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Replikation im Detail (Expertenwissen)

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

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • welche Aufgabe die DNA-Polymerase I hat (Ergänzung 1),
  • wie die Verlängerung eines DNA-Einzelstrangs um ein weiteres Nucleotid genau abläuft (Ergänzung 2),
  • dass die DNA-Polymerase ein großes Enzym ist, das beide DNA-Stränge gleichzeitig kopiert (Ergänzung 3),
  • dass der Folgestrang eine Schleife bilden muss, damit er sich in der richtigen Orientierung in die DNA-Polymerase einfädeln kann,
  • wie man diese Schleifenbildung mit einem einfachen Modell veranschaulichen kann.

Und nun noch ein paar Ergänzungen für Experten und solche, die es werden wollen.

Ergänzung 1

Die Primer erzeugen bekanntlich einen kurzen RNA-Strang, der dann von der DNA-Polymerase III um DNA-Nucleotide ergänzt wird. Was aber passiert mit der ursrpünglichen RNA des Primers? Hier setzt eine andere DNA-Polymerase ein, nämlich die DNA-Polymerase I. Die Aufgabe dieses Enzyms ist es, die RNA-Nucleotide durch entsprechende DNA-Nucleotide zu ersetzen.

Ergänzung 2

Wie erfolgt nun die Verlängerung der DNA-Kette genauer. Betrachten Sie dazu folgende Graphik:

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Verlängerung eines DNA-Einzelstrangs um ein Nucleotid

In diesem Beispiel sieht man einen aus drei Nucleotiden bestehenden DNA-Einzelstrang, der um ein viertes Nucleotid ergänzt wird.

Der Einbau eines Nucleotids in ein Polynucleotid kostet Energie. In der Stufe EF haben Sie sicherlich gelernt, dass Phosphatgruppen eine Möglichkeit der Energiespeicherung darstellen. Die universelle Energiewährung der Zelle ist bekanntlich das ATP, das Adenosintriphosphat. Das ATP-Molekül besteht aus drei Komponenten: Der Base Adenosin, einem Ribose-Molekül und einer Phosphatgruppe.

Das ATP-Molekül (Adenosintriphosphat)

Die Bausteine, aus denen ein DNA-Molekül aufgebaut wird, ähneln dem ATP. Allerdings enthalten die Nucleosidtriphosphate keine Ribose als Zuckerbaustein, sondern Desoxyribose.

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Das Desoxy-ATP-Molekül (Desoxyadenosintriphosphat, kurz dATP)

Neben dem mit dem ATP verwandten dATP gibt es noch die drei anderen DNA-Bausteine, nämlich dGTP, dCTP und dTTP.

Beim Einbau des Desoxy-ATPs oder eines anderen Nucleosidtriphosphats werden zwei der drei Phosphatgruppen abgespalten. Dadurch entsteht erstens das eigentliche Nucleotid mit nur einer Phoshpatgruppe, zweitens wird dadurch die Energie zum Anbau dieses Nucleotids an das 3'-OH-Ende der DNA geliefert.

Allerdings wird die benötigte Energie noch nicht bei der Abspaltung des Pyrophosphats (zwei miteinander verbundene Phosphatgruppen) freigesetzt. Erst wenn das Pyrophosphats in zwei einzelne Phosphatgruppen gespalten wird, entsteht die zum Einbau des Nucleotids erforderliche Energie. In der Abbildung 1 ist dieser Vorgang durch den roten Pfeil angedeutet.

Ergänzung 3

Betrachten wir noch einmal ein grundlegendes Problem bei der DNA-Replikation. Die DNA-Doppelhelix besteht aus zwei DNA-Einzelsträngen, die in entgegengesetze Richtungen verlaufen. Die DNA-Polymerase kann aber stets nur in einer Richtung synthetisieren.

Eine mögliche Lösung für dieses Problem findet sich noch in vielen Schulbüchern: Jeder DNA-Einzelstrang wird durch eine eigenständige DNA-Polymerase kopiert:

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Eine Modellvorstellung, wie sie sich noch in vielen Schulbüchern findet.

Am diskontinuierlichen Folgestrang können mehrere DNA-Polymerasen gleichzeitig arbeiten, um die Okazaki-Fragmente herzustellen.

Leider ist es so einfach nicht. Wie man schon seit einigen Jahren weiß, handelt es sich bei der DNA-Polymerase III um ein sehr großes Enzym, das aus zwei DNA-replizierenden Core-Einheiten besteht, die fest miteinander verbunden sind. Die beiden Core-Einheiten können also nicht unabhängig voneinander die beiden DNA-Stränge replizieren.

Was also tun, sprach Zeus? Wie hat die Natur dieses Problem gelöst? Ich habe mir dazu mal mit Schere, Papier, Bleistift und Digitalkamera ein kleines Modell gebaut, hier ist das Ergebnis:

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Ein Modell der Replikation

Ich habe zwei lange Papierstreifen ausgeschnitten und mit Pfeilen versehen. Die beiden Streifen sollen die beiden entdrillten DNA-Einzelstränge darstellen. Unten im Bild sieht man deutlich, dass die beiden Einzelstränge antiparallel verlaufen, also in entgegengesetzten Richtungen.

Die DNA-Polymerase III habe ich durch eine blaue Pappe dargestellt, die zwei Schlitze besitzt (die aktiven Zentren der Core-Einheiten). Unter die Schlitze habe ich die Syntheserichtung der Polymerase gezeichnet.

Wie man gut sehen kann, muss der rechte Einzelstrang eine Schleife bilden, damit die rechte Core-Einheit in der gleichen Richtung arbeiten kann wie die linke Core-Einheit.

Nach neueren wissenschaftlichen Erkenntnissen wird diese Schleife nach der Fertigstellung eines Okazaki-Fragments wieder aufgebrochen, und für die Synthese des nächsten Okazaki-Fragments bildet sich erneut eine Schleife.

In manchen älteren Schulbüchern findet man noch die einfache Darstellung mit zwei getrennten Polymerasen, einige neuere Bücher wie zum Beispiel der MARKL zeigen aber auch schon die Schleifenbildung:

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Im neuen Markl BIOLOGIE wird die Schleifenbildung schon sehr anschaulich dargestellt

Zwei andere renomierte Schulbücher, das Bioskop und der Linder, stellen die DNA-Replikation leider auch in den aktuellen Auflagen von 2018/2019 immer noch in der vereinfachten Weise ohne Schleifenbildung dar, was ja für das NRW-Abitur auch völlig reicht.

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