DNA Replikation

Die DNA-Replikation ist ein fundamentaler Prozess, der vor der Mitose und Meiose stattfindet, um die DNA einer Zelle zu verdoppeln. Dieser Vorgang läuft während der Interphase ab und umfasst mehrere komplexe Schritte.

Der Ablauf der DNA-Replikation lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1. Das Enzym Topoisomerase entwindet die DNA-Doppelhelix, gefolgt von der Helikase, die eine Y-förmige Replikationsgabel bildet.

2. Die Helikase spaltet den entspiralisierten Doppelstrang zu zwei Einzelsträngen, indem sie die Wasserstoffbrückenbindungen unter ATP-Verbrauch auflöst.

3. Die Primase synthetisiert an den 3'-Enden sogenannte Primer, die als Startpunkte für die eigentliche Replikation dienen.

4. Die DNA-Polymerase beginnt am 3'-Ende des Primers mit der Synthese komplementärer Basen, wodurch ein neuer DNA-Doppelstrang entsteht.

Highlight: Die DNA-Polymerase kann nur in 5' nach 3' Richtung arbeiten, was zu einer kontinuierlichen Synthese am Leitstrang und einer diskontinuierlichen Synthese am Folgestrang führt.

5. Am Folgestrang entstehen durch wiederholtes Setzen von Primern die sogenannten Okazaki-Fragmente.

6. RNase H entfernt die RNA-Primer, und eine weitere DNA-Polymerase füllt die entstandenen Lücken mit komplementären Basen.

7. Zuletzt verknüpft das Enzym Ligase den diskontinuierlich gebildeten Strang durch Esterbindungen.

Example: Bei Prokaryoten verläuft die DNA-Replikation ähnlich, jedoch mit dem Unterschied, dass ihre DNA ringförmig vorliegt und die Replikation im Cytoplasma stattfindet.

Das Ergebnis der DNA-Replikation sind zwei identische DNA-Stränge, die jeweils aus einem alten und einem neu synthetisierten Strang bestehen. Dies wird als semikonservative Replikation bezeichnet.

Vocabulary: Semikonservative DNA-Replikation bedeutet, dass jeder neue DNA-Doppelstrang aus einem ursprünglichen und einem neu synthetisierten Einzelstrang besteht.

Aufbau der DNA und Nukleinsäuren

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist der zentrale Träger der Erbinformation in Lebewesen. Sie kommt bei Eukaryoten im Zellkern, in Mitochondrien und Chloroplasten vor, während manche Prokaryoten zusätzlich kleine DNA-Ringe, sogenannte Plasmide, besitzen. Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der für ein bestimmtes Protein codiert, wodurch die DNA als Bauplan für die Proteinherstellung fungiert.

Die Grundbausteine der DNA sind Nukleotide, die aus drei Komponenten bestehen:

1. Phosphorsäure-Moleküle
2. Zucker-Moleküle (Desoxyribose)
3. Stickstoffhaltige, organische Basen

Vocabulary: Die Basen der DNA werden in zwei Gruppen unterteilt:

• Purinbasen: Adenin (A) und Guanin (G)
• Pyrimidinbasen: Cytosin (C) und Thymin (T)

Die Verknüpfung dieser Bausteine erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst bildet sich ein Nukleosid aus der Verbindung von Zucker und Base. Ein Nukleotid entsteht dann durch die Verknüpfung des Nukleosids mit Phosphorsäure. Die Verbindung vieler Nukleotide führt zur Bildung eines Polynukleotidstrangs.

Definition: Ein Codon ist die Gesamtheit von drei aufeinanderfolgenden Basen einer Nukleinsäure, die den Schlüssel für eine Aminosäure im Protein darstellen.

Die räumliche Struktur der DNA wurde 1953 von Watson und Crick beschrieben. Sie besteht aus zwei gegenläufigen, antiparallelen Polynukleotidsträngen, die eine Doppelhelix bilden. Die Zucker-Phosphat-Bänder bilden dabei das Rückgrat der DNA, während die Basen nach innen gerichtet sind.

Highlight: Die komplementäre Basenpaarung durch Wasserstoffbrückenbindungen ist ein Schlüsselmerkmal der DNA-Struktur: Adenin paart mit Thymin (zwei H-Brücken), Cytosin paart mit Guanin (drei H-Brücken).

Die DNA-Doppelstrang-Struktur weist 10 Basenpaare pro Windung der Doppelhelix auf. Die Abfolge der Basen, auch als Basensequenz bezeichnet, bestimmt die genetische Information.