Einstieg (0:00)
D-N-A-Replikation heißt: Bevor sich eine Zelle teilt, kopiert sie ihre komplette D-N-A. Aus einer Zelle werden ja zwei, und jede braucht das ganze Erbgut. In einer menschlichen Körperzelle sind das rund sechs Milliarden Basenpaare.
Wie schafft sie es, dass am Ende zwei gleiche Kopien herauskommen? Der erste Teil der Antwort steckt im Doppelstrang selbst: Jeder der beiden alten Stränge dient als Vorlage für einen neuen.
Das Prinzip: semikonservativ (0:30)
Stell dir die Doppelhelix als Reißverschluss vor, seine Zähne sind die Basen. Die Zelle zieht ihn auf, und an jeder offenen Hälfte wächst eine neue Hälfte nach. Dabei passt A nur zu T und G nur zu C. Das ist die komplementäre Basenpaarung.
Am Ende liegen zwei gleiche Doppelstränge da, denn jede alte Hälfte legt ihre neue Partnerin fest. Jeder von beiden hat einen alten und einen neuen Strang. Das heißt semikonservativ, also halb bewahrend. Entsteht bei der Replikation dann eine komplett neue D-N-A? Nein. Jede Tochter-D-N-A behält einen Strang des Originals.
Dass es wirklich so abläuft, zeigten Matthew Meselson und Franklin Stahl neunzehnhundertachtundfünfzig an Bakterien. Merksatz: Semikonservativ heißt, jede Tochter-D-N-A besteht aus einem alten und einem neuen Strang.
Nur kopiert sich ein echter Reißverschluss nicht selbst. Schade. Sonst hätte ich nach einmal Aufziehen zwei Lieblingsjacken. In der Zelle machen diese Arbeit Enzyme, kleine Werkzeuge aus Eiweiß.
Schritt für Schritt an der Gabel (1:39)
Die Enzyme legen an bestimmten Stellen los, den Replikationsursprüngen. Dort weichen die Stränge auseinander, und es entsteht eine Ypsilon-förmige Stelle, die Replikationsgabel. Meist laufen von einem Ursprung zwei Gabeln in entgegengesetzte Richtungen. Wir schauen genau in eine hinein.
Ganz vorne an der Gabel sitzt die Helicase, sozusagen der Schieber unseres Reißverschlusses. Sie löst die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren und schiebt sich so immer weiter in den Doppelstrang. Die Stränge selbst zerschneidet sie nicht. Merksatz: Die Helicase öffnet die Doppelhelix.
Jetzt sind die freien Stränge Vorlagen. Den neuen Strang baut die D-N-A-Polymerase: Sie setzt passende Nukleotide gegenüber, die Bausteine der D-N-A. Nur einen Strang anfangen kann sie nicht, sie kann bloß einen schon begonnenen verlängern. Prima im Weitermachen, schlecht im Anfangen. Kenn ich vom Aufräumen.
Deshalb kommt vorher die Primase. Sie baut ein kurzes Startstück aus R-N-A, einer nahen Verwandten der D-N-A. Dieses Startstück heißt Primer. An seinem freien Ende kann die Polymerase andocken und weiterbauen. Merksatz: Jeder neue Strang startet mit einem R-N-A-Primer von der Primase.
Bleibt die Frage, an welches Ende des Primers die Polymerase andockt. Dafür gilt die wichtigste Regel. Jeder Strang hat zwei verschiedene Enden, fünf-Strich und drei-Strich, benannt nach Kohlenstoff-Atomen im Zucker. Die Polymerase hängt neue Bausteine nur ans drei-Strich-Ende, so wie beim Auffädeln einer Perlenkette neue Perlen nur an dem Ende dazukommen, an dem die Nadel steckt. Merksatz: Die Polymerase verlängert nur am drei-Strich-Ende. Jeder neue Strang wächst von fünf-Strich nach drei-Strich.
Dazu kommt: Die beiden Vorlagen liegen antiparallel, also gegenläufig. Am unteren Strang zeigt das drei-Strich-Ende des neuen Strangs zur Gabel. Hier baut die Polymerase einfach hinter der Helicase her, ein Primer am Anfang reicht. Das ist der Leitstrang, er entsteht kontinuierlich, also am Stück. Funfact: Im Darmbakterium Escherichia coli hängt die Polymerase an einer Gabel rund tausend Bausteine pro Sekunde an.
