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Replikation der DNA (Expertenwissen)

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Lerouret
Replikation der DNA (Expertenwissen)
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Replikation der DNA (Expertenwissen)

In diesem Video wird der Vorgang der Replikation erklärt. Bei der Replikation wird die im Zellkern als Doppelstrang vorliegende DNA verdoppelt. Dies geschieht vor jeder Zellteilung, damit in den entstehenden Tochterzellen immer das gesamte Erbmaterial enthalten ist. Beim Vorgang der Replikation muss der Doppelstrang zunächst aufgetrennt werden (Helikase). Anschließend lagern sich Basen an, die vom Enzym DNA-Polymerase verknüpft werden. Am Ende der Replikation liegen zwei identische DNA-Doppelstränge vor. Die Replikation am Folgestrang und die Okazaki-Fragmente werden ebenfalls im Video erklärt.

Transkript Replikation der DNA (Expertenwissen)

Hallo, ich bin Sela und werde euch nun die DNA-Replikation erklären. Um diesen Film zu verstehen, ist es sinnvoll, Grundkenntnisse zur Mitose sowie zum Aufbau des Zellkerns und der DNA zu haben. Die DNA-Replikation ist ein Vorgang, bei welchem das genetische Material einer Zelle verdoppelt wird. Dieser Vorgang findet vor jeder Zellteilung statt, damit in den entstehenden Tochterzellen ebenfalls das genetische Erbgut vollständig vorhanden ist. Die Replikation beginnt an einem bestimmten Abschnitt des DNA-Doppelstranges, welchen man Replikationsursprung nennt. Die Replikation erfolgt von dort in beide Richtungen zu den Enden des DNA-Stranges. Die Doppelhelix wird zunächst entwunden. Das Enzym Helikase löst die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen, wodurch der DNA-Doppelstrang in zwei elterliche Einzelstränge, die Matrizen, zerlegt wird. Folglich geschieht die Replikation auf semikonservativem Weg. Das heißt, die DNA wird nicht als Doppelstrang repliziert, das wäre konservativ, sondern sie wird erst in zwei elterliche Einzelstränge zerlegt. An jeden dieser Einzelstränge wird ein komplementärer, neuer Einzelstrang gebildet. An die Basen der Einzelstränge binden Proteine, welche verhindern, dass sich die Basen wieder aneinander lagern. Danach setzt das Enzym Primase an einer bestimmten Stelle der Einzelstränge einen Primer. Das ist eine kurze Nukleotid-Sequenz, die den Beginn der Replikation markiert. Sie ist nötig, damit das Enzym DNA-Polymerase an den Einzelsträng anlagern kann. Wenn die DNA-Polymerase an der Matrize lagert, binden einzelne Nukleotide nach dem Basenpaarungsprinzip durch Wasserstoffbrückenbindungen an die Matrize. Dabei tauscht die DNA-Polymerie, die Primernukleotide gegen DNA-Nukleotide. Am Vorwärtsstrang Richtung 3' nach 5' erfolgt die Replikation kontinuierlich. Das heißt die DNA-Polymerase kann ununterbrochen an diesem Strang Nukleotide verknüpfen, so wie eben beschrieben. Die DNA-Polymerase kann aber eben nur in dieser 3' nach 5'-Richtung am Strang entlang Nukleotide verknüpfen. Sie ist aber ein Doppelenzym, dass beide Einzelstränge nur gleichzeitig verdoppeln kann. Der Rückwärtsstrang liegt aber in 5' nach 3'-Richtung vor. Darum nun zu der Replikation am Rückwärtsstrang. Das Enzym Primase bindet auch hier kurze Nukleotidsequenzen, die Primer an die Matrize. Die DNA-Polymerase verknüpft am Rückwärtsstrang immer nur kurze Stücke des komplementären Stranges. Sie heißen Okazaki-Fragmente. Da der Rückwärtsstrang aber in 5' nach 3' Richtung vorliegt, muss sich ein Teil dieses Stranges um den Replikationsenzymkomplex wickeln. Dadurch liegt immer ein kleines Stück des Rückwärtsstranges in 3' nach 5‘ Richtung vor, genauso wie der Vorwärtsstrang. Dadurch kann die DNA-Polymerase nun die Okazaki-Fragmente synthetisieren. Die Replikation am Rückwärtsstrang erfolgt also diskontinuierlich, das heißt die DNA wird stückweise verdoppelt. Die Ligase verbindet am Ende die Okazaki-Fragmente zu einem zusammenhängenden Strang. Wenn die Replikation and Vorwärts- und am Rückwärtsstrang abgeschlossen ist, löst sich wieder der Replikationsenzymkomplex. Nun liegt die DNA im Zellkern doppelt vor. In diesem Film hast du also gelernt, wie die DNA-Replikation auf semikonservativen Wege funktioniert. Außerdem wirst du nun wissen, dass die Replikation am Vorwärtsstrang kontinuierlich verläuft und warum der Rückwärtsstrang im Gegensatz zum Vorwärtsstrang, nur stückweise, also diskontinuierlich in Okazaki-Fragmenten repliziert werden kann. Ich hoffe euch die Replikation verständlich erklärt zu haben, damit ihr eines besseren Gewissens in die nächste Klausur geht.

