Desoxyribonukleinsäure oder DNA ist das Molekül der Natur, um genetische Informationen über die Generationen hinweg zu übertragen. Fast jede Zelle in Ihrem Körper enthält 46 Chromosomen – einen Satz von 23 von jedem Elternteil –, die die Zelle replizieren muss, bevor sie sich teilen kann.
Lesen Sie mehr über die Struktur, Funktion und Bedeutung der DNA.
Andererseits hat ein Bakterium (und andere Prokaryonten) normalerweise ein einzelnes Chromosom. Überraschenderweise benötigen Sie und ein Bakterium ungefähr die gleiche Zeit, ungefähr eine Stunde oder weniger, um DNA durch die gleichen DNA-Replikationsschritte zu replizieren.
DNA-Grundlagen: Struktur
Der Zeitpunkt der Replikation hängt von der Geschwindigkeit der DNA-Replikation, der DNA-Menge in der Zelle und der Anzahl der Replikationsstartpunkte auf jedem DNA-Molekül ab. DNA ist ein langes Polymer mit einem Rückgrat aus abwechselnden Zucker- und Phosphatgruppen. An jeder Zuckergruppe hängt eine von vier stickstoffhaltigen Nukleotidbasen. Die Abfolge der Basen ist ein vierbuchstabiges Alphabet, das die Reihenfolge der Aminosäuren in Proteinen beschreibt, die Moleküle, die für Ihre körperlichen Eigenschaften und Ihre Biochemie verantwortlich sind.
DNA-Grundlagen: Replikation
Chromosomen sind kompakte Pakete aus DNA und Proteinen. Zwei DNA-Stränge bilden im Herzen jedes Chromosoms eine Doppelhelix.
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Damit die Replikation fortschreiten kann, muss die Maschinerie der Zelle die Doppelhelix entpacken und jeden freigelegten Strang als Vorlage für den Aufbau eines neuen Partnerstrangs verwenden. Dies ist eine semikonservative Replikation, bei der das Endprodukt zwei Helices sind, jede mit einem ursprünglichen und einem neuen Strang. Die Basenpaare im Matrizenstrang bestimmen die im neuen Strang durch einen Prozess der komplementären Paarung – jede Art von Nukleotidbasen kann nur mit einem bestimmten Partner paaren.
Allgemeine Schritte der DNA-Replikation
Dies sind die DNA-Grundlagen der DNA-Replikation.
Schritt 1: Replikationsfork-Formulare. Ein Enzym namens DNA-Helikase "entpackt" die Doppelhelix in eine Y-gegabelte Formation.
Schritt 2: Primer binden. DNA-Primer binden an die Bereiche, in denen das Replikationsenzym, die DNA-Polymerase, mit der Replikation beginnt. Die Primer fungieren als Signal für das Enzym und teilen ihm mit, wo es beginnen und in welche Richtung es gehen soll.
Schritt 3: Dehnung. Dies ist die Phase, in der die DNA tatsächlich repliziert wird. Die DNA-Polymerase "verlängert" den neuen Strang, was bedeutet, dass sie beginnt, den neuen Strang aus jedem Matrizenstrang zu bilden.
Schritt 4: Beendigung. Sobald die Replikation abgeschlossen ist, passieren ein paar Dinge. Zuerst entfernt ein Enzym namens "Exonuklease" die Primer von der DNA und diese Flecken werden mit der richtigen DNA-Sequenz aufgefüllt.
Als nächstes benötigt ein Strang (der "nacheilende" Strang genannt) DNA-Ligase, um die gerade replizierten DNA-Fragmente zu verbinden. Ein weiteres Enzym kommt durch, um Fehler zu überprüfen und zu beheben, die während der Replikation gemacht wurden. Der letzte der DNA-Replikationsschritte ist, wenn die Telomerase spezielle Sequenzen, die "Telomere" genannt werden, am Ende der Stränge hinzufügt.
Bakterielle Replikation
Das einzelne Chromosom eines Bakteriums ist eine Schleife aus doppelsträngiger DNA. Die Anzahl der Basen kann von einer Spezies zur anderen variieren. Die bekannten Bakterien E. coli hat 4,7 Millionen Basenpaare, deren Replikation etwa 40 Minuten dauert, was einer Geschwindigkeit von über 1.000 Basen pro Sekunde entspricht.
Die Replikation beginnt an einem einzigen festen Ort und verläuft auf jedem Strang in entgegengesetzte Richtungen. Der Replikationsprozess umfasst einen Korrekturleseschritt, der eine Fehlerquote von nicht mehr als einer von einer Milliarde sicherstellt.
Eukaryotische Replikation
Die Zellen des Menschen und anderer Eukaryoten haben organisierte Kerne, die einen Chromosomensatz umschließen. Das typische menschliche Chromosom hat etwa 150 Millionen Basenpaare, die die Zelle mit einer Geschwindigkeit von 50 Paaren pro Sekunde repliziert. Bei dieser Geschwindigkeit der DNA-Replikation würde die Zelle über einen Monat brauchen, um ein Chromosom zu kopieren.
Die Tatsache, dass es nur eine Stunde dauert, liegt an mehreren Replikationsursprüngen. Die Replikation erfolgt gleichzeitig von vielen verschiedenen Punkten auf dem Chromosom, und Enzyme verbinden die Abschnitte miteinander, um die endgültige intakte Kopie zu bilden. Alle 46 menschlichen Chromosomen replizieren gleichzeitig während der S-Phase des Zellzyklus.
