Biologie · Klasse 12–13 · aktualisiert
DNA-Replikation: Ablauf und Strangrichtungen verstehen
Verstehe, wie DNA vor einer Zellteilung kopiert wird und warum Leit- und Folgestrang verschieden entstehen.
0 von 11 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Bei der DNA-Replikation dient jeder alte Einzelstrang als Vorlage für einen neuen komplementären Strang. So entstehen zwei Doppelstränge mit je einem alten und einem neuen Strang. Die Polymerase baut neue DNA nur in 5′→3′-Richtung auf.
DNA-Replikation bedeutet: Eine Zelle verdoppelt ihre DNA vor der Zellteilung. Jeder alte Einzelstrang dient dabei als Vorlage für einen neuen komplementären Strang. Bei fehlerfreiem Ablauf entstehen so zwei DNA-Doppelstränge mit derselben Erbinformation.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
3 Abschnitte
Damit bei einer mitotischen Zellteilung beide Tochterzellen die vollständige Erbinformation erhalten, wird die DNA vorher kopiert. Bei Eukaryoten, also Lebewesen mit Zellkern, wird die DNA der Kernchromosomen während der S-Phase (Synthesephase des Zellzyklus) verdoppelt. Auch vor der ersten Teilung der Meiose wird sie kopiert; zwischen den beiden meiotischen Teilungen findet keine erneute Replikation statt. Prokaryoten besitzen keinen Zellkern; ihre DNA liegt im Zellplasma. Die beiden alten Stränge sind Matrizen oder Vorlagen. Entlang jeder Matrize wird ein neuer Strang aus passenden DNA-Bausteinen, den Nukleotiden, aufgebaut. Ein Nukleotid enthält einen Zucker, Phosphat und eine Base. Dabei gelten die komplementären Basenpaare: Adenin (A) paart sich mit Thymin (T). Guanin (G) paart sich mit Cytosin (C).
Definition
Semikonservative Replikation
Bei der semikonservativen Replikation besteht jeder neue DNA-Doppelstrang aus einem alten und einem neu gebildeten Einzelstrang. „Semikonservativ“ bedeutet also: Die Hälfte jedes Doppelstrangs bleibt erhalten.
Beispiel
- 1Aus einem DNA-Doppelstrang entstehen zwei Doppelstränge.
- 2Der erste enthält den alten Strang 1 und einen neuen Gegenstrang.
- 3Der zweite enthält den alten Strang 2 und einen neuen Gegenstrang.
- 4Es bleibt also nicht ein vollständig alter Doppelstrang erhalten.
Teste dich
Die Replikation beginnt an einem Replikationsursprung, auch Origin genannt. Von dort öffnet sich die DNA gewöhnlich in beide Richtungen. So entstehen eine Replikationsblase und an ihren Enden zwei Replikationsgabeln. Während die Gabeln weiterwandern, bauen mehrere Proteine Spannung ab, trennen die Stränge, halten sie getrennt und setzen Startpunkte für neue Stränge. Ihre einzelnen Aufgaben stehen im Beispiel.
Merke: Die Helikase öffnet die DNA, aber sie baut keinen neuen DNA-Strang. Den Startpunkt liefert die Primase; die DNA-Polymerase verlängert ihn.
Beispiel: Proteine an der Replikationsgabel
- 1Die Topoisomerase baut Spannungen ab, die beim Entwinden der DNA entstehen. Dazu kann sie DNA-Stränge vorübergehend öffnen und anschließend wieder schließen.
- 2Die Helikase löst die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen. Der Doppelstrang öffnet sich ähnlich wie ein Reißverschluss.
- 3Einzelstrang-bindende Proteine (bei Bakterien SSB-Proteine genannt) stabilisieren die getrennten Einzelstränge und verhindern, dass sie sich sofort wieder verbinden.
- 4Die Primase stellt kurze RNA-Stücke her. Diese Primer liefern den Startpunkt für die DNA-Polymerase.
Teste dich
Jeder DNA-Strang hat ein 5′-Ende und ein 3′-Ende. Die Zahlen beziehen sich auf die Kohlenstoffatome des Zuckers. Am 3′-Ende liegt eine freie OH-Gruppe. Die DNA-Stränge verlaufen antiparallel. Die DNA-Polymerase fügt neue Nukleotide nur am freien 3′-Ende an; der neue Strang wächst deshalb in 5′→3′-Richtung. Die Matrize wird in 3′→5′-Richtung gelesen. Weil die Matrizen entgegengesetzt verlaufen, entsteht der Leitstrang zur Gabel hin kontinuierlich, der Folgestrang von ihr weg in Okazaki-Fragmenten.
