Flussdiagramm der DNA-Replikation

Die DNA-Replikation verläuft semikonservativ, was bedeutet, dass jeder neuentstandene DNA-Doppelstrang aus einem alten und einem neu synthetisierten Einzelstrang besteht. Der Ablauf gliedert sich in mehrere Schritte:

• Die Topoisomerase entwindet zunächst den DNA-Doppelstrang, um Spannungen zu lösen
• Die Helicase bricht die Doppelhelix in zwei Einzelstränge auf, indem sie die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren löst
• Dadurch entsteht die charakteristische Replikationsgabel
• Die Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkt für die DNA-Polymerase dienen
• Die DNA-Polymerase III bindet an diese Primer und baut neue komplementäre DNA-Stränge in 5' → 3' Richtung auf

Wichtiges Konzept: Bei der semikonservativen Replikation entsteht aufgrund der festgelegten Syntheserichtung der DNA-Polymerase (immer in 5' → 3' Richtung) ein Leitstrang und ein Folgestrang.

Die Besonderheit dieses Prozesses liegt darin, dass die DNA-Polymerase nur in eine Richtung arbeiten kann, was zur Bildung von zwei unterschiedlich synthetisierten Strängen führt.

Leitstrang und Folgestrang

Die DNA-Replikation erfolgt auf den beiden Einzelsträngen unterschiedlich:

• Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert, da die DNA-Polymerase in Richtung der Replikationsgabel arbeiten kann
• Beim Folgestrang erfolgt die Synthese diskontinuierlich, weil die DNA-Polymerase gegen die Öffnungsrichtung der Replikationsgabel arbeiten muss
• Die DNA-Polymerase muss beim Folgestrang immer wieder zurücksetzen und die Synthese mit einem neuen Primer beginnen
• Dadurch entstehen die sogenannten Okazaki-Fragmente - kurze Abschnitte des Folgestrangs

Schlüsselprozess: Die diskontinuierliche Replikation des Folgestrangs führt zur Bildung von Okazaki-Fragmenten, die später durch die Ligase miteinander verbunden werden müssen.

Der Prozess wird abgeschlossen durch:

• Die DNA-Polymerase I entfernt die RNA-Primer und füllt die entstandenen Lücken mit DNA-Nukleotiden
• Die Ligase verknüpft schließlich alle Okazaki-Fragmente und stellt so einen durchgehenden DNA-Strang her

Die Okazaki-Fragmente wurden von ihren Entdeckern, dem Ehepaar Reiji und Tsuneko Okazaki, benannt und sind ein entscheidendes Element der DNA-Replikation.

Enzyme der DNA-Replikation

Verschiedene Enzyme übernehmen bei der DNA-Replikation spezifische Aufgaben:

• Topoisomerase: Entwindet den DNA-Doppelstrang und löst Spannungen

  • Topoisomerase 2 spielt eine besonders wichtige Rolle bei der Vorbereitung der DNA
  • Dieses Enzym ist auch bei der Transkription aktiv (Topoisomerase Transkription)

• Helicase: Bricht die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren auf und erzeugt zwei Einzelstränge

  • Ermöglicht den Zugang für weitere Enzyme zur DNA

• Primase: Synthetisiert RNA-Primer und heftet diese am 3'-Ende des Templates an

  • Diese Primer dienen als Startpunkte für die DNA-Polymerase

• DNA-Polymerase: Synthetisiert am Leitstrang kontinuierlich in Richtung der Replikationsgabel (5'→3')

  • Arbeitet immer vom 5'-Ende zum 3'-Ende des wachsenden Strangs

Wichtige Enzyme: Die DNA-Polymerase kann nur in 5'→3' Richtung arbeiten, was der Grund für die Entstehung von Leit- und Folgestrang ist. Diese Einschränkung bestimmt den gesamten Ablauf der DNA-Replikation.

Die Zusammenarbeit dieser Enzyme gewährleistet eine präzise Verdopplung des genetischen Materials und verhindert Fehler, die zu Mutationen führen könnten.