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Replikation im Detail Q1, Q2

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

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • wie die DNA-Replikation bei Prokaryoten verläuft und welche Enzyme welche Aufgaben dabei haben,
  • warum die Replikation am Leitstrang relativ unkompliziert verläuft, am Folgestrang jedoch komplexer,
  • was man unter Okazaki-Fragmenten versteht und welche Aufgabe die Ligase bei der Replikation hat.

Überblick

Die DNA-Replikation bei Pro- und Eukaryoten kann in drei Abschnitte eingeteilt werden:

  1. Initiation
  2. Elongation
  3. Termination

Auf dieser Seite sollen diese drei Schritte der bakteriellen DNA-Replikation am Beispiel von Escherichia coli kurz erläutert werden, so dass es für das Biologie-Abitur dicke reicht.

Wer mehr über die Replikation wissen möchte, vielleicht weil er oder sie Biologie oder Medizin studiert, geht auf die Vertiefungs- bzw. Expertenseiten, auf die im laufenden Text verwiesen wird.

1. Initiation

Die ringförmige Bakterien-DNA (am besten erforscht bei Escherichia coli, dem "Haustier" der Bakteriengenetik) besitzt einen Replikationsursprung, der auch als oriC bezeichnet wird. Bestimmte Proteine, die die Basensequenz von oriC erkennen, lagern sich an die DNA-Doppelhelix und entwinden die DNA ein kurzes Stück, es entstehen zwei kurze DNA-Einzelstränge. Im Elektronenmikroskop kann man zu diesem Zeitpunkt eine kleine Blase in der ringförmigen DNA sehen. Im Zuge der Replikation wird diese Replikationsblase immer größer, bis sich die beiden Replikationsgabeln an den Enden der Replikationsblase auf dem DNA-Ring wieder treffen.

Initiation

Eine nähere Beschreibung dieses ersten Schrittes der bakteriellen DNA-Replikation finden Sie auf dieser Vertiefungsseite. Für Schüler(innen) der gymnasialen Oberstufe sind diese Seiten wahrscheinlich zu überfrachtet, aber wenn Sie sich dafür interessieren, sollten Sie sich die Seite ruhig anschauen.

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Modellvorstellung einer Replikationsblase
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende.

Hier sieht man eine solche Replikationsblase im Anfangsstadium. Ein paar der beteiligten Proteine sind eingezeichnet, die anderen Proteine wurden in der Abbildung nicht berücksichtigt (siehe dazu die Expertenseite zur Initiation).

An den Replikationsgabeln entwinden Helicasen den DNA-Doppelstrang. Dadurch entstehen an anderen Stellen der DNA Torsionsspannungen, und Topoisomerasen schneiden das DNA-Rückgrat an bestimmten Stellen durch, so dass sich die DNA wieder "entspannen" kann. Anschließend werden die Schnittstellen wieder verschlossen.

Einzelstrangbindende Proteine lagern sich an die Einzelstränge an und verhindern, dass sich die getrennten komplementären Basen wieder vereinigen. Eine Primase erzeugt ein kurzes RNA-Stück, das zum jeweiligen DNA-Mutterstrang komplementär ist, und die DNA-Polymerase, das Hauptenzym der Elongationsphase, hängt dann neue DNA-Nucleotide an die RNA-Primer.

Die erste DNA-Polymerase wurde von Arthur Kornberg am 16. April 1953 isoliert, er nannte das Enzym DNA-Polymerase I. Kornberg fand auch heraus, dass die Polymerase einen Matrizenstrang benötigt, um zu arbeiten und dass sie die neuen Nucleotide an das 3'-OH-Ende eines DNA-Einzelstrangs anhängt, der dann als Primer bezeichnet wurde. Ohne einen solchen Primer kann die DNA-Polymerase nicht arbeiten.

1959 erhielt Arthur Kornberg den Nobelpreis für Medizin für seine Entdeckungen. Auch sein Sohn Roger erhielt 2006 einen Nobelpreis (Chemie) für seine Arbeiten an der DNA-Polymerase II, und sein anderer Sohn Thomas entdeckte 1970 die DNA Polymerasen II und III.

