Desoxyribonukleinsäure - DNA

Synonyme

Erbgut, Gene, genetischer Fingerabdruck

Englisch: Desoxyribonucleic acid (DNS)

Die DNA ist die Bauanleitung für den Körper eines jeden Lebewesens (Säugetiere, Bakterien, Pilze etc.). Sie entspricht in ihrer Gesamtheit unseren Genen und ist sowohl für die allgemeinen Merkmale eines Lebewesen, wie z.B. die Anzahl der Beine und Arme, sowie für individuelle Merkmale wie die Haarfarbe verantwortlich.
Ähnlich unseres Fingerabdrucks ist die DNA bei jedem Menschen unterschiedlich und abhängig von der DNA unserer Eltern. Eineiige Zwillinge bilden hier die Ausnahme: Sie besitzen eine identische DNA.

Beim Menschen ist die DNA in jeder Körperzelle mit Zellkern (Nukleus) enthalten. Bei Lebewesen, die keinen Zellkern besitzen, wie z.B. Bakterien oder Pilzen, liegt die DNA frei im Zellraum (Cytoplasma).Der Zellkern, welcher nur ca. 5-15 µm misst, ist so gesehen das Herz unserer Zellen. In ihm sind unsere Gene in Form von DNA in 46 Chromosomen untergebracht. Um die insgesamt ca. 2m lange DNA in den winzigen Zellkern zu packen, ist sie über stabilisierende Proteine und Enzyme in Spiralen, Schlingen und Windungen komprimiert.

Somit ergeben mehrere Gene auf einem DNA-Strang eins von 46 X-förmigen Chromosomen. Die 46 Chromosomen setzen sich zur Hälfte aus Chromosomen der Mutter und zur Hälfte aus Chromosomen des Vaters zusammen. Die Aktivierung der Gene ist jedoch weitaus komplizierter, so dass die Merkmale des Kindes nicht genau zu 50% auf jedes Elternteil zurück zu führen ist.

Abgesehen von der DNA in Form von Chromosomen im Zellkern, befindet sich weitere kreisförmige DNA in den „Energiekraftwerken“ der Zellen, den Mitochondrien.
Dieser DNA-Kreis wird ausschließlich von der Mutter an das Kind vererbt.

Man kann sich die DNA als einen Doppelstrang vorstellen, welcher wie eine Wendeltreppe aufgebaut ist. Diese Doppelhelix ist etwas ungleichmäßig, so dass sich immer abwechselnd ein größerer und ein kleinerer Abstand zwischen den Stufen der Wendeltreppe ergeben (große und kleine Furchen).

Den Handlauf dieser Leiter bilden abwechselnd:

• ein Zuckerrest (Desoxyribose) und
• ein Phosphatrest.

Von den Handläufen geht jeweils eine von vier möglichen Basen aus. Somit bilden zwei Basen eine Stufe. Die Basen selbst sind über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.

Aus diesem Aufbau erklärt sich nun der Name DNA: Desoxyribose (= Zucker) + Nucleic (=aus dem Zellkern) + Acid/ Säure (=Gesamtladung des Zucker-Phosphat-Rückrates).

Basen sind ringförmige unterschiedliche chemische Strukturen mit entsprechend ungleichen chemischen Bindungsfunktionen. In der DNA sind nur vier unterschiedliche Basen zu finden.

• Cytosin und Thymin (in der RNA durch Uracil ersetzt) sind sogenannte Pyrimidinbasen und besitzen einen Ring in ihrer Struktur.
• Purinbasen besitzen hingegen zwei Ringe in ihrer Struktur. In der DNA heißen diese Adenin und Guanin.

Für die Kombination der beiden Basen, welche zusammen eine Treppenstufe bilden, gibt es jeweils nur eine Möglichkeit.

Es ist immer eine Purinbase mit einer Pyrimidinbase verknüpft. Auf Grund der chemischen Strukturen bilden immer Cytosin mit Guanin und Adenin mit Thymin komplementäre Basenpaare.

