Aufgaben 17 Grundlagen der Genetik 1.3 Die Replikation der DNA In deinem Körper entstehen ständig neue Zellen, um verbrauchte zu ersetzen: Haare und Fingernägel wachsen, Wunden heilen … und dein ganzer Körper ist ja schließlich aus einer einzigen Zelle entstanden! Die Vermehrung von Zellen erfolgt durch Teilung, die Mitose genannt wird (siehe am Puls 5, S. 35 ff.). Wenn sich eine Zelle teilt, durchläuft sie mehrere Schritte. Dieser Ablauf wiederholt sich bei jeder Teilung – man nennt dies den Zellzyklus (RAbb. 11). Bevor sich Zellen jedoch teilen können, müssen nötige Proteine erzeugt werden (G1-Phase) und DNA verdoppelt werden (S-Phase). Diese Verdopplung heißt Replikation. Danach werden Proteine für die Mitose erzeugt (G2-Phase), worauf die Mitose erfolgen kann. Eine normale Körperzelle durchläuft den Zyklus ca. 10- bis 100-mal. Danach stellt sie sich ganz auf ihre Funktion im Körper ein und verliert ihre Teilungsfähigkeit. Sie arbeitet dann bis zu ihrem Tod, ohne sich weiter zu teilen (G0-Phase). Vor jeder Zellteilung wird die DNA verdoppelt, dann erfolgt die Mitose Interphase Mitose + Zytokinese (ca. 1 h) Mitosephase G0-Phase G2-Phase Proteinsynthese (ca. 3 h) S-Phase DNASynthese (ca. 8 h) G1-Phase Proteinsynthese (ca. 12 h) In der S-Phase wird die DNA identisch verdoppelt. Vor der Mitose besteht jedes Chromosom also aus zwei identischen DNA-Doppelhelices. In der G0- und G1-Phase besteht jedes Chromosom aus einer einzigen DNA-Doppelhelix und bildet zelltypische Proteine. In der Mitosephase entstehen zwei Folgezellen mit identischen Chromosomen aus jeweils einer DNA-Doppelhelix. Abb.11: Zellzyklus: Jede sich teilende Zelle durchläuft einen Zyklus aus Interphase und Zellteilung (S steht für Synthese, G für gap, engl. für Lücke). 1 S Die DNA wird bildhaft oft als Strickleiter oder als Zippverschluss bezeichnet. Bewerte diese Modellvorstellungen und ihre Grenzen. In einer Phase des Zellzyklus wird die DNA verdoppelt Die DNA wird kopiert Du kennst das Kopieren von Dokumenten am Fotokopierer oder von Dateien am PC. Doch wie kopiert eine Zelle die DNA-Doppelhelix? Wenn du dir die Struktur der DNA vorstellst, erinnert diese ja an einen (verdrillten) Zippverschluss. Und genau wie du einen Zippverschluss öffnen kannst, muss auch der Doppelstrang getrennt werden, damit die DNA kopiert – genauer: repliziert – werden kann. Mit dem Öffnen alleine ist es nicht getan: An der Replikation ist ein ganzer Komplex spezieller Replikationsenzyme beteiligt. Jedes dieser Enzyme hat eine eigene Aufgabe in diesem Vorgang. Eine Schlüsselrolle nimmt die DNA-Polymerase ein (hellblau in kAbb. 12 auf S. 18). Ist der Doppelstrang geöffnet, werden beide Einzelstränge gleichzeitig „kopiert“, jedoch in unterschiedlicher Weise. Das liegt daran, dass die DNA gegenläufig ist, die Polymerase aber nur am 3’-Ende eines DNA-Stranges Nukleotide anknüpfen kann. Das heißt, dass nur einer der beiden Einzelstränge kontinuierlich kopiert wird – die Leitstrang- Matrize. Der andere Strang, die Folgestrang-Matrize, wird dagegen stückchenweise abgelesen. Diese Stückchen werden nach ihren Entdeckern Okazaki-Fragmente1 genannt. Der genaue Ablauf ist in Abbildung 12 auf Seite 18 gezeigt: Die Replikation beginnt mit dem Öffnen der DNA durch das Enzym Helikase (kAbb. 12a). Einzelstrangbindende Proteine (kAbb. 12b) stabilisieren die Öffnung der DNA-Gabel und verhindern, dass sich die Stränge wieder vereinen. Primasen bereiten die Ansatzstellen für die DNA-Polymerasen vor (kAbb. 12c), indem sie die ersten Nukleotide an den Einzelstrang anfügen. Dieses erste Stück besteht aus RNA-Nukleotiden und heißt Primer2. Für den Leitstrang ist nur ein Primer nötig, am Folgestrang wird jedes Okazaki- Fragment durch einen Primer „gezündet“. Der Primer ist die Ansatzstelle für die RNA-Polymerase. 1 Okazaki-Fragment: benannt nach den Entdeckern Tsuneko Okazaki (geb. 1933) und Reiji Okazaki (1930–1975), einem japanischen Forscher-Ehepaar 2 Primer: (engl.) = Zünder Die Verdopplung der DNA erfolgt mit Hilfe eines Komplexes von Enzymen Reproduktion Die Replikation der DNA ist ein molekularer Reproduktionsvorgang: Ein DNA-Doppelstrang wird mittels mehrerer Enzyme verdoppelt, indem durch das stückweise Ergänzen einzelner Bausteine zwei identische Kopien hergestellt werden Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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