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.
Biologie · Verstehen und üben
DNA-Replikation
Wie wird DNA vor einer Zellteilung kopiert? Entdecke Enzyme, Strangrichtungen und den experimentellen Nachweis – mit beschrifteten Detailzeichnungen und Replikations-Werkstatt.
Das kannst du danach
Semikonservative Verdopplung erklärenLeit- und Folgestrang unterscheidenVersuchsergebnisse begründen
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
2 · Alt und neu kombinieren
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
Folgestrang · in Abschnitten
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 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.
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?
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Alt und neu in jedem Molekül.
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Jede Tochter-DNA besteht aus einem alten und einem neu synthetisierten Strang.
2 · Ergänze zu 3′–TAGC–5′ den neuen Strang.
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Antiparallel und komplementär.
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5′–ATCG–3′.
3 · In welche Richtung wächst neue DNA?
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Am 3′-OH wird angefügt.
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Immer 5′→3′, am Leitstrang und in jedem Okazaki-Fragment.
4 · Warum braucht die Polymerase einen Primer?
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Start und Verlängerung unterscheiden.
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Sie kann nicht ohne vorhandenes 3′-OH-Ende beginnen. Der RNA-Primer stellt es bereit.
5 · Warum entstehen Okazaki-Fragmente?
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Antiparallele Matrizen und Gabelbewegung verbinden.
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Am Folgestrang muss die 5′→3′-Synthese entgegen der Gabelbewegung laufen. Wiederholt neu freigelegte Abschnitte brauchen neue Primer.
6 · Was verbindet die Ligase?
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Rückgrat, nicht gegenüberliegende Basen.
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Sie schließt Unterbrechungen zwischen benachbarten DNA-Abschnitten im Zucker-Phosphat-Rückgrat.
7 · Verdoppelt sich in der S-Phase die Chromosomenzahl?
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Chromatid und Chromosom unterscheiden.
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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?
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Ursprüngliche Stränge bleiben erhalten.
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Eine Hybrid-Bande und eine leichte Bande, im idealisierten Modell zu gleichen Anteilen.
9 · Warum haben eukaryotische Chromosomen viele Ursprünge?
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Länge und Zeit.
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Viele parallele Replikationsbereiche ermöglichen das Kopieren der langen DNA in begrenzter Zeit.
10 · Was unterscheidet Replikation von Transkription?
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Produkt und Umfang.
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Replikation kopiert die gesamte DNA vor Zellteilung in DNA. Transkription schreibt ausgewählte Abschnitte in RNA um.
Kurzer Begriffscheck
Welche Aussage stimmt?
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Für den Unterricht
Modellarbeit: Zwei antiparallele Papierstränge mit 5′- und 3′-Enden auslegen. Neue Abschnitte ausschließlich am 3′-Ende verlängern.
Auswertung: Aus dem Modell begründen, warum mehrere Primer nötig werden. Anschließend die Banden des Meselson-Stahl-Versuchs vorhersagen.
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Die Bilder zeigen eine Vorschau. Über Bild oder Link gelangst du zur Produktseite und zum PDF-Bezug.
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DNA-Aufbau und Verdopplung
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DNA, Gene und Chromosomen
Die Begriffe und Organisationsebenen vor dem Vertiefen sichern.
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Weiterführung: PCR
Vergleiche die natürliche Replikation mit der gezielten DNA-Vervielfältigung im Labor.
Material ansehen →Fachliche Vertiefung: OpenStax · Biology 2e. Umfang und Klassenstufe unterscheiden sich nach Bundesland und Schulart. Eigene Modellzeichnungen; nicht maßstabsgetreu.