DNA Replikation

Die DNA-Replikation ist ein natürlicher Mechanismus, welcher die DNA als Träger der Erbinformationen vervielfältigt. Der enzymatische Prozess ist eine Voraussetzung für die Zellteilung. Der Ablauf der DNA-Replikation weist allerdings zwischen Eukaryoten und Prokaryoten wichtige Unterschiede auf.

DNA-Replikation Definition

Bei der Verdopplung der DNA werden aus einem DNA-Doppelstrang zwei neue Doppelstränge. Genauer gesagt, spricht man von der semikonservativen Replikation der DNA, da die beiden entstehenden Doppelstränge aus je einem alten und einem neuen Einzelstrang bestehen. Diese bezeichnet man auch als Mutter- und Tochterstrang.

DNA Replikation – Ablauf

Die Replikation der DNA kann grob in drei Schritte eingeteilt werden:

1. Initiation
2. Elongation
3. Termination

1. Initiation

Während der Initiation wird der DNA-Doppelstrang entspiralisiert und geöffnet. Dabei spielen die Enzyme Topoisomerase und Helikase eine besondere Rolle. Zuerst entspiralisiert die Topoisomerase die DNA-Doppelhelix. Anschließend trennt das Enzym Helikase die Wasserstoffbrücken und somit die DNA-Stränge voneinander. Danach lagern sich Proteine an die getrennten Abschnitte der DNA an, um zu verhindern, dass sich die Einzelstränge wieder verbinden oder von DNA-spaltenden Enzymen angegriffen werden.

Bildlich kannst du dir die Arbeit der Enzyme als eine Art gewundenen "Reißverschluss" vorstellen. Dieser wird zuerst durch das Enzym Topoisomerase entwirrt und anschließend durch die Helikase geöffnet.

Abbildung 1: Initiation Quelle: wikipedia.org

2. Elongation

Der nächste Schritt, die Elongation, beginnt mit der Synthese der Primer an den DNA-Einzelsträngen. Die Primer, welche aus wenigen Nukleotiden bestehen, werden hierbei von dem Enzym Primase am 3'-Ende angelagert.

Die Primer bestehen genauer gesagt aus RNA (Ribonukleinsäure). Statt der für die DNA übliche Base Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Daher ist es wichtig, dass die Base Uracil bei der DNA-Replikation durch Thymin ausgetauscht wird.

Die Primer dienen der DNA-Polymerase als Startsequenz. Das Enzym lagert sich an die Primer an und verknüpft die komplementären Basen mit dem DNA-Strang in 5'-3'-Richtung (sprich: fünf-zu-drei-Strich). Der Ablauf der DNA-Replikation unterscheidet sich zwischen Leit- und Folgestrang.

Elongation Leitstrang

Die DNA-Polymerase wandert an den Tochtersträngen vom 5'-Ende zum 3'-Ende. Am Leitstrang bewegt sie sich also in die gleiche Richtung wie das Enzym Helikase. Die Ergänzung des Einzelstrangs kann daher ohne Unterbrechungen ablaufen. Die Synthese des Doppelstrang läuft somit am Leitstrang kontinuierlich ab.

Elongation Folgestrang

Beim Ergänzen des Folgestrangs kommt es zu einer Besonderheit, denn der DNA-Strang ist hier im Vergleich zum kontinuierlichen Strang genau entgegengesetzt (antiparallel) aufgebaut.

Am antiparallelen Strang wandert die DNA-Polymerase in die entgegengesetzte Richtung der Helikase, da die DNA-Polymerase nur von 5' nach 3' wandern und die komplementären Basen verknüpfen kann. Die DNA-Synthese erfolgt also diskontinuierlich und es entstehen immer nur kurze Abschnitte, in der die DNA synthetisiert werden kann.

Sobald ein ausreichend langer Abschnitt des Doppelstrangs durch die Helikase getrennt wurde, ergänzt ihn die DNA-Polymerase durch Okazaki-Fragmente bis zum nächsten, bereits ergänzten Abschnitt oder zum 5'-Ende.

