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Folge 036 – DNA Replikation | Elongationsphase | Genetik Teil 8

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Inhalt der Folge:

  • In dieser Podcastfolge besprechen wir die Elongationsphase der DNA Replikation.

Die Phasen der DNA Replikation

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

  1. Die Initiationsphase (Folge 035)
  2. Die Elongationsphase (Thema dieser Folge)
  3. Die Terminationsphase

Die Elongationsphase

Die Elongationsphase der DNA Replikation folgt direkt im Anschluss an die Initiationsphase und kann ebenfalls in mehrere Reaktionsschritte geliedert werden:

Schritt 1: Priming

  • Im Anschluss an die Öffnung des DNA-Doppelstranges in der Initiationsphase folgt das sogenannte Priming.
  • Unter dem Priming versteht man die Synthese der Primer an den DNA-Einzelsträngen.
  • Primer sind kurze Stücke RNA, die ca. 6-30 Nukleotide lang sind.
  • Die Synthese der Primer erfolgt durch das Enzym Primase (eine bestimmte RNA-Polymerase).
  • Die Primase benötigt lediglich einen DNA-Einzelstrang als Vorlage, um die Primer zu synthetisieren.
  • Sie liest den DNA-Einzelstrang, der als Vorlage dient, in 3′ → 5′ Richtung ab und synthetisiert einen komplementären Primer in 5′ → 3′ Richtung.

Die Funktion der Primer

  • Dass die DNA erst nach dem Priming repliziert werden kann, liegt an dem Enzym, das die neuen DNA-Einzelstränge synthetisiert.
  • Dieses Enzym heißt DNA-Polymerase (genauer gesagt DNA-Polymerase 3).
  • Die DNA-Polymerase braucht immer eine freie 3′-OH-Gruppe, um mit der Synthese eines neuen DNA-Einzelstranges beginnen zu können.
  • Diese freie 3′-OH-Gruppe wird durch die Primer bereitgestellt.
  • Die Primer dienen der DNA-Polymerase also als Starthilfe.

Die DNA Polymerase

  • Aufgabe der DNA-Polymerase ist es, die neuen DNA-Einzelstränge zu synthetisieren.
  • Sie liest die Basen der DNA-Einzelstränge, die als Kopiervorlage dienen, nacheinander ab und synthetisiert Base um Base einen komplementären Strang nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung (A&T / C&G).
  • Wichtig zu verstehen ist die 5’→3′-Aktivität der DNA-Polymerase, mit der die Richtung der Synthese gemeint ist.
  • Die DNA-Polymerase liest den DNA-Einzelstrang, der als Kopiervorlage dient, immer in 3′ → 5′ Richtung ab und kann den neuen Strang nur in 5′ → 3′ Richtung synthetisieren!
  • Sie stellt die einzelnen Nukleotide jedoch nicht selbst her, sondern verknüpft sie lediglich.
  • Die benötigten Nukleotide befinden sich bereits zu genüge im Cytoplasma der Zellen.
  • Für die Synthese von Nukleotiden ist wiederum größtenteils die Leber verantwortlich.

Die Problematik der Antiparallelität: Leitstrang und Folgestrang

  • Die beiden Einzelstränge einer Doppelsträngigen-DNA verlaufen antiparallel.
  • Das bedeutet, dass die Einzelstränge zwar parallel verlaufen, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind.
  • Mit anderen Worten: Dort wo der eine DNA-Einzelstrang sein 3′-Ende hat, hat der andere Strang sein 5′-Ende und umgekehrt:
DNA Antiparallel
  • Die DNA-Polymerase kann aber nur in 5′ → 3′ Richtung synthetisieren bzw. den Elternstrang in 3′ → 5′ Richtung ablesen.
  • Mit voranschreitender Öffnung der Replikationsgabel kann also nur einer der beiden Stränge in Öffnungsrichtung (3′ → 5′ Richtung) abgelesen werden.
  • Dieser Strang wird Leitstrang genannt.
  • Der andere Elternstrang wird Folgestrang genannt.
DNA Leitstrang und Folgestrang Elongationsphase

Es gibt nicht nur einen Leitstrang und einen Folgestrang!

  • Wichtig zu verstehen ist, dass die Bezeichnungen „Leitstrang“ und „Folgestrang“ immer nur im Hinblick auf eine einzelne Replikationsgabel Sinn ergeben.
  • Wie wir bereits aus der letzten Folge wissen, wird die Eltern-DNA während der Initiationsphase an den Replikationsursprüngen geöffnet.
  • Man muss sich jedoch klar machen, dass im Anschluss zwei Replikationsgabeln entstehen.
  • Denn ausgehend vom Replikationsursprung wird die Eltern DNA in beide Richtungen von Helicasen geöffnet.
  • Deshalb kann es nicht nur einen Leitstrang und einen Folgestrang geben, wie wir anhand dieser Abbildung noch besser nachvollziehen können:
DNA Leitstrang und Folgestrang am Replikationsursprung

Schritt 2: DNA-Synthese am Leitstrang

  • Die DNA-Synthese am Leitstrang ist schnell erklärt und relativ unkompliziert.
  • Der Leitstrang kann in Öffnungsrichtung durchgehend repliziert werden, da hier die Öffnungsrichtung der Leserichtung der DNA-Polymerase (3′ → 5′ Richtung) entspricht.
  • Nach einmaligem Priming gleitet die DNA-Polymerase am Leitstrang in 3′ → 5′ Richtung entlang und synthetisiert kontinuierlich den neuen Strang in 5′ → 3′ Richtung.