Und am oberen Strang? Dort zeigt das drei-Strich-Ende des neuen Strangs von der Gabel weg, also müsste er auch in diese Richtung wachsen. Kann die Polymerase nicht einfach umdrehen? Nein. Sie baut nur von fünf-Strich nach drei-Strich. Also geht es hier in Etappen: Sobald die Gabel weiter offen ist, setzt die Primase nah an der Gabel einen neuen Primer. Von dort baut die Polymerase zurück, ein kurzes Stück von der Gabel weg. Dann öffnet sich die Gabel weiter, und alles beginnt von vorn: neuer Primer, neues Stück.
So entsteht dieser Strang in Stücken, also diskontinuierlich. Er heißt Folgestrang, denn er hinkt der Gabel immer etwas hinterher. Die einzelnen Stücke heißen Okazaki-Fragmente. Merksatz: Leitstrang kontinuierlich, Folgestrang diskontinuierlich, in Okazaki-Fragmenten.
Danach werden die R-N-A-Primer entfernt und durch D-N-A ersetzt. Zwischen zwei Fragmenten fehlt dann noch eine Bindung im Rückgrat, dem Band aus Zucker und Phosphat. Diese Lücke näht zum Schluss die Ligase zu. Merksatz: Die Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente zu einem durchgehenden Strang.
Beide neuen Stränge wachsen nur von fünf-Strich nach drei-Strich. Weil die Vorlagen gegenläufig liegen, wächst einer mit der Gabel, am Stück, und einer von ihr weg, in Stücken.
Beispiel (5:26)
Holen wir uns ein kurzes Stück ganz nah heran. Wie schreibst du den neuen Strang selbst auf? Die Vorlage: drei-Strich, T, A, C, G, G, A, fünf-Strich. Zu jeder Base kommt ihre Partnerin: zu T ein A, zu A ein T, zu C ein G, zu den zwei G zweimal C, und zu A ein T.
Und die Richtung? Die Stränge liegen antiparallel. Gegenüber dem drei-Strich-Ende der Vorlage beginnt der neue Strang also mit seinem fünf-Strich-Ende: fünf-Strich, A, T, G, C, C, T, drei-Strich. Genau in dieser Richtung wird er auch gebaut. Merksatz: Der neue Strang ist komplementär und antiparallel zur Vorlage.
Prüfung (6:13)
Mit der Gabel im Kopf schaffst du jetzt auch die Prüfungsfrage auf Abiturniveau. Erklären Sie, warum der Folgestrang bei der Replikation diskontinuierlich entsteht. Drück Pause. Ich setz mir solange einen Primer. Vielleicht klappt's dann endlich mit dem Aufräumen.
Die Lösung in drei Punkten. Erstens: Die D-N-A-Polymerase verlängert nur am freien drei-Strich-Ende, sie synthetisiert also nur in fünf-Strich-drei-Strich-Richtung, nie andersherum. Zweitens: Die Vorlagestränge sind antiparallel. Am Folgestrang zeigt diese Richtung deshalb von der Replikationsgabel weg. Drittens: Weil sich die Gabel immer weiter öffnet, beginnt die Synthese dort immer wieder neu, an neuen Primern der Primase. So entstehen Okazaki-Fragmente. Nach dem Ersetzen der Primer verknüpft die Ligase die Fragmente.
Merk dir drei Dinge (7:08)
Das war die D-N-A-Replikation. Merk dir drei Dinge. Erstens: Die Replikation ist semikonservativ, jede Kopie hat einen alten und einen neuen Strang. Zweitens: Die Helicase öffnet, die Primase setzt den Primer, die Polymerase verlängert, die Ligase verbindet. Drittens: Die Polymerase baut nur von fünf-Strich nach drei-Strich, und die Vorlagen sind gegenläufig. Deshalb entsteht der Folgestrang in Stücken. Das Quiz und den Lernzettel zu diesem Video findest du kostenlos auf achtmalklug punkt de. Und fragt dich beim nächsten Familienfest jemand: Na, alles beim Alten? Antworte einfach: Halb. Semikonservativ. Bleib neugierig.
