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2023-07-28T17:13:31Z

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[[Datei:Okazaki fragment DE.svg|mini|hochkant=1.5|Schema einer [[Replikationsgabel]] – bei der [[Replikation]] eines [[DNA-Doppelstrang]]es wird der ''Leitstrang'' fortlaufend am [[Matrize (Genetik)|Matrizenstrang]] aufgebaut, während für den ''Folgestrang'' zunächst einzelne ''Okazaki-Fragmente'' gebildet werden.]]

'''Okazaki-Fragment''' heißt in der [[Molekularbiologie]] einer der während der [[DNA-Replikation]] entstehenden kurzen Abschnitte des Folgestrangs aus DNA.<ref>{{Literatur |Autor=Graw, Jochen. |Titel=Genetik |Auflage=6., überarbeitete und aktualisierte Auflage |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2015 |ISBN=978-3-662-44816-8}}</ref> Bei [[Prokaryot]]en ist ein solches Fragment 1000 bis 2000 [[Nukleotid]]e lang, bei [[Eukaryoten]] 100 bis 200.<ref>D. Voet, J. G. Voet, C. W. Pratt: ''Lehrbuch der Biochemie.'' 2. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2010, S. 963.</ref> Benannt ist es nach der japanischen Wissenschaftlerin [[Tsuneko Okazaki]] und ihrem Mann [[Reiji Okazaki]], die 1968<ref>R. Okazaki, T. Okazaki et al.: ''Mechanism of DNA chain growth. I. Possible discontinuity and unusual secondary structure of newly synthesized chains.'' In: ''[[PNAS]].'' Band 59, Nr. 2, Februar 1968, [[doi:10.1073/pnas.59.2.598]], PMID 4967086, {{PMC|224714}}, S. 598–605.</ref> das Modell eines Replikationsmechanismus mit diskontinuierlicher DNA-Synthese vorschlugen.<ref name="O">T. Okazaki: ''Days weaving the lagging strand synthesis of DNA - A personal recollection of the discovery of Okazaki fragments and studies on discontinuous replication mechanism.'' In: ''Proceedings of the Japan Academy. Series B, Physical and Biological Sciences.'' Band 93, Nr. 5, Mai 2017, [[doi:10.2183/pjab.93.020]], PMID 28496054, {{PMC|5489436}}, S. 322–338.</ref><ref>A. Yudelevich, B. Ginsberg, J. Hurwitz: ''Discontinuous synthesis of DNA during replication.'' In. ''PNAS.'' Band 61, Nr. 3, November 1968, [[doi:10.1073/pnas.61.3.1129]], PMID 4879822, {{PMC|305445}}, S. 1129–1136.</ref>

== Allgemeiner Ablauf der Replikation ==
{{Hauptartikel|Replikation}}
Im Prozess der Replikation wird ein [[DNA-Doppelstrang|doppelsträngiges DNA-Molekül]] verdoppelt, sodass zwei gleiche doppelsträngige DNA-Moleküle entstehen. Für den Beginn der Replikation muss die vorliegende DNA-[[Doppelhelix]] zuerst an bestimmten Stellen durch eine [[Helikase]]-Aktivität entwunden und die Bindung der [[Wasserstoffbrückenbindung|Wasserstoffbrücken]] zwischen den [[Basenpaar]]en der beiden [[Antiparallelität (Biochemie)|antiparallel]] verlaufenden Strängen gelöst werden.

An der geöffneten Stelle, dem [[Replikationsursprung]] oder ''Origin'', sind die DNA-Stränge somit voneinander getrennt als zwei einzelsträngige Abschnitte. Diese werden nun jeweils als [[Matrize (Genetik)|Matrize]] für den Aufbau eines durch [[Basenpaar]]ung bestimmten komplementären Stranges benutzt. Jeder der beiden alten Stränge wird also durch einen neu gebildeten Strang zu einem Doppelstrang ergänzt. Die so [[Meselson-Stahl-Versuch|semikonservativ]] gebildeten zwei DNA-Doppelstränge haben – abgesehen von selten auftretenden Fehlern – die gleiche [[Basensequenz]], da auch die originalen Stränge komplementär zueinander waren. Damit liegt die genetische Information dann in zwei Kopien vor.

== Entstehung ==
Vom Replikationsursprung ausgehend schreitet die Auftrennung des Doppelstrangs in zwei einzelsträngige Bereiche als Y-förmige Aufgabelung während der Replikation längs der DNA fort in eine Richtung und, bidirektional, auch in die andere entgegengesetzte. Betrachtet man den in einer [[Replikationsgabel]] ablaufenden Prozess der Neusynthese komplementärer DNA-Stränge genauer, wird ein Unterschied deutlich: Vom Origin aus kann das Enzym [[DNA-Polymerase]] an dem einen Matrizenstrang kontinuierlich fortlaufend den komplementären Strang aufbauen, an dem anderen Matrizenstrang aber nicht – hier werden diskontinuierlich nacheinander komplementäre DNA-Teilstränge synthetisiert, in sogenannten ''Okazaki-Fragmenten,'' und später miteinander verbunden.

