{"id":9633,"date":"2021-01-05T23:28:42","date_gmt":"2021-01-06T04:28:42","guid":{"rendered":"https:\/\/nebula.org\/blog\/dna-desoxyribonukleinsaeure\/"},"modified":"2021-02-20T20:27:02","modified_gmt":"2021-02-21T01:27:02","slug":"dna-desoxyribonukleinsaeure","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/nebula.org\/blog\/de\/dna-desoxyribonukleinsaeure\/","title":{"rendered":"DNA (Desoxyribonukleins\u00e4ure) – Die universelle Blaupause des Lebens"},"content":{"rendered":"\n

Einf\u00fchrung in die DNA<\/h2>\n\n

Desoxyribonukleins\u00e4ure ist eine Nukleins\u00e4ure, die ein Polynukleotid ist, das aus einer Kette vieler Nukleotide besteht. Das in den Chromosomen befindliche Biomolek\u00fcl ist der Tr\u00e4ger der genetischen Information in allen lebenden Organismen und in vielen Viren (DNA-Viren, Pararetroviren), dh der materiellen Basis der Gene. <\/p>\n\n

Im Normalzustand ist die DNA in Form einer Doppelhelix aufgebaut. Seine Bausteine sind vier verschiedene Nukleotide, die jeweils aus einem Phosphatrest, der Zuckerdesoxyribose und einer von vier organischen Basen (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, oft als A, T, G und C abgek\u00fcrzt) bestehen.<\/p>\n\n

Die Gene in der DNA enthalten die Informationen f\u00fcr die Produktion von Ribonukleins\u00e4uren. In Protein-kodierenden Genen ist dies eine wichtige RNA-Gruppe, mRNA. Es enth\u00e4lt wiederum die Informationen f\u00fcr den Aufbau von Proteinen, die f\u00fcr die biologische Entwicklung eines Lebewesens und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. Die Sequenz der Basen bestimmt hier die Sequenz der Aminos\u00e4uren des jeweiligen Proteins: Der genetische Code codiert eine spezifische Aminos\u00e4ure mit jeweils drei benachbarten Basen.<\/p>\n\n

In den Zellen von Eukaryoten, zu denen auch Pflanzen, Tiere und Pilze geh\u00f6ren, ist der Gro\u00dfteil der DNA im Zellkern (lateinischer Kern, daher Kern-DNA oder nDNA) als Chromosomen organisiert. Ein kleiner Teil befindet sich in den Mitochondrien, den „Kraftwerken“ der Zellen, und wird dementsprechend als mitochondriale DNA (mtDNA) bezeichnet. Pflanzen und Algen haben auch DNA in photosynthetischen Organellen, den Chloroplasten oder Plastiden (cpDNA). In Bakterien und Archaeen – den Prokaryoten ohne Zellkern – befindet sich die DNA im Zytoplasma. Einige Viren, sogenannte RNA-Viren, speichern ihre genetische Information in RNA anstelle von DNA.<\/p>\n\n

\"Struktur
Struktur der DNA. Die 3D-Struktur der DNA ist die einer verdrehten Leiter.<\/figcaption><\/figure>\n\n
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Herausgegeben von Christina Swords, Ph.D.<\/em><\/p>\n\n

Struktur und Organisation der DNA<\/h2>\n\n

Bausteine<\/h3>\n\n

Desoxyribonukleins\u00e4ure ist ein langkettiges Molek\u00fcl (Polymer), das aus vielen Bausteinen besteht, die als Desoxyribonukleotide oder kurz Nukleotide bezeichnet werden. Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten: Phosphors\u00e4ure oder Phosphat, Zuckerdesoxyribose und einer heterocyclischen Nukleobase oder Base. Die Desoxyribose- und Phosphors\u00e4ure-Untereinheiten sind f\u00fcr jedes Nukleotid gleich. Sie bilden das R\u00fcckgrat des Molek\u00fcls. Einheiten von Base und Zucker (ohne Phosphat) werden als Nukleoside bezeichnet.<\/p>\n\n

Die Phosphatreste sind aufgrund ihrer negativen Ladung hydrophil; Sie geben DNA in w\u00e4ssriger L\u00f6sung eine insgesamt negative Ladung. Da diese in Wasser gel\u00f6ste negativ geladene DNA keine weiteren Protonen abgeben kann, handelt es sich streng genommen nicht (nicht mehr) um eine S\u00e4ure. Der Begriff Desoxyribonukleins\u00e4ure bezieht sich auf einen ungeladenen Zustand, in dem Protonen an die Phosphatreste gebunden sind.<\/p>\n\n

