2.2.9.1 Die wichtigsten Replikationsproteine und ihre Besonderheiten
Zunächst wird zum Aufwinden der Doppelhelix und zur Trennung der beiden DNA-Stränge die sog. Topoisomerase und die Helicase benötigt. Einzelstrangstabilisierende Proteine (unwinding proteins) verhindern das erneute Zusammenlagern der beiden DNA-Stränge und evtl. Rückfaltungen der Einzelstränge. Die Verdopplung der Einzelstränge mit jeweils komplementären Nukleotiden erfolgt durch eine DNA-Polymerase (syn. DNA-Replikase). Meist sind mehrere DNA-Polymerasen in einer Bakterienzelle vorhanden, in E. coli z. B. die DNA-Polymerase I[1], II[1] und III[1].
Die DNA-Polymerase zeigen dabei einige Besonderheiten. So können sie nur von 5' nach 3' verdoppelt. Am Folgestrang (lagging strand) ist nur diskontinuierliche Verdopplung in Form kurzer Stücke, sog. OKAZAKI-Fragmente (ca. 1.000 Basen bei Bakterien, ca. 100 Basen bei Eukaryonten) (OKAZAKI et al. 1967) möglich. Die Verknüpfung der OKAZAKI-Fragmente erfolgt anschließend mit Hilfe des Enzyms DNA-Ligase.
Des Weiteren benötigen DNA-Polymerasen ein kurzes doppelsträngiges DNA-Stück, an dem sie in der richtigen Richtung "ansetzen" können. Der kurze, zum Gegenstrang komplementäre, Einzelstrang heißt Primer. Er wird von einer RNA-Polymerase, der sog. Primase, synthetisiert. RNA-Polymerasen brauchen selbst keinen Primer. Für die Replikation am Hauptstrang wird nur ein Primer benötigt, für die des Folgestrangs jedoch für jedes OKAZAKI-Fragment einen.
Im weiteren Verlauf werden die RNA-Primer durch eine 3' → 5'-Exonuclease wieder entfernt. Diese Exonuclease ist ebenfalls (neben der Polymerase-Aktivität) Bestandteil einer DNA-Polymerase. Das Gesamtenzym der DNA-Polymerase (z. B. I, II oder III) wird als KLENOW-Fragment (KLENOW & HENNINGSEN 1970) der DNA-Polymerase (KLENOW-Polymerase) bezeichnet.
In (Bakterien-)Zellen sind die beiden Exonuclease-Aktivitäten (5' → 3' und 3' → 5') v. a. beim Ausbessern von fehlerhaft eingebauten Basen wichtig. In E. coli-Zellen erfolgt das Polymerisieren durch die DNA-Polymerase III, das Herausschneiden der RNA-Primer durch DNA-Polymerase I. In der Bakterienzelle wird nun das fehlende Stück in 3' → 5'-Richtung durch die Polymerase-Aktivität der DNA-Polymerase III ergänzt. Da die DNA ringförmig ist, sind die darfür nötigen kurzen Doppelstrangstücke bereits vorhanden. Die Verknüpfung mit dem bereits synthetisierten Strang erfolgt mit Hilfe von Ligase. Die abschließende Verdrillung der DNA-Doppelstränge erfolgt durch eine spezielle Topoisomerase, der sog. Gyrase.
[1]: für Fehlerkorrektur und einem bestimmten Schritt in der Replikation
[2]: Funktion unbekannt
[3]: wird für die normale Replikation in der Zelle verwendet
