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Schritte und Verfahren zur DNA-Replikation

 

Warum DNA replizieren?

DNA ist das genetische Material, das jede Zelle definiert. Bevor eine Zelle dupliziert und durch Mitose oder Meiose in neue Tochterzellen aufgeteilt wird. müssen Biomoleküle und Organellen kopiert werden, um unter den Zellen verteilt zu werden. DNA, die sich im Kern befindet. muss repliziert werden, um sicherzustellen, dass jede neue Zelle die richtige Anzahl von Chromosomen erhält . Der Prozess der DNA-Duplikation wird als DNA-Replikation bezeichnet . Die Replikation erfolgt in mehreren Schritten, an denen mehrere Proteine ​​beteiligt sind, die als Replikationsenzyme und RNA bezeichnet werden. In eukaryotischen Zellen wieBei tierischen und pflanzlichen Zellen erfolgt die DNA-Replikation in der S-Phase der Interphase während des Zellzyklus. Der Prozess der DNA-Replikation ist entscheidend für das Zellwachstum, die Reparatur und die Reproduktion in Organismen.

Die zentralen Thesen

  • Desoxyribonukleinsäure, allgemein bekannt als DNA, ist eine Nukleinsäure, die drei Hauptkomponenten aufweist: einen Desoxyribosezucker, ein Phosphat und eine stickstoffhaltige Base.
  • Da DNA das genetische Material für einen Organismus enthält, ist es wichtig, dass es kopiert wird, wenn sich eine Zelle in Tochterzellen teilt. Der Prozess, der DNA kopiert, wird als Replikation bezeichnet.
  • Die Replikation beinhaltet die Produktion identischer DNA-Helices aus einem doppelsträngigen DNA-Molekül.
  • Enzyme sind für die DNA-Replikation von entscheidender Bedeutung, da sie sehr wichtige Schritte in diesem Prozess katalysieren.
  • Der gesamte DNA-Replikationsprozess ist sowohl für das Zellwachstum als auch für die Reproduktion in Organismen äußerst wichtig. Es ist auch wichtig bei der Zellreparatur.

 

DNA-Struktur

DNA oder Desoxyribonukleinsäure ist eine Art von Molekül, das als Nukleinsäure bekannt ist. Es besteht aus einem Desoxyribose-Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen, einem Phosphat und einer stickstoffhaltigen Base. Doppelsträngige DNA besteht aus zwei spiralförmigen Nukleinsäureketten, die zu einer Doppelhelixform verdreht sind . Durch diese Verdrehung kann die DNA kompakter werden. Um in den Kern zu passen, wird DNA in eng gewundene Strukturen gepackt, die als Chromatin bezeichnet werden. Chromatin kondensiert während der Zellteilung zu Chromosomen. Vor der DNA-Replikation löst sich das Chromatin, wodurch die Zellreplikationsmaschinerie Zugang zu den DNA-Strängen erhält.

 

Vorbereitung für die Replikation

Wissenschaftsfotobibliothek / Getty Images

 

 

Schritt 1: Replikationsgabelbildung

Bevor DNA repliziert werden kann, muss das doppelsträngige Molekül in zwei Einzelstränge „entpackt“ werden. Die DNA hat vier Basen, die als Adenin (A) , Thymin (T) , Cytosin (C) und Guanin (G) bezeichnet werden und Paare zwischen den beiden Strängen bilden. Adenin paart sich nur mit Thymin und Cytosin bindet nur an Guanin. Um die DNA abzuwickeln, müssen diese Wechselwirkungen zwischen Basenpaaren unterbrochen werden. Dies wird durch ein Enzym durchgeführt, das als DNA- Helikase bekannt ist . DNA-Helikase unterbricht die Wasserstoffbindung zwischen Basenpaaren, um die Stränge in eine Y-Form zu trennen, die als Replikationsgabel bekannt ist . Dieser Bereich ist die Vorlage für den Beginn der Replikation.

Die DNA ist in beiden Strängen gerichtet, was durch ein 5′- und 3′-Ende angezeigt wird. Diese Notation gibt an, an welche Seitengruppe das DNA-Rückgrat gebunden ist. Am 5′-Ende ist eine Phosphat (P) -Gruppe gebunden, während am 3′-Ende eine Hydroxyl (OH) -Gruppe gebunden ist. Diese Richtung ist für die Replikation wichtig, da sie nur in der 5′- bis 3′-Richtung fortschreitet. Die Replikationsgabel ist jedoch bidirektional. Ein Strang ist in der Richtung von 3 ‚bis 5‘ (führender Strang) ausgerichtet, während der andere in der Richtung von 5 ‚bis 3‘ (nacheilender Strang) ausgerichtet ist . Die beiden Seiten werden daher mit zwei verschiedenen Prozessen repliziert, um den Richtungsunterschied auszugleichen.

 

Die R
eplikation beginnt

 

Schritt 2: Primerbindung

Der führende Strang ist am einfachsten zu replizieren. Sobald die DNA-Stränge getrennt wurden, bindet ein kurzes Stück RNA, das als Primer bezeichnet wird, an das 3′-Ende des Strangs. Der Primer bindet immer als Ausgangspunkt für die Replikation. Primer werden durch das Enzym DNA-Primase erzeugt .

