Replikation

Replikation (auch Reduplikation) – Die Vervielfältigung der dna

Viele Zellen verfügen über die Fähigkeit der Zellteilung oder Verschmelzung, in der Fachsprache Mitose und Meiose genannt. Für den Ablauf dieser Vorgänge muss die DNS, die Desoxyribonukleinsäure, in der die Erbinformationen der Zelle gespeichert sind, ebenfalls geteilt werden. Dieser komplexe Prozess der DNS-Teilung wird in der Biologie als Replikation bezeichnet.

Doch was sind die Funktionen und Aufgaben der Replikation? Welche Krankheiten und Beschwerden kann eine Störung des Vorgangs mit sich bringen? Nachfolgend finden Sie alle wichtigen Informationen zum Thema.

Was ist Replikation?

Die Replikation ist ein biologischer Prozess, bei dem sich die DNS mit Hilfe von Enzymen verdoppelt. Enzyme sind biologische Katalysatoren, das heißt Substanzen, die eine chemische Reaktion beschleunigen können. Die DNS ist ein spiralförmig aus zwei Strängen bestehendes, gewundenes Riesenmolekül, Makromolekül genannt. Ihre zentralen Bausteine sind die Nukleinbasen.

Die Nukleinbasen mit den wissenschaftlichen Namen, Adenin, Thymin Cytosin, und Guanin (abgekürzt mit ihren Anfangsbuchstaben A, T, C, G) finden sich zusammen mit Zuckermolekülen (den Desoxyribosen) und Phosphaten zu kettenförmigen, langen Molekülen zusammen. Die diese Kette bildenden Bausteine, bestehend aus Nukleinbase, Desoxyribose und Phosphatanteil nennen sich Nukleotide, der von ihnen gebildete Molekülstrang, bestehend aus variierenden Folgen dieser Nukleotide, ist die DesoxyriboNukleinSäure, die DNS.

DNS – Aufbau

Die DNS kommt selten als Einzelstrang vor, sondern verbindet sich mit einem komplementären Strang zu einem Doppelstrang. Diese Verbindung findet über die Nukleinbasen statt, die wie halbe Leitersprossen aus dem Strang seitlich herausragen.

Doch nicht jede dieser Sprosse kann sich mit einer beliebigen anderen Sprosse eines zweiten DNS-Strangs verbinden. Stabil sind nur die Kopplungen A – T und C – G, die jeweils auch gespiegelt vorkommen (T – A oder G – C).

Zwei durch die Basenpaare verbundenen dna – Stränge bilden zusammen ein Schraubenförmig gewundenes Riesenmolekül, dass wie eine in sich verdrehte Leiter aussieht. Dabei bilden die Basenpaare zusammen mit Desoxyribosen die „Sprossen“ der Leiter und die miteinander verbundenen Phosphatanteile mit Zuckermolekülen die Holme. So entsteht die bekannte doppelte Spiralform: Die Doppelhelix.

Die DNS liegt verpackt im Kern der Zelle, von wo aus sie sowohl Stoffwechselvorgänge steuert, als auch Baupläne für funktionelle Biomoleküle liefert. Die Reihenfolge der Nukleinbasen im DNS – Strang speichert diese genetische Information, ähnlich wie die Reihenfolge von 0 und 1 Computerbefehle abspeichert, die dann als Computerprogramme über die Hardware des Gerätes ausführbar sind.

Die Vervielfältigung

Vervielfältigung der DNS

Bei der Replikation werden die beiden Stränge aufgetrennt

Der Prozess der Replikation besteht aus einer Auftrennung der beiden Stränge voneinander wie bei einem sich öffnenden Reißverschluss und anschließendem Neuaufbau von ergänzenden Strängen an den zwei Einzelsträngen. So entstehen durch Auftrennung und Anbau von Nukleotiden zwei Kopien der ursprünglichen Doppelhelix.

Diese beiden Kopien tragen nun jeweils die Hälfte des Ausgangsmaterials in sich. Deshalb wird diese Verdopplung auch als „semikonservativ“ (teilerhaltend) bezeichnet. Die durch Auftrennung entstehenden Einzelstränge heißen in der Fachsprache Matrize und dienen als Vorlage für den jeweils entstehenden, komplementären Gegenstrang.

