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Michael Weber

Die identische Replikation der DNA

Die Chromosomen liegen nach der Mitose und der Zellteilung als Ein-Chromatid-Chromosomen vor. Vor der nächstfolgenden Mitose müssen sie sich also wieder verdoppeln. Dies geschieht im Synthese-Stadium der Interphase des Zellzyklus. In den Ein-Chromatid-Chromosomen befindet sich jeweils eine DNA-Doppelhelix; mit der Verdopplung der Chromatiden muss auch diese verdoppelt werden.

 Wie funktioniert die identische Replikation der DNA?

Replikation heißt Nachbildung oder Verdopplung der DNA. In Bezug auf den Verdopplungsmechanismus ging man von zwei Hypothesen aus: dem konservativen und dem semikonservativen Mechanismus

H1 (semikonservativer Mechanismus): Hierbei wird die  „Eltern"- DNA   in zwei DNA - Einzelstränge aufgeteilt, an die jeweils nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung ein Tochterstrang angelagert wird.

H2 (konservativer Mechanismus): Bei der Replikation bleibt die Eltern-DNA erhalten und es wird ein  ein komplett neuer DNA-Doppelstrang gebildet.

M. Meselson und F. Stahl konnten in ihrem Experiment 1958 nachweisen, dass nur der semikonservative Mechanismus vorliegt, die Hypothese H also anzunehmen ist. 

Ablauf der identischen Replikation der DNA

(1) Replikationsgabel, (2) Primer, (3) Leitstrang, (4) Folgestrang, 
 (5) DNA-Polymerase
, (6) Okazaki-Fragmente, (7) Ligase
(Dieselbe Abbildung als kleines Fenster zum besseren Vergleich während des Lesens.)

Durch das Enzym Helicase beginnt die Doppelhelix sich aufzuwinden und aufzutrennen. Dies geschieht an mehreren Abschnitten gleichzeitig und auch nacheinander.

Die beiden Stränge der DNA weichen an mehreren Stellen auseinander, die Replikationsgabel (1) entsteht jeweils. Die Einzelstränge werden durch besondere Proteine stabilisiert. Diese Proteine verhindern eine erneute Basenpaarung.

Jeder Strang dient als Matrize für einen neuen Tochterstrang. Man unterscheidet bei den Tochtersträngen zwischen Leit- und Folgestrang.

Die DNA-Polymerase benötigt zum Start der Synthese ein Startermolekül (Primer (2)). Hierbei handelt es sich um eine kurze RNA, die von dem Enzym Primase zu Beginn der Replikation an die beiden DNA-Stränge gebunden wird. An diesen Primer kann nun DNA-Polymerase (5) binden.

Die Anlagerung  der jeweils komplementären Nucleotide (genauer: Nucleosidtriphosphate; Diphosphat wird nach der Anbindung wieder frei) erfolgt durch Wasserstoffbrückenbindungen durch  DNA-Polymerase (5) nur in 5'->3'-Richtung und dementsprechend die Verbindung der Nucleotide nur in 3'->5'-Richtung.

Dadurch dass die DNA-Polymerase (5) nur in 3'->5'-Richtung ablesen und verbinden kann, wird nur ein Tochterstrang , der Leitstrang (3), fortlaufend verknüpft. Am Folgestrang (4) wandert die Polymerase in Gegenrichtung, sie bewegt sich von der Replikationsgabel weg. Der Tochterstrang wird hier diskontinuierlich, Stück für Stück, gebildet. Ein solches Teilstück ist jeweils ca. 1000 Nucleotide lang; man bezeichnet es als Okazaki-Fragment (6). Damit ein neues Okazaki-Fragment (6) synthetisiert werden kann, ist jeweils ein neuer Primer (2) notwendig. Am Folgestrang (4) treten also viele Primer (2) auf, am Leitstrang (3) nur einer am Anfang. Nachdem alle Primer (2) durch DNA ersetzt wurden, fügt das Enzym DNA - Ligase (7) die Okazaki - Fragmente (6) des Folgestranges zu einem Strang zusammen.

Die Replikation erfolgt sehr schnell. Für die Replikation aller ca. 6 Milliarden Basenpaare einer menschlichen Zelle werden nur ein paar Stunden benötigt.

 

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Protokollführer: Pimp 2000 und Max Giehlovski, 18.12.2000, verändert M.W, 14.11.2002