Desoxyribonukleinsäure

Die Struktur der DNA nach dem Watson-Crick-Modell ("B-Form"):

1. Die DNA besteht aus 2 langen Molekülketten, die schraubenförmig um eine gemeinsame, gedachte Achse gewunden sind (Doppelhelix-Struktur).
2. Die beiden Ketten (DNA-Einzelstränge) sind rechtsgewunden und antiparallel.
3. Jede Kette besteht aus abwechselnd angeordneten Phosphorsäureresten und Desoxyribosemolekülen, die durch 3’, 5’ Phosphodiesterbindungen untereinander verbunden sind.
4. An das Desoxyribose-Rückgrat sind organische Basen (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) gebunden, die in den hydrophoben Kern der Helix ragen.
5. Die Desoxyribosemoleküle stehen senkrecht zu den Basen.
6. Die Ebenen der Basen stehen senkrecht zur gemeinsamen, gedachten Achse.
7. Die Ebenen der Zuckermoleküle sind 0,34 nm voneinander entfernt und stehen in einem Winkel von 36° zueinander. Somit wird eine vollständige Drehung nach 10 Basen, folglich 360° und 3,4 nm, erreicht.
8. Der Abstand der Phosphate von der Achse beträgt 100 nm. Die DNA ist aufgrund der Phosphate negativ geladen.
9. Die beiden Einzelstränge werden über die Purin- bzw. Pyrimidinbasen zusammen gehalten, die über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind.
10. hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den gestapelten Basen stabilisieren die Helixstruktur.
11. Ein Basenpaar besteht immer aus einer Purin- und einer Pyrimidinbase.
12. Die Basenpaare, die gebildet werden sind: A mit T und G mit C.
13. Die Wasserstoffbrücken werden zwischen den Molekülpositionen 1=1 und 6=6 aufgebaut. Bei Guanin und Cytosin zusätzlich zwischen 2=2.
14. Die Basenabfolge in einer Kette ist zwar beliebig, aber für ein bestimmtes DNA-Molekül meist charakteristisch. Nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarungen bestimmt die Reihenfolge der Basen in der einen Kette die Abfolge der Basen in der zweiten Kette.

Die Struktur der DNA wurde im Jahre 1953 von James Watson und Francis Crick aufgeklärt, die 1962 dafür mit Maurice Wilkins den Nobelpreis für Medizin erhielten. Rosalind Franklin, deren Röntgenbeugungsdiagramme wesentlich zur Entschlüsselung der DNA-Struktur beigetragen hatten, war zum Zeitpunkt der Nobelpreisverleihung bereits verstorben. Entdeckt wurde die DNA allerdings schon 1869 von Friedrich Miescher, der in Zellkernen das Nuklein vorfand, jedoch die Funktion dieser Substanz noch nicht sicher bestimmen konnte ([1]).

Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Polymer, das heißt, ein Kettenmolekül aus vielen Einzelbausteinen, die man Desoxyribonukleotide nennt. Es gibt vier verschiedene Bausteine dieser Art: Jedes Nukleotid ist eine Verbindung aus dem Zucker Desoxyribose, einer heterozyklischen Nukleobase (Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) oder Cytosin (C)) und einem Phosphorsäure-Molekül. (Siehe zu den üblichen Abkürzungen A, T, G und C auch: Nukleinsäure-Nomenklatur.) Die Desoxyribose- und Phosphorsäure-Untereinheiten sind bei jedem Nukleotid gleich; die vier verschiedenen Nukleotide unterscheiden sich nur durch ihre Base.

Die fünf Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1' (sprich Eins Strich) bis 5' nummeriert. Am 1'-Ende dieses Zuckers sitzt die Nukleobase und am 5'-Ende hängt der Phosphorsäure- oder Phosphatrest. Bevor das Nukleotid in die DNA eingebaut wurde, saß am 3'-Ende der Desoxyribose noch eine OH-Gruppe. Letztere reagiert bei der Verknüpfung der Nukleotide mit der Phosphatgruppe des jeweils nächsten Nukleotids. Genauer gesagt werden, wenn sich ein DNA-Strang verlängert, Nukleosidtriphosphate (mit drei Phosphatresten) als neue Bausteine angeliefert, von denen je zwei Phosphate in Form von Pyrophosphat entfernt werden und der verbleibende Phosphatrest des jeweils neu hinzukommenden Nukleotids mit der OH-Gruppe am 3'-Ende des letzten im Strang vorhandenen Nucleotids unter Wasserabspaltung reagiert. Auf diese Weise können zahlreiche weitere Nukleotide an das 3'-Ende eines DNA-Einzelstrangs angehängt werden.

