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Desoxyribonukleinsäure

Die Bezeichnung Desoxyribonukleinsäure ist ein Wort, das sich aus mehreren Komponenten zusammensetzt: des (von des-), oxy (von den ersten beiden Silben von Oxygenium für Sauerstoff), ribo (von den ersten beiden Silben von Ribose) – somit Desoxyribo (für Desoxyribose) – und nukleinsäure (von Nuklein und Säure). Im deutschen Sprachgebrauch wird die Desoxyribonukleinsäure inzwischen überwiegend mit der englischen Abkürzung für deoxyribonucleic acid als DNA bezeichnet, während die Abkürzung DNS nach dem Duden als „veraltend“ gilt.

DNA-Modell von Crick und Watson (1953)

1869 entdeckte der Schweizer Arzt Friedrich Miescher in einem Extrakt aus Eiter eine durch milde Säurebehandlung aus den Zellkernen der Leukozyten gewonnene Substanz, die er Nuklein nannte. Miescher arbeitete damals im Labor von Felix Hoppe-Seyler im Tübinger Schloss. 1892 (bzw. 1897 posthum, nachdem der zu Grunde liegende Brief veröffentlicht wurde) führte der „späte“ Miescher auf Basis seiner biochemischen Erkenntnisse hinsichtlich der Komplexität von Nukleinen und Proteinen als erster den Schrift- oder Code-Vergleich für den noch zu entdeckenden Träger der Erbinformation als Forschungshypothese in die Genetik ein. 1889 isoliert der Deutsche Richard Altmann aus dem Nuklein Proteine und die Nukleinsäure. Weitere Erkenntnisse zur Nukleinsäure gehen auf die Arbeiten von Albrecht Kossel (siehe „Die Entdeckung der Nukleinbasen“) zurück, für die er 1910 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet wurde. Im Jahr 1885 teilte er mit, dass aus einer größeren Menge Rinder-Bauchspeicheldrüse eine stickstoffreiche Base mit der Summenformel C5H5N5 isoliert wurde, für die er, abgeleitet von dem griechischen Wort „aden“ für Drüse, den Namen Adenin vorschlug. 1891 konnte Kossel (nach Altmanns Verfahren) Hefe-Nukleinsäure herstellen und Adenin und Guanin als Spaltprodukte nachweisen. Es stellte sich heraus, dass auch ein Kohlenhydrat Bestandteil der Nukleinsäure sein musste. Kossel wählte für die basischen Substanzen Guanin und Adenin sowie seine Derivate den Namen Nucleinbasen.

1893 berichtete Kossel, dass er aus den Thymusdrüsen des Kalbes Nukleinsäure gewonnen und ein gut kristallisiertes Spaltprodukt erhalten hatte, für das er den Namen Thymin vorschlug. 1894 isolierte er aus den Thymusdrüsen eine weitere (basische) Substanz. Kossel gab ihr den Namen Cytosin.

Nachdem am Ende des 19. Jahrhunderts – im Wesentlichen durch die Synthesen Emil Fischers – die Strukturformeln des Guanins und Adenins als Purinkörper und des Thymins als Pyrimidinkörper endgültig aufgeklärt worden waren, konnte Kossel mit Hermann Steudel (1871–1967) auch die Strukturformel der Nukleinbase Cytosin als Pyrimidinkörper zweifelsfrei ermitteln. Es hatte sich inzwischen erwiesen, dass Guanin, Adenin sowie Thymin und Cytosin in allen entwicklungsfähigen Zellen zu finden sind.

Die Erkenntnisse über diese vier Nukleinbasen sollten für die spätere Strukturaufklärung der DNA von wesentlicher Bedeutung sein. Es war Albrecht Kossel, der sie – zusammen mit einem Kohlenhydrat und der Phosphorsäure – eindeutig als Bausteine der Nukleinsäure charakterisierte:

„Es gelang mir, eine Reihe von Bruchstücken zu erhalten … welche durch eine ganz eigentümliche Ansammlung von Stickstoffatomen gekennzeichnet sind. Es sind hier nebeneinander … das Cytosin, das Thymin, das Adenin und das Guanin.“ (Nobelvortrag am 12. Dezember 1910).

