DNA Replikation

Desoxyribonukleinsäure, d. h. DNA ( DNA ist ihre englische Abkürzung), stellt die Identität jeder Zelle dar, da sie ihr genetisches Material ist. Wenn sich eine Zelle teilt, um zwei Zellen zu bilden, entweder durch Mitose oder Meiose, müssen sich die Biomoleküle und Organellen duplizieren, um jede neue Zelle zu bilden. In eukaryotischen Zellen befindet sich die DNA im Zellkern und muss genau repliziert werden, um sicherzustellen, dass die beiden neuen Zellen mit derjenigen identisch sind, aus der sie hervorgegangen sind, und dass sie auch die richtige Anzahl von Chromosomen haben. Der Prozess der Vervielfältigung der DNA wird als  Replikation bezeichnet.; Es ist ein wesentlicher Prozess beim Zellwachstum und der Zellreproduktion sowie bei Zellreparaturprozessen. Der DNA-Replikationsprozess besteht aus mehreren Schritten und umfasst verschiedene Proteine, sogenannte Replikationsenzyme , sowie RNA , Ribonukleinsäure.  In eukaryotischen Zellen , den Zellen, aus denen Tiere und Pflanzen bestehen, findet die DNA-Replikation in der S-Phase des Zellzyklus statt .

Dies sind die Schlüsselaspekte der DNA-Replikation:

• Desoxyribonukleinsäure, allgemein bekannt als DNA, ist eine Nukleinsäure, die aus drei Hauptkomponenten besteht: einem Zucker, Desoxyribose; eine Phosphatgruppe; und eine stickstoffhaltige Base.
• Da DNA das genetische Material eines Organismus enthält, ist es wichtig, dass es genau kopiert wird, wenn sich eine Zelle teilt. Der komplexe biochemische Prozess, der zum Kopieren der DNA führt, wird als Replikation bezeichnet.
• Die Replikation beinhaltet die Produktion identischer DNA-Stränge aus einem Doppelhelix-DNA-Molekül.
• Enzyme sind für die DNA-Replikation von entscheidender Bedeutung, da sie sehr wichtige Schritte in diesem Prozess katalysieren.
• Der allgemeine Prozess der DNA-Replikation ist sowohl für das Zellwachstum als auch für die Reproduktion von Organismen äußerst wichtig. Es ist auch wichtig für den Zellreparaturprozess.

die struktur der dna

DNA oder Desoxyribonukleinsäure ist eine Molekülart, die als Nukleinsäure bekannt ist. Es besteht aus Desoxyribose, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen (C ₅ H ₁₀ O ₄ ), einem Phosphat und einer stickstoffhaltigen Base. DNA besteht aus zwei spiralförmigen Nukleinsäuresträngen, die miteinander verbunden sind, um eine Doppelhelix zu bilden. Die ineinander verschlungene Helixform ermöglicht es der DNA, ein Molekül namens Chromatin zu sein, das Bestandteil von Chromosomen ist. Vor der DNA-Replikation entfaltet sich Chromatin, wodurch die zellulären Replikationsprozesse der DNA-Stränge übernommen werden können.

Replikation vorbereiten

Schritt 1: Bildung der Replikationsgabel

Bevor der Prozess der DNA-Replikation beginnt, müssen die beiden miteinander verflochtenen Stränge, aus denen sie besteht, getrennt werden. DNA besteht aus vier Basen namens Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G), die paarweise angeordnet sind und die beiden Ketten miteinander verbinden und Brücken bilden. Adenin bindet nur an Thymin und Cytosin nur an Guanin. Um die beiden DNA-Stränge zu trennen, müssen diese durch die Basen gebildeten Brücken aufgebrochen werden. Dieser Prozess wird von einem Enzym durchgeführt, das als DNA-Helikase bekannt ist. Die DNA-Helikase unterbricht nacheinander die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen, die jede Brücke zwischen den beiden Strängen bilden, zieht sie auseinander und verwandelt dabei die Doppelhelix in eine Y-förmige Verzweigungsanordnung, die als Replikationsgabel bekannt ist, wie in gezeigt Figur.

Als Folge der Trennung der Ketten und unter Berücksichtigung, dass die Basen, die die Brücken bilden, in jeder Kette unterschiedlich sind, wird jede eine andere Zusammensetzung nach der Teilung haben. Das Ende der Brücke, das nach der Trennung auf jedem Strang verbleibt, wird als 5′ oder 3′ ausgedrückt. Das 5′-Ende hat eine Phosphatgruppe (P), während das 3′-Ende eine Hydroxylgruppe (OH) hat. Diese Direktionalität ist im Replikationsprozess wichtig, da sie nur in der 5′- bis 3′-Richtung auftritt. Wie bereits erwähnt, erzeugt das Verzweigen der Division jedoch unterschiedliche Enden auf jeder Kette. Eine Saite wird in Richtung 3′ nach 5′ ausgerichtet, die führende Saite, während die andere in Richtung 5′ nach 3′ ausgerichtet wird, die nacheilende Saite. Deshalb,

Die Replikation beginnt

Schritt 2: Initiierungsbindung

Die Hauptkette ist am einfachsten zu replizieren. Sobald die DNA-Stränge getrennt sind, heftet sich ein kurzes Stück RNA, ein Startermolekül, an das 3′-Ende des Strangs und bildet den Ausgangspunkt für die Replikation. Diese Initiationsmoleküle werden durch das Enzym DNA-Primase erzeugt.