Mehr ausführlichere Informationen zu diesem Thema lesen Sie unter: Telomere - Anatomie, Funktion & Erkrankungen

In der DNA kommen 4 verschiedene Basen vor.
Dazu gehören die vom Pyrimidin abgeleiteten Basen mit nur einem Ring (Cytosin und Thymin) und die vom Purin abgeleiteten Basen mit zwei Ringen ( Adenin und Guanin).

Diese Basen sind jeweils mit einem Zucker- und einem Phosphatmolekül verknüpft und werden dann auch als Adenin-Nukleotid oder Cytosin-Nukleotid bezeichnet. Diese Kopplung an den Zucker und an das Phosphat ist nötig, damit die einzelnen Basen zu einem langen DNA-Strang verbunden werden können. In dem DNA-Strang wechseln sich nämlich Zucker und Phosphat ab, sie bilden quasi die seitlichen Elemente der DNA-Leiter. Die Leiterstufen der DNA werden von den vier verschiedenen Basen gebildet, die nach innen zeigen.
Dabei gehen immer Adenin und Thymin,bzw. Guanin und Cytosin eine sogenannte komplementäre Basenpaarung ein.
Die DNA-Basen werden dabei über sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen verknüpft. Bei dem Adenin-Thymin-Paar sind es zwei, bei dem Guanin-Cytosin-Paar drei dieser Bindungen.

Die DNA-Polymerase ist ein Enzym, das die Nukleotide miteinander verbinden und so einen neuen DNA-Strang herstellen kann.
Die DNA-Polymerase kann allerdings nur arbeiten, wenn durch ein anderes Enzym (eine andere DNA-Polymerase) ein sogenannter „Primer", also ein Startmolekül für die eigentliche DNA-Polymerase hergestellt wurde.
Die DNA-Polymerase setzt dann an dem freien Ende eines Zuckermoleküls innerhalb eines Nukleotids an und verknüpft diesen Zucker mit dem Phosphat des nächsten Nukleotids.
Die DNA-Polymerase stellt im Rahmen der DNA-Replikation (Vervielfältigung der DNA im Prozess der Zellteilung) neue DNA-Moleküle her, indem sie den schon vorhandenen DNA-Strang abliest und den entsprechend gegensätzlichen Tochter-Strang synthetisiert. Damit die DNA-Polymerase an den „Eltern-Strang“ gelangen kann, muss im Rahmen der DNA-Replikation die eigentlich doppelsträngige DNA durch vorbereitende Enzyme entwunden werden.

Neben den DNA-Polymerasen, die an der Vervielfältigung der DNA beteiligt sind, gibt es noch DNA-Polymerasen, die kaputte Stellen oder fehlerhaft kopierte Stellen reparieren können.

Um das Wachstum und die Entwicklung unseres Körpers, die Vererbung unserer Gene und die Produktion der dafür notwendigen Zellen und Proteine zu gewährleisten, muss eine Zellteilung (Meiose, Mitose) stattfinden. Die dafür notwendigen Vorgänge, welche unsere DNA durchlaufen muss, sind im Überblick dargestellt:

Replikation:

Ziel der Replikation ist die Verdopplung unseres Erbmaterials (DNA) im Zellkern, vor der Zellteilung. Die Chromosomen werden stückweise entwunden, so dass sich Enzyme an die DNA setzen können.
Der gegenläufige DNA-Doppelstrang wird geöffnet, so dass die beiden Basen nicht mehr miteinander verbunden sind. Jede Seite des Handlaufs bzw. die Base wird jetzt von verschiedensten Enzymen abgelesen und durch die komplementäre Base inklusive Handlauf ergänzt. So entstehen zwei identische DNA- Doppelstränge, die auf die beiden Tochterzellen verteilt werden.

Transkription:

Genau wie die Replikation findet auch die Transkription im Zellkern statt. Ziel ist es, den Basen-Code der DNA in eine mRNA (messenger ribonucleic acid) umzuschreiben. Dabei wird Thymin durch Uracil ausgetauscht und DNA-Anteile, die nicht für Proteine codieren, ähnlich eines Leerzeichens, ausgeschnitten. Dadurch ist die mRNA, welche nun aus dem Zellkern transportiert wird, um einiges kürzer als die DNA und nur einstrangig.