11 Kommentare

11 Kommentare
  1. ich find es anstrengend ihnen zu zuhören da ihr sprech tempo wirklich *zu* langsam ist. Doch davon abgesehen ein gutes video.

    Von Berlin Fashion Fou, vor fast 3 Jahren
  2. Hallo Susi,
    wir können kein Vertauschen feststellen, auch wenn das Video es ein bisschen anders erklärt, als es meistens gemacht wird. Was meine ich damit?
    Das Video zeigt zwar, wie der neue Strang in 3' -> 5' Richtung wächst. Aber die Beschriftung bezieht sich auf den alten DNA-Einzelstrang.
    Der neue DNA-Strang wächst dementsprechend umgekehrt, in 5' -> 3' Richtung. Es ist also immer wichtig zu unterscheiden, welcher Strang gemeint ist. Der neue Strang wächst in 5' -> 3' Richtung bezogen auf sich selbst. Dabei bewegt er sich am alten DNA-Einzelstrang in 3' -> 5' Richtung.

    Tipp: In dem Video sind an den Nukleotiden so kleine Anhängsel, die stromabwärts - also in 5' -> 3' Richtung zeigen.

    Ich hoffe dir damit weiterhelfen zu können.

    Von Karsten S., vor fast 4 Jahren
  3. Gutes Video, aber kann es sein, dass die Bezeichnungen 5' und 3' an dem Leit- und dem Folgestrang vertauscht wurden?

    Von Susi7, vor fast 4 Jahren
  4. sehr ausführliches Video! Weiter so bitte:)

    Von Laura 30, vor mehr als 5 Jahren
  5. Hallo Frederike,
    du hast Recht: Die DNA-Polymerase beginnt am 5´-Ende und arbeitet weiter in Richtung 3´-Ende. Dabei beziehen sich die Bezeichungen 5´und 3´allerdings auf den Tochterstrang und nicht auf den Mutterstrang.

    Von Anna-Maria Z., vor mehr als 6 Jahren
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Replikation der DNA (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Replikation der DNA (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die jeweiligen Funktionen der Enzyme und Proteine, welche an der DNA-Replikation beteiligt sind.

    Tipps

    Einige der Enzyme und Proteine tragen ihre Funktion bereits im Namen. Was könnten denn die Aufgaben von Prim-ase, Helik-ase oder dem einzelstrangbindenden Protein sein?

    Die Verknüpfung von DNA-Segmenten, die durch ein Enzym katalysiert wird, nennt man Liga-tion.

    Ein wichtiges Enzym stellt aus einzelnen Nukleotiden sehr große Moleküle her, die aus vielen ähnlichen Untereinheiten zusammengebaut sind. Solche Moleküle heißen Polymere.

    Lösung

    Das Enzym Primase setzt an bestimmten Stellen der DNA-Einzelstränge Primer. Primer sind Nukleotidsequenzen, die den Startpunkt der DNA-Synthese markieren.

    Das Enzym DNA-Polymerase bindet einzelne Nukleotide nach dem Basenpaarungsprinzip durch Wasserstoffbrücken an die Matrize. Damit entstehen aus einem elterlichen DNA-Strang zwei Tochterstränge.

