Replikation der DNA

Hallo. Willkommen zum Video zum Thema Replikation der DNA auf LK-Niveau. Inhalt: Wir besprechen die Frage: Wozu dient die DNA-Replikation? Wir gehen auf alle beteiligten Enzyme ein und besprechen den Ablauf der DNA-Replikation. Außerdem gehen wir auf die Korrektur von Fehlern ein. Dieses Video baut auf folgendem Vorwissen auf: Du solltest bereits mit dem Zellzyklus vertraut sein. Zudem solltest Du ein gutes Grundwissen über den Aufbau der DNA aufweisen. Unter der DNA-Replikation versteht man die Verdopplung der gesamten DNA einer Zelle. Dieser Prozess findet während der Interphase des Zellzyklus statt. Wie Du bereits weißt, gliedert sich der Zellzyklus in die Mitose, in der die Kernteilung stattfindet und die Interphase. Genauer gesagt, findet die DNA-Replikation während der S-Phase der Interphase statt. Wir kommen jetzt zum Grundprinzip der DNA-Replikation. Vor der Replikation besteht das DNA-Molekül aus zwei komplementären Einzelsträngen, die einen Doppelstrang bilden. Dieser ist hier stark vereinfacht dargestellt. Am Anfang der Replikation werden die Einzelstränge voneinander getrennt. Diese Stränge dienen nun als Vorlagen für die Synthese eines neuen komplementären Stranges. Die beiden Stränge, die als Vorlage dienen, werden Matrizenstränge genannt. Die neu entstandenen Doppelstränge haben die gleiche Nucleotid-Reihenfolge und sind somit identisch. Durch die Anlagerung von komplementären Nucleotiden entsteht ein Doppelstrang. Dieses Modell der DNA-Replikation nennt man semikonservativ. Es unterscheidet sich von anderen denkbaren konservativen Modell, in welchem das ursprüngliche DNA-Molekül intakt, also konserviert bleibt. Nach der Replikation hätte man somit einen Strang, der nur aus alten Nucleotiden besteht, und einen völlig neu synthetisierten Doppelstrang. In einem dritten, dem dispersiven Modell, bestehen nach der Replikation alle vier neuen Stränge aus einer Mischung von alter und neuer DNA. Es konnte bewiesen werden, dass das semikonservative Modell dem tatsächlichen Ablauf der DNA-Replikation entspricht. Der Beweis wurde in den fünfziger Jahren durch ein Experiment von Meselson und Stahl geliefert. Wir gehen jetzt auf ein paar wichtige Details beim DNA-Aufbau ein. Dank deines Grundwissens solltest du schon wissen, wie DNA aufgebaut ist. Ein Nucleotid besteht aus dem Zucker Desoxyribose. Die Kohlenstoffatome des Zuckers sind durchnummeriert. Jedes Nucleotid trägt am C5-Atom eine eigene Phosphatgruppe. Am C1-Atom befindet sich eine Base: Adenin, Thymin, Cytosin oder Guanin. Am C3-Atom befindet sich eine OH-Gruppe, auch Hydroxygruppe genannt. An diesem C3-Atom wird nach der Verknüpfung die Phosphatgruppe des benachbarten Nucleotids angefügt. Dieser Aufbau verleiht dem Strang eine definierte Polarität bzw. Richtung. Betrachten wir einen kurzen DNA-Abschnitt: Wir sehen, dass dieser ein 5‘-Ende und ein 3‘-Ende aufweist. Der komplementäre Strang ist antiparallel. Man kann auch sagen: Der eine Strang verläuft in 5‘ nach 3‘ und der komplementäre von 3‘ nach 5‘. Das 5‘-Ende liegt immer dem 3‘-Ende am komplementären Strang gegenüber. Die beiden Stränge sind antiparallel. Sehen wir uns näher an, wie der Einbau eines Nucleotids erfolgt: Dieser Prozess wird durch