Der Vorteil vieler Replikationsursprünge in einem eukaryotischen Chromosom

Ein allgemeines Merkmal lebender Zellen ist, dass sie sich teilen. Bevor aus einer Zelle zwei werden können, muss die Zelle eine Kopie ihrer DNA oder Desoxyribonukleinsäure erstellen, die ihre genetische Information enthält. Eukaryotische Zellen speichern DNA in Chromosomen, die in den Membranen eines Zellkerns eingeschlossen sind. Ohne mehrere Replikationsursprünge würde die Replikation viel länger dauern und das Zellwachstum verlangsamen.

DNA ist ein langkettiges Molekül mit einem Rückgrat aus abwechselnden Zucker- und Phosphatgruppen. An jeder Zuckergruppe hängt eine von vier Nukleotidbasen – ringförmige Moleküle, die Stickstoff enthalten. Zwei DNA-Stränge bilden eine Doppelhelix-Struktur, in der die Base an jeder Zuckerstelle an ihre komplementäre Base am Schwesterstrang bindet. Nur bestimmte Paarungen sind erlaubt. Wenn Sie also eine Base auf einem Strang identifizieren, kennen Sie die Base an derselben Position auf dem anderen Strang.

In Eukaryoten sind Chromosomen zylindrische Strukturen des Chromatins, das eine Mischung aus DNA und Histonproteinen ist. Menschliche Zellen haben 23 Chromosomenpaare, ein Paar von jedem Elternteil. Ein menschliches Chromosom enthält etwa 150 Millionen Basenpaare. Das Chromatin wird eng gefaltet, um die DNA so zu komprimieren, dass sie in eine Zelle passt. Wenn Sie die gesamte DNA in einer menschlichen Zelle Ende an Ende anordnen würden, würde sie ungefähr 6 Fuß lang sein. Damit die Replikation stattfinden kann, muss die DNA-Helix kurz vor dem Kopieren abgewickelt werden.

Eukaryontische Zellen wechseln zwischen Wachstum und Teilung ab, und während der Wachstumsphase wird die DNA repliziert. Die DNA tritt in einen entspannten Zustand ein, der den Zugriff durch die DNA-Polymerase ermöglicht, das Enzym, das jeden Strang kopiert. Ein anderes Enzym, Helikase, trennt zuerst die beiden Stände in einer Region, die als Replikationsstartpunkt bezeichnet wird. Jeder Strang dient als Matrize für einen neuen Strang mit einer komplementären Sequenz von Nukleotidbasen. Eine das Polymerasemolekül umgebende Replikationsblase bewegt sich während des Kopiervorgangs entlang jedes DNA-Strangs. Die alten und neuen Stränge ziehen sich an der Rückseite der Blase zusammen.

DNA-Polymerase kann eukaryontische Chromosomen mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 Basenpaaren pro Sekunde transkribieren. Wenn das Chromosom nur einen einzigen Replikationsstartpunkt hätte, würde es etwa einen Monat dauern, eine DNA-Helix zu kopieren. Durch die Verwendung mehrerer Ursprünge kann die Zelle eine Helix in etwa einer Stunde replizieren, eine 720-fache Geschwindigkeit. Während des Prozesses produzieren mehrere Replikationsblasen auf jedem Chromosom kleine DNA-Stücke, die dann zusammengespleißt werden, um das Endprodukt zu bilden. Der Vorteil mehrerer Ursprünge besteht darin, dass es eine relativ schnelle Zellteilung und ein relativ schnelles Wachstum des Organismus ermöglicht. Zum Beispiel müsste eine menschliche Mutter vor der Geburt 540 Jahre lang einen Fötus tragen, wenn sie auf einen einzigen Replikationsstartpunkt auf jedem Chromosom angewiesen wäre.