.
Sie bewirkt die Entspiralisierung der DNA. Das heißt, dass die Doppelhelix entwunden wird, sich die Schraubenform also auflöst. Die beiden Matrizenstränge sind jedoch immer noch nicht getrennt voneinander. Denn die Basen beider Stränge werden noch über sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten.
Die Stränge werden als Matrize bezeichnet, weil sie als Vorlage für die Synthese eines neuen, komplementären DNA-Strangs dienen. Damit die Matrizenstränge jedoch jeweils für neue Basenpaarungen zugänglich sind, müssen die Wasserstoffbrückenbindungen aufgelöst werden. Und das ist die Aufgabe des Enzyms Helikase. Indem sie die Wasserstoffbrückenbindungen löst, öffnet sie die beiden DNA-Stränge und öffnet sie damit wie einen Reißverschluss. An der Stelle, an der die Helikase die DNA-Stränge voneinander löst, entsteht eine Region, in die als Replikationsgabel bezeichnet wird.
Dieser Mechanismus, nämlich die Entspiralisierung der DNA durch die Topoisomerase und das Auflösen der Wasserstoffbrückenbindung durch die Helikase, Erscheint auch logisch. Wenn man sich nochmal an den semikonservativen Replikationsmechanismus erinnert. Die Hälfte der Ursprungs-DNA bleibt erhalten und zu jedem Strang wird jeweils ein neuer Strang synthetisiert. Beide Enzyme gewährleisten, dass in den nächsten Schritten genau das passieren kann, dass zu jedem Matrizenstrang nämlich ein neuer Strang synthetisiert werden kann. An den entspiralisierten Strangen heften sich zudem sogenannte Einzelstrang-bindende Proteine.
kurz SSB-Proteine, die verhindern, dass sich die Stränge wieder zu einer Doppelhelix zusammenlagern. Das Enzym, das die komplementären DNA-Basen an beide Stränge anheftet, ist die DNA-Polymerase 3. Das Enzym kann den Prozess jedoch nicht ohne weiteres in Gang setzen, dafür ist es auf die Schützenhilfe eines anderen Enzyms angewiesen, nämlich der Primase. Das Enzym Primase lagert am Dreistrichende der beiden Matrizenstränge kurze, komplementäre RNA-Stücke an. sogenannte RNA-Primer.
Die Primer fungieren als Startmoleküle für die DNA-Polymerase, die nun an den RNA-Primer bindet und neue, komplementäre DNA-Nukleotide synthetisiert. RNA, also Ribonukleinsäure, entscheidet sich unter anderem von DNA, dass es neben den drei Basen Adenin, Guanin und Cytosin die Base Uracil gibt, die die DNA-Base Thymin als komplementäre Base zu Adenin ersetzt. Weil es bei der Replikation um die identische Verdopplung der DNA geht, muss es später also einen Mechanismus geben, der die RNA-Base Uracil austauscht und durch die DNA-Base Thymin ersetzt.
Aber warum ist für den Start der DNA-Polymerase ein Primer erforderlich und damit auch das Enzym Primase, das den Primer herstellt? Entscheidend ist, dass die DNA-Polymerase neue Nukleotide nur am 3-Strich-Ende des wachsenden neuen Strangs anhängt. Dort nämlich, wo sich eine freie Hydroxygruppe bzw. OH-Gruppe befindet. Anders formuliert, sie arbeitet nur von 5 Strich in 5 Strich.
in Dreistrichrichtung in Bezug auf die neu zu synthetisierenden Stränge, die man auch Tochterstränge nennt. Die Primer, die vom Enzym Primase am Dreistrichende der Matrizenstränge angelagert wurden, bilden somit die Fünfstrichenden der neu zu synthetisierenden Tochterstränge. Und diese Primer besitzen am Dreistrichende eine freie OH-Gruppe. Die freie OH-Gruppe, die von der DNA-Polymerase benötigt wird, um neue Nukleotide zu synthetisieren.
Und so verknüpft die DNA-Polymerase III neue Nukleotide komplementär zu beiden Matrizensträngen. Und aufgrund der Antiparallelität der beiden Einzelstränge und der Tatsache, dass die Polymerase nur von 5' in Richtung 3' arbeiten kann, geschieht dies bei einem Tochterstrang in die linke und beim anderen Tochterstrang in die rechte Richtung. Während der Synthese der neuen Tochterstränge durch die DNA-Polymerase stellt die Helikase ihre Arbeit natürlich nicht ein. Sie löst als Enzym weiter die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Basen und öffnet die Replikationsgabel weiter in eine Richtung. Schon jetzt lässt sich erahnen, dass die Replikation an dem Strang, wo sich die DNA-Polymerase immer weiter vom Replikationsursprung entfernt, wahrscheinlich nicht so einfach gestaltet.
Ganz anders verhält es sich beim unteren Strang. Nachdem hier ein Primer am Anfang gesetzt wurde, arbeitet die DNA-Polymerase in die gleiche Richtung, in der auch die Helikase die DNA-Matrize öffnet. Dieser Tochterstrang wird auch als Leitstrang bezeichnet. Dieser kann in Dreistrichende kontinuierlich verlängert werden, während sich die Replikationsgabel in die gleiche Richtung weiter öffnet.
Wie eben bereits angedeutet, ist der andere entstehende Strang, der sogenannte Folgestrang, so orientiert, dass sich sein zugängliches Dreistrichende immer weiter von der Replikationsgabel entfernt. Und so eine nicht replizierte Lücke entsteht, eine Lücke, in der keine DNA-Replikation stattfindet. Und diese Lücke würde immer größer werden, wenn es nicht einen besonderen Mechanismus gebe, der dieses Problem löst.