Nach dem Modell von Watson und Crick ist die DNA insgesamt aus zwei gegenläufigen DNA-Einzelsträngen aufgebaut, die je ein 5'-Ende mit einer Phosphat-Gruppe und ein 3'-Ende mit einer OH-Gruppe besitzen. Die beiden Holme der Strickleiter werden aus Hunderttausenden sich abwechselnder Zucker- (Desoxyribose-) und Phosphat-Bausteine gebildet, die innerhalb jedes DNA-Einzelstrangs (Holms) über feste Atombindungen miteinander verknüpft sind. Diese beiden Einzelstränge sind außerdem nach Art einer Strickleiter miteinander verbunden, wobei die zwei Holme der Leiter zusätzlich um eine gedachte Achse schraubenförmig gewunden sind (Doppelhelixstruktur).

Die Sprossen der Strickleiter bestehen aus je zwei organischen Basen (einem so genannten Basenpaar), die über Wasserstoffbrücken (schwächere Bindungskräfte) miteinander verbunden sind und so dafür sorgen, dass die beiden Holme auch im schraubenförmigen Zustand der Strickleiter verknüpft bleiben und im gleichen Abstand nebeneinander liegen.

Normalerweise ist DNA rechtshändig gedreht mit den oben genannten Strukturmerkmalen. Neben dieser, auch "B-DNA" genannten Konformation, existieren auch eine "A-Form" sowie eine 1979 von Alexander Rich und seinen Kollegen am MIT erstmals auch untersuchte, linkshändige, so genannte "Z-DNA". Diese tritt besonders in G-C-reichen Abschnitten auf. Ob A- und Z-Formen auch in vivo zu finden sind, ist allerdings noch nicht abschließend geklärt. Spekuliert wird, dass in gewissen Bakteriensporen mit niedrigem Wassergehalt die A-Form vorkommt.

Die in der DNA vorliegenden Basenpaare werden von den jeweils komplementären Basen Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin gebildet. Zwischen Adenin und Thymin bilden sich dabei zwei Wasserstoffbrücken aus; Cytosin und Guanin sind über drei Wasserstoffbrücken miteinander verknüpft.

Das Riesenmolekül DNA ist demzufolge aus einer Vielzahl von vier verschiedenen Nukleotiden „zusammengesteckt“, die in einem DNA-Einzelstrang in beliebiger Reihenfolge aneinander gebunden werden können und sich dadurch unterscheiden, dass sie jeweils nur eine von vier möglichen organischen Basen enthalten.

Bestimmte Abschnitte der DNA, die so genannten Gene, kodieren genetische Informationen. Gene enthalten "Baupläne" für Proteine oder Moleküle, welche bei der Proteinsynthese oder Regulation des Stoffwechsels einer Zelle beteiligt sind. Die Reihenfolge der Basen bestimmt dabei die genetische Information. Diese Basensequenz kann mittels Sequenzierung z.B. über die Sanger-Methode ermittelt werden.

Die Basenabfolge (Basensequenz) eines Genabschnitts der DNA wird zunächst durch die Transkription in die komplementäre Basensequenz eines so genannten Ribonukleinsäure-Moleküls überschrieben (abgekürzt RNA, selten auch deutsch RNS). RNA enthält im Unterschied zu DNA den Zucker Ribose anstelle von Desoxyribose und die Base Uracil anstelle von Thymin. Als Kopie eines Teils der Information eines DNA-Einzelstrangs dient die RNA dann im Cytoplasma als Bauanleitung für die Herstellung eines Proteins (siehe Proteinbiosynthese).

Die sogenannte „Ein-Gen-Ein-Protein-Hypothese“, die besagt, dass von einem kodierenden Abschnitt auf der DNA die Sequenz eines Proteinmoleküls abgelesen wird, hat heute nur noch eingeschränkte Gültigkeit: Es gibt Regionen der DNA, die durch Verwendung unterschiedlicher Leseraster bei der Transkription jeweils mehrere Proteine kodieren.

