Replikation der DNA

Replikation der DNA Übung

• Beschreibe den Vorgang der Replikation.

  Tipps

  Versuche, den Prozess der Replikation in für dich sinnvolle Abschnitte einzuteilen, um dir die Abfolge der Teilschritte leichter einprägen zu können.

  Lösung

  Der Vorgang der Replikation kann in vier grundlegende Prozesse unterteilt werden. Bei der Initiation wird das DNA-Molekül vorbereitet, indem sie entwunden und die Einzelstränge getrennt werden. Dann werden die Primer, also die Startregionen für den Syntheseprozess, angelagert. Dieser zweite Schritt kann auch als Priming bezeichnet werden. Danach erfolgt die Elongation. Das ist der Schritt, bei dem die Synthese der DNA durch Anlagerung von komplementären DNA-Nukleotiden geschieht. Dieser Vorgang erfolgt am Leitstrang kontinuierlich und am Folgestrang diskontinuierlich. Schließlich werden die Primer ersetzt und der neu synthetisierte Strang durchgängig verbunden. Dies wird durch das Enzym Ligase vermittelt. Da dies das Ende der Replikation darstellt, wird der Teilprozess auch als Termination bezeichnet.

• Charakterisiere die einzelnen Phasen der Replikation.

  Tipps

  Die Teilschritte laufen chronologisch ab. Die Namen der Enzyme lassen sich meistens von der Reaktion, die sie katalysieren, ableiten. Werden zum Beispiel kleine Moleküle zu großen zusammengesetzt, ist das eine Polymerisation und das verantwortliche Enzym heißt Polymerase.

  Versuche, aus den Bezeichnungen der einzelnen Teilschritte Prozesse und beteiligte Strukturen sowie Enzyme abzuleiten.

  Bei der Initiation wird die DNA so vorbereitet, dass die Enzyme optimal arbeiten können. Dazu muss die Doppelhelix in entwundenden Einzelsträngen vorliegen.

  Lösung

  In der Initiationsphase entwindet die Helicase den Doppelstrang und spaltet diesen in zwei Matrizenstränge auf. Es entsteht eine sogenannte Replikationsgabel. Dann schließt sich die Phase des Primings an. Dabei werden durch das Enzym Primase RNA-Primer angelagert. Sie bilden die Startregion für die Elongation. In diesem Vorgang wird der neue DNA-Strang, ausgehend von den Primern, durch die DNA-Polymerase verlängert. Dies geschieht am Leitstrang kontinuierlich. Beim Folgestrang allerdings werden zwischen mehreren Primern sogenannte Okazaki-Fragmente aus Nucleotiden eingefügt, die erst später zusammengefügt werden. Das Enzym Ligase verbindet die Stücke zu einem durchgehenden Strang. Da bei diesem komplexen Prozess Fehler passieren können, wird durch eine Reparaturfunktion der DNA-Polymerase eine Fehlerkorrektur vorgenommen.

• Bestimme den Ablauf des Versuchs von MESELSON und STAHL

  Tipps

  Die Dichte der DNA-Moleküle wird von dem in den organischen Basen eingebauten Stickstoff bestimmt. N15 ist dabei schwerer als der N14.

  Sind in einem Reagenzglas zwei Banden in unterschiedlicher Höhe zu beobachten, enthält die im oberen Teil des Reagenzglases schon mehr DNA mit Basen, in denen N14 statt N15 eingebaut ist.

  Die Stärke der Bande lässt Rückschlüsse auf das Volumen an DNA mit gleicher Dichte zu.

  Lösung

  Wenn E. coli auf N15-haltigem Nährboden wächst, dann wird in dieser DNA ausschließlich schwerer Stickstoff eingebaut. Werden diese Kulturen dann in ein N14-haltiges Medium überführt, beginnt der Einbau von N14 in die Basen der DNA. Die Dichte der DNA nimmt somit ab. Durch die Zentrifugation lagern sich die Banden in der Region an, in der ihre Dichte mit der des Mediums, also der Cäsiumchloridlösung, übereinstimmt. Die erste Generation verursachte eine Bande im untersten Teil des Reagenzglases, da dessen Dichte am größten ist. Mit jeder Generation, also auch mit jeder Replikation, bei der nach dem semikonservativen Modell jeweils ein neuer komplementärer Strang synthetisiert wird, nimmt die Dichte ab. Bei der dritten Tochtergeneration (Abb. 4) reichert sich diejenige DNA in der oberen Bande an, die in ihrem Molekül ausschließlich N14-Stickstoff eingebaut hat. Sie hat also die kleinste Dichte.

