Replikation der DNA: Initiation, Elongation & Termination

Wenn sich eine Zelle teilt (Mitose) muss vorher erstmal das genetische Material, also die DNA verdoppelt werden, um auf beide Tochterzellen verteilt werden zu können. Dieser Vorgang wird auch Replikation genannt. Dabei wird eine identische Kopie der DNA angefertigt.

Struktur der DNA

Die DNA hat die Struktur einer sogenannten Doppelhelix, zwei sich umwindende Stränge. Die Bausteine der DNA sind die Nukleotide. Sie bestehen aus einem Zucker (Desoxyribose), einer Phosphatgruppe und einer Base. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Oftmals werden sie nur mit dem Anfangsbuchstaben abgekürzt. Es paaren sich immer nur die DNA Basen Adenin (A) mit Thymin (T) und Guanin (G) mit Cytosin (C). Dieser Mechanismus heisst auch komplementäre Basenpaarung.

Wie bereits erwähnt, besteht die DNA aus einem Doppelstrang. Zwei DNA-Stränge liegen sich gegenüber und sind miteinander über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden. Die DNA-Einzelstränge haben auch eine Richtung: Der Anfang des DNA-Strangs wird 5'-Ende, und der Schluss des DNA-Strangs 3'-Ende genannt. Diese Bezeichnung klingt zuerst komisch, leitet sich aber von der Ausrichtung der Kohlenstoffatome der Desoxyribose ab. Die DNA-Stränge verlaufen antiparallel zueinander. Das bedeutet, dass das 5'-Ende des Strangs immer dort liegt, wo das 3'-Ende des anderen Strangs liegt. Zusammen bilden die beiden DNA-Stränge eine spiralförmige Struktur, die Doppelhelix. In der nächsten Abbildung kannst Du auch erkennen, dass es eine grosse und eine kleine Furche gibt, die sich durch die Struktur ergibt.

Grosse Furche​ Kleine Furche 3'-5' DNA Einzelstrang 5'-3' DNA Einzelstrang Wasserstoffbrückenbindung Base (A, T, G, C) ​

Die Replikation

Die Verdopplung der DNA (Replikation) vor jeder Zellteilung (Mitose) ist notwendig, damit jede Tochterzelle die gleiche chromosomale DNA wie die Ausgangszelle erhält. Nach der Replikation liegen zwei neue DNA-Doppelstränge vor, die aus je einem neuen und einem alten Einzelstrang bestehen. Der alte DNA-Einzelstrang dient also als Vorlage für die Synthese eines neuen Einzelstrangs. Dieser Mechanismus wird auch als semikonservative Replikation bezeichnet.

Die Replikation kann in drei Phasen unterteilt werden:

1. Initiation
2. Elongation
3. Termination

Anschliessend findet eine Korrektur der DNA statt, um Fehler auszubessern und Mutationen zu verhindern.

Initiation: Start der Replikation

Die Replikation startet an mehreren Stellen der DNA, da die DNA sehr lang ist und es sonst viel zu lange dauern würde. Es wird geschätzt, dass es beim Menschen bis zu $$20 \,000$$​ Startpunkte für die Replikation gibt. Diese Startpunkte werden von Enzymkomplexen erkannt. Diese Komplexe bestehen aus mehreren verschiedenen Enzymen, die unterschiedliche Funktionen haben. Das Enzym Topoisomerase zum Beispiel kann die DNA-Doppelhelix entspiralisieren. Die Helikase bewegt sich immer in 5'-3'-Richtung und kann den DNA-Doppelstrang durch das Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen auftrennen. Dabei entsteht an jedem Startpunkt eine Y-förmige Stelle, die auch als Replikationsgabel bezeichnet wird. Die beiden aufgetrennten DNA-Einzelstränge heissen auch Matrizen. Um zu verhindern, dass sich die DNA-Einzelstränge wieder zusammenfügen, lagern sich verschiedene Proteine an, um die DNA Einzelstränge zu stabilisieren.

Bevor die Elongation starten kann, werden allerdings noch Startmoleküle (Primer) benötigt, die von einem Enzym, der Primase, hergestellt werden. Ein Primer ist ein kurzes RNA-Stück, das aus wenigen Nukleotiden besteht und jeweils am 3'-Ende der Matrize befestigt wird.

Elongation: Synthese der neuen DNA-Stränge

Sobald der DNA-Doppelstrang aufgetrennt wurde und Primer an die Startstellen angebracht wurden, kann die Replikation beginnen. Der alte DNA-Einzelstrang dient also als Vorlage für den neuen Strang, was als semikonservative Replikation bezeichnet wird.

Das Enzym Polymerase fügt Schritt für Schritt neue Nukleotide (Zucker + Base + Phosphatgruppe) an die Matrize und verlängert somit den neuen DNA-Strang. Hierbei ist es nochmal wichtig zu wissen, dass nur komplementäre Basenpaare miteinander verknüpft werden können, also Adenin (A) und Thymin (T), sowie Guanin (G) und Cytosin (C). Genauso wie die Helikase kann sich die Polymerase entlang der Matrize nur in Richtung 5'-Ende zu 3'-Ende bewegen. Am Ende der Elongation werden die Primer noch gegen DNA Nukleotide ausgetauscht.

