DNA Replikation einfach erklärt
Was die DNA Replikation ist und wie sie abläuft, erfährst du in unserem Beitrag und im Video !
Inhaltsübersicht
Was ist die DNA Replikation?
Die DNA Replikation ist eine Verdopplung der DNA einer Zelle. Das ist besonders für die Mitose und Meiose wichtig, denn bei den Prozessen teilen sich die Zellen. Und da jede neue Zelle ihre eigene DNA benötigt, muss auch diese sich teilen. Damit die entstehenden Zellen aber nicht nur Teile des Erbguts besitzen, wird die DNA verdoppelt. Durch die DNA Verdopplung ist jede Zelle mit den gesamten Erbinformationen ausgestattet.
Da die DNA in einer Doppelhelix angeordnet ist, muss sie zuerst entwunden und anschließend in zwei Einzelstränge aufgeteilt werden. Die können dann jeweils zu einem Doppelstrang ergänzt werden, sodass zwei identische DNA Doppelstränge entstehen.
Die DNA Replikation ist der Vorgang, bei dem die DNA einer Zelle verdoppelt wird. Sie findet in drei Phasen statt: Initiation, Elongation und Termination. Die Verdopplung der DNA ist besonders für die Mitose und Meiose wichtig, da jede neue Zelle die vollständige DNA benötigt.
DNA Replikation Ablauf
Die DNA-Replikation läuft in mehreren Schritten ab, die du in drei Phasen einteilen kannst:
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Initiation: Die DNA Replikation wird eingeleitet. Dabei muss die DNA entwunden und der Doppelstrang gespalten werden. Das findet durch die Enzyme Topoisomerase und Helikase statt. Das Enzym Primase hängt anschließend die Primer, also Startmoleküle, an. Jetzt kann die eigentliche Replikation beginnen.
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Elongation: An beiden Einzelsträngen werden mithilfe des Enzyms DNA-Polymerase nun DNA-Bausteine (Nukleotide) in 5’→3′-Richtung ergänzt. Am Leitstrang erfolgt das kontinuierlich, am Folgestrang diskontinuierlich mit Okazaki-Fragmenten. Die Primer werden durch Nukleotide ersetzt und alle DNA-Stücke von dem Enzyme Ligase verbunden.
- Termination: Der Vorgang endet dann, wenn zwei Replikationsgabeln aufeinandertreffen (Eukaryoten) oder die Enzyme auf eine Stoppsequenz treffen (Prokaryoten).
Merke: Die DNA Replikation läuft während des Zellzyklus ab. Das ist der Vorgang, bei dem alle Zellbestandteile verdoppelt werden (Zellteilung).
Initiation
Während der Initiation wird die DNA entwunden, gespalten und mit Primern versehen. Daran sind unterschiedliche Enzyme beteiligt:
- Topoisomerase: Entwindet die spiralförmige DNA
- Helikase: Spaltet den DNA-Doppelstrang
- Primase: Bindet Primer an die Einzelstränge
Entwinden der DNA
Im ersten Schritt der DNA-Replikation muss die DNA von ihrer ursprünglichen Spiralform in eine offene „Strickleiterform“ gebracht werden. Für diese Entwindung der DNA ist das Enzym Topoisomerase zuständig.
Nun liegt ein unverdrehter DNA-Doppelstrang vor.
Spalten des Doppelstrangs
Nach dem Entwinden wird der DNA-Doppelstrang in zwei Einzelstränge geteilt. Hierfür wird das Enzym Helikase verwendet. Die Helikase spaltet die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den gegenüberliegenden Basen des Doppelstrangs wie eine Art Reißverschluss. Die dabei entstehende Y-förmige Stelle wird auch Replikationsgabel genannt.
Durch die Spaltung entstehen die zwei DNA-Einzelstränge, die anschließend zu zwei neuen Doppelsträngen ergänzt werden können.
Anlagerung der Primer
Um zu markieren, wo in der nächsten Phase die Verdopplung beginnen soll, benötigen die Einzelstränge Startpunkte. Das ist die Aufgabe der sogenannten Primase. Sie stellt am 3′ Ende des jeweiligen Einzelstrangs ein Startmolekül namens Primer her.
Merke: Primer sind RNA-Stücke, die nur aus wenigen Nukleotiden bestehen.
Elongation
Die Elongation ist die Phase, in der die beiden Einzelstränge — der Leitstrang und der Folgestrang — zu Doppelsträngen ergänzt werden. Daran sind drei Enzyme von besonderer Bedeutung:
- Polymerase: Lagert Nukleotide an den Einzelstrang an
- Ribonuklease H: Entfernt die Primer aus der Sequenz
- Ligase: Verbindet die DNA-Stücke miteinander
Aufgepasst: Die Ergänzung der Einzelstränge zu Doppelsträngen läuft beim Leitstrang und beim Folgestrang unterschiedlich ab! Die Polymerase kann nämlich nur in 5’→3′-Richtung arbeiten.