Funktionen & Aufgaben

Der Replikationsvorgang besteht aus drei Phasen die nacheinander ablaufen müssen:

1. Initiationsphase
2. Elongationsphase
3. Terminationsphase

1. Initiationsphase

Am Beginn der Replikation steht die Initiationsphase, bei der das Enzym Helikase die Doppelhelix auftrennt und eine Replikationsgabel entstehen lässt. Diese besteht aus den zwei komplementären Strängen der Doppelhelix.

Da nur jeweils bestimmte Nukleotide eine stabile Bindung miteinander eingehen können, können an den Bindungsstellen des Einzelstranges nun die komplementären Basen angebaut werden, so dass ein neuer Strang an diesen freien Stellen sukzessiv durch Anlagerung von Nukleinbasen entstehen kann.

2. Elongationsphase

Die Phase der Anlagerung wird als Elongation bezeichnet. Den Aufbau des neuen Komplementärstranges übernehmen hochspezialisierte Enzyme, die Polymerasen. Dabei ist aufgrund der vorgegebenen Basenpaarung die korrekte Zuordnung eindeutig. Zu beachten ist, dass sich die Doppelhelix nicht auf einmal komplett öffnet, sondern nur immer ein Stück weit. An diesen „offenen“ Enden findet dann die Synthese statt. So wird der ganze Doppelstrang nach und nach durch eine Abfolge von Initiations- und Elongationsphasen aufgetrennt und repliziert.

Bevor sich der Komplementärstrang an die Matrize anlagern kann, muss dieser Vorgang über ein als Primer bezeichnetes Molekül in Gang gesetzt werden. Der Primer markiert den Startpunkt der Neusynthese, von dem aus dann nach und nach die einzelnen Nukleotide angehängt werden. Die Synthese der komplementären Stränge verläuft gegenläufig zu den Einzelsträngen, da sie nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung aufgebaut werden.

Der Anbau von Basen kann aber nur immer nur von 5‘ in Richtung 3‘ erfolgen. Da die beiden Stränge umgedreht zueinander liegen, unterscheidet man bei den beiden antiparallelen Strängen der Gabel zwischen Hauptstrang (der mit 3‘ endet) und dem Rückwärtsstrang (der mit 5‘ endet).

Am Hauptstrang verläuft die Synthese vom Ende bis zur Gabelstelle kontinuierlich ab, während im Folgestrang jeweils von der Gabelstelle ausgehend bis zum Ende hin synthetisiert wird. Da sich die Doppelhelix erst nach und nach auftrennt, gelangt so die Synthese im Folgestrang immer wieder zum jeweiligen Ende (entweder weil der Strang zu Ende ist, oder dort bereits eine Synthese stattgefunden hat) und läuft nicht kontinuierlich ab. Die im Vergleich zum Hauptstrang sehr kurzen Synthesefragmente des Folgestrangs werden als Okazaki-Fragmente bezeichnet.

3. Terminationsphase

Im letzten Schritt, der Terminationsphase, findet die Replikation ihren Abschluss, indem das Enzym Ligase die alten Teilstränge fest mit den komplementären Synthesesträngen verbindet.

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Nun wird auch das semikonservative Prinzip der Replikation ersichtlich. Zwar entsteht in der Regel eine exakte Kopie des ursprünglichen Moleküls, doch es besteht eben nur zum Teil aus dem Ursprungsmaterial.

Die Replikation nach dem semikonservativen Prinzip ist die in der Natur der Regelfall und die meisten Replikationsprozesse verlaufen nach diesem Muster.

Die eindeutige Basenpaarung wird als Watson – Crick – Basenpaarung bezeichnet, da sie von den beiden Entdeckern der Doppelhelixstruktur der DNS, James D. Watson und Francis Crick, im Jahre 1953 beschrieben wurde.

Durch die Entdeckung der Doppelhelix konnten Watson und Crick auch bereits einen möglichen, teilerhaltenden Vervielfältigungsmechanismus der dna vorhersagen. Der Replikationsvorgang selbst wurde schließlich im Jahre 1958 von den Biologen Matthew Meselson und Franklin Stahl nachgewiesen.

Krankheiten & Beschwerden

Erkrankungen, Störungen und Beschwerden im Zusammenhang mit der Replikation

Obwohl der Replikationsvorgang durch die Basenpaarung theoretisch eindeutig ablaufen müsste, kann es dennoch zu Fehlern kommen. Dies bedeutet, dass ein oder mehrere unpassende Basen an der Matrize synthetisieren.

