DNA-Synthese

• DNA Replikation: die DNA wird verdoppelt, aus jedem Chromatinfaden (Mutterstrang) entstehen zwei Töchterstränge. Der Vorgang ist effizient und extrem genau
• Semikonservativer Prozess: die beiden Stränge der ursprünglichen Doppelhelix trennen sich, jeder Strang nach dem Prinzipien der komplementären Basenpaarung durch enzymatische Prozesse kopiert. 
• DNA Polymerase (Enzym): Katalysiert die Verlängerung (Elongation) eines neuen DNA Strang. Sein Substrat ist dNTP (Desoxyribonicleosidtriphosphate), wenn es an das Ende eines DNA-Strangs bindet, entlasst es zwei Phosphatgruppen als Pyrophosphat (P-Pi)
•                                        Kann nur an das frei 3'-Ende Nucleotide anhängen, weil der DNA-Strang nur in Richtung 5'->3' wachsen kann.
•                                        Kann nur an einen bereits existierender Nucleotidstrang anheften
• DNA Ligasen, Exonucleasen, Primasen, Helicasen, Topoisomerasen und Einzelstrang bindende Proteine (SSB) sind involviert
• Replikationsgabel: Y-förmige Struktur, an der die DNA-Stränge verlängert werden.
• Polymerisationsrichtung ist immer 5'->3'
• Semidiskontinuierlich: Leitstrang: neu DNA Strang, wird kontinuierlich in 5'->3' Richtung gebildet
•                                 Folgestrang: neu, aus Okazaki-Fragmente gebildete DNA-Strang synthetisiert diskontinuierlich entgegengesetzt der Bewegung der Replikationsgabel
• RNA als Primer (Starter der Transkription)
• Okazakifragmente auf dem Folgestrang
• In jeder Replikationsrunde wird immer das ganze Genom genau einmal kopiert
• Lineare Chromosomen brauchen spezielle Endreplikation
• Replikationsursprünge: spezifische Stellen wo die Replikation beginnt-> bei bakterielle Chromosomen ist nur ein Ursprungsort vorhanden, eukaryotische Chromosomen dagegen über hunderte bis tausende.
• Replikation kann uni-direktional (selten) oder bi-direktional erfolgen
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• Verdoppelung der DNA: aus jedem Chromatinfaden (Mutterstrang) entstehen zwei Tochterstränge
• Es findet in der S-Phase des Zellzyklus statt. (S-> DNA Synthese)
• DNA einer eukaryotischen Zelle-> 3*10^9 Basenpaare
• Die Aufgabe der Replikation ist die Basenabfolge effizient und genau verdoppeln; Mutter- und Tochterzelle müssen ein identisches genetisches Material enthalten
• Auf 10^10 - 10^11 Polymerisationsschritte wird gerade ein Fehler gemacht
• Würden mehr Fehler passieren, würde es zu einer Anhäufung von Mutationen, die zur Krankheit oder Zelltod führt. Jedoch findet die Evolution dank dieser Fehler statt, weil es neue Organismen entstehen die sich besser an die Umwelt anpassen können.

Konservatives Modell-> Mutterstrang bleibt erhalten und es entsteht eine zweite volkommen neue Kopie

Semikonservatives Modell (Watson und Crick)-> Mutterstrang wird aufgeteilt, sodass beide Stränge eine Hälfte des alten Stranges haben

Dispersives Modell-> Beide Tochterzellen sind eine Mischung von alter und neuer DNA, jedoch nicht nach 2 Strängen aufgeteilt, sondern in Mosaiken (unterschiedliche Stücke)

• Überprüft die 3 Modelle der DNA Replikation-> Bakterien wurden zuerst in einem 15-N und folglich in einem 14-N  haltiges Nährmedium gehalten ihre DNA nach der ersten und nach der zweiten Replikation zentrifugiert und durch ihren Molekulargewicht die mögliche Modelle in Betracht genommen
• Resultat: das Experiment hat das konservative und das dispersive Modell eliminiert und das semikonservative Modell gestützt.
• Die Tochtermoleküle waren nach der ersten Zellteilung gleich schwer ( damit war das Dispersive Modell noch nicht ausgeschlossen), im zweiten Zyklus lassen sich jedoch zwei unterschiedlich schwere Moleküle feststellen (beim dispersive Modell hätten sie gleich schwer sein sollen)
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• Beide DNA-Stränge (die Mutterstränge) sind nach den Prinzipien der komplementären Basenpaarung durch enzymatische Prozesse kopiert
• Resultat: es entstehen zwei identische DNA Moleküle, jede besteht aus einem Mutterstrang (alt) und einem Tochterstrang (neu)
• Das Grundprinzip der DNA Replikation
• a            b           c             d
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• a) Vor der Replikation besteht das ursprüngliche Molekül aus zwei komplementären Einzelsträngen. Jede Base ist mit ihrem entsprechenden Partner gepaart, A mit T und G mit C
• b) Der erte Schritt der Replikation besteht in der Trennung der beiden DNA-Stränge
• c) jeder "alte" Strang dient nun als Vorlage (Matrize) für die Synthese eines "neuen", komplementären Strangs. Die neue Nucleotide passen entsprechend den Regeln der Basenpaarung wie Schloss und Schlüssel zu den Nucleotiden des Matrizenstrangs
• d) die Nucleotide werden über das Zucker -Phosphat-Rückgrat miteinander zu einem neuen Strang verknüpft. Jedes DNA-Molekül besteht nun aus einem "alten" und einem "neuen" Strang. Zu jedem DNA-Doppelstrang ist ein zweiter, identischer entstanden.