Der aus Litauen stammende Biochemiker Phoebus Levene schlug eine kettenartige Struktur der Nukleinsäure vor, in welcher die Nukleotide durch die Phosphatreste zusammengefügt sind und sich wiederholen. 1929 konnte er in Zusammenarbeit mit dem russischen Physiologen Efim London (1869–1932) den Zuckeranteil der „tierische Nukleinsäure“ als Desoxyribose identifizieren (J. Biol. Chem.1929, 83. Seiten 793-802). [5a] Erst nachfolgend wurde sie als Desoxyribonukleinsäure bezeichnet. Es wurde erkannt, dass sie auch in pflanzlichen Zellkernen vorkommt.

Als wirksamer Bestandteil der Chromosomen bzw. des Kernchromatins wurde die DNA bereits 1932 von K. Voit und Hartwig Kuhlenbeck angesehen. 1937 publizierte William Astbury erstmals Röntgenbeugungsmuster, die auf eine repetitive Struktur der DNA hinwiesen.

1943 wies Oswald Avery nach, dass die Transformation von Bakterien, das heißt die Weitergabe erblicher Information von einem Bakterien-Stamm auf einen anderen (heute horizontaler Gentransfer genannt), auf der Übertragung von DNA beruht. Dies widersprach der damals noch allgemein favorisierten Annahme, dass nicht die DNA, sondern Proteine die Träger der Erbinformation seien. Unterstützung in seiner Interpretation erhielt Avery 1952, als Alfred Hershey und Martha Chase nachwiesen, dass DNA die Erbinformation des T2-Phagen enthält.

Den strukturellen Aufbau der DNA zu entschlüsseln und im Modell nachzubilden gelang dem US-Amerikaner James Watson und dem Briten Francis Crick am 28. Februar 1953. Ihre Entdeckung publizierten sie in der April-Ausgabe 1953 des Magazins Nature in ihrem berühmten Artikel Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Watson kam 1951 nach England, nachdem er ein Jahr zuvor an der Indiana University Bloomington in den USA promoviert hatte. Er hatte zwar ein Stipendium für Molekularbiologie bekommen, beschäftigte sich aber vermehrt mit der Frage des menschlichen Erbguts. Crick widmete sich in Cambridge gerade erfolglos seiner Promotion über die Kristallstruktur des Hämoglobinmoleküls, als er 1951 Watson traf.

Zu dieser Zeit war bereits ein erbitterter Wettlauf um die Struktur der DNA entbrannt, an dem sich neben anderen auch Linus Pauling am California Institute of Technology (Caltech) beteiligte. Watson und Crick waren eigentlich anderen Projekten zugeteilt worden und besaßen kein bedeutendes Fachwissen in Chemie. Sie bauten ihre Überlegungen auf den Forschungsergebnissen der anderen Wissenschaftler auf.

Watson sagte, er wolle das Erbgut entschlüsseln, ohne Chemie lernen zu müssen. In einem Gespräch mit dem renommierten Chemiker und Ersteller der Chargaff-Regeln, Erwin Chargaff, vergaß Crick wichtige Molekülstrukturen, und Watson machte im selben Gespräch unpassende Anmerkungen, die seine Unkenntnis auf dem Gebiet der Chemie verrieten. Chargaff nannte die jungen Kollegen im Anschluss „wissenschaftliche Clowns“.

Watson besuchte Ende 1952 am King’s College in London Maurice Wilkins, der ihm DNA-Röntgenaufnahmen von Rosalind Franklin zeigte (was gegen den Willen von Franklin geschah). Watson sah sofort, dass es sich bei dem Molekül um eine Doppel-Helix handeln musste; Franklin selbst hatte aufgrund der Daten auch das Vorhandensein einer Helix vermutet, jedoch hatte sie kein überzeugendes Modell für die Struktur vorzuweisen. Da bekannt war, dass die Purin- und Pyrimidin-Basen Paare bilden, gelang es Watson und Crick, die ganze Molekularstruktur herzuleiten. So entwickelten sie am Cavendish-Laboratorium der Universität Cambridge das Doppelhelix-Modell der DNA mit den Basenpaaren in der Mitte, das am 25. April 1953 in der Zeitschrift Nature publiziert wurde.

Diese denkwürdige Veröffentlichung enthält gegen Ende den Satz „It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material“. („Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen, dass die spezifische Paarung, die wir als gegeben voraussetzen, unmittelbar auf einen möglichen Vervielfältigungsmechanismus für das genetische Material schließen lässt.“)

„Für ihre Entdeckungen über die Molekularstruktur der Nukleinsäuren und ihre Bedeutung für die Informationsübertragung in lebender Substanz“ erhielten Watson und Crick zusammen mit Maurice Wilkins 1962 den Nobelpreis für Medizin.

