DNA-Replikation Mindmap

Das Thema verstehen

Die DNA-Replikation ist der Prozess, bei dem eine Zelle vor der Teilung ihre Erbinformation verdoppelt. Ausgehend von einer doppelsträngigen DNA entstehen zwei identische Moleküle, von denen jedes einen alten und einen neu synthetisierten Strang besitzt. Die Replikation verläuft semikonservativ, beginnt an bestimmten Startpunkten und wird von einem Enzymkomplex aus Helikase, Primase, DNA-Polymerase und Ligase koordiniert. Wegen der antiparallelen Struktur der DNA entstehen ein durchgehender und ein diskontinuierlich synthetisierter Strang.

Semikonservative Replikation
Bei der semikonservativen Replikation bleibt in jedem Tochtermolekül ein ursprünglicher Elternstrang erhalten, während der zweite Strang neu synthetisiert wird. James Watson und Francis Crick schlugen dieses Modell 1953 vor, doch der experimentelle Nachweis gelang erst 1958 Matthew Meselson und Franklin Stahl. Sie markierten Bakterien-DNA mit schwerem Stickstoffisotop und verfolgten die Verteilung der Stränge über mehrere Generationszyklen. Die Ergebnisse schlossen sowohl das konservative Modell, bei dem die Eltern-DNA vollständig intakt bliebe, als auch das dispersive Modell aus. Das semikonservative Prinzip gilt heute als Grundlage für alle lebenden Organismen.

Ablauf in drei Phasen
Die Replikation lässt sich in Initiation, Elongation und Termination gliedern. In der Initiation binden Initiatorproteine an den Replikationsursprung, die Helikase trennt die Stränge, und die Primase erzeugt kurze RNA-Primer als Startpunkt für die Polymerase. In der Elongation synthetisiert die DNA-Polymerase den neuen Strang ausschließlich in 5'-3'-Richtung, weshalb der folgende Strang in Fragmenten entsteht. Die Termination endet, wenn sich die Replikationsgabeln treffen; bei Bakterien an einer definierten Terminationssequenz, bei Eukaryoten wenn benachbarte Origins aufeinanderstoßen. Anschließend werden RNA-Primer entfernt, Lücken gefüllt und Bruchstellen durch die Ligase verschlossen.

Warum zwei unterschiedliche Stränge entstehen
Die beiden DNA-Stränge verlaufen antiparallel: der eine in 5'-3'-Richtung, der andere in 3'-5'-Richtung. Da DNA-Polymerasen nur in 5'-3'-Richtung synthetisieren können, kann an der Replikationsgabel nur ein Strang kontinuierlich der Gabelbewegung folgen. Der zweite Strang wird in Richtung entgegen der Gabelbewegung in kurzen Abschnitten aufgebaut, den nach ihrem Entdecker Reiji Okazaki benannten Okazaki-Fragmenten. Jedes Fragment benötigt einen eigenen RNA-Primer. Nach der Synthese entfernt ein Enzymkomplex die Primer, füllt die Lücken mit DNA und die Ligase verbindet die Fragmente zu einem durchgehenden Strang.

Genauigkeit und ihre Grenzen
Die Replikation arbeitet sehr präzise, ist aber nicht fehlerfrei. DNA-Polymerasen prüfen während der Synthese das gerade eingebaute Nukleotid und entfernen falsche Basen durch Proofreading. Danach erkennt die Mismatch-Reparatur verbliebene Fehlpaarungen und korrigiert sie anhand des Elternstrangs. Trotz dieser Mechanismen verbleiben gelegentlich Fehler, die zu Mutationen führen können; diese sind nicht ausschließlich schädlich, sondern stellen auch die Variation dar, auf der Evolution beruht. Bei Eukaryoten bleibt zudem ein Problem an den Chromosomenenden: Die Polymerase kann den äußersten Bereich nicht vollständig kopieren, weshalb Telomere mit jeder Zellteilung verkürzt werden können.