2. Elongation

Kontinuierliche Elongation am Leitstrang (leading strand)

DNA-Synthese am Folgestrang
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Dieses Bild zeigt eine Darstellung der Elongation, wie man sie auch in vielen Schulbüchern der Oberstufe findet.

Rechts unten im Bild sehen wir den sogenannten Leitstrang. Das ist der DNA-Strang, an dem die DNA-Neusynthese ohne Probleme abläuft. Die DNA-Polymerase am Leitstrang folgt der Helicase und den anderen für die Replikation wichtigen Proteinen, die hier nicht weiter erwähnt werden. Auf dem Bild kann man sehen, wie gerade ein Cystein-Baustein mit seinem 5'-Ende an das 3'-Ende der bisher neu synthetisierten DNA angehängt wird.

Ganz rechts am Leitstrang sehen wir einen RNA-Primer. Diese Primer wurde bereits in der Initiationsphase von einer Primase erstellt. Dazu muss man wissen, dass die DNA-Polymerase nicht "einfach so" mit der DNA-Synthese anfangen kann. Es muss bereits ein Einzelstrang vorhanden sein, an dessen 3'-OH-Ende sie dann das nächste Nucleotid anbauen kann. Während der Initiationsphase erzeugt die Primase einen solchen Primer, allerdings besteht dieser nicht aus DNA-Nucleotiden, sondern aus RNA-Nucleotiden.

Fragen Sie mich jetzt nicht, warum das so ist, das weiß ich im Augenblick auch nicht. Einfacher wäre es bestimmt, wenn "die Natur" DNA-Primer einsetzen würde. Aber wie so oft in der Evolution gab es Sackgassen, also Entwicklungen, die für kurze Zeit (also nur ein paar Millionen Jahre) vorteilhaft waren, sich dann aber als nicht so optimal herausgestellt haben. Aber die Evolution musste dann das Beste daraus machen, sie konnte ja nicht plötzlich wieder ganz von vorn anfangen.

Diskontinuierliche Elongation am Folgestrang (lagging strand)

Die Elongation am Folgestrang ist etwas komplizierter, weil der Folgestrang "in die falsche Richtung" geht. Die Polymerase am Folgestrang bewegt sich auch auf das 5'-Ende des Matrizenstrangs zu und "läuft" daher in die entgegengesetzte Richtung, auf dem Bild nach rechts.

Diskontinuierliche DNA-Synthese am Folgestrang
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Dieses Bild zeigt die Situation nach ein paar Millisekunden. Die Helicasen und anderen relevanten Enzyme sind ein Stück weiter nach links gewandert, die Einzelstrangbereiche haben sich entsprechend nach links erweitert. Die Polymerase des Leitstrangs kann der Replikationsgabel problemlos folgen, die neue DNA, die komplementär zum Leitstrang ist, wird Nucleotid für Nucleotid kontinuierlich verlängert, und der ursprüngliche RNA-Primer wird immer weiter zurückgelassen.

Die Polymerase-Einheit auf dem Folgestrang hat gerade ein kurzes DNA-Fragment fertiggestellt (meistens ca. 1.000 Nucleotide lang). Jetzt stößt sie auf den Primer der vorherigen Replikationsrunde (T-G-C-A-G; in Wirklichkeit auch deutlich länger). An dieser Stelle stoppt die Polymerase-Untereinheit mit der Replikation und setzt weiter vorne an der Replikationsgabel wieder von Neuem an - vorausgesetzt, die Primase hat dort schon wieder einen neuen RNA-Primer erzeugt.

Das war jetzt ungefähr der Kenntnisstand, wie ihn noch viele Oberstufen-Schulbücher vermitteln, vielleicht nicht ganz so ausführlich. Es gibt allerdings noch ein "kleines Problem", das nur in wenigen Schulbüchern berücksichtigt wird. Die beiden Polymerase-Untereinheiten sind nämlich relativ fest und starr miteinander verbunden. So weit, wie oben in dem Bild angedeutet, können die beiden Untereinheiten gar nicht auseinander wandern. Aber auch dieses Problem wird nun auf ganz "einfache" Weise gelöst. Der Folgestrang wird nämlich von der anderen Seite in die Polymerase-Untereinheit eingefädelt.