Rosalind Franklin, deren Röntgenbeugungsdiagramme wesentlich zur Entschlüsselung der DNA-Struktur beigetragen hatten, war zu diesem Zeitpunkt bereits verstorben und konnte daher nicht mehr nominiert werden.

Für weitere geschichtliche Informationen zur Entschlüsselung der Vererbungsvorgänge siehe „Forschungsgeschichte des Zellkerns“ sowie „Forschungsgeschichte der Chromosomen“ und „Chromosomentheorie der Vererbung“.

Strukturformel eines DNA-Ausschnittes

Bausteine

Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Kettenmolekül (Polymer) aus vielen Bausteinen, die man Desoxyribonukleotide oder kurz Nukleotide nennt. Jedes Nukleotid hat drei Bestandteile: Phosphorsäure bzw. Phosphat, den Zucker Desoxyribose sowie eine heterozyklische Nukleobase oder kurz Base. Die Desoxyribose- und Phosphorsäure-Untereinheiten sind bei jedem Nukleotid gleich. Sie bilden das Rückgrat des Moleküls. Einheiten aus Base und Zucker (ohne Phosphat) werden als Nukleoside bezeichnet.

Die Phosphatreste sind aufgrund ihrer negativen Ladung hydrophil, sie geben DNA in wässriger Lösung insgesamt eine negative Ladung. Da diese negativ geladene, in Wasser gelöste DNA keine weiteren Protonen abgeben kann, handelt es sich streng genommen nicht (mehr) um eine Säure. Der Begriff Desoxyribonukleinsäure bezieht sich auf einen ungeladenen Zustand, in dem Protonen an die Phosphatreste angelagert sind.

Bei der Base kann es sich um ein Purin, nämlich Adenin (A) oder Guanin (G), oder um ein Pyrimidin, nämlich Thymin (T) oder Cytosin (C), handeln. Da sich die vier verschiedenen Nukleotide nur durch ihre Base unterscheiden, werden die Abkürzungen A, G, T und C auch für die entsprechenden Nukleotide verwendet.

Die fünf Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1' (sprich Eins Strich) bis 5' nummeriert. Am 1'-Ende dieses Zuckers ist die Base gebunden. Am 5'-Ende hängt der Phosphatrest. Genau genommen handelt es sich bei der Desoxyribose um die 2-Desoxyribose; der Name kommt daher, dass im Vergleich zu einem Ribose-Molekül eine alkoholische Hydroxygruppe (OH-Gruppe) an der 2'-Position fehlt (d. h. durch ein Wasserstoffatom ersetzt wurde).

An der 3'-Position ist eine OH-Gruppe vorhanden, welche die Desoxyribose über eine sogenannte Phosphodiester-Bindung mit dem 5'-Kohlenstoffatom des Zuckers des nächsten Nukleotids verknüpft (siehe Abbildung). Dadurch besitzt jeder sogenannte Einzelstrang zwei verschiedene Enden: ein 5'- und ein 3'-Ende. DNA-Polymerasen, die in der belebten Welt die Synthese von DNA-Strängen durchführen, können neue Nukleotide nur an die OH-Gruppe am 3'-Ende anfügen, nicht aber am 5'-Ende. Der Einzelstrang wächst also immer von 5' nach 3' (siehe auch DNA-Replikation weiter unten). Dabei wird ein Nukleosidtriphosphat (mit drei Phosphatresten) als neuer Baustein angeliefert, von dem zwei Phosphate in Form von Pyrophosphat abgespalten werden. Der verbleibende Phosphatrest des jeweils neu hinzukommenden Nukleotids wird mit der OH-Gruppe am 3'-Ende des letzten im Strang vorhandenen Nukleotids unter Wasserabspaltung verbunden. Die Abfolge der Basen im Strang codiert die genetische Information.

Die Doppelhelix

A-, B- und Z-DNA: Strukturmodelle mit jeweils 12 Basenpaaren (v. l. n. r.)
Ausschnitt von 20 Basenpaaren aus der DNA-Doppelhelix (B-Form; Strukturmodell)
Ausschnitt eines DNA-Moleküls: Das hier verwendete Kalottenmodell stellt besser die Belegung des Raum­volumens dar und vermeidet den Ein­druck, dass zwischen den Atomen noch viel Platz sei. Allerdings werden Bindungen zwischen den Atomen schlechter dargestellt.

