DNA-Replikation

Beim Vorgang der DNA-Replikation wird eine exakte Kopie eines bestehenden DNA-Abschnittes erstellt. Dieser Vorgang spielt insbesondere während der Zellteilung eine große Rolle.

 

Ablauf

Während der Zellteilung, also bei der Aufteilung einer einzigen Zelle auf zwei neuen Zellen muss die gesamte bestehende Zelle "kopiert" werden. Nicht nur die Zellorganellen müssen in den beiden aus der Zellteilung entstehenden Zellen vorhanden sein, auch die Ursprungs-DNA muss fehlerfrei dupliziert in beiden Zellen vorliegen.

Dazu durchläuft die Erbinformation während der Zellteilung einen aufwändigen Prozess. Dieser startet mit dem Enzym Topoisomerase, das die in Form einer Doppelhelix vorliegenden DNA entwindet, und so einen glatten DNA-Doppelstrang hinterlässt. Das Enzym Helicase spaltet diesen glatten DNA-Doppelstrang nun in zwei Einzelstänge auf, indem die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den gepaarten Basen unter ATP-Verbrauch gelöst werden. Die entstandene „offene Schere“ wird Replikationsgabel genannt.

Der eigentliche Replikationsprozess läuft nun für jeden der beiden Einzelstränge unterschiedlich ab. Das Enzym DNA-Polymerase lagert nun an die freigelegten Einzelstränge zu den vorhandenen Basen die jeweiligen komplementären Basen an. Dabei "läuft" sie entlang des Einzelstranges, lagert die Basen an und hinterlässt einen Doppelstrang. Diese Fortlaufende "Bewegung" ist für die DNA-Polymerase allerdings nur in 5' - 3' Richtung möglich. Der Einzelstrang der in 5' - 3' Richtung vorliegt kann von der DNA-Polymerase also kontinuierlich repliziert werden. Man spricht hier vom "Leitstrang" und der "kontinuierlichen Replikation".

Anders verhält es sich bei dem Einzelstrang, der in 3' - 5' Richtung vorliegt. Damit die DNA-Polymerase komplementäre Basen an den Einzelstrang anfügen kann, muss sie in die entgegengesetzte Richtung laufen. Allerdings findet die DNA-Polymerase von sich aus keinen Einstiegspunkt im fortlaufenden Einzelstrang. Deshalb setzt hier das Enzym Primase kleine RNA-Stücke an den Einzelstrang, der für die DNA-Polymerase als Einstiegspunkt dienen. Die DNA-Polymerase setzt an einem Primer an, läuft in 5' - 3' Richtung am Einzelstrang entlang und lagert wie am Leitsrang komplementäre Basen an, bis sie wieder an einem Primer angelangt ist.

Die von der DNA-Polymerase angelagerten Abschnitte zwischen den Primern nennt man "Okazaki-Filamente. Man spricht hier vom "Folgestrang" und der diskontinuierlichen Replikation. Ergebnis ist hier allerdings ein Doppelstrang, der in einem Einzelstrang abwechselnd Okazaki-Filamente und Primer aufweist, die nicht zu einem gleichmäßigen Strang verbunden sind. Deshalb erfolgen drei weitere Schritte: Das Enzym RNAse H entfernt die RNA-Primer wieder, erneut läuft die DNA-Polymerase über den nun lückenhaften Strang, und lagert in die Lücken die entsprechenden komplementären Basen an. Zum Schluss verbindet das Enzym DNA-Ligase die einzelnen Fragmente zu einem festen Strang.

Im Zellplasma befinden sich freie Nucleotide, die über die Kernporen in den Zellkern gelangen. Damit das Enzym DNA-Polymerase seine Arbeit zur Verkettung der jeweils komplementären Nucleotide mit dem Ursprungsstrang beginnen kann, wird zunächst ein Primer-Molekül benötigt. Ein Primer ist eine Nucleotidsequenz mit einer freien OH-Gruppe, an welche sich das erste Nucleotid mit seiner Phosphatgruppe binden kann. So lagern sich nun spontan die zu den Basen jeweilig komplementären Nucleotide an die freien Einzelstränge an (A – T & G – C). Da die Polymerasen, bei der Bildung des Zucker-Phosphat-Rückgrats, die Nucleotide immer über deren Phosphatgruppe mit dem 3‘-Atom der Desoxyribose verbinden, kann die DNA stets nur in 5‘  3‘ – Richtung repliziert werden.

Die Polymerase wandert also immer und ausschließlich in eben dieser Richtung der Helicase hinterher (= Richtung der Replikationsgabel). Daraus geht hervor, dass der 3‘  5‘ – Einzelstrang problemlos abgelesen und damit am Stück zum Doppelstrang synthetisiert werden kann. Dieser Einzelstrang wird daher auch als kontinuierlicher Strang oder Sinnstrang bezeichnet. Beim diskontinuierlichen Strang, also jener in 5‘  3‘ – Richtung, geht das nicht so einfach. Hier muss die DNA-Polymerase in die entgegengesetzten Richtung der Helicase-Aufspaltung arbeiten. Das bedeutet, die Herstellung des Doppelstranges ist etwas komplizierter. Die Polymerase muss mit frischen Primern immer wieder neu zur Verdopplung ansetzen. Es entstehen dabei kurze DNA-Segmente (bestehend aus Primer und DNA-Stückchen), die so genannten Okazaki-Fragmente. Im nächsten Schritt werden die Primer entfernt und die entstehenden Lücken mit den passenden Nucleotiden gefüllt, bevor die Fragmente vom Enzym DNA-Ligase in 3‘  5‘ – Richtung zur fertigen DNA verknüpft werden.

Aus einem Doppelstrang sind mit Hilfe von Enzymen nun zwei identische Doppelstränge, bestehend aus einem alten Matrizenstrang und einem neuen Komplementärstrang, geworden. Diese Modellvorstellung der DNA-Replikation wird daher semikonservativ genannt (Geschwindigkeit: 50 Nucleotide/Sekunde). Die Exaktheit der DNA-Verdopplung garantiert die Unveränderlichkeit unserer Erbinformation. Daher überprüft die Polymerase während und auch nach der Verkettung stets das korrekte Ausbilden der Wasserstoffbrückenbindungen und ersetzt, falls nötig, Nucleotide bei eingeschlichenen Fehlpaarungen. Sollte sich trotzdem noch ein Fehler in der fertigen DNA wiederfinden (Wahrscheinlichkeit ca. 0,00001 %), sich also beispielsweise eine falsche Base angelagert hat, kommt es zu einer Mutation, genauer gesagt zur Punktmutation, die dann so im Erbgut als Kopiervorlage bei der Zellteilung erhalten bleibt.