 

DNA-Replikation: Verlängerung

DNA-Polymerasen (blau) binden sich an die DNA und verlängern die neuen Stränge durch Zugabe von Nukleotidbasen.UIG / Getty Images

 

 

Schritt 3: Dehnung

Enzyme, die als DNA-Polymerasen bekannt sind, sind dafür verantwortlich, den neuen Strang durch einen als Elongation bezeichneten Prozess zu erzeugen. Es gibt fünf verschiedene bekannte Arten von DNA-Polymerasen in Bakterien und menschlichen Zellen. In Bakterien wie E. coli ist Polymerase III das Hauptreplikationsenzym, während Polymerase I, II, IV und V für die Fehlerprüfung und -reparatur verantwortlich sind. Die DNA-Polymerase III bindet an der Stelle des Primers an den Strang und beginnt während der Replikation neue Basenpaare hinzuzufügen, die zum Strang komplementär sind. In eukaryotischen Zellen sind die Polymerasen alpha, delta und epsilon die primären Polymerasen, die an der DNA-Replikation beteiligt sind. Da die Replikation auf dem führenden Strang in der 5′- bis 3′-Richtung erfolgt, ist der neu gebildete Strang kontinuierlich.

Der nacheilende Strang beginnt die Replikation durch Bindung an mehrere Primer. Jeder Primer ist nur mehrere Basen voneinander entfernt. Die DNA-Polymerase fügt dann dem Strang zwischen den Primern DNA-Stücke hinzu, die als Okazaki-Fragmente bezeichnet werden . Dieser Replikationsprozess ist diskontinuierlich, da die neu erstellten Fragmente getrennt werden.

 

Schritt 4: Kündigung

Sobald sowohl die kontinuierlichen als auch die diskontinuierlichen Stränge gebildet sind, entfernt ein Enzym namens Exonuklease alle RNA-Primer von den ursprünglichen Strängen. Diese Primer werden dann durch geeignete Basen ersetzt. Eine andere Exonuklease „korrigiert“ die neu gebildete DNA, um Fehler zu überprüfen, zu entfernen und zu ersetzen. Ein anderes Enzym namens DNA-Ligase verbindet Okazaki-Fragmente zu einem einheitlichen Strang. Die Enden der linearen DNA stellen ein Problem dar, da DNA-Polymerase nur Nukleotide in der 5′- bis 3′-Richtung hinzufügen kann. Die Enden der Elternstränge bestehen aus wiederholten DNA-Sequenzen, die als Telomere bezeichnet werden. Telomere wirken als Schutzkappen am Ende der Chromosomen, um die Fusion von Chromosomen in der Nähe zu verhindern. Eine spezielle Art von DNA-Polymeraseenzym namens Telomerase katalysiert die Synthese von Telomersequenzen an den Enden der DNA. Nach Fertigstellung wickeln sich der Elternstrang und sein komplementärer DNA-Strang in die bekannte Doppelhelixform ein. Am Ende erzeugt die Replikation zwei DNA-Moleküle mit jeweils einem Strang aus dem Elternmolekül und einem neuen Strang.

 

Replikationsenzyme

DNA-Polymerasemolekül.Cultura / Getty Images

 

Eine DNA-Replikation würde ohne Enzyme, die verschiedene Schritte im Prozess katalysieren, nicht stattfinden. Zu den Enzymen, die am eukaryotischen DNA-Replikationsprozess beteiligt sind, gehören:

  • DNA-Helikase – wickelt sich ab und trennt doppelsträngige DNA, während sie sich entlang der DNA bewegt. Es bildet die Replikationsgabel, indem es Wasserstoffbrücken zwischen Nukleotidpaaren in der DNA aufbricht.
  • DNA-Primase – eine Art von RNA-Polymerase, die RNA-Primer erzeugt. Primer sind kurze RNA-Moleküle, die als Matrizen für den Ausgangspunkt der DNA-Replikation dienen.
  • DNA-Polymerasen – synthetisieren neue DNA-Moleküle durch Hinzufügen von Nukleotiden zu führenden und nacheilenden DNA-Strängen.
  • Topoisomerase oder DNA-Gyrase – wickelt DNA-Stränge ab und zurück, um zu verhindern, dass sich die DNA verheddert oder supergewickelt wird.
  • Exonukleasen – Gruppe von Enzymen, die Nukleotidbasen vom Ende einer DNA-Kette entfernen.
  • DNA-Ligase – verbindet DNA-Fragmente durch Bildung von Phosphodiesterbindungen zwischen Nukleotiden.

 

Zusammenfassung der DNA-Replikation

Replikation von DNA.Francis Leroy / Getty Images

 

DNA-Replikation ist die Produktion identischer DNA-Helices
aus einem einzelnen doppelsträngigen DNA-Molekül. Jedes Molekül besteht aus einem Strang des ursprünglichen Moleküls und einem neu gebildeten Strang. Vor der Replikation wickelt sich die DNA ab und die Stränge trennen sich. Es wird eine Replikationsgabel gebildet, die als Vorlage für die Replikation dient. Primer binden an die DNA und DNA-Polymerasen fügen neue Nukleotidsequenzen in der 5′- bis 3′-Richtung hinzu.

Diese Zugabe ist im führenden Strang kontinuierlich und im nacheilenden Strang fragmentiert. Sobald die Dehnung der DNA-Stränge abgeschlossen ist, werden die Stränge auf Fehler überprüft, Reparaturen durchgeführt und Telomersequenzen an den Enden der DNA hinzugefügt.

 

Quellen

  • Reece, Jane B. und Neil A. Campbell. Campbell Biology . Benjamin Cummings, 2011.

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