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DNA-Replikation

Wie wird DNA vor einer Zellteilung kopiert? Entdecke Enzyme, Strangrichtungen und den experimentellen Nachweis – mit beschrifteten Detailzeichnungen und Replikations-Werkstatt.

Unsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck

Was kannst du schon?

Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.

Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.

Aufgabe 1In welcher Phase des eukaryotischen Zellzyklus wird die DNA regulär verdoppelt?

Wähle genau eine Antwort.

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Aufgabe 2In welcher Richtung wird neue DNA aufgebaut?

Wähle genau eine Antwort.

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Aufgabe 3Was liefert ein RNA-Primer für die DNA-Polymerase?

Wähle genau eine Antwort.

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Lösungen mit Erklärungen
  1. S-Phase – Die Replikation bereitet die anschließende Verteilung vollständiger Erbinformation vor.
  2. 5′→3′ – Die Polymerase verlängert am 3′-Ende, sowohl am Leitstrang als auch an jedem Okazaki-Fragment.
  3. Ein freies 3′-OH-Ende als Startpunkt – Ein vorhandenes Ende ermöglicht die Verlängerung mit DNA-Nukleotiden.

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Aus einem DNA-Molekül werden zwei

Vor einer Zellteilung wird die DNA in der S-Phase verdoppelt. Bei der Replikation dienen die beiden alten Einzelstränge als Vorlagen (Matrizen). Zu A wird T, zu G wird C ergänzt. So entstehen zwei DNA-Doppelstrangmoleküle mit grundsätzlich gleicher Basenfolge.

1 · Doppelstrang öffnen

H3′5′5′3′ÖffnungLeitstrangFolgestrang
Die Helicase (H) trennt die Basenpaarungen. An der Replikationsgabel werden beide alten Stränge zugänglich. Die Gabel ist hier nach oben gerichtet; die Detailbilder unten sind zur besseren Lesbarkeit gedreht.

2 · Alt und neu kombinieren

Zwei Tochter-DNA-Molekülealt + neualt + neu
Blau: alter Strang. Grün: neuer Strang. Jeder Doppelstrang enthält je einen davon: Die Verdopplung heißt semikonservativ.
DNA-Menge ist nicht Chromosomenzahl

Nach der S-Phase besitzt ein Chromosom zwei Schwesterchromatiden. DNA-Menge und Chromatidenzahl sind verdoppelt; die Chromosomenzahl bleibt zunächst gleich.

Welche Enzyme übernehmen welche Aufgabe?

Baustein / Enzym Aufgabe
Helicase Öffnet die Doppelhelix, indem Basenpaarungen getrennt werden.
Topoisomerase und Einzelstrang-bindende Proteine Entlasten die DNA vor der Gabel beziehungsweise stabilisieren geöffnete Einzelstränge.
Primase Erstellt kurze RNA-Primer als Startstücke.
DNA-Polymerase Verlängert einen vorhandenen Strang am freien 3′-OH-Ende mit passenden DNA-Nukleotiden.
Primerentfernung und DNA-Ergänzung RNA-Startstücke werden entfernt; DNA füllt die entstandenen Lücken. Die beteiligten Enzyme unterscheiden sich bei Bakterien und Eukaryoten.
DNA-Ligase Schließt verbleibende Unterbrechungen im Zucker-Phosphat-Rückgrat.

Warum gibt es einen Leit- und einen Folgestrang?

Die alten Stränge verlaufen antiparallel: einer 3′→5′, der andere 5′→3′. Die DNA-Polymerase kann nur am 3′-Ende verlängern. Jeder neue DNA-Strang entsteht deshalb in 5′→3′-Richtung. Die Matrize wird dabei 3′→5′ gelesen.

Leitstrang · kontinuierlich

3′5′Alte DNA: Matrize5′3′Gabel bewegt sich nach rechts
Die Synthese läuft mit der Öffnungsrichtung der Gabel. Ein RNA-Primer (violett) startet die Verlängerung der neuen DNA (grün).

