DNA-Replikation: Phasen, Enzyme und eukaryotische Unterschiede

Start-up-Phase der DNA-Replikation

Die Entwicklung und Eröffnung der doppelten Helix beginnt in einer Region der DNA, die als oriC (Origin of Replication) bezeichnet wird.

• Helikasen brechen die Wasserstoffbrückenbindungen (H-Bindungen) der DNA und öffnen die Doppelhelix.
• Das Abwickeln könnte zu Spannungen führen, die eine erneute Aufwicklung verursachen könnten.
• Deshalb brechen und verknüpfen Gyrasen und andere Topoisomerasen die Stränge.
• SSB-Proteine binden an den Matrizenstrang und verhindern ein erneutes Aufwickeln.

Es bildet sich eine Replikationsblase, in der es zwei Y-förmige Bereiche gibt, bekannt als Replikationsgabeln, wo neue DNA-Stränge synthetisiert werden.

Synthesephase (Elongation)

Es wird ein neuer DNA-Strang auf jedem Strang der ursprünglichen Doppelhelix synthetisiert. Die beteiligten Enzyme sind:

• DNA-Polymerase (A. polimerasa): Fügt die Nukleotide zusammen, die die DNA bilden.
• Exonuklease: Entfernt Nukleotide, deren Basen nicht übereinstimmen, sowie RNA-Fragmente.

Um die Synthese zu initiieren, ist ein RNA-Fragment von etwa 10 Nukleotiden erforderlich, das als Primer bezeichnet wird. Dieser Primer wird durch eine RNA-Polymerase namens Primase synthetisiert, die die Matrizenstränge in Richtung 3'–5' liest.

Synthese der Stränge

Da die beiden Stränge antiparallel orientiert sind, erfolgt die Synthese in Richtung 3'–5' kontinuierlich (Leitstrang). Der Strang in Richtung 5'–3' (verzögerter Strang) erfolgt diskontinuierlich durch die Synthese kleiner DNA-Fragmente von etwa tausend Nukleotiden, den sogenannten Okazaki-Fragmenten. Jedes Fragment erfordert einen RNA-Primer, der durch die Primase synthetisiert wird.

Die DNA-Polymerase eliminiert den Primer und ersetzt ihn durch DNA. Die DNA-Ligase schweißt alle Fragmente zusammen.

Korrekturmechanismus

Die DNA-Polymerase fungiert auch als Exonuklease und entfernt falsch gepaarte Nukleotide. Dieser Mechanismus ist sehr effizient, aber manchmal kommt es zu Fehlern, die für die Evolution sehr wichtig sein können.

Transkription: Unterschiede bei Eukaryoten

Bei Eukaryoten ist der Prozess ähnlich wie bei Prokaryoten, aber die Chromosomen sind sehr lange DNA-Moleküle. Die DNA-Replikation wird gleichzeitig an mehreren Stellen in Replikationsregionen eingeleitet.

Eukaryotische DNA-Polymerasen und Histone

Es gibt fünf Arten von DNA-Polymerasen (?, ?, ?, ? und ?). Die Polymerase ? ist an der DNA-Replikation in eukaryotischen Chromosomen beteiligt. Die mitochondriale DNA-Replikation ist anders.

Bei Eukaryoten ist die Replikation mit Histonen verbunden, Proteinen, die Prokaryoten nicht haben und die während der DNA-Duplizierung vorhanden sind. Histon + DNA = Nukleosom.

Das Problem der Telomere

Beim verzögerten Strang kann die Polymerase die Lücke nicht füllen, wenn der letzte Primer entfernt wird, da sie unfähig ist, in Richtung 3'–5' zu synthetisieren. Aus diesem Grund verkürzt sich das Ende des Chromosoms (Telomere) jedes Mal, wenn sich die Zelle teilt. Dies ist mit dem Altern und dem Zelltod verbunden.

Birektionale Replikation

Birektional bedeutet, dass das Wachstum von der/den Replikationsquelle(n) in beide Richtungen erfolgt und beide Stränge repliziert werden.