Desoxyribonukleinsäure

Die Desoxyribonukleinsäure (dt. DNS, engl. DNA, fr. ADN) ist ein sehr großes 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. Das Makromolekül ist aus den chemischen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Phosphor und Stickstoff zusammengesetzt.

Die deutsche Abkürzung der Desoxyribonukleinsäure (DNS) wird im wissenschaftlichen Sprachgebrauch wegen der international gebräuchlichen englischen Abkürzung DNA (desoxyribonucleic acid) seltener verwendet. Außerdem werden durch die Abkürzung DNA Verwechslungen mit dem Domain Name System (DNS) des Internets vermieden.

Der Aufbau der DNA

Die Struktur der DNA wurde 1953 von James Watson und Francis Crick entschlüsselt, die 1962 dafür mit Maurice Wilkins den Nobelpreis erhielten. Rosalind Franklin, deren Röntgenbeugungsdiagramme wesentlich zur Entschlüsselung der DNA-Struktur beitrugen, war zum Zeitpunkt der Nobelpreisverleihung bereits verstorben. Entdeckt wurde die DNA allerdings schon 1869 von Friedrich Miescher, der in Zellkernen das "Nuclein" vorfand, jedoch die Funktion dieser Substanz noch nicht sicher bestimmen konnte. Quelle

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James Watson - gemeinsam mit Francis Crick erhielt er den Nobelpreis für die Entschlüsselung der DNA

Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Polymer, das aus einer Kette von Einzelbausteinen aufgebaut ist, die man Desoxyribonucleotide nennt. Es gibt vier verschiedene dieser Bausteine; jedes Nucleotid ist eine Verbindung aus dem Zucker Desoxyribose, einer heterocyclischen Nucleobase (Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin) und einem Phosphorsäure-Molekül. Die Desoxyribose- und Phosphorsäure-Untereinheiten sind bei jedem Nucleotid gleich; die vier verschiedenen Nuceotide unterscheiden sich nur durch ihre Base. Die 5 Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1' bis 5' nummeriert. Bei jedem in der DNA vorkommenden Nucleotid sitzt am 5'-Ende der Desoxyribose ein Phosphatrest, am 3'-Ende eine OH-Gruppe. Letztere reagiert bei der Verknüpfung der Nucleotide unter Wasserabspaltung mit der Phosphatgruppe des jeweils nächsten Nucleotids (s. u.). 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 DNA besitzt eine Strickleiter-Struktur, 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 Phosphat-Bausteine gebildet, die innerhalb jedes DNA-Einzelstrangs (Holms) über feste Atombindungen miteinander verknüpft sind. 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. Insgesamt gibt es in der DNA vier verschiedene organische Basen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, die mit den Anfangsbuchstaben A, T, G und C abgekürzt werden. 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.

Jeweils drei solcher Basen, wie sie in einem DNA-Einzelstrang direkt hintereinander liegen, bilden ein so genanntes Basentriplett. 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 Basenabfolge (Basensequenz) eines Genabschnitts der DNA wird bei der Proteinbiosynthese zunächst durch die Transkription in die komplementäre Basensequenz der m-RNA-Moleküle überschrieben. Die von der mRNA übermittelte Information wird dann durch Translation am Ribosom in die Abfolge der Aminosäuren (Aminosäuresequenz) einer Polypeptidkette übersetzt. (Details hierzu siehe unter genetischer Code).

Verdopplung der DNA/DNA-Replikation

Verdopplung der DNA. Animation

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 Nucleotide, wird durch Enzyme aus der Gruppe der DNA-Polymerasen vollzogen. Ein zu verknüpfendes Nucleotid 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, der durch das Enzym Primase synthetisiert wird, den Startpunkt der DNA-Neusynthese. An das RNA-Molekül hängt die DNA-Polymerase dann ein zum Nucleotid des alten DNA-Einzelstrangs komplementäres Nucleotid, 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 Nucleotide 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 öffenenden 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. 1000 Nucleotide 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 Nucleotide 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-Fragment. 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-Nucleotiden aufgefüllt werden. Zum Abschluss verknüpft das Enzym Ligase die noch nicht miteinander verbundenen neuen DNA-Abschnitte zu einem einzigen, langen, komplementären Doppelstrang. 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.

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.

Derjenige Teil der DNA, der nach aktuellem Wissensstand keine Informationen für die Aminosäuresequenz von Proteinen oder für den Aufbau von RNA-Molekülen enthält, wird nichtkodierende Desoxyribonukleinsäure genannt.

DNA-Schäden

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 aufeinanderfolgender 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 aus diesem Grund 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.
Nucleotidexcisionsreparatur: 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.

Packung (supercoiling) der DNA

Da die DNA als lange Kette betrachtet mehrere Meter lang sein kann, im Zellkern aber nur wenige µm Platz ist, muss die DNA "verpackt" bzw. gepackt werden. Dies geschieht mittels basischer Proteine (so genannter Histone), um die die DNA herumgewickelt wird. Siehe: Chromatin.

Literatur

Terence A. Brown: Moderne Genetik. 2. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag, 1999, ISBN 3827403065
Ernst Peter Fischer: Am Anfang war die Doppelhelix. Ullstein 2004, ISBN 3548366732
Ernst Peter Fischer: Das Genom. Fischer-Taschenbuch 2002, ISBN 359615362X
James D. Watson: Die Doppelhelix. Rowohlt-Taschenbuch 1997, ISBN 3499602555
James D. Watson: Gene, Girls und Gamov. Piper 2003, ISBN 3-492-04428-X
James D. Watson: Am Anfang war die Doppelhelix Ullstein 2003, ISBN 3-550-07566-9
James D. Watson, M. Gilman, J. Witkowski und M. Zoller: Rekombinierte DNA. 2. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag 1993, ISBN 3860250728
Thomas Lindahl: Instability and decay of the primary structure of DNA. Nature, 1993, 362, 709-715. ISSN 0028-0836