Wozu dienen Okazaki-Fragmente?

Okazaki-Fragmente sind kurze DNA-Abschnitte, die am Folgestrang diskontinuierlich synthetisiert werden. Dies ist nötig, weil die DNA-Polymerase nur in 5'→3'-Richtung arbeiten kann.

Wo findet die DNA-Replikation bei Eukaryoten statt?

Bei Eukaryoten findet die Replikation im Zellkern während der S-Phase des Zellzyklus statt, zwischen G1 und G2.

Welche Rolle spielt die DNA-Ligase?

Die DNA-Ligase verschließt die Lücken zwischen den DNA-Fragmenten des Folgestrangs, indem sie die letzte Phosphodiesterbindung bildet.

DNA-Replikation: Prozess, Korrektur und Unterschiede Prokaryoten vs. Eukaryoten

Zusammenfassung

Der Text erklärt den Ablauf der DNA-Replikation, von der Entwindung der Doppelhelix über die Synthese des Leit- und Folgestrangs bis zu den Korrekturmechanismen der DNA-Polymerase. Außerdem werden die Unterschiede zwischen prokaryotischer und eukaryotischer Replikation in Ursprüngen, Syntheserate, Okazaki-Fragmenten, Chromatin und Fehlerquote verglichen.

Kernpunkte

Die Replikation beginnt mit der Entwindung der Helix durch Helikasen; Topoisomerasen verhindern übermäßige Verdrehung.
DNA-Polymerase fügt Nukleotide nur in 5'→3'-Richtung an.
Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert, der Folgestrang diskontinuierlich in Okazaki-Fragmenten.
Für den Folgestrang setzt die Primase einen RNA-Primer; die DNA-Ligase verschließt danach die Lücken.
Die Korrekturlesefunktion der DNA-Polymerase (Exonuklease-Aktivität) beseitigt fehlerhaft eingebaute Nukleotide.
Prokaryoten besitzen einen Replikationsursprung, Eukaryoten bis zu 100 Ursprünge; eukaryotische Replikation findet im Zellkern während der S-Phase statt.

Stellen Sie sich auf die Probe

DNA-Replikation: Der Prozess der Verdopplung

1. Entwindung der Helix und Öffnung

Die DNA-Replikation beginnt mit der Entwindung der Doppelhelix. Spezifische Enzyme, darunter Helikasen, sind beteiligt. Diese Enzyme brechen die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen auf, um die DNA in zwei Einzelstränge zu trennen. Um eine übermäßige Verdrehung (Knotenbildung) zu verhindern, wirken Topoisomerasen. Die Öffnung beginnt an spezifischen Ursprungsregionen. Bei Prokaryoten gibt es typischerweise einen Ursprung, während Eukaryoten aufgrund ihrer größeren DNA-Menge mehrere Ursprünge aufweisen. Diese Prozesse führen zur Bildung von Replikationsgabeln, die sich bidirektional bewegen.

2. Synthese der komplementären Stränge

Die Synthese der neuen, komplementären Stränge erfolgt durch die DNA-Polymerase. Diese Enzyme fügen Nukleotide an die neue Kette an, indem sie komplementäre Basenpaare zu den ursprünglichen Strängen bilden. Die Energie für die Bildung der Phosphodiesterbindungen wird durch die Abspaltung von Pyrophosphat aus den Nukleotid-Triphosphaten bereitgestellt, wobei ein Monophosphat übrig bleibt.

Leit- und Folgestrang

Die DNA-Polymerase kann Nukleotide nur in 5' $\to$ 3'-Richtung anfügen.
An einem Strang (dem Leitstrang) wächst die neue Kette kontinuierlich in Richtung der sich öffnenden Replikationsgabel.
Am anderen Strang (dem Folgestrang) erfolgt die Synthese diskontinuierlich in kurzen Abschnitten, den sogenannten Okazaki-Fragmenten.

Ablauf der Folgestrang-Synthese

Primer-Anlagerung: Da die DNA-Polymerase kein freies 3'-OH Ende benötigt, um zu starten, wird zunächst ein kurzer RNA-Primer (hergestellt von der Primase) an die Matrize angefügt.
Polymerisation: Die DNA-Polymerase synthetisiert die DNA-Abschnitte zwischen den Primern.
Primer-Entfernung und Ligation: Sobald die DNA-Kopie fertiggestellt ist, entfernt eine Endonuklease (oft eine Funktion der DNA-Polymerase selbst) die RNA-Primer-Fragmente. Anschließend füllt die DNA-Polymerase die Lücken auf. Zum Schluss verschließt die DNA-Ligase die entstandenen Lücken durch die Bildung der letzten Phosphodiesterbindung.

3. Korrekturmechanismen

Die DNA-Polymerase besitzt eine eingebaute Korrekturlesefunktion (Exonuklease-Aktivität), die fehlerhaft eingefügte Nukleotide beseitigt und korrigiert. Fehler treten zwar mit geringer Frequenz auf, können aber zu Mutationen führen. Diese Mutationen können unbemerkt bleiben, sind aber die Grundlage für die genetische Variabilität und die biologische Evolution.

Unterschiede zwischen prokaryotischer und eukaryotischer Replikation

Prokaryoten

Replikationsursprung: Ein einzelner Ursprungspunkt.
Syntheserate: Etwa 500 Nukleotide pro Sekunde.
Okazaki-Fragmente: Länger, ca. 1000 Nukleotide.
Regulatorische Proteine: Weniger Proteine binden an die DNA, was die Replikationsrate beeinflusst.
Fehlerquote: Etwa 1 Fehler pro $10^7$ Basenpaare.

Eukaryoten

Replikationsursprung: Bis zu 100 Ursprünge.
Syntheserate: Langsamer, ca. 50 Nukleotide pro Sekunde. Die Replikation ist insgesamt etwa 10-mal langsamer als bei Prokaryoten.
Okazaki-Fragmente: Kürzer, zwischen 100 und 200 Nukleotide.
Chromatin-Struktur: Die verdoppelte DNA muss sich sofort wieder um Histon-Oktamere wickeln, was die Replikation verlangsamt. Die ursprünglichen Stränge bilden mit neuen Histonen neue Doppelstränge.
Fehlerquote: Niedriger, etwa 1 Fehler pro $10^{10}$ Basenpaare.
Lokalisation und Zeit: Findet im Zellkern während der S-Phase des Zellzyklus statt (zwischen G1 und G2), bevor das Kernvolumen für die Zellteilung gefaltet wird.