spezifische Enzyme katalysiert, die DNA-Polymerasen. Die Bausteine, die die DNA-Polymerase einbaut, sind nicht die Nucleotide selbst, sondern Nucleosid-Triphosphate. Sie haben drei Phosphatgruppen gebunden. Die DNA-Polymerase baut ein passendes Nucleosid-Triphosphat ein, zum Beispiel ein Adenin, das komplementär zum Thymin ist. Das heißt, es trägt die komplementäre Base zu dem Nucleotid am Matrizenstrang. Bei der Bindung werden zwei Phosphatgruppen abgespalten. Diese Verbindung wird Pyrophosphat genannt. Die Abspaltung der Phosphatgruppen liefert die benötigte Energie für den Einbau des Nucleotids. Der Einbau findet so statt, dass am 3‘-Ende des bestehenden Nucleotids die Phosphatgruppe des neuen Nucleotids angeheftet wird. Wir kommen zum Ablauf der Replikation. Hier ist der ursprüngliche DNA-Doppelstrang dargestellt. Der hellgelbe Strich symbolisiert das Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA. Die Basen sind bunt dargestellt. Die DNA-Replikation beginnt mit Initiation. Es finden folgende zwei Prozesse statt: Die Doppelhelix entwindet sich. Außerdem wird der Doppelstrang in Einzelstränge getrennt. Wir sehen uns jetzt an, wie dieser Prozess genauer abläuft. Hierbei ist das Enzym Helikase beteiligt. Die Helikase zerlegt die Doppelhelix in zwei Einzelstränge. Hierbei werden die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen getrennt. Bestimmte Proteine, die als einzelstrang-bindende Proteine bezeichnet werden, verhindern, dass sich die beiden Einzelstränge wieder zu einem Doppelstrang verbinden. Nach der Initiation erfolgt das Priming, also das Starten. Der Primer ist wichtig, weil die DNA-Polymerase ein 3‘-Ende braucht, um weitere Nucleotide dranzuhängen. Die Synthese, bzw. die Verlängerung des neuen DNA-Strangs, wird als Elongation bezeichnet. Bei diesem Prozess ist das Enzym DNA-Polymerase beteiligt. Wir sehen uns jetzt diesen Prozess am oberen Strang genauer an. Die DNA-Polymerase hängt Nucleotide an den Primer an. In diesem Video hast du bereits gelernt, dass die Bausteine, die angefügt werden, die Nukleosid-Triphosphate sind. Beim Einbau werden zwei Phosphatgruppen abgespalten. Schritt für Schritt werden die Nucleotide mit den komplementären Basen angefügt. Auf diese Weise verlängert die DNA-Polymerase den neuen DNA-Strang in 5‘- nach 3‘-Richtung. Man nennt diesen neuen Strang auch Leitstrang. Der Leitstrang wird immer kontinuierlich, also an einem Stück synthetisiert, und zwar in 5‘- nach 3‘-Richtung. Der DNA-Doppelstrang ist jetzt aber noch nicht fertig. Eine andere Polymerase ersetzt den RNA-Primer durch DNA. Nun liegt ein fertiger DNA-Doppelstrang vor. Wir sehen uns jetzt an, wie am unteren Strang der ursprünglichen DNA der neue Strang synthetisiert wird. Hierfür malen wir schematisch die Replikationsgabel mit beiden Strängen ein. Du hast bereits gelernt, dass die Synthese des Leitstrangs kontinuierlich in 5‘- nach 3‘-Richtung erfolgt. Da der untere Strang antiparallel ist, verläuft der Prozess etwas anders. Du weißt bereits, dass die DNA-Polymerase nur an das 3‘-Ende eines Primers anfügen kann. Die DNA-Polymerase synthetisiert also immer in 5‘- nach 3‘-Richtung. Dies ist am unteren Strang aber nicht kontinuierlich möglich. Dieser Strang wird auch