Enzyme entfernen die RNA-Primer des Folgestrangs. Welche Enzyme beteiligt sind, hängt vom Organismus ab; bei E. coli wirkt unter anderem die abbauende Aktivität der DNA-Polymerase I. Eine DNA-Polymerase füllt die Lücken mit DNA. Die DNA-Ligase schließt die verbleibenden Verbindungsstellen im Zucker-Phosphat-Rückgrat.
Bei Eukaryoten beginnt die Replikation während der S-Phase an vielen Ursprüngen. Ein Bereich ist fertig, wenn aufeinander zulaufende Gabeln zusammentreffen und die letzten Verbindungen geschlossen sind. Auch an ringförmigen Bakterienchromosomen treffen Gabeln aufeinander. Bei fehlerfreiem Kopieren liegen danach zwei Doppelstränge mit derselben Erbinformation vor, jeweils aus einem alten und einem neuen Strang.
Am 5′-Ende eines neu gebildeten Folgestrangs kann nach Entfernen des letzten RNA-Primers eine Lücke bleiben. Es fehlt ein weiter außen liegendes 3′-Ende als Ansatzpunkt für die Polymerase. Deshalb können sich Telomere, die Endbereiche linearer Chromosomen, bei wiederholten Replikationen verkürzen. Telomerase kann Telomer-DNA verlängern und der Verkürzung entgegenwirken; sie ist nicht in allen Zellen ausreichend aktiv.
Beispiel: Fiktives Sequenzbeispiel: Gegeben ist eine Matrize:
- 1Die Matrize lautet 3′-C T G A A C-5′.
- 2Ergänze die Partnerbasen: C–G, T–A, G–C und A–T.
- 3Der neue Strang lautet 5′-G A C T T G-3′.
- 4Er ist komplementär und verläuft antiparallel zur Matrize.
Definition
Leitstrang
Am Leitstrang kann die DNA-Polymerase der sich öffnenden Replikationsgabel folgen. Der neue Strang entsteht kontinuierlich, also ohne ständige Unterbrechungen.
Definition
Folgestrang
Am Folgestrang weist die mögliche Syntheserichtung von der Replikationsgabel weg. Deshalb setzt die Primase wiederholt neue Primer. Von jedem Primer aus verlängert die DNA-Polymerase den neuen Strang bis zum zuvor gebildeten Abschnitt. Diese zunächst getrennten Abschnitte heißen Okazaki-Fragmente.
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Alles auf einen Blick
DNA-Replikation
Zweck und Ergebnis
DNA vor der Zellteilung verdoppeln; je ein alter und ein neuer Strang
Öffnung der Doppelhelix
Topoisomerase baut Spannung ab; Helikase trennt die Stränge; Einzelstrang-bindende Proteine stabilisieren sie
Aufbau neuer Stränge
Primase setzt RNA-Primer; Polymerase synthetisiert 5′→3′
Antiparallele Matrizen
Leitstrang entsteht kontinuierlich; Folgestrang bildet Okazaki-Fragmente
Fertigstellung
Primer werden entfernt; Lücken werden mit DNA gefüllt; Ligase verbindet die Fragmente
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Der Folgestrang wird fertiggestellt
- 1An einer Replikationsgabel entstehen mehrere Okazaki-Fragmente.
- 2Enzyme entfernen die RNA-Primer; eine DNA-Polymerase füllt die Lücken mit DNA.
- 3Die Ligase schließt danach die verbleibenden Verbindungsstellen im Zucker-Phosphat-Rückgrat.
- 4Der Folgestrang ist nun durchgehend und enthält neue DNA.
Fehler finden
Aufgaben an der Replikationsgabel In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Richtig: Die Primase stellt RNA-Primer als Startpunkte her. Die falsche Zeile vertauscht ihre Aufgabe mit der der Ligase, die später Verbindungen zwischen DNA-Fragmenten schließt.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Die DNA-Polymerase synthetisiert neue DNA in -Richtung. Der Leitstrang entsteht , während der Folgestrang aufgebaut wird. Die Ligase verbindet schließlich die DNA-Fragmente.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback