2.3 Feinbau und Funktionen der DNA

2.3.1 Struktur der DNA

Bau eines Metaphasenchromosoms

In der Metaphase liegt ein Chromosom in der kompakten Transportform vor. Im menschlichen Chromosom Nr. 1 ist der DNA-Faden eines Chromatids ca. 8 cm lang. Das gesamte Chromosom hat aber nur eine Länge von ca. 1/100 mm, d.h. durch die wiederholte Spiralisierung findet eine Verkürzung um den Faktor 8000 statt.

Verschiedene Ebenen der Chromosomenkondensation bis zum Metaphasechromosom, Gemeinfrei

1  DNA-Doppelhelix, 2  10-nm-Fiber (DNA mit Nukleosomen), 3  Schematisierter Chromatinstrang während der Interphase vor der DNA-Verdopplung mit Centromer, 4  Kondensiertes Chromatin während der Prophase (nun aus zwei Chromatiden bestehend, weil sich die DNA verdoppelt hat), 5  Metaphasechromosom

Die Teilabbildungen 3 bis 5 sind rein schematisch zu verstehen, um die Anzahl der Chromatiden während verschiedener Phasen des Zellzyklus wiederzugeben. Die Anordnung des „Chromatinfadens“ gibt nicht die tatsächliche Struktur wieder.

Ein Chromatid besteht aus einer einzigen Chromatin-Faser, deren spiralige Struktur eng gewickelt ist. Ein DNA-Faden wird dann als Chromatin bezeichnet, wenn er um kugelförmige Histonproteine gewickelt ist. Ein Zwei-Chromatid-Chromosom besteht also genau genommen aus zwei DNA-Molekülen.

Bestandteile und Zusammensetzung der DNA

DNA (Deoxyribonucleic Acid), DNS (Desoxyribonukleinsäure)

Die einzelnen Bestandteile der DNA waren schon länger bekannt, aber erst im Jahr 1953 gelang es Watson und Crick die Struktur des Moleküls aufzuklären.

Belinda Flemming: Aufbau der DNA, CC BY-SA 3.0

Das Mengenverhältnis von Zucker zu Phosphat ist immer 1 : 1, da diese beiden Bestandteile abwechselnd die Holme einer gedachten Leiter bilden. Die Sprossen werden durch je zwei der vier Basen gebildet. Adenin und Thymin finden sich ebenso wie Cytosin und Guanin zueinander immer im Verhältnis 1 : 1. Daraus kann man ableiten, dass Adenin immer Thymin gegenüber liegt und Cytosin immer mit Guanin verpaart ist. Die Basen sind jeweils am Zucker gebunden.

Aufgrund der vorgegebenen Basenpaarung ist durch die Struktur des einen Stranges automatisch die Struktur des zweiten Stranges festgelegt. Die beiden Stränge sind komplementär. Adenin paart immer mit Thymin (und umgekehrt), Cytosin immer mit Guanin (und umgekehrt). Die zueinander komplementären Basenpaare – Purin- und Pyrimidinbase – werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten. Adenin und Thymin sind so über zwei, Cytosin und Guanin über drei Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden.

Das DNA-Molekül ist nicht planar, vielmehr winden sich die beiden Stränge um eine gedachte Achse. Die so entstehende Raumstruktur wird als Doppelhelix bezeichnet.

Die beiden Stränge sind gegenläufig angeordnet. An einem Einzelstrang kann man „Anfang“ und „Ende“ unterscheiden. Nach der Position der Bindungen in den Zucker-Molekülen werden die Bezeichnungen 3´ und 5´ verwendet.

2.3.2 Aufbau der RNA

(Unterschiede zwischen DNA und RNA)

Unter den verschiedenen RNA-Sorten kommt im Folgenden der m-RNA (messenger-RNA, Boten-RNS) und der t-RNA (Transfer-RNA, Überträger-RNS) eine funktionelle Bedeutung zu. Die m-RNA ist immer einzelsträngig, die t-RNA liegt dagegen in sog. Kleeblattform vor.

By DNA_chemical_structure.svg: Madeleine Price Ball, User:Madprime derivative work: Matt (talk) – DNA_chemical_structure.svg, CC BY-SA 3.0, Link

2.3.3 DNA-Replikation

Notwendigkeit der DNA-Replikation

Bei jeder Mitose wird an die beiden Tochterzellen das komplette Erbgut unverändert weitergegeben. Um dies zu erreichen, muss zwischen zwei Mitosen die DNA verdoppelt, d.h. kopiert werden. Aus einem Ein-Chromatid-Chromosom wird wieder ein Zwei-Chromatid-Chromosom. Dies geschieht bei der sog. identischen Replikation (auch: identische Reduplikation).

Ablauf der DNA-Replikation

Der Vorgang wurde an Bakterien erforscht, da Bakterien relativ wenig DNA besitzen, die zusätzlich nicht an Histone gebunden und nur leicht spiralisiert ist. Außerdem haben Bakterien eine sehr kurze Generationsdauer. Dadurch wurde die Erforschung des Sachverhaltes erleichtert. Die DNA-Replikation verläuft jedoch bei allen Lebewesen ähnlich.

Belinda Flemming: DNA-Replikation, CC BY-SA 3.0

Bei Bakterien gibt es an einer Stelle des DNA-Ringes einen Startpunkt (Origin) für die Replikation. Bei Eukaryoten liegen pro Chromosom mehrere Origins vor. Die Doppelhelix wird dort durch das Enzym Helicase (ein spezielles Protein, hier als Dreieck dargestellt) entwunden und in die Einzelstränge aufgetrennt, d.h. die Basenpaarungen werden aufgehoben. Ein sofortiges Wiederverkleben der Einzelstränge wird durch bestimmte Proteine (single strand binding protein), die sich über die offenen Bindungsstellen legen, verhindert.

1. Strang:

Das Enzym DNA-Polymerase lagert sich an den Einzelstrang an und wandert an ihm entlang (von 3´ nach 5´). Dabei werden Nukleotide entsprechend den Basen am vorhandenen Strang miteinander verbunden. Der neue Strang wächst also von 5´ nach 3´. Der Mutterstrang fungiert als Schablone.

2. Strang:

Die Synthese des zweiten Stranges ist komplizierter, da die DNA-Polymerase nur in 3´-5´-Richtung (alter Strang) arbeiten kann. Sie erfolgt diskontinuierlich. Jeweils ca. 200 bis 1000 Nukleotide (von Art zu Art verschieden) werden angelagert. Wenn der Doppelstrang erreicht ist, löst sich die Polymerase von der DNA. Die Verbindung zum schon vorhandenen Teilstück wird durch ein spezielles Enzym, die Ligase, hergestellt. Die frei gewordene Polymerase lagert sich an einer anderen Stelle wieder an. Um die erforderliche Geschwindigkeit bei der DNA-Verdopplung zu erreichen, arbeiten mehrere Polymerase-Moleküle gleichzeitig.

Der Ablauf des Vorganges wird als semikonservativ bezeichnet, da die eine Hälfte eines jeden Doppelstranges erhalten und die andere Hälfte neu ergänzt wird.