Folgestrang · in Abschnitten

5′3′Alte DNA: Matrize5′3′5′3′Gabel bewegt sich nach rechts
Nahe der weiterwandernden Gabel werden neue Primer gesetzt. Von ihnen wachsen Okazaki-Fragmente entgegen der Gabelbewegung. Auch jedes Fragment wächst 5′→3′.

Nach Entfernung der RNA-Primer und Ersatz durch DNA verbindet die Ligase die Abschnitte zu einem durchgehenden Strang. „Diskontinuierlich“ bedeutet in Teilstücken – nicht in wechselnder Syntheserichtung.

Replikations-Werkstatt

Die Matrize ist ausdrücklich von 3′ nach 5′ notiert. Trage bis zu zwölf DNA-Basen ein. Lass dir den dazu antiparallelen neuen Strang und dessen Schreibweise erklären.

5′–ATGCCATG–3′

A paart mit T, G mit C. Der neue Strang wächst 5′→3′.

Aus einem DNA-Molekül entstehen zwei. Beide enthalten einen ursprünglichen Strang.

Meselson und Stahl: Wie lässt sich das prüfen?

Bakterien wurden zunächst mit schwerem Stickstoff ¹⁵N kultiviert, dann in ein Medium mit ¹⁴N überführt. Neu gebildete DNA enthält danach leichten Stickstoff. Die Dichte der DNA wird durch Zentrifugation untersucht.

Nach einer Replikationsrunde

Eine Bande mittlerer Dichte: Jedes Molekül enthält einen schweren alten und einen leichten neuen Strang. Das widerlegt das konservative Modell mit getrennt ganz alter und ganz neuer DNA.

Nach zwei Replikationsrunden

Eine mittelschwere und eine leichte Bande: Im idealisierten Modell liegen je 50 % Hybrid-DNA und leichte DNA vor. Dies unterscheidet semikonservative von dispersiver Verdopplung.

Bakterien, Eukaryoten und Genauigkeit

Beim Modellbakterium E. coli beginnt die Replikation des ringförmigen Chromosoms an einem Ursprung; zwei Gabeln bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen. Eukaryotische Chromosomen besitzen viele Replikationsursprünge. So können ihre langen DNA-Moleküle parallel kopiert werden.

Viele replikative Polymerasen prüfen die gerade eingebaute Base (Proofreading). Weitere Reparatursysteme korrigieren Fehler. Verbleibende dauerhafte Änderungen können Mutationen sein.

Vertiefung: Die Enden linearer Chromosomen lassen sich durch gewöhnliche Replikation nicht vollständig erhalten. Telomere schützen diese Enden; Telomerase kann die Wiederholungssequenzen in bestimmten Zellen verlängern.

Selbst ausprobieren

Üben & prüfen

Mit Erklärungen üben oder dein Wissen testen – du entscheidest.

Übe in deinem Tempo

Wähle eine Stufe. Du bekommst zu jeder Antwort eine Rückmeldung und kannst nach einem Tipp erneut antworten. Wähle die passende Antwort. Begründe deine Entscheidung zunächst selbst und vergleiche sie anschließend mit der Erklärung.

Alle 18 Aufgaben mit Lösungen zum Nachlesen

1 · Erkennen und zuordnen

1. Was bedeutet semikonservative DNA-Replikation?

  • Beide ursprünglichen Stränge werden vollständig abgebaut
  • Jeder neue Doppelstrang enthält einen alten und einen neuen Strang
  • Ein Doppelstrang enthält nur alte, der andere nur neue Stränge
Lösung und Erklärung

Jeder neue Doppelstrang enthält einen alten und einen neuen Strang

Die alten Einzelstränge dienen jeweils als Vorlage für einen komplementären neuen Strang.

2. Welche Aufgabe übernimmt die Helicase?

  • Sie öffnet die Doppelhelix durch Trennen der Basenpaarungen
  • Sie verbindet die fertigen Okazaki-Fragmente
  • Sie übersetzt DNA unmittelbar in Protein
Lösung und Erklärung

Sie öffnet die Doppelhelix durch Trennen der Basenpaarungen

Das Öffnen macht beide Matrizen an der Replikationsgabel zugänglich.

3. Was stellt die Primase her?

  • Fertige Aminosäureketten
  • Die gesamte Zellmembran
  • Kurze RNA-Primer
Lösung und Erklärung

Kurze RNA-Primer

RNA-Startstücke liefern das benötigte freie 3′-OH-Ende für die DNA-Polymerase.

4. An welchem Ende verlängert die DNA-Polymerase einen vorhandenen Strang?

  • Abwechselnd an beiden Enden
  • Am freien 3′-OH-Ende
  • Am 5′-Ende
Lösung und Erklärung

Am freien 3′-OH-Ende

Durch Anfügen am 3′-Ende wächst die neue DNA in 5′→3′-Richtung.

5. Wo entstehen Okazaki-Fragmente?

  • Am Folgestrang
  • Ausschließlich als fertige Proteine am Ribosom
  • Als getrennte Chromosomensätze im Zellkern
Lösung und Erklärung

Am Folgestrang

Der Folgestrang wird wegen der Orientierung von Matrize und Gabel in einzelnen Abschnitten synthetisiert.

6. Was verbindet die DNA-Ligase?

  • Die Aminosäuren einer Polypeptidkette
  • Zwei homologe Chromosomen zu einem einzigen Chromosom
  • Benachbarte DNA-Abschnitte im Zucker-Phosphat-Rückgrat
Lösung und Erklärung

Benachbarte DNA-Abschnitte im Zucker-Phosphat-Rückgrat

Nach Primerentfernung und DNA-Ergänzung schließt die Ligase verbleibende Unterbrechungen im Rückgrat.

2 · Anwenden und erklären

1. Welcher neue Strang ergänzt die Matrize 3′–GACT–5′?

  • 5′–GACT–3′
  • 5′–CTGA–3′
  • 5′–CUGA–3′
Lösung und Erklärung

5′–CTGA–3′

Die DNA-Basen werden komplementär und antiparallel ergänzt: G–C, A–T, C–G und T–A.

2. Warum kann die DNA-Polymerase nicht einfach ohne Primer beginnen?

  • Sie benötigt ein bereits vorhandenes freies 3′-OH-Ende
  • Sie kann grundsätzlich keine DNA-Nukleotide verknüpfen
  • Sie arbeitet ausschließlich auf doppelsträngiger RNA
Lösung und Erklärung

Sie benötigt ein bereits vorhandenes freies 3′-OH-Ende

Die Polymerase verlängert ein vorhandenes Startstück. Die Primase stellt dieses im Grundmodell bereit.

3. In welche Richtung wächst jedes Okazaki-Fragment?

  • 3′→5′
  • Immer abwechselnd vorwärts und rückwärts
  • 5′→3′
Lösung und Erklärung

5′→3′

Auch die abschnittsweise Synthese des Folgestrangs nutzt ausschließlich die 5′→3′-Synthese.

4. Warum werden am Folgestrang wiederholt neue Primer benötigt?

  • Weil die Ligase alle DNA-Basen wieder entfernt
  • Mit fortschreitender Gabel werden neue Matrizenabschnitte für einzelne Synthesestarts frei
  • Weil jeder Primer eine neue Aminosäure trägt
Lösung und Erklärung

Mit fortschreitender Gabel werden neue Matrizenabschnitte für einzelne Synthesestarts frei

Die Polymerase synthetisiert dort entgegen der Öffnungsrichtung. Neue Abschnitte brauchen daher neue Startstücke.

5. Was folgt nach der S-Phase für eine typische diploide Zelle?

  • Doppelte DNA-Menge bei zunächst gleicher Chromosomenzahl
  • Halbe DNA-Menge bei doppelter Chromosomenzahl
  • Automatisch vier fertige Tochterzellen
Lösung und Erklärung

Doppelte DNA-Menge bei zunächst gleicher Chromosomenzahl

Jedes Chromosom besitzt nun zwei Schwesterchromatiden, zählt zunächst aber weiterhin als ein Chromosom.

