Bevor sich eine Zelle teilt, muß sie ihre gesamte DNA verdoppeln (= replizieren). In Eukaryonten geschieht das in der S-Phase des Zellzyklus. Der Replikation genannte Vorgang vollzieht sich gleichzeitig an mehreren Stellen des Riesenmoleküls DNA. Dabei entstehen durch das Aufschrauben sogenannte Replikationsblasen. Dort arbeiten 2 enzymatische Replikationskomplexe in entgegengesetzter Richtung. Neben dem Enzym Helicase, das die Doppelhelix entschraubt, enthält der Replikationskomplex Gyrase, verschiedene Proteine, Primase und verschiedene DNA-Polymerasen. Die Replikation verläuft in beiden Richtungen bis sich die Blasen treffen.

Der sehr komplizierte und energieverbrauchende Vorgang läuft vereinfacht in 3 Schritten ab:

1. Entwindung und Stabilisierung der DNA
2. Synthese eines komplementären DNA-Stückes in 5´-3´-Richtung am Führungsstrang
3. Synthese von Okazaki-Fragmenten und deren Verbindung in 5´-3´-Richtung am anderen Strang

Auch hier werden wieder Primer verwendet. Die DNA-Polymerase synthetisiert mehrere kleine komplementäre Polynukleotidsequenzen genannt Okazaki-Fragmente. Eine zusätzliche Polymerase ersetzt die RNA-Primer durch DNA und ein weiteres DNA-Polymeraseenzym prüft, ob bei der Synthese keine Fehler gemacht wurden. Danach verknüft dann die DNA-Ligase die Okazaki-Stücke zu einem kompletten Strang.

Geschwindigkeit der Synthese

Bei Prokaryonten ca. 1000 Nukleotide/Sekunde; d.h. bei E.Coli mit 4,7 x 10⁶ Basenpaaren dauert die Replikation 40 Minuten.

Eukaryonten:
Das typisch menschliche Chromosom hat ca. 150 x10⁶ Basenpaare. Die Synthese schreitet mit ca. 50 Nukleotiden/Sekunde voran. Dies würde einen Monat dauern, gäbe es nicht gleichzeitig mehrere Replikationsblasen. So dauert es nur eine Stunde. Die gesamte DNA mit 6 x 10⁹ Basenparen wird in mehreren Stunden verdoppelt.

Die Arbeit der Enzyme kann man in der obigen und nebenstehenden Abbildung nachvollziehen. Bei der Replikation der ringförmigen DNA in Prokaryonten findet man nur eine Replikationsblase.

Semikonservative Replikation

Die oben beschriebene Art der Replikation wird von allen Organismen durchgeführt. Dabei wird jeweils einer der alten DNA-Stränge komplett belassen und ein komplett neuer komplementärer Strang synthetisiert. Man nennt diese Methode semikonservative Replikation.

Matthew Meselson und Franklin W. Stahl entwarfen 1958 ein Experiment, um zu entscheiden, wie die DNA sich repliziert. Schon WATSON und Crick hatten die semikonservative Replikation postuliert. Diese wurde dann auch bewiesen.

• Meselson und Stahl kultivierten E.Coli-Bakterien auf einem Nährboden, der als Stickstoffquelle ¹⁵N hatte. Die Bakterien bauten diesen in alle stickstoffhaltigen Stoffe ein, also auch in die DNA. Isolierte man die DNA und zentrifugierte sie im CsCl-Dichtegradienten bei 100000g, so ergab sich an einer bestimmten Stelle eine Bande der schweren DNA im Zentrifugenbehälter.
• Die Zentrifugation von DNA von Bakterien, die auf ¹⁴N gewachsen waren ergab ein Bande leichter DNA an einer anderen Stelle.
• Nun brachte man die ¹⁵N-Bakterien auf Nährboden mit ¹⁴N, also mit normalen Stickstoffquellen und ließ sie 1 Zellteilung durchführen. Wieder wurde die DNA der Bakterien analysiert und zentrifugiert. Es gab nur eine halbschwere Bande, die genau in der Mitte der beiden ersten Banden lag. Das Ergebnis nach 2 Zellteilungen ergab zur Hälfte leichte und halbschwere DNA, nach 3 Generationen 3/4 leichte und 1/4 halbschwere DNA.

