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Die DNA-Replikation erfolgt bi-direktional. Replikationsgabel. DNA-Polymerasen starten die Replikation am Replikations-Startpunkt = “ Origin “. Startkomplex. - Primase - DNA-Polymerase. Replikation. Wie funktioniert der einzige “Origin of Replication“ in E. coli?. OriC. DnaA

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
Die dna replikation erfolgt bi direktional
Die DNA-Replikation erfolgt bi-direktional

Replikationsgabel

DNA-Polymerasen starten die Replikation am Replikations-Startpunkt = “Origin“


Wie funktioniert der einzige origin of replication in e coli

Startkomplex

- Primase

- DNA-Polymerase

Replikation

Wie funktioniert der einzige “Origin of Replication“ in E. coli?

OriC

DnaA

(ATPase)

30°C

DnaB = Helikase

DnaC

ATP

Erkennung

Offener

Komplex

leichtes „Schmelzen“ der DNA

„Prä-Priming“

Komplex


Brechen der H-Brücken

( Helicase)

entlang der Basenpaare

Der Mechanismus der DNA-Replikation

ori


5‘

allgemein gilt: Desoxynukleosid-5‘-Triphosphate sind die aktivierten Vorstufen bei der DNA-Synthese:

dATP, dCTP, dGTP, dTTP

(dNMP) n + dNTP (dNTP) n+1+ PPi

DNA-Polymerase

Neu-eintretendes

Desoxy-Nukleosid-Triphosphat

3‘

Nukleophiler Angriff

der 3‘-OH Gruppe

am a-Phosphoatom

5‘

0

+

0

0

O

3‘

Die Biochemie der DNA-Kettenverlängerung

Wie werden die Desoxy-Nukleotid-Bausteine in die DNA eingebaut?

o 5‘ > 3‘ Verknüpfung

(Phospho-Diester-Brücken)

o 5‘-Ende mit Phosphat-Gruppe

o 3‘-Ende mit freier OH-Gruppe


Die Biochemie der DNA-Kettenverlängerung

Wie werden die Desoxy-Nukleotid-Bausteine in die DNA eingebaut?


5‘

DNA-Polymerase

3‘

Bewegung

der Replikationsgabel

5‘

3‘

DNA-Polymerase

Die Biochemie der DNA-Replikation

(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1+ PPi

DNA-Polymerase

grundsätzlich gilt, daß DNA-Polymerasen nur synthetisieren können

5‘>3‘

d. h . DNA-Polymerasen besitzen eine 5‘>3‘ Polymerase-Aktivität

3‘

5‘


Das Problem der “lagging strand“ DNA-Replikation

DNA-Polymerasen besitzen eine 5‘>3‘ Polymerase-Aktivität

DNA-Polymerase

kontinuierlicher

Strang

(“leading strand“)

3‘

Bewegung

der

Replikationsgabel

3‘

3‘

5‘

5‘

5‘

3‘

dis-kontinuierlicher

Strang

(“lagging strand“)

5‘



DNA-Polymerasen benötigen einen kurzen “RNA-Primer“ zum Start der Replikation

DNA-Polymerasen verwenden den einzelsträngigne DNA-Strang als Matritze,

aber der Einzelstrang muß einen Primer gebunden haben (doppelsträngiger Abschnitt),

damit die DNA-Polymerase den 2. Strang auffüllen kann

Primer

DNA-Polymerase


DNA-Polymerase

3‘

5‘

Primer

3‘

5‘

DNA-Polymerasen benötigen einen kurzen “RNA-Primer“ zum Start der Replikation

3‘

leading

strand

3‘

5‘

lagging

strand

5‘


Die vollständige Synthese des Folgestrangs

Primer

Primer

Okazaki Fragment


Die Ligase-Reaktion

DNA-Ligase

+ ATP

+ PPi


ATP

PPi

Enzym-AMP

Die einzelnen Schritte der Ligase-Reaktion

e-Aminogruppe eines Lysins

AMP


Vergleich der drei dna polymerasen von e coli
Vergleich der drei DNA-Polymerasen von E. coli

DNA-Reparatur

DNA-Reparatur

DNA-Replikation

Anzahl der Untereinheiten

Synthese-Rate (Nukleotide/sec)

Prozessivität

(eingefügte Nukleotide vor dem Abdissoziieren)

3‘>5‘ Exonuclease (Korrekturlesen)

ja

ja

ja

5‘>3‘ Exonuclease

ja

nein

nein

Molekulargewicht

103 kDa

88 kDa

900 kDa


Untereinheiten und struktur der dna polymerase iii von e coli

DNA-Polymerase III

vermutlich Schleifenbildung

b-Untereinheit für die

Bindung an die DNA

a-Untereinheit mit

DNA-Polymerase-

Aktivität (5‘>3‘)

e-Untereinheit

3‘>5‘ Exonuclease

Untereinheiten und Struktur der DNA-Polymerase III von E. coli

Die DNA-Polymerase III (Holoenzym) bildet einen Dimer und kann dadurch

gleichzeitig sowohl am Leitstrang wie am Folgestrang synthetisieren.