DNA kommt normalerweise als schraubenförmige Doppelhelix in einer Konformation vor, die B-DNA genannt wird. Zwei der oben beschriebenen Einzelstränge sind dabei aneinandergelagert, und zwar in entgegengesetzter Richtung: An jedem Ende der Doppelhelix hat einer der beiden Einzelstränge sein 3'-Ende, der andere sein 5'-Ende. Durch die Aneinanderlagerung stehen sich in der Mitte der Doppelhelix immer zwei bestimmte Basen gegenüber, sie sind „gepaart“. Die Doppelhelix wird hauptsächlich durch Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Basen desselben Stranges stabilisiert (und nicht, wie oft behauptet, durch Wasserstoffbrücken zwischen den Strängen).

Es paaren sich immer Adenin und Thymin, die dabei zwei Wasserstoffbrücken ausbilden, oder Cytosin mit Guanin, die über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Eine Brückenbildung erfolgt zwischen den Molekülpositionen 1═1 sowie 6═6, bei Guanin-Cytosin-Paarungen zusätzlich zwischen 2═2. Da sich immer die gleichen Basen paaren, lässt sich aus der Sequenz der Basen in einem Strang die des anderen Strangs ableiten, die Sequenzen sind komplementär (siehe auch: Basenpaar). Dabei sind die Wasserstoffbrücken fast ausschließlich für die Spezifität der Paarung verantwortlich, nicht aber für die Stabilität der Doppelhelix.

Da stets ein Purin mit einem Pyrimidin kombiniert wird, ist der Abstand zwischen den Strängen überall gleich, es entsteht eine regelmäßige Struktur. Die ganze Helix hat einen Durchmesser von ungefähr 2 nm und windet sich mit jedem Zuckermolekül um 0,34 nm weiter.

Die Ebenen der Zuckermoleküle stehen in einem Winkel von 36° zueinander, und eine vollständige Drehung wird folglich nach 10 Basen (360°) und 3,4 nm erreicht. DNA-Moleküle können sehr groß werden. Beispielsweise enthält das größte menschliche Chromosom 247 Millionen Basenpaare.

DNA Structure Key Labelled NoBB

Beim Umeinanderwinden der beiden Einzelstränge verbleiben seitliche Lücken, sodass hier die Basen direkt an der Oberfläche liegen. Von diesen Furchen gibt es zwei, die sich um die Doppelhelix herumwinden (siehe Abbildungen und Animation am Artikelanfang). Die „große Furche“ ist 2,2 nm breit, die „kleine Furche“ nur 1,2 nm.

Entsprechend sind die Basen in der großen Furche besser zugänglich. Proteine, die sequenzspezifisch an die DNA binden, wie zum Beispiel Transkriptionsfaktoren, binden daher meist an der großen Furche.

Auch manche DNA-Farbstoffe, wie zum Beispiel DAPI, lagern sich an einer Furche an.

Die kumulierte Bindungsenergie zwischen den beiden Einzelsträngen hält diese zusammen. Kovalente Bindungen sind hier nicht vorhanden, die DNA-Doppelhelix besteht also nicht aus einem Molekül, sondern aus zweien. Dadurch können die beiden Stränge in biologischen Prozessen zeitweise getrennt werden.

Neben der eben beschriebenen B-DNA existieren auch A-DNA sowie eine 1979 von Alexander Rich und seinen Kollegen am MIT erstmals auch untersuchte, linkshändige, sogenannte Z-DNA. Diese tritt besonders in G-C-reichen Abschnitten auf. Erst 2005 wurde über eine Kristallstruktur berichtet, welche Z-DNA direkt in einer Verbindung mit B-DNA zeigt und so Hinweise auf eine biologische Aktivität von Z-DNA liefert. Die folgende Tabelle und die daneben stehende Abbildung zeigen die Unterschiede der drei Formen im direkten Vergleich.