Translation:

Ist die mRNA nun im Zellraum angekommen wird der Schlüssel aus Basen abgelesen. Dieser Vorgang findet an Ribosomen statt. Drei Basen (Basentriplett) ergeben den Code für eine Aminosäure. Insgesamt werden 20 verschiedene Aminosäuren verbaut. Ist die mRNA fertig abgelesen, so ergibt der Strang aus Aminosäuren ein Protein, welches entweder in der Zelle selbst genutzt oder an das Zielorgan versendet wird.

Mutationen:

Beim Vermehren und Ablesen der DNA kann es zu mehr oder weniger schwerwiegenden Fehlern kommen. In einer Zelle kommt es pro Tag zu etwa 10.000 bis 1.000.000 Schäden, welche in der Regel durch Reparatur-Enzyme behoben werden können, wodurch die Fehler keine Auswirkung auf die Zelle haben.

Ist das Produkt, also das Protein, trotz Mutation unverändert, so liegt eine stumme Mutation vor. Ist das Protein jedoch verändert, so kommt es häufig zur Krankheitsentstehung. Zum Beispiel führt UV-Strahlung (Sonnenlicht) dazu, dass eine Schädigung einer Thyminbase nicht repariert werden kann. Die Folge kann Hautkrebs sein.
Mutationen müssen aber nicht zwangsläufig mit einer Erkrankung verbunden sein. Sie können den Organismus auch zu dessen Vorteil verändern. So sind Mutationen großer Bestandteil der Evolution, weil sich Organismen nur durch Mutationen langfristig an ihre Umgebung anpassen können.

Es gibt diverse Mutationsarten, die spontan während verschiedenen Zellzyklusphasen auftreten können. Ist ein Gen beispielsweise defekt, dann spricht man von einer Genmutation. Wenn der Fehler jedoch bestimmte Chromosomen bzw. Chromosomenteile betrifft, dann geht es um eine Chromosomenmutation. Ist die Chromosomenzahl betroffen, führt es dann zu einer Genommutation. 

Lesen Sie mehr hierzu unter: Chromosomenaberration - Was versteht man darunter?

Das Ziel der DNA-Replikation ist die Vervielfältigung der vorhandenen DNA.
Während der Zellteilung wird die DNA der Zelle exakt verdoppelt und anschließend auf beide Tochterzellen verteilt.

Die Verdopplung der DNA findet nach dem sogenannten semikonservativen Prinzip statt, das heißt, dass nach der anfänglichen Entwindung der DNA der ursprüngliche DNA-Strang durch ein Enzym (Helikase) aufgetrennt wird und jeder dieser beiden „Originalstränge“ als Vorlage für einen neuen DNA-Strang dient.

Die DNA-Polymerase ist das Enzym, das für die Synthese des neuen Strangs verantwortlich ist. Da die gegenüberliegenden Basen eines DNA-Strangs komplementär zueinander sind, kann die DNA-Polymerase mit Hilfe des vorliegenden „Originalstrangs“ die freien Basen in der Zelle in der richtigen Reihenfolge anordnen und so einen neuen DNA-Doppelstrang bilden.

Nach dieser exakten Verdopplung der DNA werden die zwei Tochterstränge, welche nun dieselbe Erbinformation enthalten, auf die beiden Zellen, die bei der Zellteilung entstanden sind, aufgeteilt. Somit sind zwei identische Tochterzellen daraus hervorgegangen.

Lange Zeit war unklar, welche Strukturen im Körper für die Weitergabe unseres Erbgutes zuständig sind. Dank dem Schweizer Friedrich Miescher wurde das Augenmerk der Forschung 1869 auf den Inhalt des Zellkerns gelegt.

