Helicasen sind für das Abwickeln von doppelsträngiger DNA verantwortlich, um einzelsträngige DNA zu produzieren. Sie sind für die DNA-Entwindung während der DNA-Replikation, -Rekombination und -Reparatur verantwortlich. Das Abwickeln doppelsträngiger DNA beginnt am Replikationsursprung und bildet weiter eine Struktur, die als Replikationsgabel bekannt ist. Der Abbau von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den beiden DNA-Strängen erfordert Energie in Form von ATP. Die Helikasen fangen auch nicht aufgewickelte Basen ein, um das erneute Anlagern von DNA zu verhindern.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

1. Was sind DNA-Helikasen? – Definition, Funktionen 2. Wie entspannt sich die DNA und bleibt entspannt? – Prozess der DNA-Entwindung

Schlüsselbegriffe: DNA-Helikase, DNA-Replikation, anfängliches DNA-Schmelzen, Ursprungserkennung, Replikationsgabel

Was sind DNA-Helikasen?

DNA-Helikasen sind die grundlegenden Komponenten der DNA-Replikation. Die Hauptfunktion von DNA-Helikasen besteht darin, doppelsträngige DNA abzuwickeln, um einzelsträngige DNA zu bilden. Neben der DNA-Replikation sind DNA-Helikasen auch an der Transkription, Translation, Rekombination und DNA-Reparatur beteiligt. Eine prokaryontische DNA-Helikase ist in 1 gezeigt.

Abbildung 1: Prokaryotische DNA-Helikase

Wie entspannt sich die DNA und bleibt entspannt?

DNA ist ein doppelsträngiges Molekül, das in den meisten Organismen als Erbmaterial dient. Die beiden DNA-Stränge werden durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten. Neue DNA wird durch einen Prozess synthetisiert, der als DNA-Replikation bekannt ist. Die DNA-Replikation ist ein semikonservativer Prozess, bei dem beide Stränge als Matrizen dienen. Daher müssen die beiden Stränge abgewickelt werden, um die DNA-Replikation einzuleiten.

DNA-Helikasen sind die Enzyme, die die DNA-Abwicklung katalysieren. Das Abwickeln der DNA initiiert die DNA-Replikation. Die Ursprungserkennung, das anfängliche DNA-Schmelzen und die eventuelle Bildung der Replikationsgabel sind die drei Schritte, die an der Initiation der DNA-Replikation beteiligt sind.

1. Herkunftserkennung – Die DNA-Replikation wird am Replikationsursprung initiiert. In Chromosomen finden sich mehrere Replikationsursprünge. Zirkuläre, doppelsträngige DNA besteht aus einem einzigen Replikationsursprung. Ein DNA-Bindungskomplex mit mehreren Untereinheiten, der als Origin Recognition Complex (ORC) bekannt ist, ist für die Erkennung des Replikationsursprungs verantwortlich.
2. Anfängliches DNA-Schmelzen – Die MCM-Helikase (Mini-Chromosom-Maintenance) ist für das anfängliche Schmelzen des Replikationsursprungs in Eukaryoten verantwortlich. In Prokaryoten wird dies durch das Ursprungserkennungsprotein DnaA durchgeführt und eine hexamere Helikase, bekannt als DnaB, wird dann in die geschmolzene DNA geladen.
3. Bildung der Replikationsgabel – Die Helikasen setzen den Abwickelprozess fort und bilden eine Struktur namens Replikationsgabel. Sie brechen die Wasserstoffbrücken auf, die die beiden komplementären Stränge zusammenhalten. Für diesen Prozess nutzen sie Zellenergie in Form von ATP.

Die Initiation der DNA-Replikation in Eukaryoten ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Initiation der DNA-Replikation in Eukaryoten

Nach dem anfänglichen Schmelzen der doppelsträngigen DNA bindet die DNA-Polymerase an den Replikationsursprung und startet den Replikationsprozess. Mit fortschreitender Replikation schreitet die Replikationsgabel durch den abgewickelten DNA-Strang fort. Da diese DNA-Helikasen zwischen den beiden Strängen gefangen sind, wird das erneute Anlagern komplementärer Basen vermieden.

Abschluss

DNA-Helikasen sind die Enzyme, die für die Entwindung der DNA verantwortlich sind, um einzelsträngige DNA zu bilden, die für die DNA-Replikation, -Rekombination und -Reparatur benötigt wird. Sie bauen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Basen der beiden Stränge ab, die die beiden Stränge zusammenhalten. Die eingefangenen DNA-Helikasen zwischen der abgewickelten DNA verhindern das Reannealing.

Referenz:

1. Gai, Dahai et al. „Ursprungs-DNA-Schmelzen und -Abwickeln bei der DNA-Replikation.“ Current Opinion in Structural Biology, U.S. National Library of Medicine, Dez. 2010, hier verfügbar.

Bild mit freundlicher Genehmigung:

1. „Helicase“ von Phoebus87 in der englischen Wikipedia (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia2. „EukPreRC“ von Lsanman – Eigene Arbeit (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia