Der chemische Aufbau einer Erbinformation wird DNA genannt. In diesem Beitrag erfahren Sie alles über den Aufbau, die Organisation und die verschiedenen Arten der DNA. Für die Prüfung sind besonders die Phasen des Zellzyklus von großer Bedeutung. Testen Sie anschließend Ihr neu erworbenes Wissen mithilfe von Prüfungsfragen zu diesem Thema.
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DNA Makrostruktur


Aufbau und Struktur der DNA

In jedem Zellkern des menschlichen Körpers findet sich Desoxyribonukleinsäure (DNS, engl. DNA, von deoxyribonucleic acid), die auf 46 homologen Chromosomen Trägerin der Erbinformation der Menschen und der meisten anderen Lebewesen ist (Beweis durch Oswald T. Avery 1944). Die DNA bildet den „Bauplan des Körpers“. Die kodierenden Einheiten darauf werden Gene genannt. Das fadenförmige Makromolekül besteht aus einer Doppelhelix, in der zwei Nukleotidstränge über Wasserstoffbrückenbindungen ihrer Basenpaare miteinander verbunden sind.

strukturmodell DNA-Helix

Bild: “Strukturmodell einer DNA-Helix in B-Konformation (Animation). Die Stickstoff (blau) enthaltenden Nukleinbasen liegen waagrecht zwischen zwei Rückgratsträngen, welche sehr reich an Sauerstoff (rot) sind. Kohlenstoffatome sind grün dargestellt.” von Zephyris. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Die DNA: Nukleotide und Basenpaarung

Die DNA besteht aus Nukleotiden. Ein Nukleotid besteht aus einer Base (Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, die eigentlichen Informationsträger), einem Zucker (mit einem Sauerstoffteil weniger als die Ribose, aus der er hervorgeht; deshalb „Desoxy“-ribose; in der DNA handelt es sich um D-Ribose oder 2-Desoxy-(OH-)-D-Ribose) und einer Phosphatgruppe. Als Maß für die Länge eines DNA-Abschnittes wird die Anzahl der Basenpaare (engl. base pairs=bp) oder Nukleotide (nt) angegeben. Ist der Abschnitt größer, werden Kilobasen (1kb = 1000 bp) oder Megabasen (1Mb = 1000 kb) verwendet.

Nukleoside, Nukleotide – Übersicht über wichtige Abkürzungen

(organische) Basen: Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin und Uracil. Verwandte weitere Basen: Hypoxanthin und Xanthin.

molekulare Struktur der DNA

Bild: “Molecular Structure of DNA” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Tipp: Wenn Sie diese Basen erkennen, unterscheiden (mündlich) und malen können (schriftlich), sind Ihnen im Physikum einige Punkte sicher.

Nukleosid: organische Base und Pentose (D-Ribose oder 2-Desoxy-D-Ribose): Adenosin, Guanosin, Thymidin, Cytidin und Uridin, die jeweils mit ihrem Anfangsbuchstaben abgekürzt werden (A, G, T, C, U). Weitere verwandte Basen sind Inosin und Xanthosin.

Nukleotid: organische Base und Pentose (D-Ribose oder 2-Desoxy-D-Ribose, bei 2-Desoxy-D-Ribose wird ein d vorangestellt) und Phosphat. Dafür gibt es verschiedene Kurzschreibweisen: Man kann entsprechend der Anzahl und der Position des Phosphatrestes ein bis drei p vor oder hinter die Nukleosid-Abkürzung A, G, T, C, U schreiben oder man bezeichnet mit MP ein Monophosphat, mit DP ein Diphosphat und mit TP ein Triphosphat. Beispiele: pA = 5‘-Adenosinmonophosphat = AMP; Gpp=Guanosin-3‘-Diphosphat = GDP; pppdA = 5´-Desoxyadenosintriphosphat = dATP.

räumliche Struktur ATP

Bild: “Räumliche Struktur des ATP” von Jynto. Lizenz: CC0

  • Nukleosidmonophosphat (z.B. Adenosinmonophosphat = AMP): Nukleosid (organische Base und Pentose) und ein Phosphatrest, das mit dem 5‘-C-Atom verestert ist, wenn nicht anders beschrieben.
  • Nukleosiddiphosphat (z.B. Adenonsindiphosphat = ADP): Nukleosid (organische Base und Pentose) und zwei Phosphatreste, die mit dem 5‘-C-Atom verestert sind, wenn nicht anders beschrieben.
  • Nukleosidtriphosphat (z.B. Adenonsintriphosphat = ATP): Nukleosid (organische Base und Pentose) und drei Phosphatreste, die mit dem 5‘-C-Atom verestert sind, wenn nicht anders beschrieben.