1919 wurden von dem Litauen Phoebus Levene die Basen, der Zucker- und der Phosphatrest als Baustoff unserer Gene entdeckt. Den Beweis, dass tatsächlich DNA und keine Proteine für die Übertragung von Genen verantwortlich sind, konnte der Kanadier Oswald Avery 1943 mit Bakterien-Versuchen beweisen.
Der US-Amerikaner James Watson und der Brite Francis Crick machten dem Forschungsmarathon, welcher sich über viele Nationen ausgebreitet hatte, 1953 ein Ende. Sie waren die ersten, die mit Hilfe von Rosalind Franklins (Britin) DNA-Röntgenaufnahmen, ein Modell der DNA-Doppelhelix inklusive Purin- und Pyrimidinbasen, Zucker- und Phosphatresten anfertigen konnten. Rosalind Franklins Röntgenaufnahmen wurden allerdings nicht von ihr selbst, sondern von ihrem Kollegen Maurice Wilkins zur Forschung frei gegeben. Wilkins erhielt zusammen mit Watson und Crick 1962 den Nobelpreis für Medizin. Franklin war zu diesem Zeitpunkt bereits verstorben und konnte daher nicht mehr nominiert werden.

Dieses Thema könnte für Sie auch von Interesse sein: Chromatin

Bei der DNA-Sequnzierung werden biochemische Verfahren verwendet, um die Reihenfolge der Nukleotide (DNA-Basenmolekül mit Zucker und Phosphat) in einem DNA-Molekül zu bestimmen.

Die am weitesten verbreitete Methode ist die Kettenabbruchmethode nach Sanger.
Da die DNA aus vier verschiedenen Basen zusammengesetzt ist, werden vier verschiedene Ansätze hergestellt. In jedem Ansatz befindet sich die zu sequenzierende DNA, ein Primer (Startmolekül für die Sequenzierung), DNA-Polymerase (Enzym, das die DNA verlängert) und ein Gemisch aus allen vier benötigten Nukleotiden. Allerdings ist in jedem dieser vier Ansätze eine andere Base chemisch so verändert, dass sie zwar eingebaut werden kann, aber keinen Angriffspunkt für die DNA-Polymerase bietet. Somit kommt es dann zum Kettenabbruch.
Durch diese Methode entstehen unterschiedlich lange DNA-Fragmente, die danach durch die sogenannte Gelelektrophorese nach ihrer Länge chemisch aufgetrennt werden. Die so entstehende Sortierung kann durch die Markierung jeder Base mit einer anderen Fluoreszenzfarbe in die Reihenfolge der Nukleotide in dem sequenzierten DNA-Abschnitt übersetzt werden.

Die DNA-Hybridisierung ist ein molekulargenetisches Verfahren, welches genutzt wird, um die Ähnlichkeit zwischen zwei DNA-Einzelsträngen verschiedenen Ursprungs nachzuweisen.

Bei diesem Verfahren wird sich zu Nutze gemacht, dass ein DNA-Doppelstrang immer aus zwei komplementären Einzelsträngen aufgebaut ist.
Je ähnlicher beide Einzelstränge zueinander sind, desto mehr Basen bilden eine feste Verbindung (Wasserstoffbrücken) mit der gegenüberliegenden Base beziehungsweise desto mehr Basenpaarungen entstehen.

Zwischen Abschnitten auf den beiden DNA-Strängen, bei denen eine unterschiedliche Basensequenz vorliegt, werden keine Basenpaarungen auftreten.

Die relative Anzahl der Verbindungen kann nun durch die Bestimmung des Schmelzpunktes, bei dem der neu entstandene DNA-Doppelstrang getrennt wird, festgelegt werden.
Je höher der Schmelzpunkt liegt, desto mehr komplementäre Basen haben Wasserstoffbrücken zueinander ausgebildet und desto ähnlicher sind die beiden Einzelstränge.

Dieses Verfahren kann auch zum Nachweis einer bestimmten Basensequenz in einem DNA-Gemisch genutzt werden. Hierzu können künstlich gebildete DNA-Stücke mit (Fluoreszenz-)Farbstoff markiert werden. Diese dienen dann zur Kennzeichnung der entsprechenden Basensequenz und können diese somit sichtbar machen.

Nach Abschluss des Humangenomprojekts versuchen die Forscher nun die einzelnen Gene ihrer Bedeutung für den menschlichen Körper zuzuordnen.
Zum Einen versuchen sie dadurch Rückschlüsse auf Krankheitsentstehung und Therapie zu ziehen, zum Anderen besteht durch den Vergleich von menschlicher DNA mit der DNA von anderen Lebewesen die Hoffnung, die Evolutionsmechanismen besser darstellen zu können.