Wie läuft die DNA-Replikation ab? - Erklärungsversuch 1

Die DNA ist der Träger deiner Erbinformation und befindet sich im Zellkern. Wenn sich eine Zelle teilen will, hat sie sich vorher vergrößert und auch die DNA verdoppelt. Macht ja auch Sinn, denn sie sollen ja das identische Erbgut beitzen. Doch wie läuft eigentlich der Vorgang der DNA-Verdopplung ab? Und wofür wird er gebraucht?


Vor jeder Mitose und Meiose (Zellteilung) verdoppelt sich die DNA. Dies geschieht, weil aus einer Zellteilung zwei identische Tochterzellen mit vollständigem Chromosomensatz entstehen sollen. Diesen Vorgang  bezeichnet man als Replikation. Dieser Vorgang läuft während der Interphase (siehe Link Mitose) ab, in der alle nötigen Vorbereitungen für die anstehende Zellteilung vonstatten gehen.

Die Replikation  wird durch einige Enzyme (Proteine) geregelt. Bevor die DNA verdoppelt werden kann, muss der DNA-Doppelstrang getrennt werden. Dies passiert, indem das Enzym Helicase die Wasserstoffbrückenbindungen trennt und in DNA-Einzelstränge zerlegt. Es bildet sich eine blasenförmige Öffnung zwischen den beiden Einzelsträngen, die sogenannte Replikationsblase.
Am Ende dieser Replikationsblase, dort wo die DNA gerade getrennt wurde, lässt sich eine y-förmige Replikationsgabel erkennen, von der aus die DNA-Verdopplung voranschreitet. Die Einzelstränge der DNA werden von bestimmten Seb-Proteinen stabilisiert. Ein weiteres Enzym, die Primase, bereitet die Ansatzstelle (Primer, eine kurze Nucleotidsequenz) für die DNA-Polymerase am 3'Ende vor, da diese nur vom 3' zum 5' Ende synthetisieren (herstellen) kann. Dies ist das Enzym, welches den Einzelstrang zu einer neuen Doppelhelix (Doppelstrang) ergänze. An dem freigelegten DNA-Strang werden Nukleotide (Moleküle aus Zucker, Phosphaten und Basenbestandteilen) komplementär (es binden immer die selben Basenpaare,  Adenin und Thymin, Guanin und Cytosin) angeknüpft.                                                                                                                           

Aus der getrennten DNA gehen zwei Einzelstränge hervor, die auch beide einen komplementären (ergänzenden) Strang bekommen sollen. Man unterscheidet hier zwischen zwei Strängen, dem Leit- und dem Folgestrang. Damit dir die Unterscheidung dieser leichter fällt, werde ich die Verdopplung beider einzeln erklären:

Abb. 1: Vorgang der DNA-Replikation
Abb. 1: Vorgang der DNA-Replikation

Leitstrang:                                                                                                                                                                  

Dieser Strang kann direkt mühelos verarbeitet werden. Die DNA-Polymerase kann hier vom 3‘ nach 5‘ Ende (die Position an Kohlenstoffatomen im Zuckermolekül)entlanggleiten und den neuen Strang kontinuierlich (ununterbrochen) ergänzen. Der neue Strang wird aus Nukleotiden hergestellt (synthetisiert). Da der Strang entgegengesetzt sein soll, wird er von 5‘ nach 3‘ Richtung gebildet.

 

Folgestrang:                                                                                                                                                              

Zur selben Zeit verläuft die Verdopplung des anderen Strangs, des Folgestrangs. Da er antiparallel (umgekehrt) angeordnet ist, ist die Verdopplung hier etwas schwieriger.  Bei diesem Strang werden mehrere Primer (auch "Startpunkt" für die DNA-Polymerase) benötigt. Gelangt die DNA-Polymerase an diese Primer wird jeweils ein Stück durch Okazaki-Fragmente(verlängerte DNA-Abschnitte) verlängert. Am besten stellst du dir Okazaki-Fragmente als kurze DNA-Abschnitte vor, die aus aus Nukleotiden bestehen. So wird also auch hier ein Strang gebildet, der  aber diskontinuierlich (unterbrochen) hergestellt wird. Das Enzym Ligase verknüpft diese Fragmente.
Am Ende dieses Vorgangs erhält man also die identische Kopie des DNA-Doppelstrangs. Die entstandenen Tochterstränge bestehen hier also aus einem alten und einem neu hergestellten Strang, weshalb man den Verlauf als semikonservative Verdopplung bezeichnet.