Ergänzung der Einzelstränge
Nach der Aufspaltung des Doppelstrangs in zwei Einzelstränge kann die Verdopplung der DNA beginnen. An den Primern setzt sich nun das Enzym DNA-Polymerase an. Die Polymerase ergänzt den Einzelstrang mit DNA-Bausteinen. Durch das Enzym werden an die Nukleotide des Einzelstrangs also weitere Nukleotide angelagert. Dabei verbinden sich immer die zusammengehörigen, also komplementären, Basen der Nukleotide miteinander (Adenin und Thymin/Uracil, Cytosin und Guanin).
Wichtig ist dabei: Die Polymerase kann neue Nukleotide nur an das 3′ Ende des Primers anfügen. Sie arbeitet also immer von 5’→3′-Richtung. Das führt zu einem Unterschied bei der Verdopplung beider Stränge.
Ergänzung des Leitstrangs
Den Strang, bei dem die DNA-Polymerase in die gleiche Richtung arbeitet wie die Helikase, bezeichnest du als Leitstrang.
Beim Leitstrang ist das 3′ Ende des Primers in Richtung der Replikationsgabel orientiert. Mit dieser geschickten Orientierung kann die DNA-Polymerase den Einzelstrang fortlaufend zu einem Doppelstrang ergänzen. Du sprichst dabei von einer kontinuierlichen Replikation.
Ergänzung des Folgestrangs
Die Verdopplung des sogenannten Folgestrangs läuft anders ab. Zwar kann die DNA-Polymerase hier auch nur in 5’→3′-Richtung arbeiten, der Strang selbst verläuft allerdings in 3’→5′-Richtung.
Um dieses Problem zu umgehen, setzt die Primase in kleinen Abständen immer wieder neue Primer an den Einzelstrang. An diesen kann die DNA-Polymerase ansetzen und Nukleotide ergänzen. Das passiert am Folgestrang entgegen der Arbeitsrichtung der Helikase, und zwar Stück für Stück, von Primer zu Primer. Das nennst du auch diskontinuierliche Replikation.
Die daraus entstehenden, kleinen Abschnitte aus RNA-Primern und DNA-Abschnitten bezeichnest du als Okazaki-Fragmente.
Um nun die verbleibenden RNA-Nukleotide des Primers zu ersetzen, kommt das Enzym Ribonuklease H (RNase H) zum Einsatz. Es entfernt die RNA-Primer, sodass eine weitere DNA-Polymerase die Stücke durch DNA-Nukleotide ersetzen kann. Als letztes verknüpft das Enzym Ligase am Folgestrang die einzelnen Bestandteile miteinander, sodass ein vollständiger DNA-Strang entsteht.
Termination
Die Termination ist die letzte Phase der DNA-Replikation. Nachdem die Einzelstränge wieder zu Doppelsträngen ergänzt wurden, endet die Replikation.
Bei Eukaryoten , also Lebewesen mit Zellkern, ist dafür kein Signal notwendig. Der Vorgang endet automatisch, wenn das Ende des DNA-Strangs erreicht ist oder wenn eine Replikationsgabel auf eine weitere trifft.
Anders ist das bei Prokaryoten , also Lebewesen ohne Zellkern. Hier endet die Replikation des Erbguts durch eine Stoppsequenz (Terminationssequenz).
Zusammenfassung
- Die DNA-Replikation findet in drei Phasen statt: Initiation, Elongation und Termination. Dabei wird die DNA entwunden und gespalten. Es werden Primer und anschließend die passenden Nukleotide ergänzt. Zum Schluss liegen zwei identische DNA-Doppelstränge vor. Bei Tieren und Pflanzen (Eukaryoten) bilden sich dabei mehrere Replikationsblasen, die aufeinander zulaufen. Bei Bakterien und Archaeen (Prokaryoten) läuft die Replikation hingegen vom Replikationsursprung zum Replikationsende.
- Die DNA-Replikation ist für die Kern- und Zellteilung notwendig. Denn durch die Verdopplung des Erbguts kann jede neue Zelle eine Kopie der DNA erhalten. Ohne die Replikation würde die DNA von Zellteilung zu Zellteilung kleiner werden.
- Bei Eukaryoten und Prokaryoten läuft die DNA-Replikation unterschiedlich ab. So endet der Vorgang bei Eukaryoten automatisch, sobald das Ende der DNA oder eine weitere Replikationsgabel erreicht sind, bei Prokaryoten ist hingegen ein Stoppsignal notwendig.
Nun hast du gelernt, wie der Ablauf der DNA-Replikation einfach erklärt aussieht. Schau dir unser Video zur DNA-Replikation an, um dein Wissen zur Replikation zu vertiefen und den Unterschied zwischen semikonservativer und konservativer Replikation zu erfahren!