Die Synthesegeschwindigkeit beträgt: V = 1000 BP/sec


Akzessorische proteine der dna polymerase

Kristallstruktur von

Klammer-Dimer Komplex

Klammer

Griff

DNA

DNA-Polymerase III

Der Griff-Klammer-Komplex (RFC-PCNA) kann armreifartig an der DNA

entlanggleiten. An den Griff-Klammer-Komplex bindet die DNA-Polymerase III,

die während der Replikation dadurch mit hoher Prozessivität an der DNA entlangwandern

kann, ohne dabei abzufallen

„Akzessorische Proteine“ der DNA-Polymerase


Das e coli replisom mit seinen verschiedenen komponenten

Primosom

Primase

Pol III

Okazaki-

Stücke

(DNA-Polymerase)

Das E. coli Replisom mit seinen verschiedenen Komponenten

Damit die DNA-Replikation

in der Replikationsgabel

kontinuierlich voran-

schreiten kann, muß die

doppelsträngigeDNA in

der Gabel in die

Einzelstränge

getrennt werden.

>> Eine DNA-Helicase

windet unter ATP-Verbrauch

die DNA auf.

Bewegungsrichtung

der

Replikationsgabel

Helicase

Damit die entwundene DNA

kurzzeitig einzelsträngig bleibt,

bindet das SSB (“single-stranded

DNA-binding protein“) an die noch

nicht replizierte DNA. Damit wird

die Verknäuelung der ss-DNA

verhindert.

SSB

Später wird das SSB von

der vorrückenden

DNA-Polymerase

wieder von der Matritze

abgetrennt.

5‘

3‘

3‘

RNA-Primer

DNA-Polymerase I

+ Ligase

Leitstrang

Folgestrang


Eine konzertierte aktion bei der synthese von leit und folgestrang

jedoch: ein- und dieselbe DNA-Polymerase III synthetisiert

gleichzeitig Leit- und Folgestrang!

Eine konzertierte Aktion bei der Synthese von Leit- und Folgestrang


Schleifenbildung am folgestrang bei der dna replikation

Bewegungsrichtung

der

Replikationsgabel

Primer

Okazaki-

Stück

„Schleifenbildung“ am Folgestrang bei der DNA-Replikation

Helicase

Primosom

Schleifenbildung

DNA-Polymerase III

Holoenzym-Dimer

Primer

DNA-Polymerase III

Holoenzym-Dimer

Leitstrang

Folgestrang


Schleifenbildung bei der synthese von leit und folgestrang

Helicase

Primosom

Schleifenbildung

3‘

3‘

5‘

Primer

5‘

DNA-Polymerase III

Holoenzym-Dimer

5‘

3‘

Schleifenbildung bei der Synthese von Leit- und Folgestrang

Okazaki-

Stück

DNA-Polymerase III

Holonenzym-Dimer


DNA-Polymerase III

Holonenzym-Dimer

Die Schleifenbildungan der DNA-Folgestrangmatritze ermöglicht der dimeren

DNA-Polymerase III die Synthese beider Tochterstränge in der Replikationsgabel. Dadurch wird die physikalische Richtung am Folgestrang, nicht aber die biochemische Richtung(5´>3´) umgedreht


Eine konzertierte aktion bei der synthese von leit und folgestrang1
Eine konzertierte Aktion bei der Synthese von Leit- und Folgestrang

Leitstrang

Griff

Bewegungsrichtung

der

Replikationsgabel

Klammer

DNA-Polymerase III

Helicase

Primase

Topoisomerase

Ligase

RNA-Primer

DNA-Polymerase I

SSB

Okazaki-

Stücke

RNA-Primer

Folgestrang



Eine Computer-Animation: gleichzeitige Synthese von DNA Leit- und Folgestrang durch das Holo-Enzym DNA-Polymerase III


Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung Leit- und Folgestrang durch das Holo-Enzym DNA-Polymerase III

  • 53

  • Essentielle Grundlage des Lebens ist die Fähigkeit der identischen Reduplikation

  • des genetischen Materials und damit letztendlich der Vererbung einer funktionsfähigen

  • Zellstruktur.

  • Welche Aussage zur Replikation der DNA trifft zu?

    • (A) Beim Start der Replikation werden RNA-Primer synthetisiert.

    • (B) Die Neusynthese der DNA erfolgt an beiden Strängen einer

    • Replikationsgabel in kürzeren Stücken, so genannten Okazaki-Fragmenten.

    • (C) Für die Verknüpfung der DNA-Fragmente nach Entfernen der Primer

    • phosphoryliert die DNA-Ligase das 3’-OH-Ende eines Fragmentes.

    • (D) Helicasen schützen intermedär gebildete einzelsträngige DNA-Bereiche

    • vor Schädigungen und Strangbrüchen.

    • (E) Interkalatoren, die als Zytostatika in der Tumortherapie eingesetzt werden,

    • binden spezifisch die DNA-Polymerasen.


Die Entwindung des DNA-Matritzenstrangs während Leit- und Folgestrang durch das Holo-Enzym DNA-Polymerase IIIder DNA-Replikation führt zu Verdrillungen


Entwinden der DNA während der Leit- und Folgestrang durch das Holo-Enzym DNA-Polymerase III

Replikation durch die Helicase

dadurch Verdrillung der DNA

Replikation

Transienter Bruch des einen Strangs

erlaubt freie Rotation der DNA-Stränge

und Entdrillung der beiden Stränge

>>katalysiert durchDNA-Topoisomerase


Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung Leit- und Folgestrang durch das Holo-Enzym DNA-Polymerase III


Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung Leit- und Folgestrang durch das Holo-Enzym DNA-Polymerase III



Die Enden der menschlichen Chromosomen sind linear Eukaryonten

>>> Probleme bei der Replikation

Telomerase

mit RNA Primer


ad