21.10
DNA Replikation
Bei der DNA-Replikation werden die beiden Stränge der Doppelhelix getrennt, wobei jeder Strang als Vorlage dient, von der der neue komplementäre Stran…
Die DNA-Replikation erfolgt durch die Synthese neuer DNA-Stränge unter Verwendung vorhandener Stränge als Vorlage. Die beiden neuen Doppelhelices enthalten jeweils einen ursprünglichen Template-Strang und einen neu synthetisierten Tochterstrang, weshalb dieser Prozess als semikonservative Replikation bezeichnet wird.
Um die Replikation zu starten, wickelt ein Enzym, die Helikase, die DNA-Helix ab und bricht die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den beiden Strängen auf. Anschließend trennt es die einzelnen Stränge zu einer Y-förmigen Struktur, der sogenannten Replikationsgabel, auf die weitere Enzyme zugreifen können.
Ein anderes Enzym, die Primase, fügt jedem Matrizenstrang kurze RNA-Fragmente, sogenannte Primer, hinzu. Diese Primer sind für die Synthese von DNA unerlässlich, da die DNA-Polymerase nur Nukleotide an einen vorhandenen Strang anhängen kann.
DNA-Polymerase fügt sich zu den wachsenden Tochtersträngen auf beiden Matrizen-DNA-Strängen hinzu. Die Zugabe von Nukleotiden richtet sich nach der Sequenz des ursprünglichen DNA-Strangs gemäß den Regeln der DNA-Paarung.
Die Synthese eines der Tochterstränge, des führenden Strangs, erfolgt in Richtung der Bewegung der Replikationsgabel. Der andere Strang, der nacheilende Strang, wird in die entgegengesetzte Richtung synthetisiert.
Dies führt dazu, dass der führende Strang als kontinuierliches Polymer synthetisiert wird, während der nacheilende Strang in Form von kurzen Fragmenten synthetisiert wird. Dies liegt daran, dass DNA nur in 5'- bis 3'-Richtung synthetisiert werden kann.
Vor ihrer Zugabe an das wachsende Polymer liegen Nukleotide als Desoxyribonukleosidtriphosphate vor, wobei drei Phosphate an den fünften Kohlenstoff auf dem Zucker gebunden sind.
Dieses freie Nukleotidtriphosphat reagiert mit den 3'-Hydroxylgruppen. Dies ist das OH, das am Ende des Wachstumsstrangs an den dritten Kohlenstoff des Zuckers gebunden ist. Die Reaktion bewirkt die Freisetzung von Pyrophosphat und die Bildung einer Phosphodiesterbindung zwischen den beiden Nukleotiden.
Nach der Synthese der neuen Stränge entfernen RNase H oder weitere Varianten der DNA-Polymerase die Primer und synthetisieren an ihrer Stelle DNA. Die Lücken zwischen den Fragmenten werden dann durch DNA-Ligase versiegelt, um einen durchgehenden Strang zu erzeugen.
Die Zugabe von Nukleotiden wird so lange fortgesetzt, bis zwei Replikationsgabeln aufeinandertreffen, was zur abgeschlossenen Replikation führt.
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Q1: Why is DNA replication called semiconservative?
DNA replication is semiconservative because each newly formed double helix contains one original template strand and one newly synthesized daughter strand. After replication, the two resulting DNA molecules each preserve one parental strand from the original double helix, ensuring genetic continuity while incorporating new genetic material.
Q2: What role does helicase play in DNA replication?
Helicase unwinds the DNA double helix by breaking hydrogen bonds between the two strands. This separation creates a Y-shaped structure called the replication fork, which exposes the template strands so that other enzymes can access and copy them during DNA synthesis.
Q3: Why are RNA primers necessary for DNA synthesis?
RNA primers are essential because DNA polymerase can only add nucleotides to an existing strand; it cannot initiate synthesis de novo. Primase adds short RNA fragments to each template strand, providing the 3'-OH group that DNA polymerase requires to begin extending the new DNA strand.
Q4: How does the directionality of DNA synthesis affect leading and lagging strand formation?
DNA polymerase synthesizes only in the 5' to 3' direction. The leading strand is synthesized continuously toward the replication fork. The lagging strand grows away from the fork, requiring DNA polymerase to repeatedly restart synthesis, producing short DNA fragments called Okazaki fragments separated by RNA primers.
Q5: What happens to nucleotide triphosphates when they are added to the growing DNA strand?
Nucleotide triphosphates react with the 3'-OH group at the end of the growing strand. This reaction releases pyrophosphate, and the energy from breaking phosphate bonds drives the formation of a phosphodiester bond between nucleotides, linking them together in the DNA backbone.
Q6: How are gaps sealed after DNA polymerase removes RNA primers?
After RNase H or DNA polymerase variants remove RNA primers and fill the gaps with DNA nucleotides, the enzyme DNA ligase seals the remaining nicks. DNA ligase catalyzes the formation of phosphodiester bonds between the 3'-OH end of one DNA fragment and the 5' phosphate end of the adjacent fragment.
Q7: How does eukaryotic DNA replication differ from prokaryotic replication?
Eukaryotic genomes are larger and more complex, with multiple origins of replication per chromosome, whereas prokaryotes have single origins. Eukaryotic replication occurs at approximately 100 nucleotides per second—ten times slower than prokaryotic replication. Despite these differences, the essential enzymatic steps and base pairing and its significance in DNA replication remain fundamentally similar.