Replikation [M1] der DNA
Aus Gründen der Fortpflanzung oder des Wachstums muss
sich jede Zelle eines Organismus teilen. Die Verdopplung der DNS (Replikation)
erfolgt in der S-Phase des Zellzyklus.
Nach einer Mitose enthalten die Tochterzellen die
gleichen Erbinformationen, wie die Mutterzellen, weil vorher die DNA identisch
kopiert und auf beide Zellen verteilt wurde. Diesen Vorgang nennt man
Replikation.
Beim Bakterium E. coli ist der Verlauf der Replikation
am bekanntesten. Zuerst sammeln sich Enzyme an einen Startpunkt. Dort wird die DNA
entschraubt und dann durch das Enzym Helicase in zwei Einzelstränge
aufgetrennt. An die freien Basen heften sich Proteine locker an, damit die
Einzelstränge nicht wieder zusammenkommen können. Hinter der vorrückenden
Helicase wandert das Enzym-Polymerase her. Es baut aus dem Zellplasma
Nukleotide an den "Original"-Einzelstrang an und verbindet sie dann zu einem
neuen Einzelstrang. Die Polymerase lagert nur Nukleotide an, die komplementär
zum Originalstrang sind. Dadurch ergibt sich ein neuer Doppelstrang, der
dieselbe Basensequenz hat, wie das Original. Die Polymerase kann nur in der
Richtung 5' nach 3' schnell und genau einen neuen Einzelstrang aufbauen. Nur an
diesem Einzelstrang kann sie direkt der Helicase folgen. Der andere
Einzelstrang wird erst ergänzt, wenn ein größeres Stück der DNA aufgetrennt
ist. Wenn dies geschehen ist, baut die DNA-Polymerase entgegen der
Wanderungsrichtung der Helicase (also auch von 5' nach 3') den fehlenden
Einzelstrang auf, bis sie auf ein schon repliziertes Stück stößt. Das heißt, dass dieser Einzelstrang
stückweise repliziert wird. Durch das Enzym Ligase werden die einzelnen Stücke
zu einem durchgehenden Strang verbunden. Dieser Vorgang verlangt eine enorme
Exaktheit. Die Kopiergenauigkeit liegt bei etwa einem Fehler pro 10 Nukleotiden. Das entspricht etwa einem
Tippfehler auf ca. 500000 Maschinen geschriebene Seiten. Wenn aber ein
Kopierfehler auftritt, kann es zur Folge haben, dass schwere Schäden in den
Tochterzellen auftreten.
Watson & Crick haben die Struktur der DNA
-Doppelhelix aufgeklärt. Durch sie wurde ersichtlich, wie die DNA als Matrize
(d.h. als Vorlage für die Vervielfältigung und Weitergabe der genetischen
Informationen) dienen könnte. Jeder DNA-Strang ist komplementär zum anderen, da
A mit T und G mit C Basenpaare bildet.
Man kann sich verschiedene Arten der Replikation
vorstellen. Schon 1953 schlugen Watson und Crick bei der Beschreibung der
Doppelhelix folgenden Typ vor: Ein Mutterstrang (Doppelhelix) wird in zwei
Einzelstränge getrennt. Dabei entstehen ein doppelsträngiger Stamm und zwei
einzelsträngige Zweige, deren Nukleotidfolgen für die Synthese als Matrize für
neue komplementäre Stränge dienen. Dies sieht wie eine Y-Figur aus. An jedem
von diesen Einzelsträngen werden nun durch Enzyme neue Stränge synthetisiert.
Diese Art von Replikation nannten sie semikonservativ. 1957 bewiesen Meselson
und Franklin Stahl, dass die DNA -Replikation semikonservativ verläuft.
Reiji Okazaki fand in den 60ern Jahren heraus, wie sich der 5'-3'-Strang repliziert. Es
werden viele kurze Stücke in 5'-3'- Richtung synthetisiert. Diese Stücke hat
man nach dem Entdecker benannt: Okazaki-Fragmente. Ein Fragment ist etwa 100
bis 2000 Nucleotide lang. Dies hängt aber vom Zelltyp ab. Somit wird der eine
Strang kontinuierlich (Leitstrang) und der andere diskontinuierlich
(Folgestrang) synthetisiert. Beim Leitstrang läuft die Synthese des neuen
Stranges in die gleiche Richtung wie die
Replikationsgabel. Beim Folgestrang läuft die Synthese in die Gegenrichtung der
Replikationsgabel.