Schritt 3: DNA-Synthese am Folgestrang

  • Die DNA-Synthese am Folgestrang ist ebenfalls schnell verstanden, verläuft aber etwas komplizierter.
  • Am Folgestrang ist nämlich keine kontinuierliche Replikation möglich, da hier die Öffnungsrichtung nicht der Leserichtung der DNA-Polymerase entspricht.
  • Denn wenn man in Öffnungsrichtung schaut, verläuft der Folgestrang in 5′ → 3′ Richtung.
  • Die Leserichtung der DNA-Polymerase ist jedoch nicht von 5′ → 3′, sondern von 3′ → 5′.
  • Die Replikation am Folgestrang kann also erst ablaufen, wenn die Eltern-DNA bereits ein Stück geöffnet ist.
  • Im Anschluss erfolgt das Priming direkt hinter der Helicase.
  • Danach wird der neue DNA-Strang gegen die Öffnungsrichtung diskontinuierlich synthetisiert.

Okazaki-Fragmente

Das erste Priming
  • Nach dem ersten Priming am Folgestrang synthetisiert die DNA-Polymerase den neuen Strang gegen die Öffnungsrichtung.
  • Nach kurzer Zeit trifft die DNA-Polymerase allerdings auf den Primer des Leitstranges der Replikationsgabel, die in die andere Richtung verläuft.
  • Sobald die DNA-Polymerase auf diesen Primer trifft, wird die DNA-Synthese an dieser Stelle abgebrochen.
Das zweite Priming
  • Währenddessen öffnet die Helicase die Eltern-DNA munter weiter.
  • Um den nächsten Abschnitt des Folgestranges replizieren zu können, muss es erneut zum Priming kommen, um der DNA-Polymerase wieder „Starthilfe“ zu geben.
  • Nach diesem zweiten Priming am Folgestrang synthetisiert die DNA-Polymerase den neuen Strang wieder gegen die Öffnungsrichtung.
  • Nach kurzer Zeit trifft die DNA-Polymerase logischerweise auf den ersten Primer des Folgestranges und bricht die DNA-Synthese an dieser Stelle wieder ab.
  • Dieser Ablauf wiederholt sich so oft, bis der gesamte Folgestrang repliziert wurde.
  • Dabei entstehen viele einzelne Abschnitte, bestehend aus neu synthetisierter DNA (immer ca. 1000 – 2000 Nukleotide lang) und dem jeweiligen Primer.
  • Diese Abschnitte nennt man Okazaki-Fragmente.

Schritt 4: Die Beseitigung der Primer der Okazaki-Fragmente

  • Um einen durchgehenden DNA-Strang zu bekommen, der keine RNA-Stücke (Primer) mehr enthält, müssen diese entfernt und durch DNA ersetzt werden.
  • Eine bestimmte Ribonuklease (Enzyme die Phosphodiesterbindungen spalten können) ist in der Lage die Primer zu entfernen.
  • Eine weitere DNA-Polymerase (DNA-Polymerase I) füllt die entstandenen Lücken mit der jeweils komplementären DNA.
  • Dieser Vorgang findet bereits während der Replikation des Folgestranges statt und nicht erst im Anschluss.

Schritt 5: Die Ligation der Okazaki-Fragmente

  • Der fünfte und letzte Schritt der Elongationsphase ist die Verknüpfung der Okazaki-Fragmente.
  • Zwar wurden die Primer bereits durch DNA ersetzt, allerdings befinden sich noch kleine Lücke zwischen den 3′-Enden und den 5′-der jeweiligen Okazaki-Fragmente.
  • Das Enzym Ligase kann diese letzten Lücken schließen, indem es die freien 3′-OH-Gruppen mit den freien 5′-Phosphatgruppen verknüpft.

Und damit ist die Elongationsphase der DNA Replikation beendet und wir machen in der nächsten Folge weiter mit der dritten und letzten Phase.

Die DNA Replikation ist semidiskontinuierlich

  • Der Leitstrang wird ohne Unterbrechungen in Öffnungsrichtung repliziert, deshalb spricht man beim Leitstrang von einer kontinuierlichen Replikation.
  • Weil der Folgestrang nicht kontinuierlich, sondern in Abschnitten synthetisiert wird, spricht man beim Folgestrang von einer diskontinuierlichen Replikation.
  • Betrachtet man die Replikation als Ganzes, muss man die beiden Begriffe „kontinuierlich“ und „diskontinuierlich“ lediglich kombinieren und bekommt den Begriff „semidiskontinuierlich“.
  • Deshalb bezeichnet man die DNA Replikation als semidiskontinuierlich.

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