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DNA-Synthese

Version vom 3. August 2017, 17:46 Uhr von Marius Trollmann (Diskussion | Beiträge)

1 Definition

Die DNA-Synthese findet im Rahmen der DNA-Replikation vor der Zellteilung statt.

2 Vorgänge

Die DNA-Synthese ist eine semikonservative Replikation, bei der ein "alter" Strang als Matrize für einen Neuen dient. Sie gliedert sich in Initiation, Elongation und Termination. Das Prinzip ist in Prokaryonten und Eukaryonten ähnlich aber es gibt gewisse Unterschiede in Ablauf und Proteinmaschinerie. Ein besonderer Unterschied ist jedoch, dass der Replikationszyklus in Eukaryonten wesentlich strenger reglementiert ist als in Prokaryonten, dies liegt vor allem an der Größe und Komplexitität der Genome bei Eukaryonten.


2.1 Initiation

Diese läuft sehr verschieden in den beiden Lebensformen ab und ist bei Bakterien deutlich besser erforscht, weswegen sie hier getrennt zwischen Eukaryonten und Prokaryonten betrachtet wird.

Eukaryonten:

An verschiedenen Stellen der DNA befinden sich sogenannte Origins. Hier bindet bei Eukaryonten der ORC (Origin of Recognition Complex) spezifisch an die aufgeschmolzene DNA und bildet zusammen mit den Helicase Loadern cdc6 und cdt1, sowie dem Enzym Helicase einen Prä-RC (Prä-Replication Complex). Die Helicase besteht hierbei aus den Proteinen MCM 2,3,4,5,6,7, die zusammen die hexamere Struktur bilden. Nach der Beladung auf die DNA rekrutiert sie die Polymerase α und die Primase zur Primererstellung. Nach dessen Bindung beginnt sie unter ATP-Verbrauch in eine Richtungen die DNA zu entwinden. Da die einzelsträngige DNA sich sehr leicht verknotet oder Sekundärstrukturen bildet, werden durch einzelstrangbindende Proteine sogenannte RPAs die beiden Einzelstränge stabilisiert. Es entsteht eine Replikationsgabel.

Prokaryonten:

Prokaryonten verfügen nur über einen Origin of Replication dem sogenannten OriC. Dieser weist spezielle Sequenzen auf (DnaA-Boxen), die von den DnaA-Proteinen erkannt werden. Lagern sich nun diese an den doppelsträngigen DNA-Strang an, wickelt sich jener um die Moleküle herum. Ab einer gewissen Zahl von 20 Molekülen wird die DNA innerhalb von 60 Basenpaaren aufgeschmolzen. Erleichtert wird dies auch noch durch die A-T-reichen Sequenzen in diesem Bereich die besonders leicht aufzuspalten sind. An den nun offen liegenden Bereich kann der Helicase-Loader DnaC die Helicase DnaB anbringen. Auch hier rekrutiert die Helikase wieder die Primer-Polymerase, im Falle von Prokaryonten das DnaG Protein.

2.2 Elongation

Die Elongation ist für Eukaryonten und Prokaryonten relativ ähnlich, deswegen wird hier im folgenden auf die Unterschiede nicht näher eingegangen.

An die in der Initiation erstellten RNA-Primer kann nun die DNA-Polymerase ihre Synthese starten. Die DNA-Polymerase kann nur vom 5'-Ende zum 3'-Ende der DNA synthetisieren. Dadurch entsteht ein Strang als führender Strang, welcher kontinuierlich von 5' nach 3' synthetisiert wird und ein verzögerter Strang, der durch allmähliches Entwinden freiwerdend, durch die Anlagerung vieler Primer diskontinuierlich synthetisiert wird.

