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Vom Gen zum Protein

Vokabeln Replikation

Tab.1
Wichtige Begriffe zur Struktur und Bildung von Proteinen
VokabelErklärung
ReplikationReplikation ist der Begriff für die identische Verdoppelung des Erbmaterials (DNA in DNA). Um dieses zu gewährleisten, geschieht die Verdoppelung stets durch die Konservierung eines Stranges. Spezielle Reparaturenzyme sorgen dafür, dass der neu synthetisierte Strang fehlerfrei hergestellt wird. Dieser Prozess ist notwendig. Deshalb „bezahlt“ die Zelle dafür und wendet sehr viel Energie für die Qualitätskontrolle auf. Um jedoch 100 %ige Identität zu gewährleisten, wäre der Aufwand „unbezahlbar“, so dass am Ende noch ausreichend Fehler auftreten, um die Evolution zu erlauben. Die Fehlerrate liegt bei 1:10 000
Replikationsstartpunkt (engl. Origin of Replication)Nur bei Bakterien kennt man einen "Origin of Replication" (ori) als den Startpunkt der Verdoppelung der chromosomalen DNA. Bei Eukaryonten wird diese Funktion von den Centromeren wahrgenommen. Primäre Aufgabe des ori ist die Bindung von bis zu sechs Molekülen des Proteins DnaB. Dann kommt es zur Anlagerung zweier vollständiger DNA-Polymerase 3 - Holoenzym-Komplexe für die bidirektionale semikonservative Synthese der DNA.
ReplikationsgabelDer Begriff steht für den gesamten Komplex aus DNA, DNA-Polymerasen und Faktoren während der Replikation. Da die chromosomale Replikation stets in zwei Richtungen fortschreitet, gibt es pro Chromosom auch zwei Replikationsgabeln, die sich kontinuierlich voneinander weg bewegen. Bei ringförmigen Chromosomen – z.B. bei Bakterien – laufen sie schließlich auch aufeinander zu. In der logarithmischen Wachstumsphase werden auf demselben Chromosom bis zu drei Replikationsgabeln in die gleiche Richtung gebildet.
Eltern-DoppelstrangDer Elterndoppelstrang dient als Matrize zur Verdoppelung. Die Entscheidung, welcher Strang als Vorwärtsstrang genutzt wird, fällt erst bei der Bildung des Replikationsapparats. Die Elternstränge sind jeweils einzeln Vorlage für die Qualitätskontrolle, weil sie im Gegensatz zu den neuen Strängen am N6 des Adenosins aminomethyliert sind.
DNA-Polymerase 3Die DNA-Polymerase 3 wird auch als Holoenzym bezeichnet und ist asymmetrisch aufgebaut. Für die Synthese entlang des Vorwärtsstrangs genügt ein Komplex aus drei Untereinheiten, das sog. Core. Für die Synthese entlang des Rückwärtsstrangs wird ein zweites Core benötigt, das über zweimal zwei neue Untereinheiten gekoppelt ist. Zur Bindung der Primase werden weitere Untereinheiten auf der Seite des Rückwärtsstrangs benötigt. Der Gesamtkomplex, also das Holoenzym besteht aus insgesamt 24 Proteinen.
leading strandDer Vorwärtsstrang (leading strand) ist die Matrize für die ununterbrochene Verdoppelung der DNA. Er bleibt an die DNA Polymerase 3 gebunden, vom "Origin of Replication" bis zur Termination der DNA-Synthese.
lagging strandDer Rückwärtsstrang (lagging strand) ist die Matrize für die portionsweise Verdoppelung der DNA. Er wird zunächst als Einzelstrang freigestellt und durch Einzelstrang-bindende Proteine geschützt. Sobald die sterischen Verhältnisse es zulassen, dient dieser als Matrize für die Primase und schließlich für die DNA Polymerasen 3 und 1.
neuer Strang Der neue Strang beginnt stets mit einem Stückchen RNA (8 bis 10 Nucleotide lang). Das erste Nucleotid behält dabei sein Triphosphat. An dem 3´-OH des RNA-Primers beginnt die Polymerisation der Desoxy-Triphosphate und damit die eigentliche Bildung des neuen Stranges. Die Verdoppelung der DNA durch Nucleosid-triphosphate konnte eindrucksvoll durch den Meselson-Stahl-Versuch (1958) bewiesen werden, weil nur der neue Strang radioaktiv markierte Nucleotide enthielt.
HelicaseDie DNA-Helicase hat die Aufgabe, die parentalen DNA-Stränge von einander zu trennen. Ohne Strangtrennung keine Transkription! Die Helicase muss Energie aufwenden, also ATP verbrauchen. Ihre Aufgabe wird durch die Topoisomerase 2 erleichtert, die bereits für eine partielle Strangtrennung durch Ausbildung des Supercoils gesorgt haben muss.
Einzelstrang bindendes ProteinDas Einzelstrang-bindende Protein (single strand binding protein, SSB) ist ein Tetramer aus vier identischen Untereinheiten. Es bindet den Einzelstrang sequenzunspezifisch, schützt diesen vor dem Abbau durch Nucleasen und beteiligt sich an Reparatur und Rekombination.
PrimaseDie Primase ist eine Untereinheit des Holoenzyms, also des Gesamtkomplexes um die DNA-Polymerase 3, bleibt also stets an den Gesamtkomplex gebunden. Die Primase benutzt ausschließlich Ribonucleotide.
RNA-PrimerDer Start aller Transkriptionen erfolgt mit Hilfe von Ribonucleosid-triphosphaten. Es handelt sich offenbar um ein Relikt der Evolution. Die eigentliche DNA-Synthese erfolgt erst nach der Bildung eines kleinen Stückchens RNA. In Analogie zu anderen Primern spricht man von einem RNA-Primer, obwohl nicht bekannt ist, dass die DNA-Polymerase 3 einen extern zugesetzten Primer verwenden kann. Der RNA-Primer wird zur Herstellung eines durchlaufenden DNA-Doppelstrangs später mit Hilfe von RNAsen herausgeschnitten und durch DNA ersetzt.
DNA-Polymerase 1Die DNA-Polymerase 1 ist ein vergleichsweise einfach aufgebautes Enzym, das nur aus einer Polypeptidkette besteht. Es dient in der Zelle ausschließlich dem Auffüllen von Sequenz-Lücken, die bei der Entfernung der RNA-Primer entstehen. Es ist damit ein so genanntes Reparaturenzym. Als solches kann es vorlaufende Einzelstränge (5´-3´-Exonuclease-Aktivität) und überhängende 3´-Enden (3´-5´-Exonuclease-Aktivität) abbauen. Die DNA-Polymerase ist das wichtigste Enzym bei der Polymerase-Kettenreaktion.
LigaseDas Enzym Ligase katalysiert das Schließen eines Einzelstrangbruchs in einer doppelsträngigen DNA. Dabei wird das 5´-Phosphat von der Ligase unter NADP-Verbrauch zum gemischten Diphosphat. Diese aktivierte Zwischenform wird autokatalytisch durch das 3´-OH unter Bildung eines 5´-3´-Diphosphats gespalten. Ligasen sind wichtige Enzyme in der Biotechnologie.
Okazaki-FragmentDer Japanische Molekularbiologe R. Okazaki erkannte, dass die Synthese des neuen Strangs in ca. 2000 bp großen Abschnitten erfolgt, wenn der Rückwärts-Strang transkribiert wird. Die diskontinuierliche Synthese erfolgt deshalb in so genannten Okazaki-Fragmenten.
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