Strukturinformationen der drei DNA-Formen, die biologisch relevant sein könnten
(B-DNA ist die in der belebten Natur häufigste Form)
Strukturmerkmal A-DNA B-DNA Z-DNA
Aufbau aus Monomeren Monomeren Dimeren
Drehsinn der Helix rechts rechts links
Durchmesser (ca.) 2,6 nm 2,37 nm 1,8 nm
Helikale Windung pro Basenpaar (twist) 32,7° 34,3° 30°
Basenpaare pro helikale Windung 11 10 12
Anstieg pro Base 0,29 nm 0,34 nm 0,37 nm
Anstieg pro Windung (Ganghöhe) 3,4 nm 3,4 nm 4,4 nm
Neigungswinkel der Basenpaare zur Achse 20°
Große Furche eng und tief
breit und tief
Tiefe: 0,85 nm
flach
Kleine Furche breit und flach
eng und tief
Tiefe: 0,75 nm
eng und tief
Pyrimidinbasen (Cytosin/Thymin/Uracil)
Zuckerkonformation
Glykosidische Bindung

C3'-endo
anti

C2'-endo
anti

C2'-endo
anti
Purinbasen (Adenin/Guanin)
Zuckerkonformation
Glykosidische Bindung

C3'-endo
anti

C2'-endo
anti

C3'-endo
syn
a) rechtsgängige Doppelhelix
b) linksgängige Doppelhelix

Die Stapel der Basenpaare (base stackings) liegen nicht wie Bücher exakt parallel aufeinander, sondern bilden Keile, die die Helix in die eine oder andere Richtung neigen. Den größten Keil bilden Adenosine, die mit Thymidinen des anderen Stranges gepaart sind. Folglich bildet eine Serie von AT-Paaren einen Bogen in der Helix. Wenn solche Serien in kurzen Abständen aufeinander folgen, nimmt das DNA-Molekül eine gebogene bzw. eine gekrümmte Struktur an, welche stabil ist. Dies wird auch Sequenz-induzierte Beugung genannt, da die Beugung auch von Proteinen hervorgerufen werden kann (die sogenannte Protein-induzierte Beugung). Sequenzinduzierte Beugung findet man häufig an wichtigen Stellen im Genom.

Chromatin und Chromosomen

Menschliche Chromosomen in später Metaphase der mitotischen Zellkernteilung: Jedes Chromosom zeigt zwei Chromatiden, die in der Anaphase getrennt und für zwei Zellkerne aufgeteilt werden.
Hauptartikel: Chromatin und Chromosom

Organisiert ist die DNA in der eukaryotischen Zelle in Form von Chromatinfäden, genannt Chromosomen, die im Zellkern liegen. Ein einzelnes Chromosom enthält von der Anaphase bis zum Beginn der S-Phase einen langen, durchgehenden DNA-Doppelstrang (in einem Chromatid). Am Ende der S-Phase besteht das Chromosom aus zwei identischen DNA-Fäden (in zwei Chromatiden).

Da ein solcher DNA-Faden mehrere Zentimeter lang sein kann, ein Zellkern aber nur wenige Mikrometer Durchmesser hat, muss die DNA zusätzlich komprimiert bzw. „gepackt“ werden. Dies geschieht bei Eukaryoten mit sogenannten Chromatinproteinen, von denen besonders die basischen Histone zu erwähnen sind. Sie bilden die Nukleosomen, um die die DNA auf der niedrigsten Verpackungsebene herumgewickelt wird. Während der Kernteilung (Mitose) wird jedes Chromosom zu seiner maximal kompakten Form kondensiert. Dadurch können sie mit dem Lichtmikroskop besonders gut in der Metaphase identifiziert werden.

Bakterielle und virale DNA

In prokaryotischen Zellen liegt die doppelsträngige DNA in den bisher dokumentierten Fällen mehrheitlich nicht als lineare Stränge mit jeweils einem Anfang und einem Ende vor, sondern als zirkuläre Moleküle – jedes Molekül (d. h. jeder DNA-Strang) schließt sich mit seinem 3'- und seinem 5'-Ende zum Kreis. Diese zwei ringförmigen, geschlossenen DNA-Moleküle werden je nach Länge der Sequenz als Bakterienchromosom oder Plasmid bezeichnet. Sie befinden sich bei Bakterien auch nicht in einem Zellkern, sondern liegen frei im Plasma vor. Die Prokaryoten-DNA wird mit Hilfe von Enzymen (zum Beispiel Topoisomerasen und Gyrasen) zu einfachen „Supercoils“ aufgewickelt, die einer geringelten Telefonschnur ähneln. Indem die Helices noch um sich selbst gedreht werden, sinkt der Platzbedarf für die Erbinformation. In den Bakterien sorgen Topoisomerasen dafür, dass durch ständiges Schneiden und Wiederverknüpfen der DNA der verdrillte Doppelstrang an einer gewünschten Stelle entwunden wird (Voraussetzung für Transkription und Replikation). Viren enthalten je nach Typ als Erbinformation entweder DNA oder RNA. Sowohl bei den DNA- wie den RNA-Viren wird die Nukleinsäure durch eine Protein-Hülle geschützt.

