Nukleinsäuren spielen eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung der lebenswichtigen Aktivität der Zellen lebender Organismen. Ein wichtiger Vertreter dieser Gruppe organischer Verbindungen ist die DNA, die alle genetischen Informationen trägt und für die Ausprägung der notwendigen Merkmale verantwortlich ist.
Was ist Replikation?
Bei der Zellteilung ist es notwendig, die Menge an Nukleinsäuren im Zellkern zu erhöhen, damit dabei keine Erbinformation verloren geht. In der Biologie ist Replikation die Vervielfältigung von DNA durch die Synthese neuer Stränge.
Der Hauptzweck dieses Prozesses besteht darin, genetische Informationen unverändert und ohne Mutationen auf Tochterzellen zu übertragen.
Enzyme und Proteine der Replikation
Die Vervielfältigung des DNA-Moleküls lässt sich mit jedem Stoffwechselvorgang in der Zelle vergleichen, der entsprechende Proteine benötigt. Da die Replikation ein wichtiger Bestandteil der Zellteilung in der Biologie ist, sind hier also viele Hilfspeptide beteiligt.
DNA-Polymerase ist das wichtigste Reduktionsenzym, das dafür verantwortlich istfür die Synthese der Tochterkette der Desoxyribonukleinsäure. Im Zytoplasma der Zelle ist während des Replikationsprozesses das Vorhandensein von Nukleintriphosphaten obligatorisch, die alle Nukleinbasen bringen
Diese Basen sind Nukleinsäure-Monomere, also ist die gesamte Kette des Moleküls aus ihnen aufgebaut. Die DNA-Polymerase ist für den Zusammenbau in der richtigen Reihenfolge verantwortlich, sonst sind Mutationen aller Art unvermeidlich.
- Primase ist ein Protein, das für die Bildung eines Primers auf der DNA-Matrizenkette verantwortlich ist. Dieser Primer wird auch Primer genannt, er hat die Struktur von RNA. Für das DNA-Polymerase-Enzym ist das Vorhandensein von Ausgangsmonomeren wichtig, aus denen eine weitere Synthese der gesamten Polynukleotidkette möglich ist. Diese Funktion wird vom Primer und dem entsprechenden Enzym übernommen.
- Helicase (Helikase) bildet eine Replikationsgabel, die eine Divergenz von Matrixketten durch Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen darstellt. Dies erleichtert es Polymerasen, sich dem Molekül zu nähern und mit der Synthese zu beginnen.
- Topoisomerase. Stellt man sich ein DNA-Molekül als ein verdrilltes Seil vor, so entsteht bei der Bewegung der Polymerase entlang der Kette durch starkes Verdrillen eine positive Spannung. Dieses Problem löst die Topoisomerase, ein Enzym, das die Kette für kurze Zeit aufbricht und das gesamte Molekül entf altet. Danach wird die beschädigte Stelle wieder vernäht und die DNA nicht belastet.
- Ssb-Proteine heften sich wie Cluster an DNA-Stränge an der Replikationsgabel, um die Neubildung von Wasserstoffbrückenbindungen vor dem Ende des Reduplikationsprozesses zu verhindern.
- Ligas. Enzymfunktionbesteht darin, Okazaki-Fragmente an den nacheilenden Strang des DNA-Moleküls zu heften. Dies geschieht durch Ausschneiden von Primern und Einfügen nativer Desoxyribonukleinsäure-Monomere an ihrer Stelle.
In der Biologie ist die Replikation ein komplexer, mehrstufiger Prozess, der bei der Zellteilung extrem wichtig ist. Daher ist für eine effiziente und korrekte Synthese der Einsatz verschiedener Proteine und Enzyme notwendig.
Reduktionsmechanismus
Es gibt 3 Theorien, die den DNA-Duplikationsprozess erklären:
- Konservative besagt, dass ein Tochtermolekül der Nukleinsäure eine Matrixnatur hat und das zweite vollständig von Grund auf neu synthetisiert wird.
- Semi-konservativ von Watson und Crick vorgeschlagen und 1957 in Experimenten an E. Coli bestätigt. Diese Theorie besagt, dass beide Tochter-DNA-Moleküle einen alten und einen neu synthetisierten Strang haben.
- Der Dispersionsmechanismus basiert auf der Theorie, dass Tochtermoleküle über ihre gesamte Länge alternierende Abschnitte haben, die sowohl aus alten als auch aus neuen Monomeren bestehen.
Jetzt wissenschaftlich erprobtes halbkonservatives Modell. Was ist Replikation auf molekularer Ebene? Zu Beginn bricht die Helikase die Wasserstoffbrückenbindungen des DNA-Moleküls auf und öffnet so beide Ketten für das Enzym Polymerase. Letztere beginnen nach der Keimbildung mit der Synthese neuer Ketten in Richtung 5'-3'.
Die Eigenschaft des DNA-Antiparallelismus ist der Hauptgrund für die Bildung von führenden und nacheilenden Strängen. Auf dem führenden Strang bewegt sich die DNA-Polymerase kontinuierlich, während sie sich auf dem nacheilenden Strang bewegtes bildet Okazaki-Fragmente, die in Zukunft durch Ligase zusammengefügt werden.
Replikationsmerkmale
Wie viele DNA-Moleküle befinden sich nach der Replikation im Zellkern? Der Prozess selbst impliziert eine Verdoppelung des genetischen Satzes der Zelle, daher hat der diploide Satz während der synthetischen Periode der Mitose doppelt so viele DNA-Moleküle. Ein solcher Eintrag wird normalerweise als 2n 4c. gekennzeichnet.
Neben der biologischen Bedeutung der Replikation haben Wissenschaftler eine Anwendung des Verfahrens in verschiedenen Bereichen der Medizin und Wissenschaft gefunden. Wenn in der Biologie die Replikation die Vervielfältigung von DNA ist, dann wird im Labor die Reproduktion von Nukleinsäuremolekülen verwendet, um mehrere tausend Kopien zu erstellen.
Diese Methode wird als Polymerase-Kettenreaktion (PCR) bezeichnet. Der Mechanismus dieses Prozesses ähnelt der Replikation in vivo, daher werden für seinen Ablauf ähnliche Enzyme und Puffersysteme verwendet.
Schlussfolgerungen
Replikation ist für lebende Organismen von großer biologischer Bedeutung. Die Übertragung genetischer Informationen während der Zellteilung ist ohne die Vervielfältigung von DNA-Molekülen nicht vollständig, daher ist die koordinierte Arbeit von Enzymen in allen Phasen wichtig.