Diese einzeln und diskontinuierlich synthetisierten Stücke nennt man Okazaki-Fragmente. Sie sind durch die dazwischenliegenden RNA-Primer Segemente unterbrochen, diese werden dann von Rnasen (Polymerase 1 und RNAase H in Prokaryonten) abgebaut und durch spezielle DNA-Polymerasen wieder aufgefüllt (wieder Polymerase 1 in Prokaryonten). Die DNA-Ligase ist dafür verantwortlich die Lücken zwischen den Okazaki-Fragmenten zu schließen, die durch die RNA-Primer entstanden sind und von der Polymerase nicht aufgefüllt werden können. Sie katalyisiert eine "Adenylierung" des 5' Phosphat-Endes in der Lücke und ermöglicht so eine Bindung zwischen dem 5' und 3' Ende der beiden Kettenenden.

Die eigentliche Synthese der DNA besteht aus dem vielfachen Anfügen passender Desoxyribonukleotid Moleküle an den Antisense-Strang, katalysiert durch die Zinkfingerstruktur der DNA-Polymerase. Hierbei werden durch eine negativ polarisierte Aminosäure am katalytisch aktiven Zentrum zwei divalente Kationen (z.B. Mg2+)gebunden. Eines dieser Kationen sorgt für eine Aktvierung des 3' OH-Endes und das andere hält das Pyrophosphat fest, das als Energielieferant für die Synthese dient. Unter Hydrolyse dieses Moleküls kommt es dann nämlich zur Verknüpfung des Nukleotids an die DNA-Kette.

Proof reading Sowohl Eukaryonten als auch Prokaryonten weisen eine sehr geringe Fehlerrate bei der Replizierung ihres Erbgutes auf. Nur durchschnittliche alle 107 Basen wird eine falsche Base dauerhaft in das Erbgut eingebaut, das liegt jedoch nicht nur an der jeweiligen Replikase allein, sondern an gewissen Proof Reading Aktivitäten, die drei bekanntesten werden im folgenden erläutert: Zum einen ist die DNA-Synthese im Vergleich zur RNA-Synthese langsam, die Zellen lassen sich hierbei mehr Zeit, die Genauigkeit einer Synthese hängt vor ihrere Geschwindigkeit ab. RNAs werden schnell abgelesen da eine individuelle RNA meist nur temporär in der Zelle besteht, DNA jedoch muss stabil sein, sie gibt es nur einmal pro Zelle. Deswegen muss sie auch höchst exakt repliziert werden. Die oben erwähnte Struktur ermöglicht neben dem bloßen Anfügen der Nukleotide auch eine andere Art des proof-readings. Bevor eine Base nämlich fest an den Strang integriert wird, umschließt die Polymerase mit ihren "Fingern" das Nukleotid. Ist dieses nun komplementär zu der gegenüberliegenden Base, ist geht dieser Vorgang schnell vonstatten und der Einbau erfolgt. Bei einer nicht vorliegenden Komplementarität wird das Umschließen verzögert und das Nukleotid tendiert eher dazu weg zu diffundieren.

Eine weitere Möglichkeit des proof-readings ist die 3'-5' Exonuclease-Aktivität der Polymerase. Wenn nämlich trotz der vorherigen Überprüfung mit den Zinkfingern eine falsche Base eingebaut wurde, erkennt dies die Polymerase anhand der ungünstigt gestellten OH-Gruppe des 3'-Endes. Diese schneidet jetzt solange Basen ab bis eine richtig gelegene OH-Gruppe wieder zur Verfügung steht. Nun startet sie die Polymeraseakitivität wieder.


2.3 Termination

Die DNA-Synthese endet, wenn zwei Replikationsgabeln ineinander übergehen. Bei den zirkulären Genomen der Prokaryonten entsteht am Replikationsende eine Verkettung des alten und neuen Genoms, sogenannte Catenane. Diese werden durch Topoisomerase 2 wieder entkettet und können so leicht auf die Tochterzellen aufgeteilt werden. Bei Eukaryonten werden nach der S-Phase die weiteren Schritte der Mitose oder Meiose eingeleitet.

Fachgebiete: Biochemie

Diese Seite wurde zuletzt am 3. August 2017 um 17:46 Uhr bearbeitet.

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