Natürliche Replikation der DNA

Da nur die Basen A und T beziehungsweise G und C aufgrund der Anzahl der ausgebildeten Wasserstoffbrücken in der als Doppelstrang vorliegenden DNA gegenüber liegen können, ergibt sich der eine Strang aus dem anderen, sie sind komplementär. Dies ermöglicht, dass ein Einzelstrang zu einem Doppelstrang vervollständigt werden kann (der Einzelstrang dient als Matrize (Vorlage).

Zur Replikation wird ein DNA Molekül in Form der Doppelhelix geteilt und nach und nach die Einzelstränge durch Hinzufügen von Nukleotiden zu Doppelsträngen verarbeitet.

Der Vorgang der Replikation

Die Replikation der DNA ist von Enzymen gesteuert.

1. Die Helicase lagert sich an den Startpunkt einer DNA-Sequenz, dem Replikationsursprung oder Origin.

2. Die Helicase trennt die Wasserstoffbrücken zwischen den Strängen reißverschlussartig und öffnet somit blasenförmig. Hierdurch entsteht eine y-Förmige Replikationsgabel. Die DNA wird hierbei vorher von der Topoisomerase entwunden.

3. Die Primase setzt kurze komplementäre RNA-Stücke (bis zu 30 RNA-Nukleotide), die RNA-Primer, an die durch Spaltung entstehenden Einzelstränge (Primer-Annealing)

4. Die Primer dienen als Startpunkt für die DNA-Polymerase, welche die Einzelstränge durch Hinzufügen von Nukleotiden (aus dem Cytoplasma) zu Doppelsträngen ergänzt

Doch bei der Ergänzung gibt es ein Problem:

Die DNA-Polymerase kann neue Nukleotide nur an das C3 Atom der Desoxyribose eines Nukleotids setzen und somit nur in 5´ → 3` Richtung arbeiten.

Doch die Stränge der DNA laufen in entgegengesetzter Richtung, auf beiden Seiten gibt es ein 3` und ein 5` Ende. Hieraus folgt, dass der Strang, welcher selbst von 5` zu 3`, also links einer Phosphatgruppe zu rechts einer OH-Gruppe verläuft in entgegengesetzter Richtung zur Arbeit der Helicase ergänzt werden muss. Dieser Strang ist diskontinuierlich, der andere kontinuierlich (er kann kontinuierlich bearbeitet werden). Beim kontinuierlichen Strang kann die DNA-Polymerase direkt hinter der Helicase arbeiten, es muss nicht mehrfach durch Primer angesetzt werden.

Aus diesem Grund gilt für den diskontinuierlichen Strang:

• die DNA-Neusynthese findet immer in Stücken statt (aus ca. 1000 Nukleotiden) und es wird sich in Stück für Stück nach ,,vorne” gearbeitet, wobei die Synthese nach ,,hinten” stattfindet, bis auf ein schon fertiges Fragment gestoßen wird.

• die entstehenden Fragmente (aus einem DNA-Nukleotiden Abschnitt und einem Primer) heißen Okazaki Fragmente

• die vielen RNA-Primer werden durch DNA-Polymerase I entfernt und durch eine andere spezielle DNA Polymerase durch DNA-Nukleotide ersetzt

• letztendlich werden die Okazaki Fragmente durch die DNA-Ligase verbunden

Beim kontinuierlichen Strang muss nur ein Primer entfernt und ersetzt werden.

Die DNA-Neusynthese läuft an vielen Stellen (,,Blasen”) gleichzeitig ab. Mit der Vereinigung der Replikationsgabeln ist die Replikation beendet. Beim Menschen können 50 Nukleotide / Sekunde gebildet und so die DNA einer Zelle in wenigen Stunden komplett repliziert werden. Fehler treten selten auf (die DNA-Polymerase besitzt z. B. eine Korrekturfunktion).