Replikationsursprung und Öffnen der Doppelhelix
Wo die DNA-Replikation startet und wie Helicase, SSB-Proteine und Topoisomerasen die Doppelhelix an der Replikationsgabel öffnen und entspannen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Replikation beginnt an Replikationsursprüngen. Dort öffnet sich die Doppelhelix zu einer Blase mit zwei Replikationsgabeln, die in entgegengesetzte Richtungen wandern.
- Ein lineares eukaryotisches Chromosom hat viele Replikationsursprünge, an denen die Synthese gleichzeitig startet. Ein Promotor ist dagegen die Startstelle der Transkription.
- Die Helicase trennt an der Gabel den Doppelstrang durch Lösen der Wasserstoffbrücken. SSB-Proteine verhindern die erneute Basenpaarung.
- Topoisomerasen heben Superspiralen auf und binden dabei vorübergehend kovalent an die DNA: Typ I erzeugt Einzel-, Typ II Doppelstrangbrüche.
- Die Gyrase ist eine bakterielle Typ-II-Topoisomerase. Topoisomere haben dieselbe Sequenz und unterscheiden sich nur in der Raumstruktur.
Worum es geht
Bevor die DNA-Polymerase kopieren kann, muss die Doppelhelix an festgelegten Startstellen geöffnet, offen gehalten und entspannt werden. Die Enzyme dafür sind auch pharmazeutisch wichtig: Die bakterielle Gyrase ist der Angriffspunkt der Fluorchinolone wie Ciprofloxacin.
Replikationsursprünge
Die Replikation beginnt an festgelegten Sequenzen, den Replikationsursprüngen (engl. origin). Dort öffnet sich die Doppelhelix zu einer Replikationsblase. An jedem ihrer beiden Ränder liegt eine Replikationsgabel. Das ist die Y-förmige Stelle, an der der Doppelstrang in zwei Einzelstränge übergeht. Die beiden Gabeln wandern in entgegengesetzte Richtungen.
Ein lineares eukaryotisches Chromosom ist sehr lang. Von einem einzigen Startpunkt aus würde seine Verdopplung viel zu lange dauern. Es besitzt deshalb viele Replikationsursprünge, an denen die Synthese gleichzeitig beginnt. Benachbarte Blasen wachsen aufeinander zu und verschmelzen schließlich.
Die Startstellen der Replikation heißen nicht Promotoren. Ein Promotor markiert den Start der RNA-Synthese und gehört zur Transkription.
Helicase und Einzelstrang-Bindeproteine
Die DNA-Polymerase braucht einen einzelnen Strang als Matrize. Die DNA muss also zuerst entspiralisiert und in Einzelstränge getrennt werden. Das übernimmt die Helicase. Sie sitzt direkt an der Replikationsgabel und schiebt sich unter ATP-Verbrauch voran.
Dabei löst sie die Wasserstoffbrücken zwischen den gepaarten Basen. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat bleibt intakt. Man kann sich die Helicase wie den Schieber eines Reißverschlusses vorstellen, der die Zähne auseinanderdrückt.
Die getrennten Stränge sind komplementär und würden sofort wieder paaren. Das verhindern Einzelstrang-bindende Proteine (SSB-Proteine). Sie lagern sich auf die freien Einzelstränge und halten sie gestreckt, bis die Polymerase sie abliest. DNA-Helicasen arbeiten an der DNA und gehören nicht zur Translation am Ribosom.
Wird im Examen gerne gefragt: Die Helicase trennt an der Replikationsgabel den Doppelstrang durch Lösen der Wasserstoffbrücken, SSB-Proteine verhindern danach die erneute Basenpaarung. Achte darauf, dass die Strangtrennung Aufgabe der Helicase ist und nicht der Topoisomerase.
Topoisomerasen und Gyrase
Öffnet die Helicase die Helix, verdrillt sich der Doppelstrang vor der Gabel immer stärker. Wie bei einer Kordel, die man an einem Ende aufdreht, entstehen positive Superspiralen. Ohne Gegenmaßnahme bliebe die Gabel stecken. Topoisomerasen heben diese Überspiralisierung auf. Sie schneiden das Rückgrat, binden dabei vorübergehend kovalent an die DNA und verknüpfen die Enden danach wieder.
Erzeugt einen Einzelstrangbruch. Die DNA rotiert um den intakten Strang, dann wird der Bruch geschlossen.
Erzeugt einen Doppelstrangbruch. Ein zweiter Doppelstrang wird hindurchgeführt, dann werden beide Stränge wieder verknüpft.
Die Gyrase ist eine Typ-II-Topoisomerase der Eubakterien. Sie führt unter ATP-Verbrauch negative Superspiralen ein und gleicht so die Verdrillung vor der Gabel aus. Eukaryotische Zellen besitzen keine Gyrase. Die Topoisomerasen verschiedener Organismen sind nicht identisch. Darauf beruht die selektive Wirkung der Fluorchinolone.
DNA-Moleküle mit derselben Nucleotidsequenz, die sich nur in ihrer Raumstruktur unterscheiden, also im Grad ihrer Verdrillung.
Topoisomerasen wandeln Topoisomere ineinander um. Sie schneiden also keine Abschnitte aus ringförmiger DNA heraus, die Sequenz bleibt vollständig erhalten. Ein superspiralisiertes Plasmid ist kompakter und wandert im Agarosegel weiter als seine entspannte Form.
Die Strangtrennung selbst katalysieren Topoisomerasen nicht. Sie ändern nur die Topologie, getrennt wird von der Helicase. Weil die Verdrillung auch bei der Transkription und in der Chromatinstruktur zählt, beeinflussen Topoisomerasen die Konformation der DNA und damit die Genexpression. An der Translation sind sie nicht beteiligt.
Quiz
Aussage 1
Die Helicase trennt die DNA-Stränge, indem sie die Wasserstoffbrücken zwischen den gepaarten Basen löst.
Die Helicase löst an der Replikationsgabel die Wasserstoffbrücken. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat bleibt dabei intakt.
Aussage 2
Topoisomerasen katalysieren an der Replikationsgabel die Trennung des Doppelstrangs in Einzelstränge.
Die Strangtrennung übernimmt die Helicase. Topoisomerasen heben nur die dabei entstehende Überspiralisierung auf.
Aussage 3
Typ-I-Topoisomerasen entspannen die DNA über einen vorübergehenden Doppelstrangbruch.
Typ I erzeugt einen Einzelstrangbruch. Doppelstrangbrüche sind typisch für Typ II, zu dem auch die Gyrase gehört.
Aussage 4
Die Replikation eines linearen eukaryotischen Chromosoms startet gleichzeitig an mehreren Replikationsursprüngen.
Eukaryotische Chromosomen sind lang und besitzen viele Ursprünge. Die entstehenden Replikationsblasen verschmelzen schließlich.
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