• Startplatz der DNA Replikation, ist eine spezifische DNA Sequenz.
• Bei Bakterien gibt es nur einen Startpunkt der DNA-Replikation (weil der Erbgut wesentlich kleiner ist als jenem der Eukaryoten und Rund ist), die Proteine erkennen die DNA Sequenz, binden dort und trennen die beiden Stränge-> An der Bindestelle entsteht eine Replikationsblase
• Bei Eukaryoten gibt es mehrere Startpunkte, da sonst die ganze Replikation viel zu lange dauern würde. Die Reaktionen laufen von diesen Startpunkten aus in beide Richtungen (Bidirektional), dabei bilden sich eine Art Blasen. Immer wenn 2 Blasen aufeinander treffen, entsteht eine Termination of Replication-> die DNA-Replikation für dieses Teilstück wird also beendet. Dies geht so lange, bis das ganze Molekül verdoppelt.
• Eukaryotische Chromosomen verfügen über 1000ende von Replikationsursprünge
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• In Säugerzellen haben Replikationsursprünge keine einzige spezifische Sequenz, sondern eine Kombination von verschiedenen Sequenzmerkmalen
• Viele Replikationsblasen bilden sich und schmelzen miteinander, somit ist die Replikation sehr langer DNA-Moleküle beschleunigt
• Die Replikation verläuft bei Prokaryoten und Eukaryoten in beide Richtungen
• Replikationsgabel: Y-Förmige Struktur, an der die DNA-Stränge verlängert werden
• Replikon: DNA Abschnitt, dessen Replikation von einem Ursprung initiiert wird
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• DNA-Polymerase katalysiert die Elongation (Verlängerung) des neuen DNA Stranges
• Nucleotide binden an die komplementären Nucleotide  des Matrizenstrangs und werden durch DNA-Polymerase Nucleotid für Nucleotid verknüpft
• Die Substrate der DNA-Polymerase ist Desoxyribonucleotidtriphosphatase (dNTP)
• dNTPs sind chemisch reaktiv und sind die Energiequelle der DNA-Polymerasen
• wenn ein dNTP an das Ende eines DNA-Stranges bindet, entlässt es zwei Phosphatgruppen als Pyrophosphat (P-Pi)
• Die Hydrolyse der Bindung zwischen der Phosphatgruppen des P-Pi liefert die Energie
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• Die DNA-Stränge einer Doppelhelix sind antiparallel angeordnet und besitzen daher eine Polarität
• Jedes Nucleotid trägt seine eigene Phosphatgruppe am 5'-C, während der 3'C bindet an die Phosphatgruppe des benachbarten Nucleotids
• Am 3-Ende des letzten Desoxyribose befindet sich eine OH-Gruppe
• Am gegenüberliegenden 5'-Ende ist eine Phosphorgruppe, die am 5'-C-Ende des letzten Nucleotids gebunden ist
• Problem: die DNA-Polymerasen können nur an das freie 3'-Ende der Nucleotide anhängen, der DNA-Strang wächst daher nur in 5'->3' Richtung
• Deshalb gibt es einen Leitstrang und ein Folgestrang

• Leitstrang (Leading strand):
• Der Strang wird kontinuierlich durch ständigen Anbau von Nucleotiden neu gebaut.