Organisiert ist die DNA in der eukaryotischen Zelle in Form von Chromatinfäden, die im Zellkern liegen. Ein einzelner Chromatinfaden besteht jeweils aus einem langen, kontinuierlichen DNA-Doppelstrang. Da ein solcher DNA-Faden, als lange Kette betrachtet, mehrere Meter lang sein kann, im Zellkern aber nur wenig Platz ist, muss die DNA zusätzlich „verpackt“ bzw. gepackt werden ("supercoiling"). Dies geschieht bei Eukaryoten mittels basischer Kernproteine (Histone), die in Abständen eine Vielzahl von "Paketen" bilden, um die die DNA jeweils zweieinhalb Mal herumgewickelt wird. Siehe: Chromatin.

Zu Beginn einer Zellteilung kann jeder Faden mehrfach zu einer kompakten Form spiralisiert werden. Es entstehen die Chromosomen. Diese können in verschiedenen Spiralisierungszuständen vorliegen. Während der Kernteilung (Mitose) werden sie so kompakt verdichtet, dass sie anfärbbar und im Lichtmikroskop bereits bei geringerer Vergrößerung erkennbar sind.

In prokaryotischen Zellen liegt die DNA nicht als linearer Faden mit einem Anfang und einem Ende vor, sondern als zirkuläres Molekül, d.h. das 5'-Ende ist mit dem 3'-Ende des DNA-Stranges verbunden. Diese ringförmig geschlossenen DNA-Moleküle werden je nach Länge der Sequenz als Bakterienchromosom oder Plasmid bezeichnet. Sie befinden sich bei Bakterien auch nicht in einem Zellkern, sondern liegen frei im Plasma. Die Prokaryoten-DNA wird mit Hilfe von Enzymen (z.B. Topoisomerasen und Gyrasen) zu einfachen "Supercoils" aufgewickelt, die man sich wie eine verdrehte Telefonschnur vorstellen kann, also wie nochmals um sich selbst gedrehte Helices.

Auch Viren enthalten als Erbinformation oft DNA, andere Virustypen stattdessen RNA. Sowohl bei den DNA-Viren als auch bei den RNA-Viren wird die Nukleinsäure von einer Protein-Hülle geschützt.

Die DNA ist in der Lage, sich mit Hilfe von Enzymen selbst zu verdoppeln. Sie wird nach dem so genannten semikonservativen Prinzip repliziert. Die doppelsträngige Helix wird zunächst durch das Enzym Helicase aufgetrennt. Jeder der beiden dabei entstehenden Einzelstränge dient nun als Matrize (Vorlage) für den jeweils zu synthetisierenden komplementären Gegenstrang, d. h. jedes der beiden Tochtermoleküle der replizierten DNA besteht aus einem alten und einem dazu komplementären, neu synthetisierten Einzelstrang.

Der Vorgang der DNA-Synthese, d. h. die Bindung der zu verknüpfenden Nukleotide, wird durch Enzyme aus der Gruppe der DNA-Polymerasen vollzogen. Ein zu verknüpfendes Nukleotid muss in der Triphosphat-Verbindung – also als Desoxyribonukleosidtriphosphat – vorliegen. Durch Abspaltung zweier Phosphatteile wird die für den Bindungsvorgang benötigte Energie frei.

Im Bereich der durch das Enzym Helicase gebildeten Replikationsgabel (das heißt, zweier auseinander laufender DNA-Einzelstränge) markiert zunächst ein RNA-Primer, der durch das Enzym Primase synthetisiert wird, den Startpunkt der DNA-Neusynthese. An dieses RNA-Molekül hängt die DNA-Polymerase dann ein zum Nukleotid des alten DNA-Einzelstrangs komplementäres Nukleotid, daran wieder ein weiteres neues passendes Nukleotid usw., bis die DNA wieder zu einem Doppelstrang komplettiert wurde. Dies geschieht an beiden geöffneten Einzelsträngen.