Denn die von DNA-Polymerasen katalysierte [[Polymerisation]] erfolgt schrittweise jeweils durch Anfügen eines aktivierten Nukleotids ([[Nukleosidtriphosphate|dNTP]]) an das [[3′-Ende]] des bereits synthetisierten Nukleinsäurestranges und ist so ausschließlich in 5′→3′ Richtung möglich. Die dabei für den komplementären Aufbau notwendige Matrize ist antiparallel orientiert, also in Richtung 3′→5′. Da auch die beiden aufgetrennten Matrizenstränge antiparallel zueinander orientiert sind, kann eine DNA-Polymerase nur an dem einen Matrizenstrang in Bewegungsrichtung der wandernden Replikationsgabel fortschreiten und kontinuierlich den sogenannten ''Leitstrang'' (englisch ''leading strand'') aufbauen. An dem anderen Matrizenstrang hingegen muss eine DNA-Polymerase in umgekehrter Richtung prozessieren und damit entgegen der Bewegungsrichtung der Replikationsgabel. Daher werden hier am freigelegten Matrizenstrang regelmäßig zunächst fragmentarisch Teilabschnitte aufgebaut und diese ''Okazaki-Fragmente'' anschließend zum sogenannten ''Folgestrang'' (englisch ''lagging strand'') verknüpft. Bei den üblicherweise zwei bidirektional in Gegenrichtung wandernden Replikationsgabeln schließt sich der Folgestrang der einen an den Leitstrang der anderen Replikationsgabel an.

In den kleinen ringförmigen Genomen von [[Prokaryoten]] oder [[Mitochondrien]] gibt es meist nur einen Replikationsursprung, in großen [[eukaryot]]ischen Genomen dagegen oft mehrere Tausend, um durch viele gleichzeitig fortschreitende Replikationsgabeln die Geschwindigkeit der Replikation zu erhöhen.
Das für die Polymerisation der DNA zuständige Enzym – in Bakterien der Proteinkomplex [[DNA-Polymerase III]] (Pol III), in Säugerzellen DNA-Polymerase δ und DNA-Polymerase ε bzw. in Mitochondrien DNA-Polymerase γ – braucht als Starthilfe ein kurzes, [[Primer]] genanntes Oligonukleotid. Dieses wird als ein an die DNA-Matrize gebundenes kleines [[RNA]]-Molekül von einer [[Primase]] bereitgestellt. Die DNA-Polymerase fügt daran dann weitere Nukleotide an, nun aber Bausteine der DNA ([[dNTP]]) – bei der fragmentarischen Synthese des Folgestranges solange, bis sie auf das [[5′-Ende]] des zuvor gebildeten kurzen Fragments stößt. Diese diskontinuierlich wiederholt gebildeten kurzen Abschnitte aus DNA heißen ''Okazaki-Fragmente''.

== Lückenfüllung und Verknüpfung ==
[[Datei:RNA primer.png|mini|hochkant=1.55|Okazaki-Fragmente werden Anteile eines durchgängigen Folgestrangs, indem der RNA-Primer entfernt ([[Nuklease]]), die Lücke gefüllt ([[DNA-Polymerase]]) und der Teilstrang verknüpft ([[DNA-Ligase]]) wird – hier schematisch gezeigt am Beispiel einer rechtsgängigen [[Replikationsgabel]].]]
Ein weiteres Enzym mit [[Nukleasen|Nuklease-Aktivität]] entfernt dann den RNA-Primer, eine Reparaturpolymerase – die prokaryotische DNA-Polymerase I (Pol I) bzw. die eukaryotische DNA-Polymerase α – ersetzt ihn durch DNA und füllt die Lücke zwischen Fragmenten mit komplementären Nukleotiden. Eine [[DNA-Ligase]] verknüpft die einzelnen komplettierten Fragmente schließlich durch eine [[Ester]]bindung zwischen der [[Hydroxygruppe]] des Zuckers [[Desoxyribose]] am 3′-Ende des einen und dem [[Phosphatrest]] am 5′-Ende des nächsten Teilstrangs zu einem Folgestrang mit bruchlosem [[Backbone (Biochemie)|Rückgrat]]. Diese für die Integration der Okazaki-Fragmente nötigen Verfahrensschritte sind denen einer [[DNA-Reparatur]] ähnlich.

== Literatur ==
* [[Bruce Alberts|Alberts]], Bray, Johnson, Lewis: ''Lehrbuch der molekularen Zellbiologie.'' 2., korrigierte Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2001, ISBN 3-527-30493-2.
: (englische Ausgabe: B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis et al.: ''Molecular Biology of the Cell.'' 4. Ausgabe. Garland Science, New York 2002, Kapitel: ''DNA Replication Mechanisms.'' Online auf dem [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26850/ NCBI-Bookshelf])

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:DNA-Replikation]]

Okazaki-Fragment - Versionsgeschichte

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