Vertiefungsstufe 1 (LK, evtl. auch GK)
Initiierung der Replikation
Mehrere Einheiten eines Initiatorproteins binden an den Originator-Bereich (Startstelle der Replikation, Replikationsursprung) der bakteriellen DNA.
In der Regel besitzt die ringförmige Bakterien-DNA nur einen einzigen Replikationsursprung, während eukaryotische Zellen auf jedem einzelnen Chromosomen zehn, zwanzig oder mehr Replikationsstartstellen besitzen.
Die Initiatormoleküle entwinden dann einen kurzen Bereich der Doppelhelix. Die reaktiven Gruppen der nunmehr ungepaarten DNA-Basen werden durch spezielle Bindeproteine abgepuffert, damit sich die H-Brücken nicht wieder zurück bilden.
Entwindung der DNA
Die weitere Arbeit wird dann von einer Helicase verrichtet, welche die H-Brücken des Doppelstranges unter ATP-Verbrauch spaltet. Inzwischen hat man mehr als 10 verschiedene Helicasen in Prokaryotenzellen entdeckt. Die Helicase, die an der Replikation hauptsächlich beteiligt ist, besteht aus sechs Untereinheiten, die sich erst kurz vor der Replikation zur vollständigen Helicase zusammensetzen.
Wer schon einmal einen langen Gartenschlauch oder ein langes Stromkabel mit der Hand aufgewickelt hat, weiß, dass sich sehr leicht Verdrillungen bilden, die sogar zu Knoten führen können, wenn man nicht aufpasst. Auch beim Entwinden der DNA entstehen solche Verdrillungen. Hier setzen jetzt Topoisomerasen ein, die das Phosphat-Desoxyribose-Rückgrat der DNA an bestimmten Stellen aufschneiden und dann wieder schließen und somit den Verdrillungsgrad verringern. Auch die Topoisomerasen benötigen Energie in Form von ATP für ihre Arbeit.
Starten der DNA-Neusynthese
Eine Primase verbindet sich mit der Helicase und stellt dann eine kurze, zur DNA komplementäre RNA-Sequenz her, einen so genannten Primer. An diesen Primer kann dann die DNA-Polymerase III ansetzen und einen komplementären DNA-Strang bilden.
Eigentliche DNA-Neusynthese
Die DNA-Polymerase III der Bakterien besteht aus mehreren Untereinheiten, von denen zwei, die so genannten Core-Einheiten, Polymerase-Aktivität besitzen. Die Hauptaufgabe dieser Core-Einheiten ist es, das zum jeweils vorliegenden "nackten" Nucleotid komplementäre Nucleotid in den wachsenden DNA-Strang einzubauen. Wie dieser Einbau genau aussieht, erfahren Sie in der Vertiefungsstufe 2.
Damit haben wir eine ungefähre, aber leider nicht ganz vollständige Vorstellung, wie die DNA-Replikation bei Prokaryoten (Bakterien, Blaualgen) abläuft.
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Replikationsgabel (die Baustelle sozusagen) an der DNA entlangbewegt, ist beeindruckend und leicht zu merken: ca. 50 Nukleotide pro Sekunde beim Menschen und anderen Eukaryoten, bei Bakterien und anderen Prokaryoten sogar bis zu 500 Nukleotide pro Sekunde.
Zum Thema Replikation können Sie von mir auch einen Satz von 12 Folien und 5 Arbeitsblätter erhalten. Einzelheiten hier.
Vertiefungsstufe 2 (LK)
Die DNA-Synthese durch die DNA-Polymerase III kann nur in einer Richtung verlaufen, nämlich in der so genannten 5' --> 3' - Richtung. Betrachten wir dazu einen sehr kurzen, aus nur vier Nucleotiden bestehenden DNA-Einzelstrang:
Wie sehen, dass dieser Einzelstrang eine definierte Polarität hat. Das eine Ende ist gekennzeichnet durch eine Phosphatgruppe am C-Atom Nr. 5 der Desoxyribose, das andere Ende besitzt am C-Atom Nr. 3 eine Hydroxylgruppe. Entsprechend nennt man das eine Ende 3'-Ende, das andere Ende dagegen 5'-Ende.