    Das Enzym Ligase verbindet die einzelnen Okazaki-Fragmente des Rückwärtsstrangs zu einem zusammenhängenden Strang.

    Das Enzym Helikase spaltet die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Basenpaaren. Damit bildet sich eine Öffnung in der DNA, an der die Replikation beginnen kann.

    Einzelstrangbindende Proteine sorgen dafür, dass sich diese Öffnung nicht wieder verschließt. Sie verhindern eine erneute Aneinanderlagerung der, durch Helikase getrennten, Basen.

  • Beschreibe den Ablauf der DNA-Replikation.

    Tipps

    In welcher Reihenfolge können die Enzyme (Helikase, Primase, DNA-Polymerase und Ligase) wirken?

    Die DNA-Replikation beginnt am Replikationsursprung mit der Entspiralisierung der DNA und endet damit, dass sich der Replikationskomplex von den Tochtersträngen löst.

    Lösung
    1. Die DNA-Replikation beginnt am Replikationsursprung. Helikase entwindet die DNA-Doppelhelix und zerlegt sie somit in zwei Matrizen.
    2. Einzelstrangbindende Proteine binden an die Einzelstränge, um eine Wiederanlagerung der Basen zu verhindern.
    3. Das Enzym Primase setzt Primer an die Einzelstränge und markiert damit den Beginn der DNA-Synthese.
    4. Das Enzym DNA-Polymerase katalysiert die Bindung von Nukleotiden an die elterlichen Matrizen. Es synthetisiert vom Primer aus in 5' nach 3' Richtung.
    5. Am Rückwärtsstrang werden die einzelnen Okazaki-Fragmente mithilfe des Enzyms Ligase zu einem Strang verbunden.
    6. Der Replikationskomplex löst sich von den Tochtersträngen. Die DNA liegt nun doppelt im Zellkern vor.
  • Benenne die Bestandteile des Replikationskomplexes.

    Tipps

    Die DNA muss zuerst entwunden werden. Durch welches Enzym wird das bewerkstelligt?

    Wie kannst du den Vor- bzw. Rückwärtsstrang identifizieren? Überlege, welche Bestandteile der DNA-Replikation nur am Rückwärtsstrang zu finden sind.

    Die Gleitklammer ist ringförmig und befindet sich direkt an der DNA-Polymerase.

    Die Primase setzt Primer, die den Start der DNA-Synthese markieren.

    Die voneinander getrennten DNA-Stränge würden sich ohne ESB Proteine direkt wieder miteinander verbinden.

    Lösung

    Die Abbildung zeigt den Replikationskomplex (Replisom) während der DNA-Replikation:

    1. Rückwärtsstrang
    2. Vorwärtsstrang
    3. Helikase
    4. Primase
    5. Primer
    6. Okazaki-Fragment
    7. Einzelstrangbindende Proteine
    8. DNA-Polymerase
    9. Gleitklammer
  • Beschreibe die DNA-Synthese am Rückwärtsstrang.

    Tipps

    Ein gegensätzliches Wort passt in keine Lücke.

    Ein Bestandteil eines Primers ist der Zucker Ribose.

    Der Zucker Desoxyribose ist hingegen ein Bestandteil der Matrize.

    Lösung

    Für die Synthese der neuen DNA-Stränge benötigt die DNA-Polymerase Starthilfe. Diese erhält sie durch das Enzym Primase, welches anhand der DNA-Vorlage kurze Nukleotidsequenzen, sogenannte RNA-Primer, synthetisiert. Am Rückwärtsstrang ist die DNA-Synthese diskontinuierlich, also werden ständig neue Primer benötigt.

    Die DNA-Polymerase startet an einem neuen Primer und liest die Matrize in 3' nach 5' Richtung ab. Der neue Strang wird in 5' nach 3' Richtung synthetisiert bis der alte Primer erreicht wird. Ein solcher Abschnitt zwischen zwei Primern heißt Okazaki-Fragment.

    Der RNA-Primer inmitten des neuen DNA-Strangs wird von dem Enzym Nuklease erkannt und ausgeschnitten. Die freie Stelle zwischen zwei Okazaki-Fragmenten wird von Reparaturenzymen aufgefüllt und durch Ligase verknüpft. Dafür nutzt dieses Enzym das freie Ende des vorherigen Abschnitts als Primer.