Dieses Ergebnis konnte nur durch semikonservative Replikation der Bakterien-DNA erklärt werden.

Das Experiment ist auf der nachfolgenden Tafel zusammengestellt:

Ein Shockwave-Animation der Replikation ist hier zu sehen:
http://www.ncc.gmu.edu/users/ypetty/repanim.htm

Zentrifugation

Eine Zentrifuge ist ein Gerät, um Teilchen aus einer Lösung gemäß ihrer Größe, Form und Dichte und der Viskosität des Mediums und Rotorgeschwindigkeit zu trennen. In der Biologie sind das Zellen, Organellen, Viren und große Moleküle wie Nukleinsäuren und Proteine. Die Grundlagen der Sedimentation gehorchen dem Stokeschen Gesetz. Es gibt verschiedene Formen der Zentrifugation.

Bei der Dichtegradienten-Zentrifugation wird das Partikelgemisch in Banden aufgetrennt. Die Sedimentationsgeschwindigkeit unter definierten Bedingungen wird als Sedimentationskoeffizient nach Svedberg angegeben (s). Dabei gilt:

d = Moleküldichte
d_o = Dichte des Gradienten;
r = Molekülradius
S = Sedimentationskoeffizient oder 10^-13 sec; C = Zentripetalkraft
V = Sedimentationsgeschwindigkeit; n = Viskosität des Mediums

Bei Proteinen ist s < 20, Ribosomen der Eukaryonten besitzen s = 80 (oder 80s), s Influenza-Virus = 600 und s Mitochondrien > 8000.

1.3	Transkription, Translation
1.3.1	Realisierung der genetischen Information

Neben der Nukleinsäure DNA als Träger der Erbinformation ist noch RNA (= Ribonukleinsäure) an den molekularen Prozessen um die Erbinformation beteiligt. Sie kommt in der Zelle in 3 Formen vor:

1. m-RNA = Messenger-RNA oder Boten-RNA
2. t-RNA = transfer-RNA
3. r-RNA = ribosomale RNA.

Alle drei RNA-Sorten sind an der Realisierung der genetischen Information beteiligt, also an der Umsetzung der Gene in Stoffwechsel. Den Gedanke, daß die Erbinformation etwas mit dem Stoffwechsel zu tun hat, äußerte Archibald Garrod 1902 zum ersten mal. George Beadle und Edward Tatum bewiesen um 1940 diesen Zusammenhang und stellten die "Ein-GEN ein ENZYM-Hypothese" auf. Sie benutzten Röntgenstrahlen, um beim Pilz Neurospora Mutationen hervorzurufen. Diese betrafen einzelne Gene und einzelne Enzyme in einem speziellen Stoffwechselweg. Für ihre Forschungsergebnisse erhielten sie 1958 den Nobelpreis. Genaueres über das Experiment und die Nobelpreisträger ist in den Quellen zu erfahren.

Heute hat man diese Hypothese in "Ein-Gen-ein-Polypetid" umbenannt, denn viele Proteine wie z.B. Hämoglobin bestehen aus mehreren Polypeptidketten. Das heißt:

Die DNA im Zellkern arbeitet also mit den Ribosomen im Zytoplasma zusammen, denn dort werden die Proteine hergestellt. Wie kommt nun die Information der DNA aus der Zelle und wird in Proteine umgesetzt? Den grundsätzlichen Zusammenhang stellt die nächste Abbildung her.

Schon F. Crick hat 1953 den Informationsfluß aus der DNA über RNA zu den Ribosomen als zentrales Dogma der Molekularbiologie aufgestellt. Ribonukleinsäure (RNA), die sowohl im Zellkern wie auch im Cytoplasma vorkommt, übernimmt die Überträgerrolle der genetischen Information zu den Proteinen. Man unterscheidet 2 Vorgänge:

• die Transkription: das Abschreiben von Genen in eine mRNA-Genkopie
• die Translation: die Proteinsynthese aufgrund der Information der mRNA-Genkopie

Die Ribosomen, die zu 2/3 aus RNA, genauer rRNA bestehen sind der Ort der Proteinbiosynthese.

Um Eiweiße herstellen zu können, braucht die Zelle Aminosäuren. Sie erhält sie aus der Nahrung. t-RNA-Moleküle übernehmen den Transport im Zytoplasma zu den Ribosomen.