Es paaren sich in der DNA immer die Purinbasen Adenin (A) und Guanin (G) mit den Pyrimidinbasen Thymin (T) und Cytosin (C).

Merke: Die Pyrimidine Thymin und Cytosin haben ein y im Namen. (Mehr zum Nukleotidstoffwechsel)

In der RNA findet sich überwiegend Uracil statt Thymin (Thymin unterscheidet sich von Uracil lediglich durch eine Methylgruppe an Position fünf). Adenin und Thymin bilden zwischen sich zwei Wasserstoffbrückenbindungen, Guanin und Cytosin bilden drei Wasserstoffbrückenbindungen (Mehr zu chemischen Bindungen). Alle diese Basen unterliegen der Tautomerie: Für die Basenpaarung müssen sie in der Ketoform vorliegen.

Chemische Struktur der DNA

Bild: “Strukturformel eines DNA-Ausschnittes” von Madeleine Price Ball. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Die Nukleotide bilden Nukleotidketten, in denen die Mononukleotide über ihre Phosphate an Position 5‘ eine 5‘-3‘-Phosphorsäurediesterverbindung mit der Desoxyribose an Position 3‘ des anderen Mononukleotids bilden. So hat ein Polynukleotid ein freies 5‘-Phosphatende und ein freies 3‘-Hydroxylende.

In der DNA bilden zwei zueinander komplementäre Nukleotidstränge einen Doppelstrang. Entsprechend ihrer Richtung nennt man sie den 5‘-3‘-Strang (kodierender Strang oder Leitstrang) und den 3‘-5‘-Strang (kodogener Strang oder Matrizenstrang). Die Abfolge der Nukleotidbasen des kodierenden Stranges in 5‘-3‘-Richtung entspricht komplementär der Abfolge der Basen des kodogenen Strangs in 3‘-5‘-Richtung. Die Einzelstränge verlaufen zueinander antiparallel.

In einem DNA-Molekül ist aufgrund der Basenpaarung die Anzahl der Adenine gleich der Thymine (A=T) und die Anzahl der Guanine gleich der Cytosine (G=C) (Chargaff-Regel). Das bedeutet anders ausgedrückt: Die Summe der Purine (A+G) ist gleich der Summe der Pyrimidine (T+C).

Da die Kenntnis dieser Regel in vergangenen Physika bereits überprüft worden ist, hier ein Beispiel:

Gegeben C = 29 %. (Anwendung (1): C = G, A = T)

Es folgt: G = 29 %. (Anwendung (2): Purine A + G = Pyrimidine T + C; (A + G) + (T + C) = 100 %)

Weiter: A + 29 % = T + 29 %

Also: A und T sind jeweils 21 %, C und G sind 29 %.

Die DNA-Doppelhelix

Die beiden Nukleotidstränge (Doppelstränge), die die DNA bilden, liegen jedoch nicht in einer Ebene, sondern schraubenförmig verdrillt zu einer Doppelhelix vor. Erstmals korrekt beschrieben wurde sie von James D. Watson und Francis H.C. Crick im Jahr 1953 und bis heute spricht man vom Watson-Crick-Modell. 1962 erhielten sie dafür den Nobelpreis für Medizin.

DNA Model Crick-Watson

Bild: “DNA-Modell von Crick und Watson (1953)” von Alkivar. Lizenz: Gemeinfrei

Um bei der DNA-Beschreibung zu differenzieren, ob sie als Doppelhelix vorliegt oder nicht, werden die Abkürzungen dsDNA (double stranded DNA) und ssDNA (single stranded DNA) verwendet.

Die hydrophoben, positiv geladenen Basen mit ihren Wasserstoffbrückenbindungen liegen innen, die neutralen Zuckerringe und die negativ geladenen Phosphate bilden ein negativ geladenes Äußeres.

Diese Eigenschaft macht sich übrigens auch die Histochemie beim Anfärben von histologischen Präparaten zunutze: Der blauschwarze Farbstoff Hämatoxylin ist basisch und lagert sich also elektrochemisch begünstigt an die saure DNA des Zellkerns an, infolgedessen erscheinen Zellkerne in der HE-Färbung dunkelblau.