Fehlerhafte Replikation sind oft für die Entstehung genetischer Krankheiten verantwortlich. Die durch Fehlreplikation schadhafte DNS kann in die Geschlechtszellen gelangen, wodurch die durch sie hervorgerufenen Krankheiten vererbt werden können.

Mutationen

Eine Mutation kann sowohl als Keimbahnmutation in den Geschlechtszellen (Sperma- oder Eizellen) vorkommen, als auch in den Körperzellen bei fehlerhafter Teilung als somatische Mutation auftreten. Eine Mutation kann sich auf Merkmale oder Funktionen eines Organismus auswirken, muss es aber nicht.

Entsprechend lassen sich Mutationen nach positiven, neutralen oder negativen Folgen für die Gesundheit einteilen. Positive und neutrale Mutationen stellen einen wichtigen Mechanismus in der Evolution dar und sind Voraussetzung für die Entstehung neuer Artgen.

Je nach Art der Replikationsanomalie kann zwischen Punktmutation und einer sogenannten Frameshift-Mutation unterschieden werden. Im ersten Falle kommt es durch den Einbau eines falschen Nukleotids in den Strang zu einer punktuellen Veränderung. Bei der Frame-Shift-Mutation werden ganze Abschnitte der DNS durch eine Verschiebung der Anordnung verändert. Diese Rasterverschiebung kann die Folge einer Insertion oder Deletion sein.

Insertion & Deletion

Bei der Insertion

wird ein Nukleotid zu viel eingebaut, wodurch sich die Anordnung der Nukleotide verändert wird. Die Nukleotide sind in der Doppelhelix jeweils in zusammengehörigen Dreiergruppen angeordnet. Diese Dreiersequenzen bilden ein Gen. Wird nun ein zusätzliches Nukleotid gewissermaßen in den Strang „hineingeschoben“, verschiebt sich die nachfolgende Ordnung.

Ähnliches passiert bei der Deletion. Hier findet ebenfalls eine Verschiebung der Anordnung statt, aber diesmal nicht durch Einschub, sondern durch Entfernung einer Sequenz. Dadurch scheinen mitunter ganze Genabschnitte als gelöscht. Die Deletion ist immer mit einem Verlust an Genmaterial verbunden.

Schwerwiegende Änderung

Schwerwiegende Erkrankungen durch Mutationen

Darstellung einer Krebs-Zelle

Da die Codierung der genetischen Informationen über die Basenabfolge eines Genabschnittes geschieht, können Mutationen hier zu schwerwiegenden Änderungen führen. Die Folge können Fehler oder Einschränkungen bei Produktion von Proteinen oder der Regulation des Zellstoffwechsels sein.

Werden solche Fehlersequenzen vererbt, gelangen also von den Geschlechtszellen der Ei– oder Spermazellen in die Keimbahn, spricht man dabei von einer erblichen genetischen Krankheit. Aber auch somatische Mutationen können schwerwiegende Folgen wie z. B. Krebs haben.

Aber Mutationen wurden sich in der Menschheitsgeschichte auch immer wieder in der Pflanzen– und Tierzucht zu Nutze gemacht. Mutationen sind bei vielen Kulturpflanzen oder Haustieren gegenüber den Wildformen zu betrachten. Oft wurden spontan aufgetretene Mutationen von Landwirten gezielt weitergezüchtet.

Häufige Fragen & Antworten

Hier finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen zur Replikation.

Nur eine Art?

Gibt es nur eine Art von Replikation?

Der hier geschilderte direktionale (an den beiden Strängen in die jeweils entgegengesetzte Richtung ablaufende) Prozess der Replikation ist der am häufigsten in der Natur auftretende Vervielfältigungsmechanismus, jedoch nicht der einzige.

Neben den Zellen mit Zellkern existieren noch andere einzellige Lebewesen wie Bakterien, deren DNS anders geformt als bei Zellen mit Zellkern ist. Deshalb verläuft bei ihnen auch die Replikation anders. Bei Viren tritt ebenfalls ein Replikationsmechanismus auf, der sich von dem hier geschilderten unterscheidet, da Viren zur Vervielfältigung auf eine Wirtszelle angewiesen sind.