DNA-Replikation: Verlängerung

Schritt 3: Verlängerung

Enzyme, die als DNA-Polymerasen bekannt sind, sind für die Bildung des neuen Strangs durch einen Prozess namens Elongation verantwortlich. Sowohl in Bakterien als auch in menschlichen Zellen gibt es fünf verschiedene Arten von DNA-Polymerasen. Bei Bakterien wie E. coli, Polymerase III ist das Hauptreplikationsenzym, während Polymerase I, II, IV und V für die Überprüfung und Reparatur von Fehlern, die in der Kette auftreten, verantwortlich sind. Die DNA-Polymerase III bindet an der Initiationsstelle an den Strang und beginnt, dem replizierenden Strang neue komplementäre Basenpaare hinzuzufügen. In eukaryotischen Zellen sind Alpha-, Delta- und Epsilon-Polymerasen die Hauptpolymerasen, die an der DNA-Replikation beteiligt sind. Da die Replikation auf dem Hauptstrang von 5′ nach 3′ verläuft, wird der neue Strang kontinuierlich gebildet.

Die verzögerte Kette startet die Replikation von mehreren Initiatoren. Jeder Primer ist durch mehrere Basen getrennt. Die DNA-Polymerase fügt DNA-Stücke, sogenannte Okazaki-Fragmente, an die zwischen den Primern befindlichen Strangabschnitte an. Somit ist der Replikationsprozess diskontinuierlich, da er in den Längen der Kette zwischen den Initiatoren alterniert.

Schritt 4: Kündigung

Sobald die kontinuierlichen und diskontinuierlichen Stränge gebildet sind, entfernt ein Enzym namens Exonuklease alle RNA-Primer von den ursprünglichen Strängen. Diese Primer werden dann durch die entsprechenden Basen ersetzt. Eine andere Exonuklease liest die neu gebildete DNA Korrektur, um sie zu verifizieren, und entfernt und ersetzt alle Fehler, die möglicherweise während des Prozesses aufgetreten sind. Ein weiteres Enzym namens DNA-Ligase fügt die Okazaki-Fragmente zu einem einzigen Strang zusammen. Lineare DNA-Enden stellen ein Problem dar, da die DNA-Polymerase nur Nukleotide in der 5′- bis 3′-Richtung hinzufügen kann. Die Enden der Elternstränge bestehen aus sich wiederholenden DNA-Sequenzen, die Telomere genannt werden. Telomere fungieren als Schutzkappen am Ende der Chromosomen, um zu verhindern, dass benachbarte Chromosomen fusionieren. Eine spezielle Art von DNA-Polymerase-Enzym namens Telomerase katalysiert die Synthese von Telomersequenzen an den Enden der DNA. Nach Fertigstellung werden der Elternstrang und sein komplementärer DNA-Strang in der wohlbekannten Doppelhelix-Weise miteinander verbunden. Am Ende des Replikationsprozesses werden zwei DNA-Moleküle produziert, die jeweils einen Strang des ursprünglichen Moleküls und einen im Replikationsprozess erzeugten neuen Strang enthalten.

Replikationsenzyme

Die DNA-Replikation würde ohne die Beteiligung von Enzymen, die verschiedene Schritte in dem Prozess katalysieren, nicht stattfinden. Die wichtigsten Enzyme, die am eukaryotischen DNA-Replikationsprozess beteiligt sind, sind:

• DNA-Helikase: Entfaltet und trennt den DNA-Doppelstrang, während er sich entlang der Länge des Moleküls bewegt. Es bildet somit die Replikationsgabel, indem es die Wasserstoffbrückenbindungen aufbricht, die die Brücken zwischen Paaren von DNA-Nukleotiden bilden.
• DNA-Primase: Eine Art von RNA-Polymerase, die Primer für den Prozess erzeugt. Primer sind kurze RNA-Moleküle, die als Vorlagen am Ausgangspunkt der DNA-Replikation dienen.
• DNA-Polymerasen: synthetisieren neue DNA-Moleküle, indem sie Nukleotide an die führenden und nacheilenden DNA-Stränge anfügen.
• Topoisomerase oder DNA-Gyrase: Entfaltet und verschlingt DNA-Stränge, um zu verhindern, dass sich die DNA verheddert.
• Exonukleasen: Eine Gruppe von Enzymen, die Nukleotidbasen vom Ende eines DNA-Strangs entfernen.
• DNA-Ligase: verbindet DNA-Fragmente und bildet Phosphodiesterbindungen zwischen Nukleotiden.

Zusammenfassung

Die DNA-Replikation ist ein Prozess, der identische DNA-Stränge aus einem einzelnen Doppelhelix-DNA-Molekül erzeugt. Jedes neue DNA-Molekül besteht aus einem Strang des ursprünglichen Moleküls und einem Strang, der im Prozess der Replikation gebildet wird. Vor der Replikation entfaltet sich die DNA und die Stränge der Doppelhelix trennen sich. Es entsteht eine Y-förmige Replikationsgabel, die als Matrize für die Replikation dient. Primermoleküle heften sich an getrennte DNA-Stränge, und DNA-Polymerasen fügen neue Nukleotidsequenzen in der 5′- bis 3′-Richtung hinzu.

Dieser Nukleotideinbau ist auf dem führenden Strang kontinuierlich und auf dem nacheilenden Strang fragmentiert. Sobald die Verlängerung der DNA-Stränge abgeschlossen ist, werden die neuen Stränge auf Fehler überprüft, bei Bedarf repariert und Telomersequenzen an die Enden der DNA angefügt.

Brunnen

• Reece, Jane B. und Neil A. Campbell. Campbell-Biologie . Benjamin Cummings, 2011.
• Lehninger. Prinzipien der Biochemie – Omega, 6. Auflage 2014