Am häufigsten liegen DNA-Doppelhelices in vivo in der B-Konformation vor. Seltene Formen sind die linksgedrehte Z-Form und die A-Form, die in vivo nicht vorkommt. In der B-Form ist die Doppelhelix rechtsgedreht. Ihr Durchmesser beträgt etwa 2 nm, zwei benachbarte Basenpaare eines Stranges sind 0,34 nm entfernt. Auf eine Umdrehung der Doppelhelix kommen zehn Basenpaare mit folglich einer Höhe von 3,4 nm. Die Stapelung der Basen stabilisiert die B-Form zusätzlich, weil die Elektronen der übereinanderliegenden Basen durch ihre Überlappung zu sogenannten Stapelkräften (engl. stacking forces) führen. Die Spirale weist in ihrer Drehung eine große Furche und eine kleine Furche auf.

Organisation und Verpackung der DNA: Histone, Nukleosom, Chromatin

Läge die DNA ohne weitere Verpackung schnurgerade vor, wäre sie über zwei Meter lang. Um in den Zellkern zu passen und einen Schutz vor äußeren Einflüssen und Scherkräften zu bieten, haben sich verschiedene Methoden zur Kondensierung der DNA entwickelt, bei denen sich bestimmte Proteine an sie binden.

DNA: Vom Histon über Nukleosom und Solenoid zum Chromatin

Vom Kleinen ins Große betrachtet, erfährt die Doppelhelix die erste Komprimierung durch Histon-Proteine, um die sie sich in 1 2/3 Umdrehungen windet. Die basischen Histone enthalten besonders die basischen Aminosäuren Arginin und Lysin, wodurch sie sich über ionische Wechselwirkungen leicht an das saure Rückgrat der DNA anlagern.

Wie die meisten Proteine werden sie im Zytosol synthetisiert. Fünf verschiedene Klassen von Histonen gibt es: H1, H2A, H2B, H3 und H4. Die Windung der DNA erfolgt um ein Histon-Oktamer, das von je zwei Molekülen H2A, H2B, H3 und H4 gebildet wird. Histon-Oktamer und die umschlingenden 146 Basenpaare (bp) der DNA bilden ein Nukleosom mit einem Durchmesser von 11 nm.

Die DNA zwischen den Nukleosomen heißt Linker-DNA und ist bis zu 80 bp lang; Linker-DNA und Nukleosom bilden den Nukleosomenstrang. An der Linker-DNA lagern sich Histonmoleküle der Klasse H1 an. Der Nukleosomenstrang ist seinerseits aufgedreht und bildet den 30-nm-Solenoid-Strang. Diese Faser wiederum bildet mithilfe verschiedener Nicht-Histon-Proteinen Chromatinschleifen, die die Makrostruktur der Chromosomen im Zellkern bilden.

Schematische Darstellung der Nukleosombildung aus den Histonproteinen

Bild: “Schematische Darstellung der Nukleosombildung aus den Histonproteinen” von Richard Wheeler (Zephyris). Lizenz: CC BY-SA 3.0

Beim Chromatin unterscheidet man Euchromatin (gr. Vorsilbe eu) und Heterochromatin. Das „gute“ Euchromatin ist wenig kondensiert und somit gelockert, es kann gut von den Enzymen für die Transkription abgelesen werden und ist häufig in stoffwechselaktiven Zellen zu finden. Heterochromatin liegt maximal kondensiert vor, wird seltener transkribiert und findet sich in stoffwechselarmen Zellen.

Histon-Modifikation

Über Modifikationen an Histonen kann die Transkription der DNA beeinflusst werden. Um die saure DNA lagern sich die basischen Histone, in denen vor allem die Aminosäuren Lysin und Arginin vorkommen. An ihre positiv geladenen Reste können sich weitere Moleküle anlagern:

  • Bei der Acetylierung lagert sich ein Acetyl-Rest (chemisch C(O)CH3, eine Carbonyl- und eine Methylgruppe) an einen Lysin-Rest eines Histon-Oktamers. Eine Acetylierung führt zu einer Öffnung der DNA und steigert die Transkriptionsrate.
  • Methylierung bedeutet eine Anlagerung eines Methylrestes (CH3) an einen Lysin- oder Argininrest eines Histons. Eine Methylierung kann sowohl mit erhöhter als auch mit erniedrigter Transkriptionsrate korrelieren, abhängig von der methylierten Aminosäure. Auch die DNA kann direkt methyliert werden, was gehäuft im CG-reichen Bereich passiert, den sogenannten CpG-Inseln. Im Rahmen der Epigenetik kann die Methylierung der DNA vererbt werden.
  • Die Phosphorylierung (Phosphat-Rest) kann an freien Hydroxy-(OH-)Gruppen von Aminosäuren, also an Serin, Threonin und Tyrosin, geschehen. Die Wirkung kann, ähnlich wie bei Methylierung, sowohl eine gesteigerte als auch eine verminderte Transkription sein.