Die Base kann ein Purin sein, n\u00e4mlich Adenin (A) oder Guanin (G), oder ein Pyrimidin, n\u00e4mlich Thymin (T) oder Cytosin (C). Da sich die vier verschiedenen Nukleotide nur in ihrer Basis unterscheiden, werden die Abk\u00fcrzungen A, G, T und C auch f\u00fcr die entsprechenden Nukleotide verwendet.<\/p>\n\n

Die f\u00fcnf Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1 ‚bis 5′ nummeriert. Die Basis ist an das 1′-Ende dieses Zuckers gebunden. Der Phosphatrest ist an das 5′-Ende gebunden. Genau genommen ist Desoxyribose 2-Desoxyribose; Der Name kommt von der Tatsache, dass im Vergleich zu einem Ribosemolek\u00fcl eine alkoholische Hydroxygruppe (OH-Gruppe) an der 2‘-Position fehlt (dh durch ein Wasserstoffatom ersetzt wurde).<\/p>\n\n

An der 3′-Position befindet sich eine OH-Gruppe, die die Desoxyribose \u00fcber eine sogenannte Phosphodiesterbindung mit dem 5′-Kohlenstoffatom des Zuckers des n\u00e4chsten Nukleotids verbindet. Somit hat jeder sogenannte Einzelstrang zwei verschiedene Enden: ein 5′- und ein 3′-Ende. DNA-Polymerasen, die DNA-Str\u00e4nge in der lebenden Welt synthetisieren, k\u00f6nnen nur am 3′-Ende neue Nukleotide an die OH-Gruppe binden, nicht jedoch am 5′-Ende. Der Einzelstrang w\u00e4chst daher immer von 5 ‚auf 3‘. Als neuer Baustein wird ein Nukleosidtriphosphat (mit drei Phosphatresten) geliefert, von dem zwei Phosphate in Form von Pyrophosphat abgespalten werden. Der verbleibende Phosphatrest jedes neu hinzugef\u00fcgten Nukleotids ist durch Abspalten von Wasser mit der OH-Gruppe am 3′-Ende des letzten im Strang vorhandenen Nukleotids verbunden. Die Sequenz der Basen im Strang codiert die genetische Information.<\/p>\n\n

Die Doppelhelix<\/h3>\n\n

DNA tritt normalerweise als helikale Doppelhelix in einer Konformation auf, die als B-DNA bezeichnet wird. Zwei der oben beschriebenen Einzelstr\u00e4nge sind in entgegengesetzten Richtungen miteinander verbunden: An jedem Ende der Doppelhelix hat einer der beiden Einzelstr\u00e4nge sein 3′-Ende, der andere sein 5′-Ende. Aufgrund des Nebeneinander liegen sich zwei spezifische Basen in der Mitte der Doppelhelix immer gegen\u00fcber, sie sind „gepaart“. Die Doppelhelix wird haupts\u00e4chlich durch Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Basen desselben Strangs stabilisiert (und nicht, wie oft behauptet, durch Wasserstoffbr\u00fccken zwischen den Str\u00e4ngen).<\/p>\n\n

Adenin und Thymin sind immer gepaart und bilden zwei Wasserstoffbr\u00fccken oder Cytosin mit Guanin, die durch drei Wasserstoffbr\u00fccken verbunden sind. Eine Br\u00fccke wird zwischen den molekularen Positionen 1\u25501 und 6\u25506 und bei Guanin-Cytosin-Paarungen zus\u00e4tzlich zwischen 2\u25502 gebildet. Da immer die gleichen Basen gepaart sind, kann die Sequenz der Basen in einem Strang verwendet werden, um die des anderen Strangs abzuleiten. Die Sequenzen sind komplement\u00e4r. Die Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen sind fast ausschlie\u00dflich f\u00fcr die Spezifit\u00e4t der Paarung verantwortlich, nicht jedoch f\u00fcr die Stabilit\u00e4t der Doppelhelix.<\/p>\n\n

