Other Replication Proteins

00:00 Nun gibt es noch andere Replikationsproteine, deren Funktionsweisen ich mit wenigen Worten anschaulich erklären möchte.

00:07 Wenn ich eine DNA-Polymerase nehme und die 4 Desoxyribonukleotide bereitstelle, die zur Herstellung von DNA notwendig sind, und ich einen DNA-Strang nehme, wie hier auf dem Bild zu sehen, und wenn ich dann versuche, diesen zu replizieren, werde ich feststellen, dass es sich nicht replizieren lässt.

00:21 Nun könnte man sagen, dass doch genau das, die Funktion der DNA-Polymerase sei, aber es stellt sich heraus, dass DNA-Polymerasen nur unter bestimmten Bedingungen arbeiten können. Bei dieser weiteren Bedingung geht es darum, dass sie nur einen bereits begonnenen Strang verlängern können.

00:37 Auf der Abbildung kannst du einen bereits begonnenen Strang in rot dargestellt sehen.

00:43 Und wenn ich jetzt wieder alles dazu gebe - Nebenbei bemerkt: Dieser bereits begonnenen Strang, wird Primer genannt.

00:49 Der Primer ist ein RNA-Molekül und kein DNA-Molekül. - Die Polymerase verlängert den Strang also von einem RNA-Primer ausgehend nach vorne und wenn ich diese Dinge zusammengebe, entsteht das Molekül, das du oben siehst.

01:04 Wie du dir vielleicht vorstellen kannst, muss der RNA-Primer dort zu einem späteren Zeitpunkt entfernt werden, damit die Replikation abgeschlossen werden kann.

01:12 Und wir werden lernen, wie sich dieser Vorgang bei Eukaryoten und Prokaryoten unterscheidet, woraus sich einige interessant Schlussfolgerungen ergeben.

01:20 Ein weiteres an der Replikation beteiligtes Molekül ist das Einzelstrangbindende Protein.

01:25 Wie der Name schon sagt, besteht seine Aufgabe in der Bindung an Einzelstränge.

01:29 Es stellt sich heraus, dass Einzelstränge ziemlich riskant sind.

01:33 Sie sind riskant, weil ein Bruch in einem Einzelstrang, alles auseinander fallen lässt.

01:36 Es gibt keine Informationen über den anderen Strang, weil es keinen anderen Strang gibt anhand dessen kopiert, repariert und ersetzt werden könnte.

01:43 Das Einzelstrangbindende Protein hilft, die Integrität des Einzelstrangs zu erhalten und hoffentlich den Einzelstrang während der Zeit, in der die Replikation stattfindet, zu schützen.

01:52 Wir sehen also, dass genau dies hier geschieht.

01:54 Wenn wir eine DNA während der Replikation in einer Zelle betrachten und einen nackten Einzelstrang haben, wird normalerweise das Einzelstrangbindende Protein darauf zu finden sein.

02:03 Wenn die Replikation fortschreitet, werden die Einzelstrangbindenden Proteine wieder freigesetzt und können wieder an andere Einzelstränge binden.

02:13 Dieses Helikase-Enzym hier ist ein sehr interessantes Enzym.

02:17 Dieses Enzym hat die Aufgabe, die Stränge einer DNA-Doppelhelix zu entwirren.

02:26 Das ist ziemlich cool. Die Helikase muss das tun, damit die DNA-Polymerase nicht ausgebremst wird, weil die Doppelhelix getrennt werden muss, damit die Polymerase replizieren kann. Und jetzt kommt das Erstaunliche.

02:42 Die Polymerase repliziert mit einer Rate von 1000 Nukleotiden pro Sekunde.

02:47 1000 Nukleotide pro Sekunde sind etwa 100 Windungen der DNA-Doppelhelix pro Sekunde.

02:54 Wenn man das ausmultipliziert, bedeutet das, dass sich die DNA mit einer Geschwindigkeit von 6000 Umdrehungen pro Minute abwickeln muss.

03:01 Das ist schneller als der Motor in deinem Auto. Das ist ein wirklich bemerkenswerter Prozess, der durch die Helikase erleichtert wird.

03:06 Die Helikase tut dies scheinbar ohne Anstrengung, obwohl sie dabei ATP verbraucht, um dies zu erreichen.

