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Desoxyribonukleinsäure

(Weitergeleitet von DNA)

Synonyme: DNS, DNA, Thymonukleinsäure
Englisch: deoxyribonucleic acid, DNA

1 Definition

Die Desoxyribonukleinsäure (DNS) ist ein sehr großes, phosphor- und stickstoffhaltiges Molekül, das als Träger der Erbinformation dient. Anhand dieser Information, die in einer bestimmten Form, dem genetischen Code, in die DNA eingeschrieben ist, werden Proteine produziert.

Im wissenschaftlichen Sprachgebrauch verwendet man meistens die englische Abkürzung DNA (deoxyribonucleic acid). Diese Abkürzung sollte auch im deutschen Schrifttum verwendet werden, um Verwechslungen mit dem Domain Name System (DNS) des Internets zu vermeiden.

2 Der Aufbau der DNA

Die Struktur der DNA wurde 1953 von James Watson und Francis Crick entschlüsselt, die 1962 dafür den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielten.

Nach dem Modell dieser beiden Forscher ist die DNA aus zwei gegenläufigen DNA-Einzelsträngen aufgebaut. Jeder Einzelstrang hat ein 5'- und ein 3'-Ende. Am 5'-Ende sitzt ein Phosphatrest, am 3'-Ende eine OH-Gruppe.

Die DNA besitzt eine Strickleiterstruktur, bei der die zwei Holme der Leiter um eine gedachte Achse schraubenförmig gewunden sind (Doppelhelixstruktur). Die beiden Holme der Strickleiter werden aus Hunderttausenden sich abwechselnder Zucker- (Desoxyribose-) und Phosphatreste gebildet, die innerhalb jedes DNA-Einzelstrangs (Holms) über feste Atombindungen miteinander verknüpft sind. Die Art der Bindung bezeichnet man als Phosphodiesterbindung, da die mit dem C3'-Atom eines Desoxyribosemoleküls veresterte Phosphatgruppe eine weitere Esterbindung mit der OH-Gruppe am C5'-Atom eines anderen Desoxyribosemoleküls eingeht (durch diese Verknüpfung kommen die spezifischen 5' bzw. 3'-Enden der DNA zustande). Die Sprossen der Strickleiter bestehen aus je zwei organischen Basen (einem so genannten Basenpaar), die je über eine N-glykosidische Bindung mit einem Desoxyribosemolekül und 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. Insgesamt gibt es in der DNA vier verschiedene organische Basen: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, die gewöhnlich mit den Anfangsbuchstaben A, C, G und T abgekürzt werden. Die Basenpaare werden von den jeweils komplementären Basen Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin gebildet. Zwischen Adenin und Thymin bilden sich dabei zwei Wasserstoffbrücken aus; Cytosin und Guanin sind über drei Wasserstoffbrücken miteinander verknüpft.

Anders ausgedrückt: Das Riesenmolekül DNA ist 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.

Jeweils drei solcher Basen, wie sie in einem DNA-Einzelstrang direkt hintereinander liegen, bilden ein so genanntes Basentriplett] oder Codon. Jedes Basentriplett steht für eine von 20 Aminosäuren, aus denen die Proteine aufgebaut sind. Die Reihenfolge der Basen - und damit der Basentripletts - bestimmt also die Reihenfolge der Aminosäuren in den Proteinen. Dadurch wird der Aufbau der Proteine mit Hilfe der Basensequenz innerhalb der DNA beschrieben. Die Information der DNA wird bei der Proteinbiosynthese zunächst durch die Transkription in mRNA-Moleküle überschrieben. Die von der mRNA übermittelte Information wird dann durch Translation am Ribosom in eine Polypeptidkette übersetzt. (Details hierzu siehe unter genetischer Code).

3 Verdopplung der DNA/DNA-Replikation

Die DNA ist in der Lage, sich mit Hilfe von Enzymen selbst zu verdoppeln. Sie wird nach dem so genannten semi-konservativen Prinzip repliziert. Die doppelsträngige Helix wird zunächst durch das Enzym Helicase aufgetrennt. Ein Einzelstrang dient als Matrize für den zu synthetisierenden komplementären Gegenstrang, d.h. die replizierte DNA besteht jeweils aus einem alten und einem neu synthetisierten komplementären 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 gebildeteten Replikationsgabel (das heißt, zweier auseinander laufender DNA-Einzelstränge) markiert zunächst ein RNA-Primer den Startpunkt der DNA-Neusynthese. An das RNA-Molekül hängt die DNA-Polymerase dann ein zum Nukleotid des alten DNA-Einzelstrangs komplementäres Nuckleotid, daran wieder ein weiteres neues passendes Nukleotid usw., bis die DNA wieder zu einem Doppelstrang komplettiert wurde. Dies geschieht an beiden geöffneten Einzelsträngen.

Dennoch ergibt sich 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 - quasi in 'unpassender' Gegenrichtung - immer nur ein kurzes Stück neuer komplementärer DNA entstehen kann. Da hier jeweils eine DNA-Polymerase nur ca. 1.000 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. 1.000 Nukleotide an den RNA-Primer zu hängen. Dasselbe Spielchen 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-Stück.

Erwähnt sei noch, dass die für den Replikations-Start benötigten RNA-Primer enzymatisch abgebaut werden. 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 Einzelstrang.

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 entstanden.

4 Andere Funktionen der DNA

Mutationen von DNA-Abschnitten - z.B. Austausch von Basen gegen andere oder Änderungen in der Basensequenz - führen zu Veränderungen des Erbguts, die zum Teil tödlich (letal) für den betroffenen Organismus sein können. Gelegentlich sind solche Mutationen aber auch von Vorteil; sie bilden dann den Ausgangspunkt für die Veränderung von Lebewesen im Rahmen der Evolution. DNA-Moleküle spielen als Informationsträger und "Andockstelle" auch eine Rolle für Enzyme, die für die Transkription zuständig sind. Siehe RNA-Polymerase. Weiterhin ist die Information bestimmter DNA-Abschnitte, wie sie etwa in operativen Einheiten wie dem Operon vorliegt, wichtig für Regulationsprozesse innerhalb der Zelle.

5 Besondere Formen

6 Literatur

  • James D. Watson: Die Doppelhelix. Rowohlt-Taschenbuch 1997
  • James D. Watson: Gene, Girls und Gamov. Erinnerungen eines Genies. Piper 2003 ISBN 3-492-04428-X
  • Ernst Peter Fischer: Das Genom. Fischer-Taschenbuch 2002
  • Ernst Peter Fischer: Am Anfang war die Doppelhelix. James D. Watson und die neue Wissenschaft vom Leben. Ullstein 2003 ISBN 3-550-07566-9
  • T.A. Brown: Moderne Genetik. 2. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag, 1999
  • James D. Watson, M. Gilman, J. Witkowski und M. Zoller: Rekombinierte DNA. 2. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag 1993

7 Weblinks

Modifiziert nach Wikipedia

Hallo Ramona, danke für den Hinweis. Die Links sind aktualisiert. Weitere interessante Links können jederzeit hinzugefügt werden.
#1 am 10.04.2013 von Bettina Beutler (Nichtmedizinische Berufe)

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