• Folgestrang (Lagging strand):
• Dort muss die DNA-Polymerase entgegengesetzt der Replikationsgabel arbeiten. Der Strang wird daher diskontinuierlich hergestellt.
• Dort wo die Replikationsblase eröffnet wird, synthetisiert die DNA-Polymerase kurze DNA Bruchstücke (Okazaki-Fragmente) entgegengesetzt der Wanderrichtung der Replikationsgabel.
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• Die DNA-Polymerasen können ein neues Nukleotid nur an einen bereits existierenden Nukleotidstrang anheften, sie synthetisieren die DNA, können aber nicht die Synthese initiieren.
• Der Primer ist ein kurzer RNA-Strang der an die DNA gebunden ist. Dort kann die DNA-Polymerase andocken und der neue Strang synthetisieren.
• Beim Leitstrang ist nur ein Primer nötig, beim Folgestrang ist ein pro Okazaki-Fragment nötig.
• RNA-Polymerase: ist Teil der Primase, kann die Oligonukleotidsynthese neu beginnen (initiieren)
• Primase: baut währen der Replikation die Primer auf, die dann von der DNA-Polymerase verlängert wird.
• Ligase: Verbindet die Okazaki-Fragmente miteinander. Ist nur beim Folgestrang nötig
• Exonuklease: entfernt die Nucleotide aus dem Doppelstrang, ist für die Entfernung der Primer zuständig.

• In Bakterien ist die DNA-Polymerase gleichzeitig die Exonuclease, sie kann dadurch den RNA-Primer eines Okazaki-Fragments verlängern und den RNA-Primer das vorgehenden Fragments entfernen
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• Helikasen: Trennt die die Basenpaare bei der Replikationsgabel (DNA-Einzelstränge)
• SSB Proteine: Einzelstrang bindende Proteine, verhindern dass die Einzelstränge wieder zusammenkommen.
• -> durch diese Proteine entsteht eine lokale Entwindung

• DNA-Topoisomerase: Behebt Supercoils, indem sie die DNA auseinanderschneidet, entwindet und wieder zusammensetzt. (Supercoils-> Verwindungen, die durch die Entwindung der DNA entstehen)
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• Spezieller Mechanismus:
• Leitstrang-> Normale Replikation
• Folgestrang-> Problem-> Am Chromosomende hat es zu wenig Platz, um einen Primer um einen Okazaki-Fragment zu bilden-> Folgestrang würde verkürzt sein.
• Eukaryotische DNA-Moleküle haben besondere Nukleotidsequenzen am Ende-> Telomere bilden einen speziellen Mechanismus, um die Enden zu replizieren
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Telomere: Ende von linearen Chromosomen, Kodieren für keine Gene, wiederholte kurze Nukleotidsequenz (TTAGGG)

Capping: Bestimmte Faltung der DNA, damit ihr Ende "versteckt" wird und somit nicht als Doppelstrangbruch verwechselt.

• Telomerase: Enzym aus ein Protein- und einen RNA-Molekül-Teil, verlängert die Telomere durch reverse Transkriptase. Der RNA-Teil dient als Matrize, um kurze DNA-Stücke an das freie 3'-Ende anhängen. Der entstandene Übergang wird schliesslich entfernt.
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• Exogene Einflüsse: Vermeidbar (Bsp. Bestrahlung, UV-Licht, Rauchen...)
• Endogene Einflüsse: Nicht vermeidbar (Metabolismus, Entzündungen, Replikationsfehlern)
• -> Summe aller Einflüsse werden zum grössten Teil von Reparaturmechanismen ausgeglichen-> wenn nicht erkannt entsteht eine Mutation-> Anhäufung von Mutationen begünstigt die Krebsentstehung.

• Hitze
• -> Desaminierung (Ammoniak wird abgespalten (cytosin wird zu Uracyl)
• -> Depurinierung (Base wird vom Zucker abgesplaten)

Ultraviolette-Strahlung-> Thymidindimere (Verknüpfung von Thymidin)

Ionisierende Strahlung-> Ringöffnung von Basen, Basenzerstörung, Einzel-/Doppelstrangbrüche

Je nach Art der Schaden, werden unterschiedliche Reparaturmechanismen eingesetzt

• 1 Direkte Reparatur
• DNA-Schaden werden direkt behoben, nur mit geeignetem Enzym möglich (O6-Methylalanin-DNA-methyltransferase)

• 2 Basenexisionsreparatur (BER)
• defektes Teil der DNA wird rausgenommen durch einen neuen ersetzt

• 3 Nucleotidexisionsreparatur (NER)
• Oligonukleotid (12-13 Basen) werden an der geschädigten Stelle entfernt und durch einen neuen ersetzt.

• 4 Postreplikationsreparatur
• Erfolgt nach Replikation
• Unkorrekte Basenpaarungen werden gefunden und der richtige Strang durch Methylierung erkannt und korrigiert.

• 5 Rekombinationsreparatur
• Enzyme holen Material aus andere Doppelstränge, um einen anderen zu reparieren
• Am wirksamsten, wenn das Fehler an den Tochterstrang ist aufgrund einer geschädigten Matrize

• 6 Non-homologes End-Joining
• Geschädigtem Teil wird rausgenommen und neu hergestellt-> oft werden Basen verloren und es entstehen Mutationen
• Kein anderer Strang wird benötigt
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