Das Desoxyribose-Molekül ist mit zwei Phosphatgruppen verbunden. Eine Phosphat-Gruppe sitzt am C-Atom mit der Nummer 3, die zweite am C-Atom mit der Nummer 5.
Die DNA-Polymerase III kann die neuen Nulceotide aber nur an das 3'-Ende eines DNA-Einzelstrangs anbauen, nicht aber an das 5'-Ende. Damit ist die "Marschrichtung" der DNA-Polymerase festgeschrieben, sie muss sich an dem DNA-Einzelstrang in der 5' -> 3' - Richtung bewegen:
Wenn beide Stränge der DNA-Doppelhelix in die gleiche Richtung verlaufen würden, so wäre die parallele Replikation beider Stränge kein Problem. Die eine Core-Einheit der DNA-Polymerase III würde den einen Strang replizieren, die andere Core-Einheit den parallelen Strang.
Dummerweise verlaufen die beiden Stränge der Doppelhelix aber in entgegengesetzter Richtung:
Daraus ergibt sich ein gravierendes Problem. Wie die Zelle dieses Problem gelöst hat, zeigt die folgende Abbildung:
Der untere Einzelstrang im Bild kann von der DNA-Polymerse kontinuierlich repliziert werden, sie bewegt sich in der 3' -> 5' - Richtung am leading strand (Leitstrang) entlang und synthetisiert neue DNA, indem sie Nucleotide an das 3'-Ende des bisher neu erzeugten DNA-Einzelstrangs anhängt. Es entsteht ein langer kontinuierlich durchgehender DNA-Tochterstrang (hellblau).
Der andere Einzelstrang, der lagging strand, kann nicht in einem Stück repliziert werden. Wenn die Replikationsgabel im Bild ein Stück weiter nach links gewandert ist, dann setzt sich ein DNA-Polymerase-Molekül an den ungepaarten oberen Einzelstrang und synthetisiert in "Rückwärtsrichtung" ein ca. 100-200 Nucleotide langes Teilstück, ein sogenanntes Okazaki-Fragment (nach dem Japaner OKAZAKI benannt, der dies 1965 entdeckt hat).
Durch ein spezielles Enzym, eine Ligase, werden die einzelnen Okazaki-Fragmente schließlich miteinander verbunden.
Nadja Gorohow aus meinem 13er Biologie-Grundkurs (Schuljahr 2006/07) hat - in Anlehnung an eine Graphik aus dem Cornelsen-Band "Biologie Oberstufe" - eine Detailzeichnung dieser Vorgänge angefertigt, die ich auf dieser Seite gerne präsentiere:
nach: Cornelsen, Biologie Oberstufe - ein tolles Biologiebuch, das ich nur dringend für die Abiturvorbereitung empfehlen kann.
Links sehen wir den leading strand mit der kontinuierlichen Replikation; die DNA-Polymerase wandert hier einfach der Helicase hinterher. Rechts kann man den lagging strand mit der diskontinuierlichen Replikation erkennen, an dem sich die Polymerse immer in entgegengesetzter Richtung zur Helicase bewegt und dabei Okazaki-Fragmente synthetisiert, die dann von der Ligase zusammengefügt werden müssen. Allerdings kann die DNA-Polymerase nicht einfach so mit der Neusynthese der DNA anfangen, sondern sie braucht einen RNA-Primer, den sie dann vervollständigt. Für die Synthese dieser kurzen RNA-Primer ist eine Primase zuständig, die man ebenfalls gut in der Abbildung erkennen kann.
Vertiefungsstufe 3 (LK, Grundstudium Biologie)
Und nun noch ein paar Ergänzungen für Experten und solche, die es werden wollen.
Ergänzung 1
Die Primer erzeugen bekanntlich einen kurzen RNA-Strang, der dann von der DNA-Polymerase III um DNA-Nucleotide ergänzt wird. Was aber passiert mit der ursrpünglichen RNA des Primers? Hier setzt eine andere DNA-Polymerase ein, nämlich die DNA-Polymerase I. Die Aufgabe dieses Enzyms ist es, die RNA-Nucleotide durch entsprechende DNA-Nucleotide zu ersetzen.
