Unsere Erbinformation, die DNA, muss vor jeder Zellteilung verdoppelt werden, um die Informationen an andere Zellen weiterzugeben. Wie genau die Verdopplung bzw. Replikation der DNA funktioniert, erfährst du hier. Du willst die besten Lernvideos für Schüler und Studenten? Dann komm auf studyflix.de oder hol dir unsere kostenlose App.
Die DNA befindet sich bei Eukaryoten im Zellkern. Sie kommt dort in Form langer, schraubförmiger Doppelstränge um Proteine gewickelt als Chromosom vor. Wenn sich unsere Zellen aufgrund von Wachstum oder Fortpflanzung teilen, muss sich zuvor natürlich auch der Kern teilen. Das kannst du Mitose nennen.
Vor der Mitose muss die Verdopplung der DNA oder auch DNA-Replikation stattfinden. Hier wird unter Beteiligung vieler Enzyme eine identische Kopie der ursprünglichen DNA angefertigt. Es handelt sich um einen semikonservativen Mechanismus, da jeweils eine Hälfte der neuen DNA von der ursprünglichen DNA stammt und die andere Hälfte neu erstellt wird. Doch wie verläuft die Verdopplung genau? Die schraubförmige DNA muss zuerst entwunden und aufgetrennt werden.
Das kannst du dir wie bei der Öffnung eines Reißverschlusses vorstellen. Die beiden offengelegenen Einzelstränge stellen eine Vorlage für jeweils einen neu herzustellenden Strang dar. An jeder aufgetrennte Base kann sich ein DNA-Baustein, das Nukleotid, mit der passenden Base anlagern.
Den Ablauf der Replikation kannst du in drei Phasen unterteilen. Die Initiation, die Elongation und die Termination. Beginnen wir mit der Initiationsphase.
Hier startet die Replikation an definierten Stellen, den Replikationsursprüngen. Zunächst bewirkt das Enzym Topoisomerase, dass der helixförmige Doppelstrang entspiralisiert wird. Darunter kannst du verstehen, dass die Schraubenform in eine Strickleiterform umgewandelt wird.
Wichtig, wir haben es hier immer noch mit einem Doppelstrang zu tun. Um nun die beiden Einzelstränge zu erhalten, müssen die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren getrennt werden. Hierfür ist das Enzym Helikase zuständig.
Es entsteht eine y-förmige Stelle, die sogenannte Replikationsgabel. Von jedem Replikationsursprung aus wandert je eine Gabel nach rechts und eine nach links. Um die getrennten Stränge zu stabilisieren, binden sich spezielle Proteine an die jeweiligen Abschnitte.
Damit die Verdopplung beginnen kann, benötigen wir bestimmte Startmoleküle. Die Primer. Sie werden von der Primase hergestellt.
Es handelt sich um ein kurzes RNA-Stück, das an das Dreistrichende der Einzelstränge angebracht wird. Die RNA enthält statt der Base Thymin die Base Urazil. Deshalb muss nach der Replikation Urazil wieder mit Thymin ausgetauscht werden.
Nach der Initiation kann die Elongation, also die Synthese neuer Einzelstränge, starten. Das Enzym, das hierfür zuständig ist, ist die DNA-Polymerase. Sie fügt neue Nukleotide an die Primer an, und zwar immer an das Drei-Strich-Ende, denn nur dort kann eine Verknüpfung stattfinden. Die Polymerase arbeitet also von Fünf-Strich- zu Drei-Strich-Richtung. Die beiden Einzelstränge verlaufen antiparallel, also in eine entgegengesetzte Richtung.
Ein Strang, der Leitstrang, ist deshalb so orientiert, dass er ohne Unterbrechung verlängert werden kann. Hier arbeitet die Polymerase in die gleiche Richtung wie die Helikase. Es findet eine kontinuierliche Verlängerung statt. Der andere entstehende Strang, der Folgestrang, ist so angeordnet, dass sich sein Dreistrichende von der Replikationsgabel entfernt und eine immer größer werdende Lücke entsteht. Doch es gibt eine Lösung.
Die Primase fügt immer wieder Primer an den Folgestrang an. Dadurch kann die Polymerase so lange neue Nukleotide an das Primerende anlagern, bis sie den Primer des vorherigen Abschnitts erreicht hat. Hier erfolgt eine diskontinuierliche Verlängerung.
Die dabei entstehenden kurzen DNA-Abschnitte kannst du auch als Okazaki-Fragmente bezeichnen. Ein weiteres Enzym entfernt anschließend die Primer, woraufhin eine andere DNA-Polymerase die nun entfernten RNA-Abschnitte durch komplementäre DNA-Bausteine ersetzt. Zum Schluss schießt das Enzym Ligase die zwischen den Okazaki-Fragmenten entstandenen Lücken wie eine Art Kleber.
Jetzt sind wir am Ende der Replikation angelangt, der Termination. Sie ist bei Eukaryoten und Prokaryoten unterschiedlich geregelt. Bei den linearen DNA-Molekülen der Eukaryoten endet die Replikation meist nur beim Erreichen der jeweiligen Enden. Prokaryoten mit ringförmigen DNA-Strängen besitzen einen definierten Abschnitt, der das Ende einläutet. Er liegt gegenüber dem Startpunkt.
Halten wir zum Schluss noch einmal fest. Unter der DNA-Replikation kannst du die identische Verdopplung des Erbguts verstehen, die immer vor der Zellteilung erfolgt. Das Enzym DNA-Polymerase verknüpft neue Nukleotide an die offengelegenen Einzelstränge, wodurch ein Folge- und ein Leitstrang entsteht.
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