Gegenläufigkeit der DNA-Stränge

Die DNA-Einzelstränge verlaufen antiparallel zueinander. Das bedeutet, dass sie gegenläufig zueinander sind. Sobald die DNA-Doppelhelix aufgetrennt ist, verlaufen die Polymerasen in entgegengesetzte Richtungen, nämlich immer vom 5'-Ende Richtung 3'-Ende entlang der Matrize. An einer Replikationsgabel kann deshalb nur ein Strang kontinuierlich wachsen, während der andere immer wieder neu begonnen werden muss. Der kontinuierlich wachsende Strang wird als Leitstrang und der andere als Folgestrang bezeichnet. Am Folgestrang entstehen immer 100 bis 200 Nukleotide lange Abschnitte, sogenannte Okazaki-Fragmente. Im letzten Schritt schliesst das Enzym Ligase die Lücken zwischen den Okazaki-Fragmenten. Das kannst Du Dir wie eine Art Kleber vorstellen.

Termination

Sobald zwei Replikationsgabeln aufeinander laufen oder der DNA-Strang endet, wird die Replikation automatisch beendet.

Enzyme der Replikation

Chromosomenenden

Die Primer an den äussersten 5'-Enden der neu synthetisierten Tochterstränge können zwar entfernt werden, aber nicht ersetzt wie alle anderen Primer. Das liegt daran, dass die DNA-Polymerase nicht imstande ist, dort einen neuen Strang zu beginnen. Deshalb wird bei jeder Replikation die DNA am 5'-Ende ein Stück kürzer.

Kurze Erinnerung: Die DNA liegt in Form von Chromosomen vor. Die Enden der Chromosomen nennt man Telomere.

An den Telomeren befindet sich keine genetische Information, damit durch die Verkürzung keine verloren geht. Telomere schützen die Chromosomen vor dem Abbau. In den Keimzellen (Eizelle, Spermium) und manchen Stammzellen ist das Enzym Telomerase aktiv. Es kann die Telomere um kleine DNA-Stücke verlängern, damit die Telomere keine kritische Länge unterschreiten.

Die Telomerase ist aber nicht in den meisten Zellen aktiv, weshalb die Zellen irgendwann sterben.

Replikationsgenauigkeit

Es kann passieren, dass während der Replikation manchmal eine falsche Base eingebaut wird. Diese Fehler können aber korrigiert werde. Polymerasen haben eine Korrekturlesefunktion, die bereits während der Replikation falsche Basenpaarungen korrigiert. Nach der Replikation können Reparaturenzyme auch noch Fehler korrigieren.

Zusammenfassung

​​DNA Struktur

• Die Replikation ist die Verdopplung der DNA.
• Vor jeder Zellteilung muss die Replikation stattfinden, damit beide Tochterzellen die identische DNA der Vorgängerzelle erhalten.
• Die DNA besteht aus zwei DNA-Einzelsträngen, die über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind.
• Die Struktur der DNA wird auch als DNA-Doppelhelix bezeichnet.
• Die DNA besteht aus vielen aneinander gereihten Nukleotiden.
• Nukleotide bestehen aus einem Zucker (Desoxyribose), einer Phosphatgruppe und einer Base.
• Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T).
• Komplementäre Basenpaarung: Adenin kann nur Cytosin binden, und Guanin nur Thymin.
• Wasserstoffbrückenbindungen verbinden beide Einzelstränge zu einem Doppelstrang.
• Als 5'-Ende wird der Anfang des DNA-Strangs bezeichnet, das 3'-Ende ist der Schluss.
• Die DNA-Einzelstränge verlaufen antiparallel zueinander.
• Als Doppelhelix wird die spiralförmige Struktur des Doppelstrangs bezeichnet.

​​Replikation

Initiation

• An mehreren Startpunkten wird die DNA entspiralisiert durch die Topoisomerase, während die Helikase die Wasserstoffbrückenbindungen auftrennt.
• Die aufgetrennten Einzelstränge werden Matrize genannt und dienen als Vorlage für die Kopie.
• An jedem Startpunkt entsteht eine Replikationsgabel.
• Die Primase stellt Primer her, die den Startpunkt für die Replikation markieren.

Elongation

• Die Polymerase fügt Schritt für Schritt neue komplementäre Nukleotide an den alten Einzelstrang.
• Die Elongation erfolgt entlang der Matrize vom 5'-Ende in Richtung 3'-Ende.
• Der Mechanismus wird auch als semikonservative Replikation bezeichnet, da der alte Einzelstrang als Vorlage für den neuen Einzelstrang dient.
• Durch die vorgegebene Richtung unterscheiden sich die beiden Einzelstränge: der kontinuierlich wachsende Strang wird Leitstrang bezeichnet, und der andere als Folgestrang.
• Am Folgestrang können nur kurze Abschnitte nacheinander repliziert werden, sogenannte Okazaki Fragmente.
• Die Ligase schliesst die Lücken zwischen den Okazaki-Fragmenten.

Termination

• Die Replikation endet, sobald zwei Replikationsgabeln aufeinander treffen oder der DNA-Strang endet.