Da ein Purin immer mit einem Pyrimidin kombiniert wird, ist der Abstand zwischen den Str\u00e4ngen \u00fcberall gleich, es entsteht eine regelm\u00e4\u00dfige Struktur. Die gesamte Helix hat einen Durchmesser von etwa 2 nm und windet sich mit jedem Zuckermolek\u00fcl um 0,34 nm weiter.<\/p>\n\n

Die Ebenen der Zuckermolek\u00fcle stehen in einem Winkel von 36 \u00b0 zueinander, und daher wird nach 10 Basen (360 \u00b0) und 3,4 nm eine vollst\u00e4ndige Rotation erreicht. DNA-Molek\u00fcle k\u00f6nnen sehr gro\u00df werden. Beispielsweise enth\u00e4lt das gr\u00f6\u00dfte menschliche Chromosom 247 Millionen Basenpaare.<\/p>\n\n

Wenn die beiden Einzelstr\u00e4nge miteinander verdrillt werden, bleiben seitliche L\u00fccken bestehen, so dass sich die Basen hier direkt auf der Oberfl\u00e4che befinden. Es gibt zwei dieser Rillen, die sich um die Doppelhelix wickeln (siehe Abbildungen und Animationen am Anfang des Artikels). Die „gro\u00dfe Furche“ ist 2,2 nm breit, die „kleine Furche“ nur 1,2 nm.<\/p>\n\n

Dementsprechend sind die Basen in der gro\u00dfen Furche leichter zug\u00e4nglich. Proteine, die sequenzspezifisch an die DNA binden, wie z. B. Transkriptionsfaktoren, binden daher normalerweise an die gro\u00dfe Furche.<\/p>\n\n

Einige DNA-Farbstoffe, beispielsweise DAPI, binden auch an eine Furche.<\/p>\n\n

Die kumulative Bindungsenergie zwischen den beiden Einzelstr\u00e4ngen h\u00e4lt sie zusammen. Kovalente Bindungen sind hier nicht vorhanden, was bedeutet, dass die DNA-Doppelhelix nicht aus einem Molek\u00fcl besteht, sondern aus zwei. Dadurch k\u00f6nnen die beiden Str\u00e4nge in biologischen Prozessen vor\u00fcbergehend getrennt werden.<\/p>\n\n

Neben der soeben beschriebenen B-DNA gibt es auch A-DNA und eine linksh\u00e4ndige sogenannte Z-DNA, die erstmals 1979 von Alexander Rich und seinen Kollegen am MIT untersucht wurde. Dies tritt insbesondere in GC-reichen Abschnitten auf. Erst 2005 wurde eine Kristallstruktur beschrieben, die Z-DNA direkt in einer Verbindung mit B-DNA zeigt und somit Hinweise auf die biologische Aktivit\u00e4t von Z-DNA liefert. Die folgende Tabelle und die nebenstehende Abbildung zeigen die Unterschiede zwischen den drei Formen im direkten Vergleich.<\/p>\n\n

Die Basisstapel sind nicht genau wie B\u00fccher parallel zueinander, sondern bilden Keile, die die Helix in die eine oder andere Richtung neigen. Der gr\u00f6\u00dfte Keil wird von Adenosinen gebildet, die mit Thymidinen des anderen Strangs gepaart sind. Folglich bildet eine Reihe von AT-Paaren einen Bogen in der Helix. Wenn solche Reihen in kurzen Abst\u00e4nden aufeinander folgen, nimmt das DNA-Molek\u00fcl eine gekr\u00fcmmte oder gebogene Struktur an, die stabil ist. Dies wird auch als sequenzinduzierte Beugung bezeichnet, da die Beugung auch durch Proteine induziert werden kann (sogenannte proteininduzierte Beugung). Sequenzinduzierte Beugung findet sich h\u00e4ufig an wichtigen Stellen im Genom.<\/p>\n\n

Chromatin und Chromosomen<\/h3>\n\n

Menschliche Chromosomen in der sp\u00e4ten Metaphase der mitotischen Zellkernteilung: Jedes Chromosom zeigt zwei Chromatiden, die in der Anaphase getrennt und in zwei Zellkerne aufgeteilt sind.<\/p>\n\n