  • Erkläre die Unterschiede bei der Replikation von Vorwärts- und Rückwärtsstrang.

    Tipps

    Die Abbildung zeigt den, durch Helikase aufgespaltenen Doppelstrang, den Vorwärtsstrang mit 3'-5'-Richtung und den Rückwärtsstrang mit komplementärer Richtung.

    Häufig werden die Richtungen verwechselt:
    Merke dir am besten einen Countdown zur Fertigstellung eines DNA-Tochterstranges. Die DNA-Polymerase synthetisiert nur vom 5'-Ende zum 3'-Ende.

    Lösung

    Da die DNA-Synthese bei der Replikation nur von 5' in 3' Richtung stattfinden kann, verläuft sie an beiden Einzelsträngen unterschiedlich.

    Vorwärtsstrang
    Der Elternstrang wird von 3' nach 5' Richtung abgelesen und der Tochterstrang von 5' nach 3' Richtung synthetisiert. Das Enzym Primase setzt zunächst einen einzelnen Primer, welcher den Beginn der DNA-Synthese markiert. Von dort aus verknüpft die DNA-Polymerase ununterbrochen Nukleotide miteinander, bis die kontinuierliche Replikation abgeschlossen ist.

    Rückwärtsstrang
    Der Elternstrang verläuft in 5' nach 3' Richtung. Der Tochterstrang müsste also von 3' nach 5' Richtung synthetisiert werden. Da dies nicht möglich ist, wickelt sich der Rückwärtsstrang um den Replikationskomplex. Damit kann immer ein Teil des Stranges in der 3' nach 5' Richtung abgelesen und in 5' nach 3' Richtung synthetisiert werden. Hierzu werden mehrere Primer durch Primase gesetzt. Die Synthese erfolgt diskontinuierlich mithilfe kurzer Stücke, sogenannter Okazaki-Fragmente. Am Ende der Replikation verbindet Ligase alle Okazaki-Fragmente zu einem zusammenhängenden Strang.

  • Vergleiche das Ende der Replikation bei Pro- und Eukaryoten.

    Tipps

    Zirkulär bedeutet „kreisförmig“ – Eselsbrücke: Die Zeichnung eines Kreises mit einem Zirkel.
    Die Bedeutung von „linear“ erschließt sich bei Betrachtung eines Lineals.

    Ein Telomer ist eine sich wiederholende, nicht kodierende Nukleotidsequenz am Ende eines Chromosomens.

    Ohne Telomerase würde bei jeder Replikation ein großes Stück DNA an den Telomeren verloren gehen. Zellen wären nur begrenzt teilbar und würden über kurz oder lang absterben. Daher fügt die Telomerase etwas zu den bestehenden Telomersequenzen hinzu.

    Lösung

    Eukaryoten haben lineare DNA mit Telomeren an den Enden. Diese bestehen aus repetitiven, also sich wiederholenden Nukleotidsequenzen. Sie können Telomerasen an sich heranziehen. Diese Enzyme enthalten eine RNA-Matrize, welche komplementär zur Telomersequenz ist.

    Da der DNA-Replikationskomplex eine Vorlage benötigt, die länger ist als der eigentliche DNA-Strang, fügt die Telomerase einige repetitive Sequenzen an den Matrizenstrang an. Diese zusätzlichen Sequenzen ermöglichen den Abschluss der DNA-Replikation durch die DNA-Polymerase.

    Prokaryoten verfolgen eine andere Strategie. Sie besitzen zirkuläre DNA. Es gibt keine Telomere und damit auch keine Probleme bei der Beendigung der DNA-Replikation. Die Replikation startet meist von nur einem Replikationsursprung aus, wohingegen eukaryotische Replikation viele Ursprünge hat.

    Die Telomer-Verkürzung wird in Zusammenhang mit der Zellalterung gebracht. Daher befassen sich moderne Anti-Aging-Experimente damit, ob eine Steigerung der Telomeraseaktivität das Altern verlangsamt. Telomerase ist nicht in allen Zellen aktiv, sondern nur in denen, welche mit einer schnellen Zellteilung assoziiert sind wie Keimzellen, Knochenmarkzellen, einige Immunzellen oder auch Tumorzellen.

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