Folgestrang genannt. An ihm erfolgt die Synthese diskontinuierlich. Deshalb wird er auch diskontinuierlicher Strang genannt. Wenn sich die Replikationsgabel weiter aufspaltet, kann die Primase weitere Primer bilden, damit die DNA-Polymerase an das freie 3‘-Ende Nucleotide anfügen kann. Du verstehst jetzt, was mit diskontinuierlich gemeint ist. Die auf diese Weise entstandenen DNA-Fragmente, die hier grün eingezeichnet sind, werden auch Okazaki-Fragmente genannt. Nochmal zum Einprägen: Die Synthese des Leitstranges erfolgt in der Gesamtrichtung 5‘ nach 3‘ und kann somit kontinuierlich erfolgen. Die Synthese des Folgestrangs erfolgt in der Gesamtrichtung 3‘ nach 5‘. Die Synthese erfolgt somit diskontinuierlich. Eine andere Polymerase ersetzt den RNA-Primer durch DNA. Am Folgestrang müssen die Okazaki-Fragmente noch miteinander verbunden werden. Hierbei ist das Enzym Ligase beteiligt. Die Ligase verbindet alle DNA-Fragmente und somit entstehen zwei fertige Doppelstränge. Wir kommen auf die Fehlerkorrektur zu sprechen. Bei der Synthese eines neuen DNA-Stranges kann es zum Einbau von falschen Nucleotiden kommen. Deshalb hat die DNA-Polymerase eine Korrekturlesefunktion. Diese Korrektur erfolgt anhand des Matrizenstranges. Die DNA-Polymerase überprüft, ob am Matrizenstrang ein fehlgepaartes Nucleotid vorliegt. Fehlgepaarte Nucleotide werden entfernt und durch die richtigen Nucleotide ersetzt. Zusammenfassung: Die DNA-Replikation ist die Verdoppelung der gesamten DNA der Zelle während der Interphase. Es existieren drei Replikationsmodelle: semikonservativ, konservativ und dispersiv. Das semikonservative Modell konnte in Experimenten bewiesen werden. Wir sind auf ein paar Details des DNA-Aufbaus eingegangen. Du weißt, wie Nucleotide aufgebaut sind und was man unter der antiparallelen Anordnung der Stränge versteht. Du kannst zwischen dem 3‘- und dem 5‘-Ende unterscheiden. Beim Nucleotideinbau werden Nucleotid-Triphosphate an den Strang gebunden, wobei zwei Phosphatreste abgespalten werden. Der Einbau von Nucleotiden erfolgt durch DNA-Polymerasen. Danach sind wir näher auf die DNA-Replikation eingegangen und haben den Ablauf besprochen. Die DNA-Replikation beginnt mit der Initiation. Dabei ist das Enzym Helikase beteiligt. Die Helikase zerlegt die Doppelhelix in zwei Einzelstränge. Damit die Elongation stattfinden kann, muss zuvor die Primase einen RNA-Primer synthetisieren. Die DNA-Polymerase fügt Nucleotide an das 3‘-Ende des Primers an. Eine andere DNA-Polymerase ersetzt die RNA-Primer durch DNA. Die Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente miteinander. Außerdem hast du gelernt, dass die DNA-Polymerase eine Fehlerreparaturfunktion hat. Du hast dir hoffentlich gemerkt, dass die DNA-Polymerase nur am 3‘-Ende neue Nucleotide anfügen kann und zwar an der OH-Gruppe am 3‘-Kohlenstoffatom. Daraus ergibt sich, dass der sogenannte Leitstrang kontinuierlich in der Richtung von 5‘ nach 3‘ synthetisiert werden kann. Der Folgestrang kann nur diskontinuierlich synthetisiert werden. Die Gesamtrichtung ist von 3‘ nach 5‘. Am Folgestrang entstehen deshalb Okazaki-Fragmente, die am Ende von der Ligase verbunden werden müssen. Danke für deine Aufmerksamkeit. Tschüss, bis zum nächsten Video.