• Nenne die Zeit, die für die DNA-Replikation beim größten Chromosom von Drosophila benötigt würde, wenn sie nur von einem Startpunkt ausginge.

  Tipps

  Wenn bei einem Chromosom von 62 Millionen Nucleotidpaaren an 6000 Replikationsgabeln gleichzeitig repliziert wird, werden pro Abschnitt nur etwa 10 333 Basen aufgelesen. Dafür werden dann drei Minuten benötigt.

  Wenn man nur von einer Replikationsgabel für alle 62 Millionen Basen ausgeht, werden alle Basen hintereinander abgelesen. Dabei folgt eine auf die andere.

  Wenn für die Synthese eines neuen Strangs von 10 333 Nucleotiden drei Minuten benötigt werden, wie viele Minuten benötigen dann alle 62 Millionen Nucleotide des DNA-Moleküls?

  Nutze ggf. den Dreisatz und die Taschenrechnerfunktion deines Computers.

  Lösung

  Wenn an 6000 Stellen am DNA-Molekül gleichzeitig repliziert wird, werden in den drei Minuten pro Replikationsbase etwa 10 333 Nucleotide abgelesen und dazu eine komplementärer Strang synthetisiert. Wenn nun alle 62 Millionen Nucleotidpaare einzeln hintereinander abgelesen werden und ein neuer Strang synthetisiert wird, werden also 18 000 Minuten benötigt. Dies entspricht 300 Stunden oder 12 Tagen und 12 Stunden. Aufgrund dieser langen Zeit ist es in eukaryotischen Zellen möglich, in vielen Replikationsgabeln die DNA auch simultan zu verdoppeln. Andernfalls wäre der Zeitaufwand dabei zu hoch.

• Benenne die gekennzeichneten Strukturen während des Replikationsvorgangs der DNA.

  Tipps

  Der Leitstrang wird kontinuierlich repliziert.

  Lösung

  Der DNA-Doppelstrang wird nach der Entwindung in seine Einzelstränge aufgetrennt. Dazu werden die Wasserstoffbrückenbindungen durch das Enzym Helicase gelöst.

  • Es entsteht ein Leitstrang und ein Folgestrang. Durch das Enzym Primase werden RNA-Primer angelagert. Ausgehend von diesen Primern werden die freien Nucleotide komplementär angelagert.
  • Dies geschieht am Leitstang kontinuierlich. Beim Folgestrang erfolgt die Anlagerung allerdings diskontinuierlich.
  • Dabei werden sogenannte Okazaki-Fragmente eingefügt, die in einem nächsten Schritt verbunden werden.
  • Schließlich werden die RNA-Primer durch DNA ersetzt.

• Stelle die Ergebnisse der identischen Replikation eines DNA-Teilabschnitts nach Einfluss von Nitrosaminen dar.

  Tipps

  Das Kürzel „Gm“ beschreibt das methylierte Guanin, das in seiner Struktur so verändert wurde, dass als komplementäre Base nur noch Thymin statt Cytosin infrage kommt.

  Bedenke, dass sich der DNA-Doppelstrang während der Initiation in zwei Einzelstränge auftrennt und diese separat repliziert werden.

  Eine Veränderung der Basenabfolge im zu replizierenden Stang hat die Folge, dass alle anderen danach synthetisierten Stränge ebenso fehlerhaft sind, da dieser Strang als Vorlage (Matrize) genutzt wird.

  Lösung

  Da die komplementäre Base zum methylierten Guanin die Base Thymin darstellt, wird in der Folge also Thymin statt Cytosin eingebaut. Da Thymin statt Cytosin eingebaut wird, wird im neu synthetisierten Strang nicht wieder eine neue Guanin-Base, sondern ein Adenin (= komplementäre Base zu Thymin) eingebaut. Dies führt dazu, dass der ursprüngliche DNA-Abschnitt grundlegend verändert wird. Dies wirkt sich ebenso bei sich anschließenden Replikationen aus. Solche Mutationen können zu einer Fehlproduktion, z. B. von Zellen, führen, die dann in Form von Tumoren gehäuft auftreten.