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Replikation im Detail (Vertiefungswissen)

Grundprinzip - Entdeckung - Replikation im Detail - Polymerase-Kettenreaktion - Fehler der Repl. - Evolution der Repl.

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • dass die Replikation auf dem Leitstrang kontinuierlich abläuft,
  • dass die Replikation auf dem Folgestrang diskontinuierlich abläuft,
  • was man unter Okazaki-Fragmenten versteht,
  • welche Aufgabe die Ligase hat,
  • wieso die Replikation auf dem Folgestrang sich von der Replikation auf dem Leitstrang unterscheidet.

Die DNA-Synthese durch die DNA-Polymerase III (siehe Grundwissen) kann nur in einer Richtung verlaufen, nämlich in der so genannten 5' --> 3' - Richtung. Betrachten wir dazu einen sehr kurzen, aus nur vier Nucleotiden bestehenden DNA-Einzelstrang:

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Ein aus vier Nucleotiden bestehender DNA-Einzelstrang

Wir sehen, dass dieser Einzelstrang eine definierte Polarität hat. Das eine Ende ist gekennzeichnet durch eine Phosphatgruppe am C-Atom Nr. 5 der Desoxyribose, das andere Ende besitzt am C-Atom Nr. 3 eine Hydroxygruppe. Die DNA-Polymerase III der Prokaryoten kann ein neues Nucleotid aber nur an die OH-Gruppe am 3'-Ende des Einzelstranges anhängen. Die DNA kann also nur in dieser 3'-Richtung verlängert werden. Damit ist die "Marschrichtung" der DNA-Polymerase festgeschrieben, sie muss sich an dem DNA-Einzelstrang in der 5' -> 3' - Richtung bewegen.

Wenn beide Stränge der DNA-Doppelhelix in die gleiche Richtung verlaufen würden, wäre die gleichzeitige Replikation der beiden Stränge kein Problem. Eine Polymerase würde den einen Strang replizieren, eine zweite Polymerase den anderen Strang. Dummerweise verlaufen die beiden Stränge der Doppelhelix aber in entgegengesetzter Richtung, so dass das einfache Modell nicht funktioniert:

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Die Polymerase kann immer nur in einer Richtung arbeiten

Daraus ergibt sich ein gravierendes Problem. Wie die Zelle dieses Problem gelöst hat, zeigt die folgende Reihe von Abbildungen:

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Helicase (grün) trennt den Doppelstrang auf

Die Helicase hat einen Teil der DNA aufgetrennt bzw. entwunden. Sie arbeitet so ähnlich wie der Zipper eines Reißverschlusses - allerdings nur in einer Richtung. "Zumachen" kann die Helicase die getrennten Stränge nicht, da hinkt der Vergleich mit dem Reißverschluss etwas.

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Polymerase (rot) synthetisiert neue DNA

Die Helicase (grün) hat sich nach links "vorgearbeitet". Zwei Polymerase-Moleküle (rot) setzen sich auf die DNA-Einzelstränge und beginnen mit der Synthese der DNA-Tochterstränge (rot). Die eine Polymerase folgt der Replikationsgabel, während die andere Polymerase in entgegengesetzter Richtung arbeiten muss - immer zum 5'-Ende der DNA hin.

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Kurze Zeit später

Die Replikationsgabel befindet sich noch weiter links. Die Polymerase auf dem sogenannten Leitstrang ist der Helicase gefolgt und hat bereits einen langen Tochterstrang hergestellt. Die Polymerase auf dem Folgestrang ist weiter nach rechts gewandert und hat ebenfalls einen langen Tochterstrang synthetisiert.

Zwischen der Replikationsgabel und dem oberen Tochterstrang ist eine deutliche Lücke zu sehen, in der die Mutter-DNA nur einsträngig ist. Je weiter die Replikationsgabel nach links wandert, desto größer wird diese Lücke.

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Die Lücke wird geschlossen

Die Helicase setzt ihre Arbeit fort und wandert weiter nach links, auch die Leitstrang-Polymerase synthetisiert kontinuierlich ihren Tochterstrang weiter. Am Folgestrang ist die Lücke zwischen Helicase und 5'-Ende des Tochterstrangs noch größer geworden. Nun setzt sich aber ein weiteres Polymerase-Molekül in diese Lücke und beginnt mit der Synthese eines neuen Tochterstrang-Fragments.

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Die zweite Polymerase am Folgestrang schließt auf

Die Polymerase am Leitstrang setzt ihre Arbeit kontinuierlich fort, daher bezeichnet man den Leitstrang auch als kontinuierlichen Strang. Die erste Polymerase des Folgestrangs - auf dem Bild nicht mehr zu sehen - hat ihre Arbeit eingestellt und löst sich von der DNA. Die neue Folgestrang-Polymerase synthetisiert den Tochterstrang weiter, bis sie an das 5'-Ende des bereits hergestellten Tochterstrangs stößt. Dann bricht diese Polymerase ebenfalls ihre Arbeit ab. Wegen dieser diskontinuierlichen DNA-Synthese bezeichnet man den Folgestrang oft auch als diskontinuierlichen Strang.

Inzwischen ist die Helicase noch weiter nach "links" gewandert, und es ist eine neue Lücke zwischen der Replikationsgabel und dem gerade eben synthetisierten OKAZAKI-Fragment entstanden (so nennt man die kurzen DNA-Fragmente, die bei der diskontinuierlichen Synthese entstehen). Ein weiteres Polymerase-Molekül setzt sich an die neue Einzelstrangstelle und beginnt hier wieder mit der Synthese eines OKAZAKI-Fragments.

Durch ein spezielles Enzym, eine Ligase (hier nicht eingezeichnet), werden die einzelnen Okazaki-Fragmente schließlich miteinander verbunden.

Das hier vorgestellte Modell der DNA-Replikation ist völlig veraltet, steht so aber noch in vielen älteren Schulbüchern. Man hat inzwischen herausbekommen, dass nicht viele einzelne Polymerase-Moleküle für die Replikation verantwortlich sind, die unabhängig voneinander an der DNA "entlangsausen", sondern dass ein einziges großes Polymerase-Molekül hierfür verantwortlich ist. Mehr dazu auf der nächsten Vertiefungsseite bei Punkt "Ergänzung 3".

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