Damit die angesprochene Lücke nicht größer wird, werden immer wieder Primer in der Nähe der Replikationsgabel benötigt, die von der Primase hergestellt werden und damit gewährleisten, dass die DNA-Polymerase an ihnen bindet und in 5-3-Strich-Richtung neue DNA-Basen verknüpft. Die DNA-Polymerase hängt so lange neue Nukleotide an, bis sie den Primer des vorherigen Abschnitts erreicht. Während der Leitstrang kontinuierlich vorwärts wächst, verlängert sich der Folgestrang in kürzeren, rückwärts gerichteten Abschnitten, zwischen denen sich Lücken befinden.
Er wächst also diskontinuierlich. Die so entstehenden kurzen DNA-Abschnitte werden nach ihrem Entdecker auch Okazaki-Fragmente genannt. Die nachfolgenden Schritte der Replikation sind relativ schnell erzählt. Eine weitere DNA-Polymerase, die DNA-Polymerase 1, entfernt den RNA-Primer und ersetzt ihn durch DNA.
Die DNA-Base T-Mean ersetzt also die RNA-Base Ura-C. Weil eine kleine Bindungslücke zwischen den aneinander grenzenden Okazaki-Fragmenten zurückbleibt, wird diese Lücke von einem weiteren Enzym, der DNA-Ligase, geschlossen. Das ist der letzte Schritt des sehr komplexen DNA-Replikationsmechanismus. Nun ist aus einem DNA-Doppelstrang zwei DNA-Doppelstränge geworden. In diesem Video sind wir der Frage nachgegangen, wie die DNA genau verdoppelt wird.
In diesem Zusammenhang ist es auch wichtig, sich zumindest mal kurz die Bedeutung der DNA-Replikation vor Augen zu führen. Alle unsere Zellen enthalten DNA. Denn die DNA liegt in unserem Zellkern verpackt in Form von 46 Chromosomen vor und bildet damit unser Erbgut. Unsere gesamte Erbinformation wird in der spezifischen Abfolge von DNA-Basen gespeichert.
Genauso wie sich die Zellen unseres Körpers teilen müssen, zum Beispiel zur Regeneration, zur Fortpflanzung oder auch damit der Körper wachsen kann, müssen sich vor einer Zellteilung, welche man auch als Zytokinese bezeichnet, auch sämtliche Bestandteile der Zelle und damit auch die DNA verdoppeln. Stellt euch vor, welche verheerenden Folgen es hätte, wenn sich die Zelle teilt und mit ihr zwar sämtliche Zellbestandteile, wie zum Beispiel auch der Zellkern, Ein Vorgang, den man übrigens als Mitose bezeichnet, aber die Teilung bzw. die Verdopplung der DNA ausbleibt. Die neu gebildeten Tochterzellen wären nicht mehr überlebensfähig. Und selbst eine fehlerhafte Verdopplung von DNA-Abschnitten, z.B.
in Geschlechtszellen, kann zu schwerwiegenden Folgen führen. Ein Thema, das ja noch genauer behandelt, wenn es um Mutationen geht. Ein Beispiel für eine fehlerhafte Verdopplung stellt die Trisomomie 21 dar. wo bei Betroffenen das Chromosom 21 dreimal anstatt zweimal vorkommt.
Es lässt sich also festhalten, die exakte Verdopplung der DNA ist für die Funktionsfähigkeit der neuen Tochterzelle unentbehrlich. Und die Verdopplung der DNA muss zeitlich vor der Zellkernteilung, also der Mitose, stattfinden, welche wiederum genauso wie die Verdopplung der anderen Zellbestandteile vor der eigentlichen Zellteilung, der Zytokinese, stattfinden muss. An dem Vorgang der Replikation sind eine Vielzahl von Enzymen beteiligt, deren Funktion ich am Ende nochmal in einer Tabelle darstelle. Auch mehrere DNA-Polymerasen sind an der Replikation beteiligt. Von den 15 verschiedenen DNA-Polymerasen, die ein Mensch besitzt, ist allerdings nur eine Polymerase verantwortlich für die Replikation der chromosomalen DNA, die DNA-Polymerase 3. Andere spielen zum Beispiel für das Entfernen der Primer oder bei der DNA-Reparatur eine Rolle.
Die Tatsache, dass die DNA-Polymerase nur in 5'-3'-Richtung des jeweils neuen Strangs synthetisiert werden kann, ist dabei entscheidend für das Verständnis, dass die Replikation am Leit- und Folgestrang unterschiedlich ablaufen muss. Denn während die Helikase den Matrizenstrang in eine Richtung weiter öffnet, läuft die Polymerase am Leitstrang in 5'-3'-Richtung sozusagen brav und kontinuierlich der Replikationsrichtung hinterher. wohingegen die 5'-3'-Richtung des Folgestrangs in entgegengesetzter Richtung zeigt.
Und entsprechend die Polymerase in entgegengesetzter Richtung zur Replikationsgabel wandert und ihr sozusagen davonrennt, weshalb sie immer wieder durch neue Primer zurückgeholt wird, sodass keine Lücke entsteht. Zuletzt ist noch zu sagen, dass man vorsichtig sein muss mit der Laufrichtung der Polymerase von 5'-3'-Richtung. In Bezug auf den Matrizenstrang läuft die Polymerase von 3' nach 5'.
Es ist also eine andere Betrachtungsweise, die auch nicht falsch ist, wenngleich etwas unglücklich formuliert. Denn Fakt ist, dass die Polymerase die OH-Gruppe am Dreistrichende benötigt und den neu zu synthetisierenden Strang folglich nur am Dreistrichende verlängern kann.