Dennoch entsteht dabei ein Problem: Die Verknüpfung der neuen Nukleotide zu einem komplementären DNA-Einzelstrang verläuft nur in 5'→3' Richtung, d. h. kontinuierlich den alten 3'→5'-Strang entlang (und dabei diesen ablesend) in Richtung der sich immer weiter öffnenden Replikationsgabel ohne Pause in einem Schritt durch.

Die Synthese des zweiten neuen Stranges am alten 5'→3'-Strang dagegen kann nicht kontinuierlich in Richtung der Replikationsgabel, sondern nur von dieser weg ebenfalls in 5'→3' Richtung erfolgen. Die Replikationsgabel ist aber zu Beginn der Replikation nur ein wenig geöffnet, weshalb an diesem Strang – in 'unpassender' Gegenrichtung – immer nur ein kurzes Stück neuer komplementärer DNA entstehen kann.

Da hier jeweils eine DNA-Polymerase nur ca. 1000 Nukleotide verknüpft, ist es notwendig, den gesamten komplementären Strang stückchenweise zu synthetisieren. Bei etwas weiter geöffnetem Zustand der Replikationsgabel lagert sich daher ein neuer RNA-Primer wieder direkt an der Gabelungsstelle an den DNA-Einzelstrang an, und die nächste DNA-Polymerase beginnt – sich von der Replikationsgabel entfernend – erneut ca. 1000 Nukleotide an den RNA-Primer zu hängen.

Derselbe Vorgang wird laufend wiederholt, d. h. der komplementäre DNA-Strang entsteht nach und nach häppchenweise. Bei der Synthese des 3'→5'-Stranges wird also pro DNA-Syntheseeinheit jeweils ein neuer RNA-Primer benötigt. Primer und zugehörige Syntheseeinheit bezeichnet man als Okazaki-Fragment. Die für den Replikations-Start benötigten RNA-Primer werden anschließend enzymatisch abgebaut. Dadurch entstehen Lücken im neuen DNA-Strang, welche durch spezielle DNA-Polymerasen mit DNA-Nukleotiden aufgefüllt werden.

Zum Abschluss verknüpft das Enzym Ligase die noch nicht miteinander verbundenen neuen DNA-Abschnitte zu einem einzigen, langen, komplementären Strang.

Nach Abschluss der Replikation wurden also zwei DNA-Einzelstränge in etwas unterschiedlicher Weise jeweils wieder zu einem Doppelstrang ergänzt. Aus einem DNA-Molekül sind somit zwei identische entstanden.

DNA-Moleküle spielen als Informationsträger und „Andockstelle“ eine wichtige Rolle für Enzyme, die für die Transkription zuständig sind. Weiterhin ist die Information bestimmter DNA-Abschnitte, wie sie etwa in operativen Einheiten wie dem Operon vorliegt, wichtig für Regulationsprozesse innerhalb der Zelle.

Mutationen von DNA-Abschnitten – z. B. Austausch von Basen gegen andere oder Änderungen in der Basensequenz – führen zu Veränderungen des Erbgutes, die zum Teil tödlich (letal) für den betroffenen Organismus sein können. In seltenen Fällen sind solche Mutationen aber auch von Vorteil; sie bilden dann den Ausgangspunkt für die Veränderung von Lebewesen im Rahmen der Evolution. Mittels der Rekombination bei der geschlechtlichen Fortpflanzung wird diese Veränderung der DNA sogar zu einem entscheidenden Faktor bei der Evolution: Die eukaryotische Zelle besitzt in der Regel mehrere Chromosomensätze, d.h. ein DNA-Doppelstrang liegt mindestens zwei Mal vor. Durch wechselseitigen Austausch von Teilen dieser DNA-Stränge, dem Crossing-over bei der Meiose, können so neue Eigenschaften entstehen.

DNA-Moleküle können durch verschiedene Einflüsse beschädigt werden. UV- oder γ-Strahlung, Alkylierung sowie Oxidation können die DNA-Basen chemisch verändern oder zum Strangbruch führen. Diese chemischen Änderungen beinträchtigen unter Umständen die Paarungseigenschaften der betroffenen Basen. Dieses Prinzip ist eine wesentliche Ursache für Mutationen während der Replikation.

