DNA-Replikation: Merkmale, Mechanismus & Enzyme

Hauptmerkmale der DNA-Replikation

• Semikonservativ: Jedes neu gebildete DNA-Molekül besteht aus einem ursprünglichen (elterlichen) und einem neu synthetisierten Strang. Die Synthese erfolgt durch die Addition von Mononukleotiden in 5'→3'-Richtung.
• Bidirektional: Von einem Startpunkt aus bilden sich zwei Replikationsgabeln, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Bei Bakterien und Viren gibt es einen einzigen Replikationsursprung, während bei Eukaryoten mehrere Replikons existieren. Jedes Replikon ist ein DNA-Fragment, das von einem eigenen Ursprung aus repliziert wird.
• Semidiskontinuierlich: An einem Strang (dem Leitstrang) erfolgt die Synthese kontinuierlich in relativ großen Fragmenten, während am anderen Strang (dem Folgestrang) die Synthese diskontinuierlich in kleinen Fragmenten erfolgt, die später miteinander verbunden werden. Diese kleinen Fragmente werden als Okazaki-Fragmente bezeichnet.

Mechanismus der DNA-Replikation: Initiation, Elongation, Termination

Durch die Replikation entstehen aus einer elterlichen DNA-Doppelhelix zwei neue Doppelhelices. Jedes neue Molekül besteht aus einem Tochterstrang und einem elterlichen Strang. Dank dieser semikonservativen Synthese erhalten wir zwei identische Doppelhelices, die auch der elterlichen Doppelhelix gleichen, wodurch die genetische Information unverändert bleibt. Der Replikationsmechanismus des zirkulären Chromosoms von E. coli ist gut erforscht. Er umfasst drei Phasen: Initiation, Elongation und Termination.

Enzyme der DNA-Replikation

• Primase (RNA-abhängige DNA-Polymerase): Synthetisiert die RNA-Primer.
• Helikasen: Brechen die Wasserstoffbrückenbindungen auf.
• Topoisomerasen: Beseitigen die durch die Helikasen erzeugte Torsionsspannung in der Doppelhelix.
• SSB-Proteine (Einzelstrang-bindende Proteine): Binden an die Einzelstränge der DNA, nachdem die Helix entwunden wurde, und stabilisieren diese während der Replikation. Sie verhindern, dass sich die DNA wieder verwickelt, und halten die Stränge bereit zur Kopie.
• Nukleasen: Spalten Phosphodiesterbindungen zwischen Nukleotiden.
• Ligasen: Verbinden benachbarte DNA-Fragmente durch Phosphodiesterbindungen.
• DNA-Polymerasen: Katalysieren die Bildung von Phosphodiesterbindungen zwischen Nukleotiden und fügen komplementäre Desoxyribonukleotidtriphosphate (dNTPs) hinzu. Die DNA-Polymerase bindet das korrekte Nukleotid aufgrund der Geometrie ihres aktiven Zentrums und der Basenpaarung.

DNA-Polymerasen in Prokaryoten

• DNA-Polymerase I: Entfernt den RNA-Primer und füllt die Lücke.
• DNA-Polymerase II: Beteiligt an der Reparatur kleiner Brüche in DNA-Strängen.
• DNA-Polymerase III: Das Hauptenzym der Replikation. Besitzt 5'→3' Polymerase-Aktivität sowie 3'→5' Exonuklease-Aktivität (Korrekturlesefunktion).
• DNA-Polymerase IV und V: Beteiligt an der DNA-Reparatur, insbesondere bei Fehlern.

DNA-Polymerasen in Eukaryoten

• DNA-Polymerase α (Alpha): Initiator der Replikation, synthetisiert Primer und kurze DNA-Abschnitte.
• DNA-Polymerase β (Beta): Beteiligt an der DNA-Reparatur im Zellkern.
• DNA-Polymerase γ (Gamma): Die einzige Polymerase, die in den Mitochondrien vorkommt.
• DNA-Polymerase δ (Delta): Besitzt 5'→3' Polymerase- und 3'→5' Exonuklease-Aktivität. Synthetisiert den Folgestrang und ist an der Reparatur beteiligt.
• DNA-Polymerase ε (Epsilon): Besitzt 5'→3' Polymerase- und 3'→5' Exonuklease-Aktivität. Synthetisiert hauptsächlich den Leitstrang.