Chemische und physikalische Eigenschaften der DNA-Doppelhelix

Die DNA ist bei neutralem pH-Wert ein negativ geladenes Molekül, wobei die negativen Ladungen auf den Phosphaten im Rückgrat der Stränge sitzen. Zwar sind zwei der drei sauren OH-Gruppen der Phosphate mit den jeweils benachbarten Desoxyribosen verestert, die dritte ist jedoch noch vorhanden und gibt bei neutralem pH-Wert ein Proton ab, was die negative Ladung bewirkt. Diese Eigenschaft macht man sich bei der Agarose-Gelelektrophorese zu Nutze, um verschiedene DNA-Stränge nach ihrer Länge aufzutrennen. Einige physikalische Eigenschaften wie die freie Energie und der Schmelzpunkt der DNA hängen direkt mit dem GC-Gehalt zusammen, sind also sequenzabhängig.

Stapelwechselwirkungen

Für die Stabilität der Doppelhelix sind hauptsächlich zwei Faktoren verantwortlich: die Basenpaarung zwischen komplementären Basen sowie Stapelwechselwirkungen (stacking interactions) zwischen aufeinanderfolgenden Basen.

Anders als zunächst angenommen, ist der Energiegewinn durch Wasserstoffbrückenbindungen vernachlässigbar, da die Basen mit dem umgebenden Wasser ähnlich gute Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können. Die Wasserstoffbrücken eines GC-Basenpaares tragen nur minimal zur Stabilität der Doppelhelix bei, während diejenigen eines AT-Basenpaares sogar destabilisierend wirken. Stapelwechselwirkungen hingegen wirken nur in der Doppelhelix zwischen aufeinanderfolgenden Basenpaaren: Zwischen den aromatischen Ringsystemen der heterozyklischen Basen entsteht eine dipol-induzierte Dipol-Wechselwirkung, welche energetisch günstig ist. Somit ist die Bildung des ersten Basenpaares aufgrund des geringen Energiegewinnes und des -verlustes recht ungünstig, jedoch die Elongation (Verlängerung) der Helix ist energetisch günstig, da die Basenpaarstapelung unter Energiegewinn verläuft.

Die Stapelwechselwirkungen sind jedoch sequenzabhängig und energetisch am günstigsten für gestapelte GC-GC, weniger günstig für gestapelte AT-AT. Die Unterschiede in den Stapelwechselwirkungen erklären hauptsächlich, warum GC-reiche DNA-Abschnitte thermodynamisch stabiler sind als AT-reiche, während Wasserstoffbrückenbildung eine untergeordnete Rolle spielt.

Schmelzpunkt

Der Schmelzpunkt der DNA ist die Temperatur, bei der die Bindungskräfte zwischen den beiden Einzelsträngen überwunden werden und diese sich voneinander trennen. Dies wird auch als Denaturierung bezeichnet.

Solange die DNA in einem kooperativen Übergang denaturiert (der sich in einem enggefassten Temperaturbereich vollzieht), bezeichnet der Schmelzpunkt die Temperatur, bei der die Hälfte der Doppelstränge in Einzelstränge denaturiert ist. Von dieser Definition sind die korrekten Bezeichnungen „midpoint of transition temperature“ bzw. Mittelpunktstemperatur Tm abgeleitet.

Der Schmelzpunkt hängt von der jeweiligen Basensequenz in der Helix ab. Er steigt, wenn in ihr mehr GC-Basenpaare liegen, da diese entropisch günstiger sind als AT-Basenpaare. Das liegt nicht so sehr an der unterschiedlichen Zahl der Wasserstoffbrücken, welche die beiden Paare ausbilden, sondern viel mehr an den unterschiedlichen Stapelwechselwirkungen (stacking interactions). Die stacking-Energie zweier Basenpaare ist viel kleiner, wenn eines der beiden Paare ein AT-Basenpaar ist. GC-Stapel dagegen sind energetisch günstiger und stabilisieren die Doppelhelix stärker. Das Verhältnis der GC-Basenpaare zur Gesamtzahl aller Basenpaare wird durch den GC-Gehalt angegeben.

