DNA-Replikation und das Operon-Modell

Mechanismus der DNA-Replikation in Prokaryoten

Anfangs- und Elongationsphase

Die Elongationsphase ist die Phase, in der die neuen DNA-Stränge synthetisiert werden. Neben den Enzymen der Anfangsphase gibt es unter Einbeziehung der DNA-Polymerasen drei verschiedene Typen: I, II und III. Diese besitzen eine doppelte Funktion:

• Polymerase-Aktivität in 5'-3'-Richtung: Nukleotide binden an die DNA unter Erkennung des Matrizenstrangs (Template-Strang). Später erfolgt die Auswahl der Desoxyribonukleotide komplementär zum Mutterstrang. Die Energie, die benötigt wird, um die neue Bindung zu formen, wird aus der Hydrolyse von zwei Phosphatgruppen gewonnen.
• 3'-5' Exonuklease-Aktivität: Diese dient dazu, nicht übereinstimmende stickstoffhaltige Nukleotidbasen sowie von der Primase synthetisierte RNA-Fragmente (Primer) zu eliminieren.

Synthese der DNA-Stränge

Die DNA-Polymerase III arbeitet am Matrizenstrang in 3'-5'-Richtung, während die Synthese in 5'-3'-Richtung erfolgt (antiparallel). Ein Primer (Cebador), synthetisiert durch die Primase, ist für den Start der Synthese notwendig.

• Leitstrang (Führerstrang): Dieser Strang benötigt den Primer für eine kontinuierliche Synthese.
• Folgestrang (verzögerter Strang): Dieser wird diskontinuierlich in kleinen Abschnitten synthetisiert. Diese bestehen aus DNA-Fragmenten von etwa 1000 bis 2000 Nukleotiden, die als Okazaki-Fragmente bekannt sind und entstehen, während sich die Doppelhelix öffnet.

Zuletzt ist die DNA-Polymerase I dafür zuständig, die Primer zu entfernen und Replikationsfehler aufgrund ihrer Exonuklease-Aktivität zu korrigieren sowie die Lücken mit DNA-Nukleotiden zu füllen. Die Fehlerkorrektur wird zudem durch die Methylierung von Adenin ermöglicht. Schließlich verbindet die DNA-Ligase alle Fragmente.

Unterschiede der Replikation in Eukaryoten

Die Replikation erfolgt im Zellkern. Die Unterschiede zu Prokaryoten ergeben sich aus der höheren Komplexität:

1. Eukaryontische Chromosomen enthalten sehr lange DNA-Moleküle. Um den Prozess zu verkürzen, wird die Replikation an mehreren Orten gleichzeitig initiiert, den sogenannten Replikons. Zudem ist die Synthesegeschwindigkeit geringer.
2. Es gibt fünf Typen von DNA-Polymerasen (α, β, γ, δ, ε) anstelle von drei. Die Größe der Okazaki-Fragmente ist bei Eukaryoten geringer.
3. Die DNA eukaryotischer Chromosomen ist mit Proteinen, den Histonen, assoziiert. Diese werden während der Replikation verdoppelt, was bei Prokaryoten nicht der Fall ist.

Die DNA-Replikation endet an den Telomeren, die bei jeder Teilung verkürzt werden. Die Telomerase ist dafür verantwortlich, diese zu verlängern. Telomerverkürzung und Telomerase-Aktivität stehen in engem Zusammenhang mit dem Altern und dem Zelltod.

Das Operon-Modell

Ein Operon besteht aus Genen, die miteinander interagieren, um die Transkriptionskapazität zu regulieren. Es setzt sich zusammen aus:

• Strukturgene: Diese sind an der Proteinsynthese im gleichen Stoffwechselvorgang beteiligt. Die hierbei entstehende mRNA wird als polyzystronische mRNA bezeichnet.
• Promotor: Eine Nukleotidsequenz, an die die RNA-Polymerase bindet, um die Transkription zu initiieren.
• Operator: Eine Nukleotidsequenz, die zwischen dem Promotor und den Strukturgenen liegt.
• Induktor: Ein Substrat, dessen Anwesenheit die Expression der Gene induziert.
• Regulatorgen: Ein Gen, das für ein Repressor-Protein kodiert. Wenn dieses an den Operator bindet, kann die RNA-Polymerase nicht an die DNA binden, was die Transkription unmöglich macht.

Das Lactose-Operon (lac-Operon)

Dieser Mechanismus ist typisch für Prokaryoten. Das bekannteste Beispiel ist das Lactose-Operon (lac-Operon), welches die Synthese von Enzymen für den Lactose-Stoffwechsel reguliert. Es besteht aus drei Strukturgenen (lacZ, lacY und lacA), wobei Lactose als Induktor fungiert.

• Wenn keine Lactose vorhanden ist, bindet der Repressor an den Operator und verhindert die Transkription.
• Wenn Lactose vorhanden ist, wirkt sie als Induktor und bindet an den Repressor. Dadurch entsteht ein inaktiver Repressor-Induktor-Komplex, der die Einleitung der Transkription ermöglicht, um die am Prozess beteiligten Enzyme zu synthetisieren.