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Folge 035 – DNA Replikation | Initiationsphase | Genetik Teil 7

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Inhalt der Folge:

  • Mit der heutigen Podcastfolge steigen wir in den Prozess der DNA Replikation ein.
  • Ich habe mich dazu entschieden, die DNA Replikation in drei Folgen aufzuteilen, weil eine einzelne Folge den zeitlichen Rahmen sprengen würde!
  • In jeder der drei Podcastfolgen besprechen wir eine der drei Phasen der DNA Replikation. 🙂

Definition: DNA Replikation

Die DNA Replikation bezeichnet den Prozess der Verdopplung eines DNA Moleküls, der semikonservativ abläuft.

Die Phasen der DNA Replikation

Der Ablauf der DNA Replikation lässt sich in drei Phasen unterteilen:

  1. Die Initiationsphase (Thema dieser Folge)
  2. Die Elongationsphase
  3. Die Terminationsphase

Die DNA Replikation im Überblick

  • Bei der DNA Replikation dienen die beiden alten DNA-Einzelstränge als Kopiervorlagen (Matrizen) für die neu zu synthetisierenden Tochterstränge.
  • Die doppelsträngige DNA wird zu Beginn der DNA Replikation in Einzelstränge aufgespalten.
  • An den DNA-Einzelsträngen werden anschließend neue komplementäre Stränge in antiparalleler Richtung synthetisiert.
  • Mit antiparallel ist gemeint, dass der DNA-Einzelstrang, der als Kopiervorlage dient, in 3′ → 5′ Richtung gelesen wird, aber der neue Strang in 5′ → 3′ Richtung synthetisiert wird.
  • Am Ende der DNA Replikation sind aus dem alten DNA Molekül zwei DNA Moleküle entstanden bzw. gebildet worden.
  • Diese beiden DNA Moleküle bestehen je aus einem alten und einem neu synthetisierten Strang.
  • Wie in Folge 034 besprochen, bezeichnet man den Replikationsverlauf deshalb als semikonservativ (halb-bewahrend).

Die Initiationsphase

Schritt 1:
Replikationsursprünge identifizieren

  • Die Initiation der DNA Replikation erfolgt jeweils an den sogenannten Replikationsursprüngen.
  • Replikationsursprünge sind bestimmte Abschnitte der DNA.
  • Die Replikationsursprünge werden von Initiationsproteinen erkannt und für die Helicasen markiert.
  • Der bestbeschriebene Replikationsursprung ist der des Bakteriums E. coli, der 245 Basenpaare umfasst.
  • In Bakterien (Prokaryoten) wie z.B.: E. coli werden ausgehend vom Replikationsursprung ca. 500 – 1000 Nukleotide pro Sekunde synthetisiert.
  • Im Vergleich dazu liegt die Replikationsgeschwindigkeit in Eukaryoten liegt nur bei ca. 30 – 50 Nukleotiden pro Sekunde.
  • Diese unterschiedlichen Replikationsgeschwindigkeiten kommen zustande, weil die Polymerasen in Eukaryoten und Prokaryoten unterschiedliche Aktivitäten / Eigenschaften aufweisen.
    • Beispielsweise besitzt die eukaryotische Polymerase die Fähigkeit Replikationsfehler zu erkennen und zu korrigieren (eng.: proofreading).
  • Zu den unterschiedlichen Replikationsgeschwindigkeiten kommt noch hinzu, dass Eukaryoten in der Regel ein deutlich größeres Genom als Prokaryoten besitzen.
  • Damit die DNA Replikation bei Eukaryoten nicht ewig anhält, wird die Gesamtdauer durch den Start an Hunderten bis Tausenden Replikationsursprüngen verkürzt.

Schritt 2:
Helicasen öffnen den Doppelstrang

  • Damit die DNA repliziert werden kann, muss sie in Einzelstränge aufgespalten und entwunden werden.
    • Denn wie wir bereits aus den vorherigen Folgen wissen, liegt DNA nicht geordnet vor, sondern ist stark gefaltet, verdreht und komprimiert, was für einen stabileren Zustand sorgt.
  • Nachdem die Replikationsursprünge durch die Initiationsproteine markiert wurden, spalten Helicasen (Enzyme) an diesen Stellen die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen der beiden Einzelstränge auf.
  • Die Stellen an denen die Helicasen den DNA-Doppelstrang in Einzelstränge aufspalten, nennt man auch Replikationsgabeln.
  • An den Stellen an denen die Helicasen den DNA-Doppelstrang öffnen, entwinden sie ihn außerdem.
  • Die Entwindung der DNA durch die Helicasen hat jedoch zur Folge, dass der restliche DNA-Doppelstrang zunehmend verdrillt wird!
  • Sogenannte Topoisomerasen (Enzyme) können dieser zunehmenden Verdrillung entgegenwirken.
    • Man spricht häufig davon, dass die Topoisomerasen den DNA-Doppelstrang entspiralisieren.
    • Diese Entspiralisierung vollzieht sich jedoch nicht durch Rotation des DNA-Doppelstranges, sondern durch Spaltung und erneute Verknüpfung.

Schritt 3:
Stabilisierung der Einzelstrangabschnitte

  • Damit sich die Basen der entstandenen Einzelstränge nicht direkt wieder über neue Wasserstoffbrückenbindungen paaren, kommt es zur Anlagerung von Proteinen zur Stabilisierung der Einzelstrangabschnitte.

Und damit ist die Initiationsphase der DNA Replikation auch schon beendet.
Im Anschluss beginnt die zweite Phase der DNA Replikation, die wir in der nächsten Folge durchgehen werden! 🙂

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