6. Welche Banden erwartet das Meselson-Stahl-Grundmodell nach einer Runde in leichtem Medium?

  • Eine ausschließlich schwere und eine ausschließlich leichte Bande
  • Nur eine schwere Bande
  • Eine Bande mittlerer Dichte
Lösung und Erklärung

Eine Bande mittlerer Dichte

Jeder Doppelstrang verbindet nach der ersten Runde einen schweren alten mit einem leichten neuen Strang.

3 · Prüfen und übertragen

1. Welche Banden erwartet das semikonservative Modell nach zwei Runden im leichten Medium?

  • Eine schwere und eine leichte Bande ohne Hybrid-DNA
  • Eine Hybrid-Bande und eine leichte Bande zu gleichen Anteilen
  • Nur eine schwere Bande
Lösung und Erklärung

Eine Hybrid-Bande und eine leichte Bande zu gleichen Anteilen

Aus zwei Hybridmolekülen entstehen zwei Hybrid- und zwei vollständig leichte Moleküle.

2. Welcher Anteil bleibt nach drei idealen Runden im leichten Medium Hybrid-DNA, ausgehend von einem schweren Doppelstrang?

  • 25 %
  • 50 %
  • 75 %
Lösung und Erklärung

25 %

Es entstehen acht Moleküle. Die zwei ursprünglichen schweren Einzelstränge liegen weiterhin in zwei Hybridmolekülen: 2/8 = 25 Prozent.

3. Warum widerlegt die erste Hybrid-Bande das konservative Modell?

  • Weil im konservativen Modell keine DNA kopiert wird
  • Weil schwere und leichte Atome keine DNA bilden können
  • Dieses würde getrennt vollständig alte und vollständig neue Doppelstränge erwarten
Lösung und Erklärung

Dieses würde getrennt vollständig alte und vollständig neue Doppelstränge erwarten

Eine mittlere Dichte bei allen Molekülen passt nicht zu getrennt erhaltener alter Doppelhelix und vollständig neuer Doppelhelix.

4. Warum sind viele Replikationsursprünge für eukaryotische Chromosomen hilfreich?

  • Dadurch werden sämtliche Primer überflüssig
  • Viele DNA-Abschnitte können parallel kopiert werden
  • Die DNA-Polymerase kann dadurch plötzlich 3′→5′ synthetisieren
Lösung und Erklärung

Viele DNA-Abschnitte können parallel kopiert werden

Mehrere Ursprünge ermöglichen die Replikation langer DNA-Moleküle innerhalb begrenzter Zeit.

5. Was bedeutet Proofreading bei der Replikation?

  • Kontrolle und Korrektur gerade eingebauter Basen durch viele replikative Polymerasen
  • Gezielte Erzeugung aller für die Umwelt nötigen Mutationen
  • Ablesen der DNA in Aminosäuren
Lösung und Erklärung

Kontrolle und Korrektur gerade eingebauter Basen durch viele replikative Polymerasen

Proofreading senkt die Fehlerhäufigkeit. Weitere Reparatursysteme ergänzen die Kontrolle.

6. Wenn die Ligase ausfällt, was bleibt im vereinfachten Modell besonders problematisch?

  • Die DNA kann grundsätzlich nicht mehr als Matrize vorliegen
  • Alle Basenpaare verwandeln sich sofort in RNA
  • Unterbrechungen zwischen benachbarten DNA-Abschnitten
Lösung und Erklärung

Unterbrechungen zwischen benachbarten DNA-Abschnitten

Die Ligase ist für das Schließen des Rückgrats verantwortlich, nicht für das Öffnen der Doppelhelix oder die Basenauswahl.

Wie sicher bist du jetzt?

Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.

Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.

Aufgabe 1Welcher neue DNA-Strang gehört zur Matrize 3′–TTCGGA–5′?

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Aufgabe 2Welche Aussage erklärt Leit- und Folgestrang richtig?

Wähle genau eine Antwort.

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Aufgabe 3Was enthält die DNA nach zwei idealen Replikationsrunden nach Wechsel von schwerem zu leichtem Stickstoff?

Wähle genau eine Antwort.

