zum Directory-modus

Tutorial MenueVom Gen zum Protein - eine EinführungLerneinheit 1 von 3

Genomstruktur in Eu- und Prokaryonten

Die DNA-Replikation bei Eukaryonten

Bevor eine Zelle sich teilt, muss das Genom identisch verdoppelt werden, damit jede Tochterzelle die gleiche Erbinformation erhält. Diesen Vorgang der identischen Verdoppelung von DNA durch spezielle Enzyme, die DNA-Polymerasen, nennt man Replikation. Dazu wird der DNA-Doppelstrang lokal geöffnet, d.h. die beiden DNA-Stränge werden voneinander getrennt. Die DNA-Polymerase III synthetisiert dann den jeweils komplementären Strang.

Diese Art der Verdopplung des genetischen Materials wird auch semi-konservative Replikation genannt, weil die beiden neuen DNA-Doppelhelices aus jeweils einem Elternstrang und einen neuen DNA-Strang bestehen.

Bei der Replikation der DNA gibt es allerdings ein Problem: Die DNA-Polymerase arbeitet immer nur in eine Richtung, nämlich in 5'3'-Richtung. Der gegenläufige Strang, der in 3'5'-Richtung sythetisiert werden müsste, kann von diesem Enzym nicht fortlaufend hergestellt werden. Die Zelle hat einen ebenso eleganten wie komplizierten Lösungsweg gefunden, beide Stränge dennoch parallel herstellen zu können: Während der eine Strang fortlaufend repliziert wird, arbeitet die Polymerase auf dem gegenüberliegenden Strang stückweise, d.h. sie produziert nur kleine Doppelstrangbereiche, die später miteinander verbunden werden. Das geschieht mit Hilfe eines hochmolekularen Enzym-Komplexes aus mehr als 24 Proteinen.

Abb.1
Die Replikationsgabel

Vorwärts- und Rückwärtsstrang-Synthese im Okazaki-Fragment

Bei der Replikation wird die Doppelstrang-DNA fortlaufend auf einer Länge von etwa 2.000 Nucleotiden geöffnet, so dass eine große Schleife mit Einzelstrangbereichen entsteht, die Replikationsbase oder das Okazaki-Fragment. Der eine der beiden Stränge, der als Vorwärtsstrang (leading strand) bezeichnet wird, kann im Okazaki-Fragment problemlos hergestellt werden. Der Rückwärtsstrang (lagging strand) wird aber diskontinuierlich, d.h. stückweise verdoppelt und die zahlreichen Teilfragmente dann miteinander verbunden.

Bei der Replikation gibt es noch ein anderes Problem: DNA-Polymerasen können keinen Strang neu beginnen; sie benötigen immer ein Nucleotid mit einem freien 5'-Phosphat-Rest, an das sie binden und die Kette verlängern können. Dieses freie 5'-Ende wird in den meisten Fällen von einem Primer zur Verfügung gestellt, einer kurzen RNA-Sequenz, der an die einzelsträngige DNA bindet. Dieser Primer wird von einer RNA-Polymerase, der Primase, synthetisiert. An das 5'-Ende dieses Primers kann die DNA-Polymerase III nun anlagern und so lange Nucleotide ankondensieren, bis sie auf das 3'-Ende des nächsten Primers stößt. Dort verlässt die Polymerase III die DNA, wobei der RNA-Primer entfernt und die Lücke von der DNA-Ligase geschlossen wird.

Viele Wissenschaftler deuten diesen RNA-Primer, ohne den keine Replikation begonnen werden kann, als Relikt der Evolution aus einer Zeit, in der noch RNA der Träger der Erbinformation war.

Abb.2
Die Enzyme der DNA-Replikation

An der Replikation sind neben der DNA-Polymerase etliche weitere Enzyme beteiligt, die in dieser komplexen Animation vorgestellt werden. Bitte klicken Sie zum Abspielen des Tutorials auf das Bild.

Tab.1
SchrittErklärung
Abb.3
Wachsendes Okazaki-Fragment
Jeder neue DNA-Strang beginnt mit einem RNA-Primer, der später wieder entfernt werden muss. Hier ist die DNA-Neusynthese am Rückwärtsstrang im Okazaki-Fragment gezeigt. Der Elternstrang (roter Strang) wird abschnittsweise ergänzt (blauer Strang, Syntheserichtung der DNA-Polymerase III ist durch den Pfeil angezeigt). RNA-Primer (grün) liefern das freie Triphosphat-Ende, das die Polymerase als Startpunkt braucht.
Abb.4
Sobald die DNA-Polymerase III die jetzt doppelsträngige DNA verlassen hat, wird der RNA-Primer (grün) mit Hilfe einer RNAse (grüner Kreis) vollständig abgebaut. Die Lücke ist jetzt auf 10 bis 20 Nucleotide einsträngiger DNA erweitert. Das freie 3´-OH-Ende ist nun das Substrat für die DNA-Polymerase I.
Abb.5
Die DNA-Polymerase I ist ein typisches Reparaturenzym und hängt an das freie 3'-OH-Ende 5'-Nucleosid-Triphosphate an (Lückenschluss). Sie kann dabei mit Hilfe ihrer 5'-3'-Exonuclease-Aktivität den vorlaufenden Strang abbauen, bis sie an das 5´-Ende des nachfolgenden Okazaki-Fragmentes stößt. Auf diese Art wird die einzelsträngige DNA zum Doppelstrang ergänzt.
Abb.6
Die DNA-Polymerase I verlässt die DNA, wenn die Lücke fast geschlossen ist. Diese letzte fehlende Bindung zwischen dem 5'-Ende des ersten Nucleotids vom nachfolgenden Okazaki-Fragmentes und dem freien 3´-OH des neusynthetisierten Strangs wird von der DNA-Ligase katalysiert.
Seite 16 von 16>