Ergänzung 2
Wie erfolgt nun die Verlängerung der DNA-Kette genau. Betrachten Sie dazu folgende Graphik, die ich - wie alle Graphiken auf dieser Seite - selbst erstellt habe.
In unserem Beispiel wird gerade ein Adenosin-Triphosphat eingebaut, also ein künftiger A-Baustein der DNA. Von dem bekannten ATP unterscheidet sich das Desoxy-ATP nur durch den Zuckerbaustein: ATP enthält Ribose, Desoxy-ATP den Zucker Desoxyribose. Ähnlich aufgebaut sind die anderen freien Nulceotide Desoxy-GTP, Desoxy-CTP und Desoxy-TTP.
Beim Einbau des Desoxy-ATPs werden zwei der drei Phosphatgruppen abgespalten, das eigentliche Nucleotid, bestehend aus einer Phosphatgruppe, einer Desoxyribose und einer Adenin-Base, wird dann an die 3'-OH-Gruppe des Polynucleotids angehängt. Dieser Prozess ist eine endotherme chemische Reaktion, kostet also Energie. Wie wird die hierfür erforderliche Energie jetzt bereitgestellt? Noch nicht sofort. Bei der Abspaltung des Pyrophosphats wird noch nicht genügend Energie frei. Aber im nächsten Reaktionsschritt wird das Pyrophosphat hydrolisiert. Unter Aufnahme von Wasser entstehen zwei Phosphatgruppen. Dieser Prozess ist stark exotherm und liefert die Energie für die Verlängerung des DNA-Einzelstrangs, was in der Abbildung durch den roten gekrümmten Pfeil angedeutet wird.
Ergänzung 3 (etwas länger und komplizierter)
Betrachten wir noch einmal die Situation.
Fakt 1: Die DNA besteht aus zwei in entgegengesetze Richtungen verlaufenden DNA-Einzelsträngen.
Fakt 2: Die DNA-Polymerase kann stets nur in einer Richtung synthetisieren.
Das alles wäre ja nicht schlimm, wenn jeder Einzelstrang durch eine eigenständige DNA-Polymerase kopiert würde, so wie es das bekannte Bild suggeriert:
Hier sehen wir drei DNA-Polymerase-III-Moleküle, die unabhängig voneinander arbeiten. In Wirklichkeit gilt aber Fakt 3.
Fakt 3: Die DNA-Polymerase besteht aus zwei DNA-replizierenden Core-Einheiten, die fest miteinander verbunden sind. Die beiden Core-Einheiten können also nicht unabhängig voneinander die beiden DNA-Stränge replizieren.
Was also tun, sprach Zeus? Wie hat die Natur dieses Problem gelöst? Ich habe mir dazu mal mit Schere, Papier, Bleistift und Digitalkamera ein kleines Modell gebaut, hier ist das Ergebnis:
Ich habe zwei lange Papierstreifen ausgeschnitten und mit Pfeilen versehen. Die beiden Streifen sollen die beiden entdrillten DNA-Einzelstränge dargestellen. Unten im Bild sieht man deutlich, dass die beiden Einzelstränge antiparallel verlaufen, also in entgegengesetzten Richtungen.
Die DNA-Polymerase III habe ich durch eine blaue Pappe dargestellt, die zwei Schlitze besitzt (die aktiven Zentren der Core-Einheiten). Unter die Schlitze habe ich die Syntheserichtung der Polymerase gezeichnet.
Wie man gut sehen kann, muss der rechte Einzelstrang, der lagging strand, eine Schleife bilden, damit die rechte Core-Einheit der DNA-Polymerase III in der gleichen Richtung arbeiten kann wie die im Bild linke Core-Einheit.
Nach neueren wissenschaftlichen Erkenntnissen wird die Schleife nach der Fertigstellung eines Okazaki-Fragments wieder aufgebrochen, und für das nächste Fragment bildet sich wieder eine neue Schleife.