In der eukaryotischen Zelle ist die DNA in Form von Chromatinf\u00e4den organisiert, die als Chromosomen bezeichnet werden und sich im Zellkern befinden. Ein einzelnes Chromosom enth\u00e4lt einen langen, kontinuierlichen DNA-Doppelstrang (in einem Chromatid) von der Anaphase bis zum Beginn der S-Phase. Am Ende der S-Phase besteht das Chromosom aus zwei identischen DNA-Str\u00e4ngen (in zwei Chromatiden).<\/p>\n\n

Da ein solcher DNA-Faden mehrere Zentimeter lang sein kann, ein Zellkern jedoch nur wenige Mikrometer im Durchmesser hat, muss die DNA zus\u00e4tzlich komprimiert oder „gepackt“ werden. Bei Eukaryoten geschieht dies mit sogenannten Chromatinproteinen, von denen die basischen Histone besonders hervorzuheben sind. Sie bilden die Nukleosomen, um die die DNA auf der niedrigsten Verpackungsebene gewickelt ist. W\u00e4hrend der Kernteilung (Mitose) wird jedes Chromosom zu seiner maximal kompakten Form kondensiert. Dadurch k\u00f6nnen sie w\u00e4hrend der Metaphase besonders gut unter dem Lichtmikroskop identifiziert werden.<\/p>\n\n

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Ort der DNA in der Zelle.<\/figcaption><\/figure>\n\n

Bakterielle und virale DNA<\/h3>\n\n

In prokaryotischen Zellen liegt der Gro\u00dfteil der doppelstr\u00e4ngigen DNA in den bisher dokumentierten F\u00e4llen nicht als lineare Str\u00e4nge mit jeweils einem Anfang und einem Ende vor, sondern als kreisf\u00f6rmige Molek\u00fcle – jedes Molek\u00fcl (dh jeder DNA-Strang) schlie\u00dft einen Kreis mit seiner 3 ‚und 5‘ enden. Diese beiden zirkul\u00e4ren, geschlossenen DNA-Molek\u00fcle werden je nach L\u00e4nge der Sequenz als bakterielles Chromosom oder Plasmid bezeichnet. In Bakterien befinden sie sich ebenfalls nicht in einem Zellkern, sondern sind im Plasma frei vorhanden. Die prokaryotische DNA wird mit Hilfe von Enzymen (z. B. Topoisomerasen und Gyrasen), die einem klingelnden Telefonkabel \u00e4hneln, zu einfachen „Superspulen“ aufgewickelt. Indem die Helices immer noch um sich selbst gedreht werden, wird der f\u00fcr die genetische Information erforderliche Platz reduziert. In den Bakterien stellen Topoisomerasen sicher, dass der verdrillte Doppelstrang an einer gew\u00fcnschten Stelle gerungen wird, indem sie die DNA st\u00e4ndig schneiden und wieder verbinden (Voraussetzung f\u00fcr die DNA-Transkription und DNA-Replikation). Viren enthalten je nach Typ entweder DNA oder RNA als genetische Information. Sowohl in DNA- als auch in RNA-Viren ist die Nukleins\u00e4ure durch eine Proteinh\u00fclle gesch\u00fctzt.<\/p>\n\n

Chemische und physikalische Eigenschaften der DNA-Doppelhelixstruktur<\/h3>\n\n

Bei neutralem pH-Wert ist DNA ein negativ geladenes Molek\u00fcl, wobei sich die negativen Ladungen an den Phosphatgruppen im R\u00fcckgrat der Str\u00e4nge befinden. Obwohl zwei der drei sauren OH-Gruppen der Phosphate mit den jeweiligen benachbarten Desoxyribosen verestert sind, ist die dritte noch vorhanden und setzt bei neutralem pH ein Proton frei, das die negative Ladung verursacht. Diese Eigenschaft wird bei der Agarosegelelektrophorese verwendet, um verschiedene DNA-Str\u00e4nge entsprechend ihrer L\u00e4nge zu trennen. Einige physikalische Eigenschaften wie die freie Energie und der Schmelzpunkt der DNA stehen in direktem Zusammenhang mit dem GC-Gehalt, dh sie sind sequenzabh\u00e4ngig.<\/p>\n\n

DNA-Stapel-Wechselwirkungen<\/h4>\n\n

Zwei Hauptfaktoren sind f\u00fcr die Stabilit\u00e4t der Doppelhelix verantwortlich: Basenpaarung zwischen komplement\u00e4ren Basen und Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Basen.<\/p>\n\n

