DNA Replikation – Ablauf und Erklärung

DNA Replikation - Ablauf und Erklärung

Ablauf DNA Replikation

Damit beide Zellen nach der Teilung die vollständigen Erbinformationen besitzen, müssen vor einer Zellteilung alle DNA-Fäden im Zellkern verdoppelt werden. Dieser Ablauf wird Replikation genannt. Damit die beiden DNA-Stränge überhaupt gelesen werden und als Matrize bei der Replikation mitwirken können, wird die DNA zunächst entwunden und aufgetrennt. Das Enzym Helicase trennt die beiden Einzelstränge der Doppelhelix voneinander. Damit sich die Basen der beiden Einzelstränge nicht wieder vereinigen, lagern sich unmittelbar hinter der Trennungsstelle spezielle Proteine an.

Ein Enzym, das für die Verknüpfung zuständig ist, die DNA-Polymerase III, schweift in kurzem Abstand hinter der vorstoßenden Helicase her und erzeugt an jedem der beiden Einzelstränge einen neuen Tochterstrang. Da die DNA-Polymerase nur bereits gegenwärtige Nukleotidketten verlängern kann, benötigt sie kleine Startsequenzen: Startsequenzen sind kurze RNA-Moleküle, Primer genannt, die das Enzym Primase bildet. Für die Synthese eines neuen Strangs zieht die DNA-Polymerase III frei in der Zelle vorhandene Nukleotide an und vereinigt diese mit den Einzelsträngen. Die DNA Polymerase III speichert nur solche Nukleotide an, die komplementär zum Ausgangsstrang sind. So wird Adenin immer mit Thymin verbunden und Cytosin mit Guanin.
Die Verdopplung der Einzelstränge findet nicht auf die gleiche Weise statt: Die DNA-Polymerase III kann einen frischen Strang immer nur in eine Richtung verlängern. Darum wird nur einer der beiden Tochterstränge fortdauernd synthetisiert. Damit beide Stränge der Doppelhelix trotzdem gleichzeitig und in eine Richtung synthetisiert werden können, wird der gegenläufige Tochterstrang häppchenweise aus Fragmenten zusammengesetzt. Die DNA-Polymerase III doppelt nur ein kurzes DNA-Stück von ca. 1.000 Nukleotid-Bausteinen. Der betreffende DNA-Abschnitt wird zunächst entgegen der voranschreitenden Helicase, also rückwärts, synthetisiert. Dann trennt sich die DNA-Polymerase III von der DNA, schnellt in Richtung der gewanderten Trennungsstelle und produziert dort erneut einen kurzen DNA-Abschnitt. Die so entstandenen DNA-Teilabschnitte werden nach ihrem Entdecker Okazaki-Fragmente genannt. Die DNA-Polymerase III benötigt für diese beständigen Anlagerungen immer neue Primer. Die DNA-Polymerase I entfernt die Primer im Anschluss und füttert die entstandenen Lücken mit passenden Nukleotiden. Den Polymerasen folgen die DNA-Ligasen, deren Aufgabe es ist, die Okazaki-Fragmente zu verbinden und fertig sind zwei neue DNA-Stränge.

Als Resultat erhält man im neuen Doppelstrang dieselbe „Bausteinsequenz“ wie im anfänglichen DNA-Doppelstrang. Die DNA wurde also identisch reproduziert.

Fehler bei der Replikation können schwere Schäden für die entstehenden Zellen bedeuten. Darum ist die Kopiergenauigkeit sehr hoch und liegt bei etwa einem Fehler pro eine Milliarde Verbindungen, was etwa einem Tippfehler auf ca. 500.000 Schreibmaschinenseiten entspricht. Die Zelle verfügt zudem über besondere Enzyme, die hinter der Replikationsgabel Korrekturen vornehmen und unpassende Bausteine durch die passenden ersetzen.

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