Weitere Modifikationsmöglichkeiten sind die Ubiquitinylierung und die ADP-Ribosylierung.

RNA: Unterschiede zur DNA und verschiedene Arten

RNA

Bild: “Verknüpfung der Nukleinbasen (C, G, A und U) über ein Zucker- (grau) und Phosphatrückgrat (türkis) zur RNA” von Sponk. Lizenz: Gemeinfrei

 

Ribonukleinsäure (RNA) ist der Erbgutträger mancher Viren. Beim Menschen dient RNA auf vielfältige Weise der Proteinbiosynthese und ist unter anderem an der Transkription und Translation beteiligt, kann aber auch eine katalysierende oder regulierende Funktion haben:

  • Die hnRNA (heteronukleäre/heterogene Kern-RNA) findet sich im Zellkern von Eukaryonten als Vorstufe der reifen mRNA und wird auch als prä-mRNA bezeichnet.
  • Die mRNA (messenger-RNA) dient bei der Transkription als komplementäre Kopie eines DNA-Stranges und wandert vom Zellkern ins Zytosol, um dort als Vorlage für die Translation zu wirken.
  • Die tRNA (transfer RNA) bildet bei der Translation das vermittelnde Bindeglied zwischen den mRNA-Triplets und den Aminosäuren, für die sie kodieren.
  • Die rRNA (ribosomale RNA) bildet zusammen mit Proteinen das Ribosom, dessen beide Untereinheiten die Translation ermöglichen.
  • Die mtRNA (mitochondriale RNA) besteht aus mitochondrialer rRNA, mRNA und tRNA, die analog zu den eukaryontischen gleichnamigen Molekülen fungieren.
  • Die snRNA (small nuclear RNA) kann mit weiteren beteiligten Proteinen ein Spleißosom bilden und so das Spleißen bestimmter Gene initiieren.
  • Die snoRNA (small nucleolar RNA) hilft bei der Erkennung zur Modifikation von rRNA und snRNA.
  • Die scRNA (small cytoplasmic RNA) ist Teil der Signal Recognition Particles (SRP), die Proteine, die für den Extrazellulärraum bestimmt sind, für den Weitertransport zum endoplasmatischen Retikulum zu bringen.
  • Die siRNA (short interfering RNA) hat regulatorische Funktion, indem sie an bestimmte mRNA-Basen bindet und deren Abbau erwirkt.
  • Die miRNA (micro RNA) hat regulatorische Funktion, indem sie über bestimmte Basenpaarung mit mRNA dessen Weiterverarbeitung hemmt.

Die Bestandteile der RNA verrät schon der Name: In Ribonukleinsäure befindet sich D-Ribose, und nicht wie in der DNA Desoxy-D-Ribose. Auch in anderen Eigenschaften unterscheidet sich die RNA von der DNA: Ihre Basen sind Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil. Uracil ersetzt Thymin überwiegend und paart sich mit Adenin. Es unterscheidet sich von ihm nur durch eine Methylgruppe in Position 5. Thymin gibt es nur sehr selten in der RNA, zum Beispiel in der t(transfer-)RNA.

RNA und DNA Vergleich

Bild: “RNA und DNA im Vergleich” von Sponk. Lizenz: CC BY-SA 3.0

RNA liegt meist als Einzelstrang vor. Durch Basenpaarung über Wasserstoffbrückenbindungen können sie sich aber auch aneinanderlagern und bilden so z.B. die Kleeblattstruktur der tRNA. Außerdem sind intramolekulare Basenpaarungen möglich, wodurch die RNA als Doppelstrang in der A-Konformation vorliegt, an der leichter Sekundärstrukturen ähnlich den Histonmodifikationen (s.o.) ausgebildet werden können.

Weitere Formen von DNA

Mitochondriale DNA (mtDNA)

Mitochondrien, die „Kraftwerke der Zelle“, verfügen über eine eigene DNA, die mitochondriale DNA (mtDNA; diese Tatsache wird auch als Beweis der Endosymbiontentheorie gewertet, nach der Mitochondrien eigenständige bakterienähnliche Organismen waren, bevor sie in eukaryontische Vorläuferzellen aufgenommen wurden, um spezifische Aufgaben für die Zellen zu übernehmen).

