Erforschung der Biologie: DNA-Replikation und -Struktur

In der Molekularbiologie ist die DNA-Replikation der biologische Prozess, bei dem zwei identische DNA-Replikate aus einem ursprünglichen DNA-Molekül hergestellt werden. Dieser Prozess findet in allen lebenden Organismen statt und ist die Grundlage für die biologische Vererbung. Die Zelle besitzt die charakteristische Eigenschaft der Teilung, die die Replikation der DNA unabdingbar macht. DNA besteht aus einer Doppelhelix zweier komplementärer Stränge. Während der Replikation werden diese Stränge getrennt. Jeder Strang des ursprünglichen DNA-Moleküls dient dann als Matrize für die Herstellung seines Gegenstücks, ein Prozess, der als semikonservative Replikation bezeichnet wird. Zelluläre Korrekturlese- und Fehlerprüfungsmechanismen sorgen für eine nahezu perfekte Wiedergabetreue der DNA-Replikation.

In einer Zelle beginnt die DNA-Replikation an bestimmten Stellen oder Replikationsursprüngen im Genom. Das Abwickeln der DNA am Ursprung und die Synthese neuer Stränge führt dazu, dass Replikationsgabeln bidirektional vom Ursprung aus wachsen. Eine Reihe von Proteinen ist mit der Replikationsgabel verbunden, um bei der Initiierung und Fortsetzung der DNA-Synthese zu helfen. Am prominentesten synthetisiert die DNA-Polymerase die neuen Stränge, indem sie Nukleotide hinzufügt, die jeden (Matrizen-)Strang komplementieren. Die DNA-Replikation findet während des S-Stadiums der Interphase statt. Die DNA-Replikation kann auch in vitro (künstlich außerhalb einer Zelle) durchgeführt werden. Aus Zellen isolierte DNA-Polymerasen und künstliche DNA-Primer können verwendet werden, um die DNA-Synthese an bekannten Sequenzen in einem DNA-Matrizenmolekül zu initiieren. Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), eine gängige Labortechnik, wendet eine solche künstliche Synthese zyklisch an, um ein spezifisches DNA-Zielfragment aus einem DNA-Pool zu amplifizieren. DNA existiert normalerweise als doppelsträngige Struktur, wobei beide Stränge zusammengerollt sind, um die charakteristische Doppelhelix zu bilden. Jeder DNA-Einzelstrang ist eine Kette von vier Nukleotidtypen. Nukleotide in DNA enthalten einen Desoxyribose-Zucker, ein Phosphat und eine Nukleobase.

Die vier Nukleotidtypen entsprechen den vier Nukleobasen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, die üblicherweise als A, C, G und T abgekürzt werden. Adenin und Guanin sind Purinbasen, während Cytosin und Thymin Pyrimidine sind. Diese Nukleotide bilden Phosphodiesterbindungen, wodurch das Phosphat-Desoxyribose-Rückgrat der DNA-Doppelhelix gebildet wird, wobei die Nukleotidbasen nach innen (dh zum gegenüberliegenden Strang) zeigen. Nukleotide (Basen) werden zwischen Strängen durch Wasserstoffbrückenbindungen angepasst, um Basenpaare zu bilden. Adenin paart sich mit Thymin (zwei Wasserstoffbrücken) und Guanin mit Cytosin (stärker: drei Wasserstoffbrücken).

DNA-Stränge haben eine Direktionalität, und die verschiedenen Enden eines Einzelstrangs werden als „3′-Ende (dreifach) und „5′-Ende (fünffach)“ bezeichnet. Wenn die Basensequenz eines DNA-Einzelstrangs angegeben ist, ist das linke Ende der Sequenz das 5′-Ende, während das rechte Ende der Sequenz das 3′-Ende ist. Die Stränge der Doppelhelix sind antiparallel, wobei einer von 5′ bis 3′ und der gegenüberliegende Strang von 3′ bis 5′ verläuft. Diese Begriffe beziehen sich auf das Kohlenstoffatom in Desoxyribose, an das sich das nächste Phosphat in der Kette anlagert. Direktionalität hat Konsequenzen bei der DNA-Synthese, da DNA-Polymerase DNA nur in eine Richtung synthetisieren kann, indem sie Nukleotide an das 3′-Ende eines DNA-Strangs anfügt. Die Paarung komplementärer Basen in der DNA (durch Wasserstoffbrückenbindung) bedeutet, dass die in jedem Strang enthaltenen Informationen redundant sind.

Phosphodiester-(Intra-Strang-)Bindungen sind stärker als Wasserstoff-(Zwischen-Strang-)Bindungen. Dadurch können die Stränge voneinander getrennt werden. Die Nukleotide an einem Einzelstrang können daher verwendet werden, um Nukleotide an einem neu synthetisierten Partnerstrang zu rekonstruieren. Alles, was Sie über die DNA-Struktur und ihre Replikation wissen müssen.

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