Bei manchen Bakterien oder Viren liegt eine ringförmige Doppelstrang – dna vor, bei welcher der Replikationsvorgang mit dem Aufbrechen eines der Ringe an beliebiger Stelle beginnt. Es kommt dann zu einer Abwicklung dieses Stranges mit begleitender Synthese eines Komplementärstranges. Dieser Vorgang findet häufig statt, wenn Bakterien Teile ihrer ringförmigen dna austauschen. Ein Bakterium gibt den abgewickelten dna – Strang an ein Empfängerbakterium ab, das dann den zweiten Strang dazu synthetisieren kann.

Replikation & Altern?

Was hat Replikation mit dem Altern zu tun?

Die Zellen mehrzelliger Organismen erneuern sich regelmäßig durch Zellteilung, um beschädigte oder abgestorbene Zellen zu ersetzen.

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Bei den Zellen der höheren Lebewesen besitzt die dna eine lineare Struktur und ist im Zellkern in sogenannten Chromosomen gepackt. Chromosomen bestehen in der Regel aus einem durchgehenden dna-Strang, der durch eine Proteinhülle „in Form“ gehalten wird.

Für die Stabilität dieser Struktur sind die Endstücke der Doppelhelix, die Telomere, verantwortlich. Sie sorgen wie eine Art Klammer dafür, dass sich die in eine bestimmte Form gepackte Doppelhelix nicht zu einer linearen Form aufwickelt. Bei jeden Teilungsvorgang dieser Zelle verkürzen sich nun diese Telomere. Unterschreitet deren Länge einen kritischen Wert, verliert die Zelle ihre Fähigkeit sich zu teilen und stirbt einen, durch ihren genetischen Code vorprogrammierten, Zelltod.

Damit steuern die meisten sich teilenden Zellen im Körper mehrzelliger Lebewesen auf den Zustand einer Teilungsunfähigkeit zu. Die Wissenschaft nimmt an, dass dieser Umstand zumindest indirekt Einfluss auf das Phänomen des Alterns hat.

Vorgang – Entstehung?

Wie konnte so ein komplizierter Vorgang der DNS-Replikation überhaupt entstehen?

Genauso wie die Entstehung des Lebens oder der dna selbst, lässt sich nicht verlässlich sagen, wie es zur natürlichen Entwicklung der Replikation kam, da die Forscher auf keine fossilen Überreste zur Klärung dieser Frage zurückgreifen können. Fest steht nur, dass die Replikation ein sehr eng mit der Struktur der Doppelhelix verbundenes Prinzip darstellt.

Es wird angenommen, dass sich die Fähigkeit zur Replikation allmählich entwickelte. Einige Theorien besagen, dass ihr Ursprung in den unterschiedlichen tageszeitlichen Temperaturen der sogenannten „Ursuppe“, dem hypothetischen flüssigen Milieu das für die Entstehung des Lebens angenommen wird, gelegen haben könnte.

So hatten sich vielleicht schon frühe DNS – Moleküle gebildet, die durch zu hohe Tagestemperaturen auseinanderfielen, an denen sich dann bei tiefer werdenden Temperaturen frei schwimmende Nukleotide ansammeln konnten. Dies würde auch die Ausbreitung der dna erklären, da bei den täglichen Temperaturschwankungen unzählige einfache Vorstufen von Replikationen stattgefunden haben könnten und so zur kontinuierlichen Vermehrung der DNS – Moleküle geführt hätten.

Fazit zu dna-Replikation

Normalerweise verlaufen die Replikationsvorgänge im menschlichen Körper reibungslos ab und finden tausendfach bei den täglichen Zellerneuerungen durch Teilung statt. Manchmal können dabei allerdings Fehler auftreten. Viele davon sind ungefährlich, einige können aber mehr oder weniger gravierende Veränderungen nach sich ziehen. Besonders tragisch werden Mutationen dann, wenn sie schädlich sind und in den Vererbungsgang geraten. Dann setzen sie sich als genetische Krankheiten fort.

Aber nicht alle genetischen Krankheiten treten durch Vererbung auf. Fehler im Replikationsprozess kann es auch bei gesundem genetischen Material der Eltern durch Zufall oder externe, Replikationsfehler begünstigende, Einflüsse geben.

Letztendlich ist die Tatsache, dass die Replikation eben nicht immer exakte Kopieren hervorbringt, aber auch für die Vielfalt des Lebens auf der Erde verantwortlich. In einer seit Milliarden von Jahren ablaufenden Abfolge von Mutationen konnten erst die unzähligen Formen des Lebens entstehen.