Da einzelsträngige DNA UV-Licht etwa 40 Prozent stärker absorbiert als doppelsträngige, lässt sich die Übergangstemperatur in einem Photometer gut bestimmen.

Wenn die Temperatur der Lösung unter Tm zurückfällt, können sich die Einzelstränge wieder aneinanderlagern. Dieser Vorgang heißt Renaturierung oder Hybridisierung. Das Wechselspiel von De- und Renaturierung wird bei vielen biotechnologischen Verfahren ausgenutzt, zum Beispiel bei der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei Southern Blots und der In-situ-Hybridisierung.

Kreuzförmige DNA an Palindromen

Ein Palindrom ist eine Folge von Nukleotiden, bei denen sich die beiden komplementären Stränge jeweils von rechts genauso lesen lassen wie von links.

Unter natürlichen Bedingungen (bei hoher Drehspannung der DNA) oder künstlich im Reagenzglas kann sich diese lineare Helix als Kreuzform (cruciform) herausbilden, indem zwei Zweige entstehen, die aus dem linearen Doppelstrang herausragen. Die Zweige stellen jeweils für sich eine Helix dar, allerdings bleiben am Ende eines Zweiges mindestens drei Nukleotide ungepaart. Beim Übergang von der Kreuzform in die lineare Helix bleibt die Basenpaarung wegen der Biegungsfähigkeit des Phosphodiester-Zucker-Rückgrates erhalten.

Die spontane Zusammenlagerung von komplementären Basen zu sog. Stamm-Schleifen-Strukturen wird häufig auch bei Einzelstrang-DNA oder -RNA beobachtet.

Nicht-Standard-Basen

Gelegentlich werden in Viren und zellulären Organismen Abweichungen von den oben genannten vier kanonischen Basen (Standard-Basen) Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C) beobachtet; weitere Abweichungen können künstlich erzeugt werden.

Natürliche Nichtstandard-Basen

  1. Uracil (U) wird normalerweise nicht in der DNA gefunden, es tritt lediglich als Abbauprodukt von Cytosin auf. In mehreren Bakteriophagen (bakteriellen Viren) wird Thymin jedoch durch Uracil ersetzt:
    • Bacillus-subtilis-Bakteriophage PBS1 (ICTV: Spezies Bacillus virus PBS1) und „PBS2“ (vorgeschlagene Spezies ‚Bacillus phage PBS2‘ alias „Bacteriophage PBS2“) – beide Spezies sind Myophagen, d. h. Phagen aus der Familie Myoviridae (ohne zugewiesene Gattung).
    • Bacillus virus PBS1 (ICTV: Spezies Yersinia virus R1RT in der Gattung Tg1virus, Familie Myoviridae)
    • Staphylococcus-Phage S6 (alias Staphylococcus aureus Bacteriophage 15, ebenfalls aus der Familie Myoviridae)
      Uracil wird auch in der DNA von Eukaryoten wie Plasmodium falciparum (Apicomplexa) gefunden. Es ist dort in relativ geringen Mengen vorhanden (7–10 Uracileinheiten pro Million Basen).
  2. 5-Hydroxymethyldesoxyuridin (hm5dU) ersetzt Thymidin im Genom verschiedener Bacillus-Phagen der Spezies Bacillus virus SPO1, Gattung Spo1virus (früher Spounalikevirus oder SPO1-like viruses), ebenfalls Familie Myoviridae. Es sind dies die Phagen SPO1, SP8, SP82, „Phi-E“ alias „ϕe“ und „2C“)
  3. 5-Dihydroxypentauracil (DHPU, mit Nukleotid 5-dihydroxypentyl-dUMP, DHPdUMP) wurde als Ersatz für Thymidin im „Bacillus Phagen SP15“ (auch „SP-15“, Familie Myoviridae) beschrieben.
  4. Beta-d-glucopyranosyloxymethyluracil (Base J), ebenfalls eine modifizierte Form von Uracil, wurde in verschiedenen Organismen gefunden: Den Flagellaten Diplonema und Euglena (beide Excavata: Euglenozoa) sowie allen Gattungen der Kinetoplastiden. Die Biosynthese von J erfolgt in zwei Schritten: Im ersten Schritt wird ein spezifisches Thymidin in DNA in Hydroxymethyldesoxyuridin (HOMedU) umgewandelt, im zweiten wird HOMedU zu J glykosyliert. Es gibt einige Proteine, die spezifisch an diese Base binden. Diese Proteine scheinen entfernte Verwandte des Tet1-Onkogens zu sein, das an der Pathogenese der akuten myeloischen Leukämie beteiligt ist. J scheint als Terminationssignal für RNA-Polymerase II zu wirken.
  5. 2,6-Diaminopurin (alias 2-Aminoadenin, Base D oder X, DAP): 1976 wurde festgestellt, dass der „Cyanophage S-2L“ (alias „Cyanobacteria phage S-2L“, Gattung „Cyanostylovirus“, Familie Siphoviridae, evtl. eigene Familie „Cyanostyloviridae“ oder „Styloviridae“), dessen Wirte Spezies der Gattung Synechocystis sind, alle Adenosinbasen in seinem Genom durch 2,6-Diaminopurin ersetzt. Drei weitere Untersuchungen folgten im Jahr 2021, eine Zusammenfassung findet sich auf sciencealert (Mai 2021). Ähnliches gilt für „Acinetobacter phage SH-Ab 15497“, ebenfalls Siphoviridae, und weitere Vertreter dieser Familie sowie der Podoviridae.
  6. Wie 2016 herausgefunden wurde, ist 2'-Desoxyarchaeosin (dG+) im Genom mehrerer Bakterien und im Escherichia-Phagen 9g (ICTV: Escherichia virus 9g, Gattung Nonagvirus, Familie Siphoviridae) vorhanden.
  7. 6-Methylisoxanthopterin
  8. 5-Hydroxyuracil

