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Die DNA-Replikation ist die identische Verdopplung des Erbguts in der S-Phase des Zellzyklus, die nach dem semikonservativen Prinzip durch ein präzises Zusammenspiel spezialisierter Enzyme erfolgt.
Die Replikation ist der Prozess der identischen Verdopplung der DNA, der während der S-Phase (Synthese-Phase) der Interphase stattfindet. Sie folgt dem semikonservativen Prinzip: Jeder der beiden resultierenden Doppelstränge besteht aus einem ursprünglichen 'mütterlichen' Einzelstrang und einem neu synthetisierten Komplementärstrang. Dies stellt sicher, dass die genetische Information exakt weitergegeben wird.
Bevor die Synthese beginnen kann, muss die fest verdrillte DNA-Doppelhelix zugänglich gemacht werden. Das Enzym Topoisomerase arbeitet wie ein Entwinder, der die Torsionsspannung (Spannung durch Überdrehung) vor der Replikationsgabel löst. Die Helikase fungiert anschließend wie ein molekularer Reißverschluss, der die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren trennt und so die Replikationsgabel öffnet.
Die eigentliche Synthese wird durch die DNA-Polymerase durchgeführt. Dieses Enzym hat jedoch eine Einschränkung: Es kann keinen Strang 'aus dem Nichts' beginnen, sondern benötigt ein freies 3'-OH-Ende als Startpunkt. Daher setzt die Primase (eine spezielle RNA-Polymerase) kurze Startsequenzen aus RNA, sogenannte Primer, an die Einzelstränge.
Ein zentrales Gesetz der Molekularbiologie ist die Arbeitsrichtung: Die DNA-Polymerase kann neue Nukleotide ausschließlich in 5' -> 3' Richtung anknüpfen (bezogen auf den neu entstehenden Strang). Da die beiden Stränge der DNA antiparallel (gegenläufig) verlaufen, ergeben sich an der Replikationsgabel zwei unterschiedliche Mechanismen.
Am Leitstrang (Leading Strand) verläuft die Synthese kontinuierlich, da die Polymerase in die gleiche Richtung arbeitet, in die sich die Replikationsgabel öffnet. Am Folgestrang (Lagging Strand) hingegen arbeitet die Polymerase von der Gabel weg. Sobald die Helikase ein weiteres Stück freigelegt hat, muss ein neuer Primer gesetzt werden, wodurch die Synthese stückweise erfolgt.
Diese kurzen, diskontinuierlich synthetisierten Abschnitte am Folgestrang nennt man Okazaki-Fragmente. Um einen durchgehenden DNA-Strang zu erhalten, entfernt die DNA-Polymerase I die RNA-Primer und ersetzt sie durch DNA. Schließlich verknüpft das Enzym Ligase die Fragmente, indem es die Lücken im Zucker-Phosphat-Rückgrat schließt.
Um die Fehlerrate extrem niedrig zu halten, besitzt die DNA-Polymerase eine Proofreading-Funktion (Korrekturlese-Funktion). Dabei erkennt sie während der Synthese falsch eingebaute Basen durch ihre 3'-5'-Exonuklease-Aktivität, entfernt diese und ersetzt sie durch die korrekten Bausteine. Zusätzlich existieren nachgeschaltete Reparaturmechanismen, die verbliebene Fehler im fertigen Doppelstrang korrigieren.