Sie befindet sich im Inneren (Matrix) des Mitochondriums, umfasst 16 kb und liegt ringförmig und als Doppelstrang vor. Die mitochondrialen Gene auf der mtDNA kodieren für die Komplexe der Atmungskette, für mitochondriale mRNA und tRNA.

Die mitochondriale DNA wird maternal vererbt, also über die Mutter. Die paternalen Mitochondrien befinden sich am Spermienhals, der nicht vollständig in die Eizelle eindringt, außerdem verfügt die Eizelle über Abbaumechanismen gegen paternale Mitochondrien.

Bakterielle DNA

Die DNA von Prokaryonten (Lebewesen ohne Zellkern) wie Bakterien befindet sich als Chromosom oder Plasmid frei im Zytoplasma. Beide Strukturen sind zirkulär und bestehen aus einer rechtsgedrehten Doppelhelix, die aus energetischen und Platzgründen zusätzlich nach links um die Helixachse verdrillt ist.

Diese zusätzliche Verdrillung übernehmen Topoisomerasen, die nur bei Bakterien vorkommen: Die DNA-Gyrase und die Topoisomerase IV. Die gesamte Genexpression unterliegt weniger Reparaturmechanismen als beim Menschen, weil Mutationen in der evolutionären Strategie der Bakterien erwünscht sind. Über verschiedene Mechanismen können Bakterien außerdem untereinander DNA-Plasmide austauschen.

Virale DNA

Das virale Genom liegt entweder als DNA oder RNA vor, je nach Nukleinsäuretyp. DNA-Viren haben eine doppelsträngige, lineare oder zirkuläre DNA und oft ein großes Genom, das relativ stabil ist (z.B. Pockenviren, Herpesviren). Einzelstrang-DNA-Viren sind sehr selten (z.B. das Ringelrötelvirus Parvovirus B19).

RNA-Viren hingegen besitzen einzelsträngige (ss, single stranded) RNA, mit begrenzter Genomgröße, die aufgrund mangelnder Korrekturmechanismen häufiger Mutation unterliegt, damit aber sehr anpassungsfähig ist (z.B. Flaviviren oder das HI-Virus). Doppelsträngige RNA-Viren sind sehr selten (z.B. das Rotavirus).

Beliebte Prüfungsfragen zum Thema DNA

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellen.

Welche der folgenden Aussagen ist korrekt?

  1. Thymin und Cytidin sind Purinbasen.
  2. Ein Nukleosid besteht aus einer organischen Base und Pentose, die mit einem oder mehreren Phosphatresten verknüpft sind.
  3. In einem DNA-Molekül ist die Anzahl der Adenine gleich der Anzahl der Guanine.
  4. In einem DNA-Molekül ist die Anzahl der Purine gleich der Anzahl der Pyrimidine.
  5. Für die korrekte Basenpaarung müssen die Basen in Enol-Form vorliegen.

Eine DNA-Doppelhelix liegt in vivo meist in folgender Form vor:

  1. Linksgedreht
  2. In B-Konformation
  3. In A-Konformation
  4. Hydroxyliert
  5. Als Einzelstrang auf Histon-Proteine aufgewickelt

Welche Form der RNA ist im eukaryontischen Zellkern nicht zu finden?

  1. snRNA
  2. snoRNA
  3. hnRNA
  4. mRNA
  5. mtRNA

Quellen

Kayser, F.H., Böttger, E.C. et al: Taschenlehrbuch Medizinische Mikrobiologie, 12. überarbeitete Auflage 2010 – Georg Thieme Verlag

Königshoff, M., Brandenburger T.: Kurzlehrbuch Biochemie, 3. überarbeitete Auflage 2012 – Georg Thieme Verlag

Passarge, E.: Taschenatlas Humangenetik, 3. Auflage 2008 – Georg Thieme Verlag

Rassow J., Hauser K.: Duale Reihe Biochemie, Rassow, 3. übearbeitete Auflage 2012 – Georg Thieme Verlag

Schaaf, C.P., Zschocke, J.: Basiswissen Humangenetik, 2. überarbeitete Auflage 2013 – Springer Verlag

Lösungen der Prüfungsfragen:  1)D 2) B 3) E

 



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