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Ein allgemeines Merkmal lebender Zellen ist, dass sie sich teilen. Bevor aus einer Zelle zwei werden können, muss die Zelle eine Kopie ihrer DNA oder Desoxyribonukleinsäure erstellen, die ihre genetische Information enthält. Eukaryontische Zellen speichern DNA in Chromosomen, die in den Membranen eines Zellkerns eingeschlossen sind. Ohne mehrere Replikationsursprünge würde die Replikation viel länger dauern und das Zellwachstum verlangsamen.
DNA 101
DNA ist ein langkettiges Molekül mit einem Grundgerüst aus alternierenden Zucker- und Phosphatgruppen. Eine von vier Nucleotidbasen - ringförmige Moleküle, die Stickstoff enthalten - hängt von jeder Zuckergruppe ab. Zwei DNA-Stränge bilden eine Doppelhelixstruktur, bei der die Base an jeder Zuckerposition an ihre komplementäre Base am Schwesterstrang bindet. Es sind nur bestimmte Paarungen zulässig. Wenn Sie also eine Base auf einem Strang identifizieren, kennen Sie die Base an derselben Position auf dem anderen Strang.
Chromosomen
In Eukaryoten sind Chromosomen zylindrische Strukturen von Chromatin, einer Mischung aus DNA und Histonproteinen. Menschliche Zellen haben 23 Chromosomenpaare, ein Paar von jedem Elternteil. Ein menschliches Chromosom enthält ungefähr 150 Millionen Basenpaare. Das Chromatin ist fest gefaltet, um die DNA so zu komprimieren, dass sie in eine Zelle passt. Wenn Sie die gesamte DNA in einer menschlichen Zelle von einem Ende zum anderen verteilen würden, würde dies eine Größe von etwa 2 Metern haben. Damit eine Replikation stattfinden kann, muss die DNA-Helix unmittelbar vor dem Kopieren abgewickelt werden.
Replikation
Eukaryontische Zellen wechseln zwischen Wachstum und Teilung und DNA wird während der Wachstumsphase repliziert. Die DNA tritt in einen entspannten Zustand ein, der den Zugang von DNA-Polymerase, dem Enzym, das jeden Strang kopiert, ermöglicht. Ein anderes Enzym, Helikase, trennt zuerst die beiden Stände in einer Region, die als Replikationsursprung bezeichnet wird. Jeder Strang dient als Matrize für einen neuen Strang mit einer komplementären Sequenz von Nukleotidbasen. Eine das Polymerasemolekül umgebende Replikationsblase bewegt sich während des Kopiervorgangs entlang jedes DNA-Strangs. Die alten und neuen Stränge reißen sich am hinteren Ende der Blase zusammen.
Timing-Anforderungen
DNA-Polymerase kann eukaryotische Chromosomen mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 Basenpaaren pro Sekunde transkribieren. Wenn das Chromosom nur einen einzigen Replikationsursprung hätte, würde es ungefähr einen Monat dauern, um eine DNA-Helix zu kopieren. Durch die Verwendung mehrerer Ursprünge kann die Zelle eine Helix in etwa einer Stunde replizieren, was einer 720-fachen Geschwindigkeit entspricht. Während des Prozesses produzieren mehrere Replikationsblasen auf jedem Chromosom kleine DNA-Längen, die dann zusammengefügt werden, um das fertige Produkt zu bilden. Der Vorteil mehrerer Ursprünge besteht darin, dass sie eine relativ schnelle Zellteilung und ein relativ schnelles Wachstum des Organismus ermöglichen. Beispielsweise müsste eine menschliche Mutter vor der Geburt 540 Jahre lang einen Fötus tragen, wenn sie von einem einzigen Replikationsursprung auf jedem Chromosom abhängen müsste.