Einige häufige DNA-Schäden sind:

• die Bildung von Uracil aus Cytosin unter spontanem Verlust einer Aminogruppe durch Hydrolyse: Uracil ist wie Thymin komplementär zu Adenin.
• Thymin-Thymin-Dimerschäden (verursacht durch photochemische Reaktion zweier aufeinander folgender Thyminbasen im DNA-Strang durch UV-Strahlung, z.B. aus Sonnenlicht. Diese Schäden sind wahrscheinlich eine wesentliche Ursache für die Entstehung von Hautkrebs).
• die Entstehung von 8-oxo-Guanin durch Oxidation von Guanin: 8-oxo-Guanin ist sowohl zu Cytosin als auch zu Adenin komplementär. Während der Replikation können beide Basen gegenüber 8-oxo-Guanin eingebaut werden.

Aufgrund ihrer mutagenen Eigenschaften und ihres häufigen Auftretens (Schätzungen belaufen sich auf 10⁴-10⁶ neue Schäden pro Zelle und Tag) müssen DNA-Schäden rechtzeitig aus dem Genom entfernt werden. Zellen verfügen dafür über ein effizientes DNA-Reparatursystem. Dieses beseitigt Schäden mit Hilfe folgender Strategien:

• Direkte Schadensreversion: Ein Enzym macht die chemische Änderung an der DNA-Base rückgängig.
• Basenexcisionsreparatur: Die fehlerhafte Base, z. B. 8-oxo-Guanin, wird aus dem Genom ausgeschnitten. Die entstandene freie Stelle wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert.
• Nukleotidexcisionsreparatur: Ein größerer Teilstrang, der den Schaden enthält, wird aus dem Genom ausgeschnitten. Dieser wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert.
• Homologe Rekombination: Sind beide DNA-Stränge beschädigt, wird die genetische Information aus dem zweiten Chromosom des homologen Chromosomenpaars für die Reparatur verwendet.
• Replikation mit speziellen Polymerasen: DNA-Polymerase η kann z. B. fehlerfrei über einen TT-Dimerschaden replizieren. Menschen, bei denen Polymerase η nicht oder nur eingeschränkt funktioniert, leiden häufig an Xeroderma Pigmentosum, einer Erbkrankheit, die zu extremer Sonnenlichtempfindlichkeit führt.

• Biocomputing

• Chris R. Calladine u.a.: DNA - Das Molekül und seine Funktionsweise. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2005 (3. Aufl.). ISBN 3-8274-1605-1
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• Ernst Peter Fischer: Am Anfang war die Doppelhelix. Ullstein, Berlin 2004. ISBN 3548366732
• Ernst Peter Fischer: Das Genom. Fischer, Frankfurt M 2002. ISBN 359615362X
• James D. Watson: Die Doppelhelix. Rowohlt, Reinbek 1997. ISBN 3499602555
• James D. Watson: Gene, Girls und Gamov. Piper, München 2003. ISBN 3-492-04428-X
• James D. Watson: Am Anfang war die Doppelhelix Ullstein, Berlin 2003. ISBN 3-550-07566-9
• James D. Watson, M. Gilman, J. Witkowski, M. Zoller: Rekombinierte DNA. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1993 (2. Aufl.). ISBN 3860250728
• Thomas Lindahl: Instability and decay of the primary structure of DNA. in: Nature. Macmillan Jounals, London 1993,362, 709-715. ISSN 0028-0836
• W. Wayt Gibbs: Preziosen im DNA-Schrott. in: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 2004,2, 68-75. ISSN 0170-2971
• W. Wayt Gibbs: DNA ist nicht alles. in: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 2004,3, 68-75. ISSN 0170-2971

• DNA / Aufbau / Graphik - Mutationen - Reparatur - Antibiotika - Zellbiologie - interzelluläre Genregulation
• DNA-Isolierung "in der Küche"
• DNA Interactive – Seite des Cold Spring Harbor Institute und des Howard Hughes Medical Institute (eine exzellente Einführung in die Thematik, engl.)
• DNA from the Beginning des Dolan DNA Learning Center
• "DNA from the Beginning" (deutsch)
• Nukleinsäuren
• 3sat: Nano: Die größte biologische Entdeckung: 50 Jahre DNA-Struktur
• DNA – Aufbau und Vervielfältigung (Bestandteile & Aufbau der DNA, Replikation und PCR)
• Die DNS anschaulich erklärt

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