DNA – Desoxyribonukleinsäure
Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül und die Trägerin der Erbinformation. Sie enthält die Gene, welche die Information für die Herstellung der Ribonukleinsäuren (RNA), enthalten.
Die mRNA (messenger RNA oder graue Tochter) enthält wiederum die Information für den Bau der Proteine, welche für die biologische Entwicklung eines Organismus und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. Innerhalb der Protein-codierenden Gene legt die Abfolge der Basen die Abfolge der Aminosäuren des jeweiligen Proteins fest: Im genetischen Code stehen jeweils drei Basen (Triplets) für eine bestimmte Aminosäure.
DNA kommt normalerweise als schraubenförmige Doppelhelix vor. Zwei der Einzelstränge sind dabei aneinandergelagert, und zwar in entgegengesetzter Richtung: An jedem Ende der Doppelhelix hat einer der beiden Einzelstränge sein 3′-Ende, der andere sein 5′-Ende. Durch die Aneinanderlagerung stehen sich in der Mitte der Doppelhelix immer zwei bestimmte Basen gegenüber, sie sind „gepaart“. Die Doppelhelix wird hauptsächlich durch Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinander folgenden Basen stabilisiert.
Es paaren sich immer Adenin und Thymin, die dabei zwei Wasserstoffbrücken ausbilden, oder Cytosin mit Guanin, die über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind.
Da sich immer die gleichen Basen paaren, lässt sich aus der Sequenz der Basen in einem Strang die des anderen Strangs ableiten, die Sequenzen sind komplementär. Dabei sind die Wasserstoffbrücken fast ausschließlich für die Spezifität der Paarung verantwortlich, nicht aber für die Stabilität der Doppelhelix.
Da stets ein Purin ( Adenin und Guanin) mit einem Pyrimidin (Cytosin und Thymin oder Uracil) kombiniert wird, ist der Abstand zwischen den Strängen überall gleich, es entsteht eine regelmäßige Struktur. Die ganze Helix hat einen Durchmesser von ungefähr 2 Nanometern (nm) und windet sich mit jedem Zuckermolekül um 0,34 nm weiter.
Aufbau und Organisation
Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Kettenmolekül (Polymer) aus vielen Bausteinen, die man Nukleotide nennt. Jedes Nukleotid hat drei Bestandteile:
Phosphorsäure bzw. Phosphat, den Zucker Desoxyribose, sowie eine Nukleobase oder kurz Base.
Phosphatrückgrat: Basen: Adenin – Thymin sowie Guanin – Cytosin Pyrimidine : Cytosin – Thymin (bzw. Uracil) Purine: Adenin – Guanin
Die Desoxyribose- und Phosphorsäure-Untereinheiten sind bei jedem Nukleotid gleich. Sie bilden das Rückgrat des Moleküls.
Die Phosphatreste, welche aufgrund ihrer negativen Ladung hydrophil sind, geben der DNA insgesamt eine negative Ladung. Sie sind es auch, die die DNA chemisch zur Säure machen.
Bei der Base kann es sich um ein Purin, nämlich Adenin (A) oder Guanin (G) oder um ein Pyrimidin nämlich um Cytosin (C ) oder Thymin (T) bzw. Uracil (U) handeln. Da sich die vier verschiedenen Nukleotide nur durch ihre Base unterscheiden, werden die Abkürzungen A, G, T/U und C auch für die entsprechenden Nukleotide verwendet.
Die fünf Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1′ (sprich Eins Strich) bis 5′ nummeriert. Am 1′-Ende dieses Zuckers ist die Base gebunden. Am 5′-Ende hängt der Phosphatrest. Genau genommen handelt es sich bei der Desoxyribose um die 2-Desoxyribose, der Name kommt daher, dass im Vergleich zu einem Ribose-Molekül eine alkoholische OH-Gruppe an der 2′-Position fehlt (bzw. durch ein Wasserstoff ersetzt wurde).
An der 3′-Position ist eine OH-Gruppe vorhanden, welche die Desoxyribose über eine sogenannte Phosphodiester-Bindung mit der Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids zum 5′-Kohlenstoffatom des zugehörigen Zuckers verknüpft. Dadurch besitzt jeder sogenannte Einzelstrang zwei verschiedene Enden: ein 5′- und ein 3′-Ende.
DNA-Polymerasen, die in der belebten Welt die Synthese von DNA-Strängen durchführen, können neue Nukleotide nur an die OH-Gruppe am 3′-Ende anfügen, nicht aber am 5′-Ende. Der Einzelstrang wächst also immer von 5′ nach 3′ (siehe auch DNA-Replikation weiter unten). Dabei wird ein Nucleosidtriphosphat (mit drei Phosphatresten) als neuer Baustein angeliefert, von dem zwei Phosphate in Form von Pyrophosphat abgespalten werden. Der verbleibende Phosphatrest des jeweils neu hinzukommenden Nukleotids wird mit der OH-Gruppe am 3′-Ende des letzten im Strang vorhandenen Nukleotids unter Wasserabspaltung verbunden. Die Abfolge der Basen im Strang kodiert die genetische Information.
Chromosome
Organisiert ist die DNA in Form von Chromatinfäden, genannt Chromosomen, die im Zellkern liegen. Ein einzelnes Chromosom enthält jeweils einen langen, kontinuierlichen DNA-Doppelstrang. Da ein solcher DNA-Faden mehrere Zentimeter lang sein kann, ein Zellkern aber nur wenige Mikrometer Durchmesser hat, muss die DNA zusätzlich komprimiert bzw. „gepackt“ werden. Dies geschieht bei Eukaryoten mit sogenannten Chromatinproteinen, von denen besonders die basischen Histone zu erwähnen sind. Sie bilden die Nukleosomen, um die die DNA auf der niedrigsten Verpackungsebene herumgewickelt wird. Während der Kernteilung wird jedes Chromosom zu einer kompakten Form kondensiert. Dadurch werden sie im Lichtmikroskop bereits bei geringer Vergrößerung sichtbar.
Stapelwechselwirkungen.
Für die Stabilität der Doppelhelix sind hauptsächlich zwei Faktoren verantwortlich: die Basenpaarung zwischen komplementären Basen sowie Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Basen.
Der Energiegewinn durch Wasserstoffbrückenbindungen ist vernachlässigbar, da die Basen mit dem umgebenden Wasser ähnlich gute Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können. Stapelwechselwirkungen hingegen wirken nur in der Doppelhelix zwischen aufeinander folgenden Basenpaaren, sie sind jedoch sequenz abhängig und energetisch am günstigsten für gestapelte GC-GC, weniger günstig für gestapelte AT-AT. Die Unterschiede in den Stapelwechselwirkungen erklären hauptsächlich, warum GC-reiche DNA-Abschnitte thermodynamisch stabiler sind als AT-reiche, während Wasserstoffbrückenbildung eine untergeordnete Rolle spielt.
Genetischer Informationsgehalt und Transcription
DNA-Moleküle spielen als Informationsträger und „Andockstelle“ eine wichtige Rolle für Enzyme, die für die Transcription zuständig sind. Weiterhin ist die Information bestimmter DNA-Abschnitte, wichtig für Regulationsprozesse innerhalb der Zelle.
Gene beeinflussen den Aufbau und die Organisation des Organismus, sie enthalten „Baupläne“ für Proteine oder Moleküle, die bei der Proteinsynthese oder der Regulation des Stoffwechsels einer Zelle beteiligt sind. Die Reihenfolge der Basen bestimmt dabei die genetische Information.
Die Basenabfolge (Basensequenz) eines Genabschnitts der DNA wird zunächst durch die Transcription in die komplementäre Basensequenz eines sogenannten Ribonukleinsäure-Moleküls überschrieben (RNA). Die RNA enthält im Unterschied zur DNA den Zucker Ribose anstelle von Desoxyribose und die Base Uracil anstelle von Thymin, der Informationsgehalt ist aber derselbe. Für die Proteinsynthese wird die sogenannte mRNA verwendet, einsträngige RNA-Moleküle, die aus dem Zellkern ins Zytoplasma hinaustransportiert werden, wo die Proteinsynthese stattfindet.
Von einem kodierenden Abschnitt auf der DNA wird die Sequenz jeweils eines Proteinmoleküls abgelesen. Es gibt aber Regionen der DNA, die durch Verwendung unterschiedlicher Lese-raster bei der Transkription jeweils mehrere Proteine kodieren. Außerdem können durch nachträgliches Schneiden der mRNA verschiedene Isoformen eines Proteins hergestellt werden.
Die Speicherkapazität der DNA konnte bisher nicht nachgebildet werden. Ein Gramm getrockneter DNA enthält den Informationsgehalt von 1 Billion CDs. Mit der Informationsdichte in einem Kaffeelöffel getrockneter DNA könnte die aktuelle Weltbevölkerung etwa 350 Mal nachgebildet werden.
DNA-Replikation
Die DNA kann sich mit Hilfe von Enzymen selbst verdoppeln. Die doppelsträngige Helix wird durch das Enzym Helikase aufgetrennt. Die entstehenden Einzelstränge dienen als Vorlage für den jeweils zu synthetisierenden komplementären Gegenstrang, der sich an sie anlagert.
Die 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.
Das Enzym Helikase bildet zwei auseinander laufende DNA-Einzelstränge. In ihrem Bereich markiert ein RNA-Primer der durch das Enzym Primase synthetisiert wird, den Startpunkt der DNA-Neusynthese. An dieses RNA-Molekül hängt die DNA-Polymerase nacheinander Nukleotide, die denen der DNA-Einzelstränge komplementär sind.
Die Verknüpfung der neuen Nukleotide zu einem komplementären DNA-Einzelstrang kann an den beiden alten Strängen nur in 5`- 3`Richtung verlaufen und tut das demzufolge ohne Unterbrechung den alten 3`- 5`-Strang entlang in Richtung der sich immer weiter öffnenden Replikationsgabel.
Die Synthese des neuen Stranges am alten 5’→3′-Strang dagegen kann nicht kontinuierlich auf die „Replikationsgabel“ zu, sondern nur von dieser weg ebenfalls in 5’→3′-Richtung erfolgen. Der alte Doppelstrang ist aber zu Beginn der Replikation nur ein Stück weit geöffnet, so dass an dem zweiten Strang – in „unpassender“ Gegenrichtung – immer nur ein kurzes Stück neuer komplementärer DNA entstehen kann.
Da dabei eine DNA-Polymerase jeweils nur etwa 1000 Nukleotide verknüpft, ist es nötig, den gesamten komplementären Strang in einzelnen Stücken zu synthetisieren. Wenn sich die Replikationsgabel etwas weiter geöffnet hat, lagert sich daher ein neuer RNA-Primer wieder direkt an der Gabelungsstelle an den zweiten Einzelstrang an und initiiert die nächste DNA-Polymerase.
Bei der Synthese des 3’→5′-Stranges wird deshalb pro DNA-Syntheseeinheit jeweils ein neuer RNA-Primer benötigt. Die für den Replikations-Start benötigten RNA-Primer werden anschließend enzymatisch abgebaut. Dadurch entstehen Lücken im neuen DNA-Strang, die 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 Strang.
Mutationen und andere DNA-Schäden
Mutationen von DNA-Abschnitten – wie z.B. Austausch von Basen gegen andere oder Änderungen in der Basensequenz – führen zu Veränderungen des Erbgutes, die zum Teil tödlich für den betroffenen Organismus sein können.
Selten sind solche Mutationen 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. Durch radioaktive Strahlungen, usw. können die DNA-Basen chemisch verändert werden oder es kann zum Strangbruch führen. Diese chemischen Änderungen beeinträchtigen unter Umständen die Paarungseigenschaften der betroffenen Basen. Viele der Mutationen während der Replikation kommen so zustande.
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 aus Sonnenlicht.
- 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. Es beseitigt Schäden mit Hilfe folgender Strategien:
- Direkte Schadensreversion: Ein Enzym macht die chemische Änderung an der DNA-Base rückgängig.
- Basenexcisionsreparatur: Die fehlerhafte Base, zum Beispiel 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 zum Beispiel fehlerfrei über einen TT-Dimerschaden replizieren. Menschen, bei denen Polymerase η nicht oder nur eingeschränkt funktioniert, leiden häufig an einer Erbkrankheit, die zu extremer Sonnenlichtempfindlichkeit führt.