Entgegen der urspr\u00fcnglichen Annahme ist der Energiegewinn durch Wasserstoffbr\u00fcckenbindung vernachl\u00e4ssigbar, da die Basen mit dem umgebenden Wasser \u00e4hnlich gute Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen eingehen k\u00f6nnen. Die Wasserstoffbr\u00fccken eines GC-Basenpaars tragen nur minimal zur Stabilit\u00e4t der Doppelhelix bei, w\u00e4hrend die eines AT-Basenpaars sogar destabilisierend wirken. Stapelwechselwirkungen wirken sich dagegen nur auf die Doppelhelix zwischen aufeinanderfolgenden Basenpaaren aus: Zwischen den aromatischen Ringsystemen der heterocyclischen Basen entsteht eine dipolinduzierte Dipolwechselwirkung, die energetisch g\u00fcnstig ist. Somit ist die Bildung des ersten Basenpaars aufgrund des geringen Energiegewinns und -verlusts ziemlich ung\u00fcnstig, aber die Dehnung (Verl\u00e4ngerung) der Helix ist energetisch g\u00fcnstig, da das Stapeln des Basenpaars unter Energiegewinn stattfindet.<\/p>\n\n

Die Stapelwechselwirkungen sind jedoch sequenzabh\u00e4ngig und energetisch am g\u00fcnstigsten f\u00fcr gestapelte GC-GC, weniger g\u00fcnstig f\u00fcr gestapelte AT-AT. Die Unterschiede in den Stapelwechselwirkungen erkl\u00e4ren haupts\u00e4chlich, warum GC-reiche DNA-Schnitte thermodynamisch stabiler sind als AT-reiche Schnitte, w\u00e4hrend Wasserstoffbr\u00fccken eine untergeordnete Rolle spielen.<\/p>\n\n

DNA-Schmelzpunkt<\/h4>\n\n

Der Schmelzpunkt der DNA ist die Temperatur, bei der die Bindungskr\u00e4fte zwischen den beiden Einzelstr\u00e4ngen \u00fcberwunden werden und sich voneinander trennen. Dies wird auch Denaturierung genannt.<\/p>\n\n

Solange die DNA in einem kooperativen \u00dcbergang (der in einem engen Temperaturbereich stattfindet) denaturiert wird, ist der Schmelzpunkt die Temperatur, bei der die H\u00e4lfte der Doppelstr\u00e4nge zu Einzelstr\u00e4ngen denaturiert wird. Aus dieser Definition werden die korrekten Begriffe „Mittelpunkt der \u00dcbergangstemperatur“ Tm abgeleitet.<\/p>\n\n

Der Schmelzpunkt h\u00e4ngt von der jeweiligen Basensequenz in der Helix ab. Sie nimmt zu, wenn die Helix mehr GC-Basenpaare enth\u00e4lt, da diese entropisch g\u00fcnstiger sind als AT-Basenpaare. Dies ist nicht so sehr auf die unterschiedliche Anzahl von Wasserstoffbr\u00fccken zur\u00fcckzuf\u00fchren, die von den beiden Paaren gebildet werden, sondern vielmehr auf die unterschiedlichen Stapelwechselwirkungen. Die Stapelnergie von zwei Basenpaaren ist viel kleiner, wenn eines der beiden Paare ein AT-Basenpaar ist. GC-Stapel hingegen sind energetisch g\u00fcnstiger und stabilisieren die Doppelhelix st\u00e4rker. Das Verh\u00e4ltnis der GC-Basenpaare zur Gesamtzahl aller Basenpaare ergibt sich aus dem GC-Gehalt.<\/p>\n\n

Da einzelstr\u00e4ngige DNA UV-Licht etwa 40 Prozent st\u00e4rker absorbiert als doppelstr\u00e4ngige DNA, kann die \u00dcbergangstemperatur in einem Photometer leicht bestimmt werden.<\/p>\n\n

Wenn die Temperatur der L\u00f6sung unter Tm f\u00e4llt, k\u00f6nnen sich die einzelnen Str\u00e4nge wieder verbinden. Dieser Prozess wird als Renaturierung oder Hybridisierung bezeichnet. Das Zusammenspiel von De- und Renaturierung wird in vielen biotechnologischen Prozessen genutzt, beispielsweise bei der Polymerasekettenreaktion (PCR), Southern Blots und der In-situ-Hybridisierung.<\/p>\n\n

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