Wie läuft die DNA-Replikation ab? - Erklärungsversuch 2

Bestimmt kennst du die Situation, wenn man sich an einem Messer schneidet. Dabei werden Hautzellen zerstört. Nun bleibt diese Wunde nicht für immer sichtbar, sondern schließt sich nach einiger Zeit. Um die Schnittwunde zu schließen muss dein Körper dauerhaft neue Hautzellen herstellen.

Die in den Zellen enthaltende DNA muss deshalb auch verdoppelt werden, weil jede Zelle die gesamte DNA aufweisen muss. Dieser Vorgang wird DNA-Replikation (Kopie der DNA) genannt. Bevor ich dir den Prozess der DNA-Replikation erkläre, müssen wir erst einige Grundlagen klären. Die DNA-Replikation findet während der S-Phase (Synthese-Phase) statt. Außerdem „kopiert“ sich die DNA semikonservativ, d.h. die beiden DNA-Stränge (link zum Aufbau der DNA) werden getrennt und mit einem neuem Strang ergänzt.

Abb. 1: Übersiche semikonservative Replikation der DNA
Abb. 1: Übersiche semikonservative Replikation der DNA

Wie dieser neue Strang entsteht erkläre ich dir im Folgenden:

Die Replikation beginnt damit, dass sich das Enzym Topoisomerase an die DNA bindet (Abb. 2). Es enspiralisiert die DNA-Doppelhelix an einer Stelle. Diese nennt man Replikationsursprung, da dort die Replikation startet.

Die Wasserstoffbrückenbindungen halten die Nukleotide und somit den DNA-Strang normalerweise zusammen. Damit sich die nun getrennten Stränge nicht wieder verbinden, lagern sich SSB-Proteine (stabilisierende Proteine) an den Strang an und halten beide Stränge auseinander. So können die Wasserstoffbrückenbindungen die beiden Einzelstränge während der Replikation nicht wieder verbinden.

Nun werden durch das Enzym Primase sogenannte Primer synthetisiert. Diese Primer sind kurze Basenabschnitte, welche sich zuerst an den Leitstrang (3‘-5‘) binden. Sie dienen als Andockstelle für die DNA-Polymerase. Daraufhin bindet die Helicase an die Replikationsgabel (Stelle, wo sich der Doppelstrang in zwei Einzelstränge trennt). Die Helicase entspiralisiert den weiteren DNA-Doppelstrang und trennt ihn. Man kann sich die Helicase also wie eine Schere vorstellen.

Der nächste Schritt ist das Anbinden der DNA-Polymerase an den Leitstrang. Dieses Enzym ist dafür zuständig, dass der Leitstrang in 5‘-3‘-Richtung komplementär ergänzt wird. Also Adenin zu Thymin, Cytosin zu Guanin und umgekehrt. Diese Nukleotide schwimmen im nahen Zellplasma umher und sind die Bausteine für den neuen DNA-Strang. Nachdem sich die Polymerase an den Primer, welcher der Startpunkt für die Replikation ist, gebunden hat, beginnt sie ihre Arbeit.

Abb. 2: Übersicht DNA-Replikation
Abb. 2: Übersicht DNA-Replikation

Das ist zwar schön und gut, aber es gibt noch ein Problem: Bis jetzt wird nur der Leitstrang repliziert. Der Folgestrang (5‘-3‘-Richtung) bleibt unangetastet. Der Grund dafür ist die Funktionsweise der DNA-Polymerase. Sie kann nur in 3‘-5‘-Richtung wandern und von 5‘-3‘ replizieren. Beim Folgestrang wird genauso repliziert, nur dass die DNA-Polymerase dann „rückwärts“ arbeiten muss. Das klingt zwar kompliziert, ist aber an sich ganz einfach.

Während die DNA-Polymerase am Leitstrang  normal in 5‘-3‘-Richtung ergänzt, muss sie, um dies am Folgestrang auch zu können, den Strang am oberen Ende zu einer „Schleife“ formen (da die DNA-Polymerase an beiden Enden replizieren kann, repliziert sie die beiden Stränge gleichzeitig). An dieser Schleife und an dem Rest des Folgestrangs werden in regelmäßigen Abständen Primer durch die Primase synthetisiert und angebracht. Die Polymerase arbeitet rückwärts und muss deswegen immer neu an den DNA-Strang ansetzen und sich von Primer zu Primer arbeiten. Da sie deswegen immer auf die schon fertigen DNA-Stücke trifft, ist der Strang nicht ganz zusammenhängend. Diese Teilstücke werden Okazaki-Fragmente genannt, welche nach der Replikation von dem Enzym Ligase zusammengefügt werden.

Dieser fortschreitende Prozess endet, wenn der komplette DNA-Strang repliziert wurde.

Abb. 3: DNA-Replikation am Folgestrang
Abb. 3: DNA-Replikation am Folgestrang

Aus einem Doppelstrang sind nun zwei geworden. So schwer war das doch nicht.Um es dir ein bisschen übersichtlicher zu machen, haben wir dir zum Schluss eine Liste aller beteiligten Enzyme zusammengestellt.

 

Topoisomerase = Entwinden die DNA an einem  Punkt
SSB-Proteine = Halten die DNA-Stränge auseinander
 - Primase = Synthetisiert die Primer, welche sich an die DNA setzen
 - Helicase = Trennt und entspiralisiert die DNA
 - DNA-Polymerase = Synthetisiert den DNA-Strang
 - Ligase = Schließt Lücken zwischen Okazaki-Fragmenten

© Ben Hagen März & Leon Jahn