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Lösungen mit Erklärungen
  1. 5′–AAGCCT–3′ – Komplementäre DNA-Paarung ergibt A–A–G–C–C–T; der neue Strang ist antiparallel zur Matrize.
  2. Antiparallele Matrizen und ausschließliche 5′→3′-Synthese führen zu kontinuierlichem beziehungsweise abschnittsweisem Aufbau – Die Syntheserichtung bleibt gleich. Der Unterschied ergibt sich aus der Beziehung zur sich öffnenden Gabel.
  3. 50 % Hybrid-DNA und 50 % leichte DNA – Die ursprünglichen schweren Stränge bleiben in zwei Hybridmolekülen; zwei weitere Doppelstränge sind vollständig leicht.

Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.

Weitere Aufgaben zum Selbstcheck

10 Aufgaben: Wissen anwenden und Zusammenhänge erklären

Löse zunächst ohne Hilfe. Die Tipps führen zum Ansatz; die Lösungen zeigen, welche Fachbegriffe und Begründungen dazugehören.

1 · Was bedeutet semikonservativ?

Tipp anzeigen
Alt und neu in jedem Molekül.
Lösung anzeigen
Jede Tochter-DNA besteht aus einem alten und einem neu synthetisierten Strang.

2 · Ergänze zu 3′–TAGC–5′ den neuen Strang.

Tipp anzeigen
Antiparallel und komplementär.
Lösung anzeigen
5′–ATCG–3′.

3 · In welche Richtung wächst neue DNA?

Tipp anzeigen
Am 3′-OH wird angefügt.
Lösung anzeigen
Immer 5′→3′, am Leitstrang und in jedem Okazaki-Fragment.

4 · Warum braucht die Polymerase einen Primer?

Tipp anzeigen
Start und Verlängerung unterscheiden.
Lösung anzeigen
Sie kann nicht ohne vorhandenes 3′-OH-Ende beginnen. Der RNA-Primer stellt es bereit.

5 · Warum entstehen Okazaki-Fragmente?

Tipp anzeigen
Antiparallele Matrizen und Gabelbewegung verbinden.
Lösung anzeigen
Am Folgestrang muss die 5′→3′-Synthese entgegen der Gabelbewegung laufen. Wiederholt neu freigelegte Abschnitte brauchen neue Primer.

6 · Was verbindet die Ligase?

Tipp anzeigen
Rückgrat, nicht gegenüberliegende Basen.
Lösung anzeigen
Sie schließt Unterbrechungen zwischen benachbarten DNA-Abschnitten im Zucker-Phosphat-Rückgrat.

7 · Verdoppelt sich in der S-Phase die Chromosomenzahl?

Tipp anzeigen
Chromatid und Chromosom unterscheiden.
Lösung anzeigen
Nein. Ein-Chromatid-Chromosomen werden zu Zwei-Chromatid-Chromosomen; die DNA-Menge verdoppelt sich.

8 · Welche Banden gibt es nach zwei Runden im Meselson-Stahl-Modell?

Tipp anzeigen
Ursprüngliche Stränge bleiben erhalten.
Lösung anzeigen
Eine Hybrid-Bande und eine leichte Bande, im idealisierten Modell zu gleichen Anteilen.

9 · Warum haben eukaryotische Chromosomen viele Ursprünge?

Tipp anzeigen
Länge und Zeit.
Lösung anzeigen
Viele parallele Replikationsbereiche ermöglichen das Kopieren der langen DNA in begrenzter Zeit.

10 · Was unterscheidet Replikation von Transkription?

Tipp anzeigen
Produkt und Umfang.
Lösung anzeigen
Replikation kopiert die gesamte DNA vor Zellteilung in DNA. Transkription schreibt ausgewählte Abschnitte in RNA um.
Zusätzlicher Begriffscheck

Kurzer Begriffscheck

Welche Aussage stimmt?

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Fachliche Vertiefung: OpenStax · Biology 2e. Umfang und Klassenstufe unterscheiden sich nach Bundesland und Schulart. Eigene Modellzeichnungen; nicht maßstabsgetreu.

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