21.11: DNA-Replikation

Bei der DNA-Replikation werden die beiden Stränge der Doppelhelix getrennt, wobei jeder Strang als Vorlage dient, von der der neue komplementäre Strang kopiert wird. Nach der Replikation enthält jede doppelsträngige DNA einen elterlichen oder “alten” Strang und einen “neuen” Strang. Dies wird als semikonservative Replikation bezeichnet. Die resultierenden DNA-Moleküle haben die gleiche Sequenz und sind zu gleichen Teilen in die beiden Tochterzellen aufgeteilt.

Replikation in Prokaryoten

Bei der DNA-Replikation wird eine große Anzahl von Proteinen und Enzymen verwendet. Das Enzym Helikase trennt die beiden DNA-Stränge. Wenn sich die Helikase entlang der DNA bewegt, trennt sie die beiden Stränge und bildet eine Y-förmige Struktur, die als Replikationsgabel bekannt ist. Anschließend fügt das Enzym Primase kurze RNA-Abschnitte, die als Primer bekannt sind, hinzu, um die Synthese der DNA durch die DNA-Polymerase, das für die DNA-Synthese verantwortliche Enzym, zu initiieren. In Bakterien sind drei Haupttypen von DNA-Polymerasen bekannt: DNA pol I, DNA pol II und DNA pol III. DNA pol III ist das Enzym, das für die DNA-Synthese benötigt wird; DNA pol I und DNA pol II werden in erster Linie für die Reparatur benötigt. DNA pol III fügt Desoxyribonukleotide, die jeweils komplementär zu einem Nukleotid auf dem Matrizenstrang sind, nacheinander zur 3′-OH-Gruppe der wachsenden DNA-Kette hinzu. DNA-Polymerase III kann sich nur in 5′- bis 3′-Richtung erstrecken. Die Zugabe dieser Nukleotide erfordert Energie. Diese Energie liegt in den Bindungen von drei Phosphatgruppen vor, die an jedes Nukleotid gebunden sind, ähnlich wie Energie in den Phosphatbindungen von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert wird. Wenn die Bindung zwischen den Phosphaten aufgebrochen und Diphosphat freigesetzt wird, ermöglicht die freigesetzte Energie die Bildung einer kovalenten Phosphodiesterbindung durch Dehydratisierungssynthese.

Die DNA-Doppelhelix ist antiparallel, d.h. ein Strang ist in 5′- bis 3′-Richtung und der andere in 3′- bis 5′-Richtung orientiert. Während der Replikation wird ein Strang, der komplementär zum 3′- bis 5′-Eltern-DNA-Strang ist, kontinuierlich in Richtung der Replikationsgabel synthetisiert, da die Polymerase Nukleotide in dieser Richtung hinzufügen kann. Dieser kontinuierlich synthetisierte Strang wird als Leitstrang bezeichnet. Der andere Strang, komplementär zur 5′- bis 3′-Eltern-DNA, wächst von der Replikationsgabel weg, so dass sich die Polymerase zurück zur Replikationsgabel bewegen muss, um mit dem Hinzufügen von Basen zu einem neuen Primer zu beginnen, wiederum in Richtung weg von der Replikationsgabel. Er tut dies, bis er auf den zuvor synthetisierten Strang stößt, und bewegt sich dann wieder zurück. In diesen Schritten entstehen kleine DNA-Sequenzfragmente, die als Okazaki-Fragmente bekannt sind und jeweils durch RNA-Primer getrennt sind. Der Strang mit den Okazaki-Fragmenten wird als nacheilender Strang bezeichnet, und seine Synthese wird als diskontinuierlich bezeichnet.

Nach der Synthese durch DNA-Polymerase III werden die Primer durch die Exonuklease-Aktivität der DNA-Polymerase I entfernt und die Lücken gefüllt. Die Kerben, die zwischen der neu synthetisierten DNA (die den RNA-Primer ersetzt hat) und der zuvor synthetisierten DNA verbleiben, werden durch das Enzym DNA-Ligase versiegelt, das die Bildung einer kovalenten Phosphodiester-Bindung zwischen dem 3′-OH-Ende eines DNA-Fragments und dem 5′-Phosphat-Ende des anderen Fragments katalysiert und das Zucker-Phosphat-Rückgrat des DNA-Moleküls stabilisiert.

Replikation in Eukaryoten

Eukaryotische Genome sind viel komplexer und größer als prokaryotische Genome und bestehen typischerweise aus mehreren linearen Chromosomen. Das menschliche Genom zum Beispiel hat 3 Milliarden Basenpaare pro haploidem Chromosomensatz, und 6 Milliarden Basenpaare werden während der Replikation eingefügt. Es gibt mehrere Ursprünge der Replikation auf jedem eukaryotischen Chromosom; Das menschliche Genom hat 30.000 bis 50.000 Replikationsursprünge. Die Replikationsrate beträgt etwa 100 Nukleotide pro Sekunde – 10-mal langsamer als die prokaryotische Replikation.

Die wesentlichen Schritte der Replikation bei Eukaryoten sind die gleichen wie bei Prokaryoten. Bevor die Replikation beginnen kann, muss die DNA als Vorlage zur Verfügung gestellt werden. Eukaryotische DNA ist stark supergewickelt und verpackt, was durch viele Proteine, einschließlich Histone, erleichtert wird. Nach der Initiierung der Replikation wird die Elongation in einem ähnlichen Prozess wie bei Prokaryoten durch eukaryotische DNA-Polymerasen erleichtert. Der führende Strang wird kontinuierlich durch das eukaryotische Polymerase-Enzym pol δ synthetisiert, während der nachlaufende Strang durch pol ε synthetisiert wird. Das Enzym Ribonuklease H (RNase H) anstelle einer DNA-Polymerase wie bei Bakterien entfernt den RNA-Primer, der dann durch DNA-Nukleotide ersetzt wird. Die verbleibenden Lücken werden durch DNA-Ligase verschlossen.

Wie bei Prokaryoten kann die eukaryotische DNA-Polymerase Nukleotide nur in 5′- bis 3′-Richtung hinzufügen. Im führenden Strang wird die Synthese fortgesetzt, bis sie entweder das Ende des Chromosoms oder eine andere Replikationsgabel erreicht, die in die entgegengesetzte Richtung verläuft. Auf dem nacheilenden Strang wird die DNA in kurzen Abschnitten synthetisiert, die jeweils durch einen separaten Primer initiiert werden. Wenn die Replikationsgabel das Ende des linearen Chromosoms erreicht, gibt es keinen Platz, um einen Primer für das DNA-Fragment zu erstellen, das am Ende des Chromosoms kopiert werden soll. Diese Enden bleiben also ungepaart und können im Laufe der Zeit immer kürzer werden, wenn sich die Zellen weiter teilen.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Microbiology, Chapter 11.2: DNA Replication.