Die Replikation der DNA

Vielen Schülern fällt es zunächst schwer, sich die Replikation (Vervielfältigung) der DNA vorzustellen - erscheint doch das Thema so abstrakt und nah am Göttlichen, dass es schon absurd ist, so etwas in der Schule zu lernen. Die Replikation des Erbguts ist gleichzeitig eine hoch interessante Sache, die wir dir als Schüler nicht nur den Noten wegen nahe legen möchten, zu lernen.

Zunächst musst du wissen, dass die DNA semikonservativ repliziert (vervielfältigt) wird. Das bedeutet, dass nach jeder Replikation zwei komplette DNA-Sätze vorhanden sind, die sich zu 100% gleichen (wenn kein Fehler bei dem Prozess unterlaufen ist). Der DNA-Faden wird jedoch nicht einfach in der Mitte durchgebrochen wie ein Stock und anschließend repliziert, sondern längs geteilt, wie man ein Seil in 2 Seile aufriffeln kann, wenn man die Einzelstränge des Seiles von einander trennt. Das hat natürlich den Grund, dass man nur auf diese Weise alle Erbinformationen beibehält. Würde die DNA einfach in der Mitte zerbrochen wie eine Salzstange, wären nur die Hälfte der Informationen vorhanden und die andere Hälfte würde im besten Falle zufällig dazu gebaut.

Im nebenstehendem Lego-Modell der DNA kannst du sehen, dass die DNA zum einem aus den rot-gelben Rückratsträngen besteht, sowie aus den grau-schwarzen oder blau-weißen Nukleinbasen. Diese Nukleinbasen sind immer komplementär (gegensätzlich) zueinander. Das bedeutet, dass die graue Base, nennen wir sie Guanin, sich nur mit der schwarzen Base, Cytosin, paaren kann. Umgekehrt kann sich die blaue Base, Thymin, nur mit der weißen Base, Adenin, paaren.  Dadurch ergibt sich, dass ein Strang das Negativ des anderen Stranges ist, sodass beide Stränge die gleichen Infos enthalten - einer jedoch "spiegelverkehrt".

Zwischen den jeweiligen Basen-Paaren (G und C oder A und T) finden sich Wasserstoffbrücken, welche die DNA zusammen halten. Bei der Replikation der DNA brechen diese Wasserstoff-Brücken auseinander, sodass zwei - zu einander komplementäre - DNA Stränge entstehen.

Die Replikation der DNA lässt sich in verschiedene Schritte untergliedern: Initiation, Elongation, eine Interphase sowie die Termination. Sie findet in den meisten Fällen in der S-Phase (Synthese-Phase) der Mitose statt, bevor sich die Zelle teilt.

Schritt 1: Die Initiation der Replikation

Die DNA liegt zunächst in ihrer äußerst stabilen Doppelhelix vor und ist außerdem in sich gewunden. Damit die DNA jedoch vernünftig abgelesen und repliziert werden kann, muss sie "ordentlich" in ihre Einzelstränge geteilt vorliegen.

Daher wird nun die DNA von einem Enzym namens Topoisomerase an einer Stelle aufgeknackt. Die DNA verliert dadurch an dieser Stelle ihre Spannung und kann sich aufzwirbeln oder entwinden. Unmittelbar nachdem die DNA entspannt wurde, wird die Lücke wieder geflickt. Es bleibt eine Replikationsblase, wie sie in dem oben stehenden Bild zu erkennen ist. Dort, wo die DNA-Stränge wieder zusammen kommen, sind die beiden Replikations-Gabeln. Diese Gabeln werden durch SSB-Proteine (Single-Strand-Binding-Protein) auseinander gehalten, damit sich die Wasserstoffbrücken nicht wieder "aus Versehen" wieder an einander binden und die Replikationsblase somit geschlossen wird.

Dabei werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen Guanin-Cytosin oder Adenin-Thymin durch die Helikase auseinander gebrochen. Die Helikase setzt am so genannten Origin an, dem Replikationsurpsrung. Dies ist ein Ort auf der DNA, der sich durch eine bestimmte Abfolge von Basen auszeichnet.

Nun kann endlich das Priming stattfinden: Der Primer wird durch die Primase (eine RNA-Polymerase) an eine Stelle auf den Einzelsträngen der DNA angebracht. Der Primer selbst ist ein kurzes Stück DNA, das unbedingt nötig ist, damit die Replikation beginnen kann. Der Primer ist Startsignal und Ansatzstelle für die DNA-Polymerase.

Schritt 2: Die Elongation der DNA

Hier findet die eigentliche Replikation der DNA statt. Die DNA-Polymerase (in der Zeichnung oben der gelbe Block) synthetisiert hier aus den zwei Einzelsträngen zwei komplette Sätze von DNA. Das geschieht durch freie Basenpaarung. Wie schon oben festgestellt, kann auf Guanin nur Cytosin passen, auf Cytosin nur Guanin, auf Thymin nur Adenin und auf Adenin nur Thymin. Die einzelnen Basen schwirren frei in der Zelle herum und gelangen mehr oder weniger nach dem Zufallsprinzip auf ihre passende Base auf dem DNA-Strang. Dort verbindet die DNA-Polymerase die beiden Basen miteinander und synthetisiert den neuen (hier roten) Rückratstrang.

Es gibt dabei nur ein Problem: Die DNA-Polymerase kann nur in eine Richtung synthetisieren (nämlich in 5'-3'-Richtung - auf dem Leitstrang). Das bedeutet, dass sie auf einem Strang "ungestört" arbeiten kann, bis der DNA-Strang zuende ist, während sie auf dem anderen Strang nur stückchenweise voran kommt.

Auf dem Bild erkennt man den 5'-3'-Strang als den unteren. Man nennt ihn auch den Leitstrang. Der obere ist der 3'-5'-Strang, Folgestrang genannt, und dort sieht man, dass die DNA-Polymerase immer nur ein kleines Stück der DNA herstellt, bevor sie auf ein Ende stößt und an einer anderen Stelle von vorne anfängt. Diese kleinen Stücke, die da repliziert werden, nennt man Okazaki-Fragmente.

Die Synthese am Leitstrang nennt man "kontinuierliche Synthese" und die am Folgestrang "diskontinuierliche Synthese".

Wenn die Replikation der DNA in der Replikationsblase fertig ist, läuft eine andere DNA-Polymerase noch einmal über die Stränge der DNA und entfernt dort die Primer. Sie füllt außerdem die Lücken zwischen den Okazaki-Fragmenten auf dem Folgestrang mit Nukleotiden auf.

Die DNA-Ligase ist dafür zuständig, eine Verbindung zwischen den Basen und dem Rückratstrang zu bilden.

Schritt 3: Die Termination der DNA-Replikation

Hier wird die DNA schließlich beendet. Dies ist kein besonders komplizierter Prozess, denn die DNA-Synthese wird dann automatisch beendet, wenn entweder die Replikationsgabeln aneinander stoßen, oder die DNA-Polymerase über eine Terminationssequenz läuft, die ihr gebietet, mit der Synthese auf zu hören.

Aufgaben zum Thema DNA-Replikation

• Suche aus dem Text alle kursiv gedruckten Wörter heraus und erkläre sie noch einmal mit eigenen Worten.
• Zeichne den Prozess der Replikation in mehreren Schritten und beschrifte diese Zeichnung.
• Suche bei Wikipedia etc. den Unterschied zwischen der eukaryoten und prokaryoten DNA-Reduplaktion heraus.

Bilder CC 2.0 by mknowles, Ethan Hein