Letztlich verknüpft das Enzym DNA-Ligase unter Energieverbrauch die Okazaki-Fragmente miteinander und bildet so einen Doppelstrang. Außerdem entfernt das Enzym RNase H die Primer aus den DNA-Einzelsträngen.

Am kontinuierlichen Strang ist die DNA-Synthese also prinzipiell "einfacher", da der DNA-Strang nicht in Bruchteilen, sondern direkt in einem Stück synthetisiert werden kann.

Abbildung 2: Ablauf der semikonservativen DNA-Replikation Quelle: wikipedia.de

3. Termination

Am Ende eines DNA-Strangs wird die DNA-Replikation beendet. Es liegen nun zwei identische Doppelstränge der DNA vor.

Enzyme der DNA-Replikation und ihre Aufgaben

Für den Mechanismus der DNA-Replikation ist insbesondere die Arbeit der Enzyme wichtig. Folgende sind Träger des DNA-Replikationsmechanismus:

1. Topoisomerase: Entwindet die Doppelhelix der DNA
2. Helikase: Öffnet den Doppelstrang und durchtrennt hierbei die Wasserstoffbrückenbindungen der komplementären Basen
3. Primase: Lagert RNA-Primer an den Mutterstrang an
4. DNA-Polymerase: Synthetisiert die DNA-Stränge durch Verknüpfung der komplementären Basen
5. RNase H: Entfernt RNA-Primer
6. DNA-Ligase: Verbindet die Okazaki-Fragmente am diskontinuierlichen Strang

Allgemein ist die DNA-Replikation ein sehr genauer Mechanismus, jedoch können hierbei auch Fehler passieren. Pro 106 bis 108 eingebauten Nukleotiden findet sich ein Fehler, also ein falsches Nukleotid. Ein Fehler dieser Art bei der DNA-Replikation kann zu Mutationen führen. Allerdings gibt es in der Zelle verschiedene Reparaturmechanismen, die Fehler bei der Replikation korrigieren können.

DNA-Replikation bei Eukaryoten und Prokaryoten – Unterschiede

Die DNA-Replikation läuft bei Prokaryoten deutlich schneller ab als bei Eukaryoten. Während beim Menschen die Replikation mit einer Geschwindigkeit von circa 50 Nukleotiden pro Sekunde abläuft, können bei Prokaryoten mehr als 1000 Nukleotide pro Sekunde verknüpft werden.

Zudem gibt es Variationen im Ablauf der DNA-Replikation bei Eukaryoten und Prokaryoten. So findet die Replikation bei Prokaryoten im Cytoplasma und nicht im Zellkern statt. Das liegt daran, dass Prokaryoten keinen Zellkern besitzen und die DNA frei im Cytoplasma schwimmt.

Außerdem ist die DNA bei Prokaryoten ringförmig aufgebaut, weshalb es nur einen Replikationsursprung gibt. Bei Eukaryoten hingegen kann die DNA-Replikation gleich an mehreren Orten der DNA beginnen kann, welche vom Ursprungserkennungskomplex erkannt werden.

Zudem gibt es auch Abweichungen in Bezug auf die an der Replikation beteiligten Enzyme. Bei Prokaryoten verknüpft die DNA-Polymerase-III die Nukleotide und bei Eukaryoten die DNA-Polymerase-alpha. Diese zeigen strukturelle Unterschiede in ihrem Aufbau. Auch das Enzym Primase unterscheidet sich. Bei Prokaryoten handelt es sich um das eigenständige DnaG-Protein, während die Primase bei Eukaryoten aus zwei Untereinheiten besteht, die als Teil der DNA-Polymerase-alpha arbeiten.

Darüber hinaus läutet bei Prokaryoten eine bestimmte Terminationssequenz das Ende der DNA Replikation ein, was bei Eukaryoten nicht der Fall ist. Hier endet die Replikation erst mit dem Ende des DNA-Strangs.