03:14 Nun, wenn wir die Helix mit Hilfe der Helikase sehr schnell trennen, dann werden wir vor dieser Stelle, an der wir abwickeln, möglicherweise die Windungen deutlich verstärken, wie du dir vorstellen kannst.

03:28 Stell dir vor, dass du etwas auseinanderziehst auseinanderzieht, das zwei gewundene Stränge hat.

03:33 Vor der Stelle, wo du es auseinanderziehst, wird es sehr, sehr gewunden und sehr, sehr beansprucht.

03:39 Diese Spannung, die durch das Auseinanderziehen der Stränge entsteht, muss entlastet werden; Denn, wenn sie nicht entlastet wird, kann die DNA brechen oder sich verknoten und jeder dieser Umstände wäre sehr, sehr schädlich für die Zelle.

03:51 Glücklicherweise hat die Zelle ein Enzym namens Topoisomerase, das auf die Entlastung von Spannung spezialisiert ist.

04:00 Durch Entlastung der Spannung vor der Helikase, 00:15:18,550 --> 00:15:24,150 wird die DNA nicht überlastet, die Replikation kann fortgesetzt werden und alles verläuft erstaunlich reibungslos.

04:10 Dies geschieht durch verschiedene Mechanismen.

04:12 Dabei finden wir die Topoisomerase I, die mit einem einzelnen Strang gleichzeitig arbeitet, oder die Topoisomerase II, die mit beiden Strängen gleichzeitig arbeitet.

04:23 Die Topoisomerase II wird auch Gyrase genannt und ist das Enzym, das am meisten in den Replikationsvorgang bei E-Coli involviert ist.

04:31 Der Abschluss der DNA-Replikation erfordert, wie bereits gesagt, die Entfernung der RNA-Primer.

04:38 Wie werden also RNA-Primer entfernt und ersetzt? Dazu benötigt es die Mitarbeit von zwei zusätzlichen Proteinen und einer DNA-Polymerase. Schauen wir uns also an, wie das abläuft.

04:49 Nehmen wir an, wir haben eine bakterielle DNA. Bakterielle DNA ist ringförmig.

04:53 Sie ist nicht linear, wie die DNA in unseren Zellen. Bakterielle DNA ist ringförmig.

05:00 Wir können uns vorstellen, wie die Replikation des ringförmigen Moleküls in der Zelle mit einem RNA Primer beginnt, wie hier zu sehen ist, und dann in der Tat einmal um den Kreis herum weiter läuft, bis wir wieder an die Spitze kommen.

05:13 Und wenn wir oben ankommen, können wir uns etwas vergrößert anschauen, was dort zu sehen ist.

05:17 Auf dem ankommenden Strang links finden wir das 3'-Ende des replizierten Stranges und die andere Stelle, wo wir das 5'-Ende und den RNA-Primer finden.

05:27 Okay? Der Primer wird durch ein RNA-schneidendes Enzym entfernt.

05:33 Was ist ein RNA-schneidendes Enzym? Nun, in E-coli hat sich gezeigt, dass das RNA-schneidende Enzym eine Untereinheit innerhalb der DNA-Polymerase I ist.

05:42 Die DNA-Polymerase I erfüllt drei Funktionen. Sie repliziert die DNA, sie kontrolliert die replizierte DNA und entfernt die RNA-Primer.

05:51 Wie wir sehen können, ist das hier bereits geschehen. Dabei spricht man von der 5'-3'-Exonukleaseaktivität, die man in der DNA-Polymerase von E-Coli finden kann.

06:00 In unseren Zellen, in eukaryotischen Zellen, haben wir ein separates Protein, das diese Funktion ausübt, aber trotzdem müssen die RNA Primer entfernt werden.

06:09 Die Lücke wird dann durch DNA-Replikationen geschlossen. Die DNA-Polymerase I füllt diese kleine Lücke aus.

06:16 Nun kann man dort oben eine Kerbe erkennen, wo die beiden Enden nicht miteinander verknüpft sind.

06:20 Die beiden Enden müssen verbunden werden um den Doppelstrang zu vollenden und diese Verbindung erfolgt durch ein Enzym namens DNA-Ligase.

06:29 Die DNA-Ligase hat die Aufgabe, die Teile zusammenzufügen.

06:32 In diesem Fall hier gibt es nur ein Stück zu verbinden, aber wir werden sehen, dass es in der Replikationsgabel viel mehr sind.