Die DNA-Replikation ist ein kontrollierter und durch Enzyme gesteuerter Vorgang, der zur identischen Verdopplung der DNA in der Interphase des Zellzykluses führt.
Ablauf
Schritt 1: Initiation
- Die Topoisomerase entspiralisiert die Doppelhelix.
- Die Helikase öffnet bzw. trennt die beiden Stränge, wobei Wasserstoffbrücken unter ATP-Verbrauch aufgespalten werden (Entzopfung).
- Dies führt zur Bildung einer Y-förmigen Stelle (Replikationsgabel).
- Proteine binden an die Einzelstränge, um das Wiederzusammenlagern der Basen zu verhindern und einen Angriff durch DNA-spaltende Enzyme zu verhindern.
- Primer ("Startmoleküle") werden vom Enzym Primase gebildet und jeweils am 3'-Ende des Matrizenstranges befestigt.
Schritt 2: Elongation
- Die getrennten Einzelstränge dienen als Matrize für die Erstellung eines komplementären Strangs.
- DNA-Polymerase III fügt Nukleotide an das 3'-Ende des Primers hinzu. Die Neusynthese erfolgt immer in der 5'-3'-Richtung.
- Die Synthese erfolgt nur am Führungsstrang (3'-5') kontinuierlich. Am Folgestrang erfolgt die Neusynthese diskontinuierlich in Abschnitten (ca. 100-200 Nukleotide), die als Okazaki-Fragmente bezeichnet werden.
- Primer werden durch DNA-Polymerase I durch DNA-Nukleotide ausgetauscht, und die Fragment werden durch Ligase unter ATP-Verbrauch verbunden.
Schritt 3: Termination
- Die Replikation durch die DNA-Polymerase und Primase endet an bestimmten Basensequenzen der DNA oder wenn zwei Replikationskomplexe aufeinander treffen.
- Wenn die DNA vollständig repliziert ist, werden die beiden entstandenen Tochter-DNA-Moleküle voneinander getrennt und der Zellzyklus wird fortgesetzt.
Kontinuierlicher und Diskontinuierlicher Verlauf
Kontinuierlicher Verlauf (Leit-/Führungsstrang)
Die DNA-Polymerase synthetisiert die DNA in Richtung der Bewegung der Replikationsgabel. Dadurch kann der Strang kontinuierlich neusynthetisiert werden.
Diskontinuierlicher Verlauf (Folgestrang)
Beim Folgestrang wird entgegen der Bewegungsrichtung der Replikationsgabel synthetisiert, wodurch sich Lücken bilden, die von der Primase mit Primern aufgefüllt werden.
Funktion der Enzyme
- Topoisomerase: Entwindung der Doppelhelix
- Helikase: Öffnung der Doppelstränge durch Trennung der Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen
- Primase: Synthese eines RNA-Abschnitts zum Start (Primer)
- DNA-Polymerase III: DNA-Synthese am 3'-Ende durch das Anfügen komplementärer Nukleotide an die jeweiligen Einzelstränge
- DNA-Polymerase I: Ersetzt Primer der Okazaki-Fragmente durch DNA und kann Fehlenpaarungen und Lücken erkennen, wodurch es Funktionen in der DNA-Reparatur besitzt
- DNA-Ligase: Verknüpfung der gebildeten Stränge
Die DNA-Replikation ist also ein hochregulierter Prozess, der durch die Zusammenarbeit verschiedener Enzyme und die koordinierte Sequenz von Initiation, Elongation und Termination ermöglicht wird. DNA-Replikation ist ein wichtiger Vorgang in der Interphase des Zellzyklus, der zur identischen Verdopplung der DNA führt. Das vollständige Verständnis dieses Prozesses ist von großer Bedeutung für die molekulare Biologie und Genetik. Interessierte finden detaillierte Informationen zum Ablauf der DNA-Replikation in wissenschaftlichen Artikeln, Arbeitsblättern und PDF-Dateien.