Karteikartenmodell einer Replikation
Autor: Ulrich Helmich 2018, Lizenz: siehe Seitenende

Hier sehen Sie ein einfaches Modell dieser Replikation. Der Multienzymkomplex Polymerase III wird durch die grüne Karteikarte dargestellt. Die beiden Polymerase-Untereinheiten werden durch die beiden Schlitze in der Karteikarte realisiert. Der Leitstrang wird durch den linken, der Folgestrang durch den rechten Papierstreifen symbolisiert, die aufgemalten Pfeile zeigen die Richtung an, mit der die beiden DNA-Stränge in die Polymerasen "eingefädelt" werden. Durch die Schleifenbildung des Folgestrangs ist es nun tatsächlich möglich, dass der Multienzymkomplex in einer Richtung kontinuierlich über die DNA "wandern" kann und trotzdem die beiden Polymerase-Untereinheiten in entgegengesetzter Richtung arbeiten können.

Während die Polymerase am Leitstrang (leading strand) kontinuierlich weiterarbeiten kann, also ohne Unterbrechungen, stellt die Polymerase am Folgestrang lauter kurze DNA-Fragmente her, die als Okazaki-Fragmente bezeichnet werden. Die DNA-Synthese am Folgestrang erfolgt also diskontinuierlich. Jedes Okazaki-Fragment beginnt mit einem RNA-Primer, der von einer Primase hergestellt wurde.

Eine Ligase wandert dann über die Okazaki-Fragmente, ersetzt die RNA-Primer durch DNA-Nucleotide und verbindet diese dann zu einem einheitlichen Tochter-DNA-Strang.

Elongation/ Schulbücher / Abitur

Einzelheiten zur Elongation erfahren Sie auf dieser Vertiefungsseite. Hier wird auch kurz auf die Behandlung des Themas in Schulbüchern eingegangen und es wird untersucht, inwieweit das Thema "DNA-Replikation" eine Rolle im Zentralabitur NRW spielt. Schüler(innen) der gymnasialen Oberstufe, die ihr Abitur in Biologie machen wollen, sollten sich diese Seite kurz anschauen. Das Meiste werden Sie allerdings davon für das Abitur nicht brauchen. Studierende der Biologie oder Medizin könnten davon aber vielleicht profitieren. In den teuren Fachbüchern ist das natürlich alles viel besser erklärt, aber die kann sich ja nicht jede(r) leisten.

3. Termination

Die Prokaroyten-DNA ist ringförmig und hat nur einen Replikationsursprung. Die Replikationsblase erweitert sich im Laufe der DNA-Replikation, und die Replikationsgabeln entfernen sich immer mehr voneinander. Nun ist die DNA aber ringförmig, das heißt, irgendwann treffen die beiden Replikationsgabeln wieder aufeinander und vereinigen sich. Dann ist die Replikation abgeschlossen, und wir haben zwei doppelsträngige DNA-Ringe vor uns, die nicht mehr miteinander verbunden sind. Die Zelle kann sich nun teilen, und jede Tochterzelle bekommt einen dieser DNA-Ringe.

Bei Eukaryoten ist die Sache komplizierter. Eukaryoten haben ja mehrere lange Chromosomen mit je einem sehr langen DNA-Molekül, zumindest nach der Mitose. Ein solches Chromosom hat nicht einen, sondern viele Replikationsursprünge. Es bilden sich also gleichzeitig viele Replikationsblasen, die immer größer werden. Die Replikationsgabeln dieser Blasen wandern aufeinander zu und vereinigen sich dann. Schließlich ist das ganze Chromosom quasi eine einzige Replikationsgabel, und dann trennen sich die beiden DNA-Tochterstränge voneinander. Das Chromosom besteht dann aus zwei Chromatiden, und jedes Chromatid enthält eine komplette DNA-Doppelhelix.

Das war jetzt eine sehr kurze Darstellung der Termination, aber wahrscheinlich immer noch mehr, als in den meisten Schulbüchern steht. Demnächst werde ich aber eine Seite für Spezialisten schreiben, auf der die Vorgänge der Termination noch detaillierter erläutert werden.

Quellen:

  1. Allgemeines Schulbuchwissen.
  2. Jochen Graw: Genetik, 7. Auflage, Springer Spektrum, Berlin 2021.
  3. "Die Entdeckung der DNA Polymerase" auf www.biomol.com.

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