Natürliche modifizierte Basen (Methylierungen u. a.)

In natürlicher DNA kommen auch modifizierte Basen vor. Insbesondere werden Methylierungen der kanonischen Basen im Rahmen der Epigenetik untersucht:

  1. Zunächst wurde im Jahr 1925 5-Methylcytosin (m5C) im Genom von Mycobacterium tuberculosis gefunden. Im Genom des Xanthomonas oryzae-Bakteriophagen Xp12 (Xanthomonas phage XP-12, Familie Siphoviridae) und des Halovirus ΦH (Halobacterium virus phiH, Gattung Myohalovirus, Myoviridae) ist das gesamte Cystosin-Kontingent durch 5-Methylcytosin ersetzt.
  2. Einen kompletten Ersatz von Cytosin durch 5-Glycosylhydroxymethylcytosin (syn. Glycosyl-5-hydroxymethylcytosin) in den Phagen T2, T4 und T6 der Spezies Escherichia-Virus T4 (Gattung Tquattrovirus, Unterfamilie Tevenvirinae der Familie Myoviridae) wurde 1953 beobachtet.
  3. Wie 1955 entdeckt wurde, ist N6-Methyladenin (6mA, m6A) in der DNA von Colibakterien vorhanden.
  4. N6-Carbamoylmethyladenin wurde 1975 in den Bakteriophagen Mu (ICTV: Spezies Escherichia virus Mu, früher Enterobacteria phage Mu; Gattung Muvirus, veraltet Mulikevirus in der Familie Myoviridae) und Lambda-Mu beschrieben.
  5. 7-Methylguanin (m7G) wurde 1976 im Phagen DDVI (‚Enterobacteria phage DdVI‘ alias ‚DdV1‘, Gattung T4virus) von Shigella disenteriae beschrieben.
  6. N4-Methylcytosin (m4C) in DNA wurde 1983 beschrieben (in Bacillus centrosporus).
  7. 1985 wurde 5-Hydroxycytosin im Genom des Rhizobium-Phagen RL38JI gefunden.
  8. α-Putrescinylthymin (Alpha-Putrescinylthymin, putT) und α-Glutamylthymidin (Alpha-Glutamylthymidin) kommt im Genom sowohl des Delftia-Phagen ΦW-14 (Phi W-14, Spezies ‚Dellftia virus PhiW14‘, Gattung Ionavirus, Familie Myovrirdae) als auch des Bacillus-Phagen SP10 (ebenfalls Familie Myoviridae) vor.
  9. 5-Dihydroxypentyluracil wurde im Bacillus-Phagen SP15 (auch SP-15, Familie Myoviridae) gefunden.

Die Funktion dieser nicht-kanonischen Basen in der DNA ist nicht bekannt. Sie wirken zumindest teilweise als molekulares Immunsystem und helfen, die Bakterien vor einer Infektion durch Viren zu schützen.

Nicht-Standard und modifizierte Basen bei Mikroben sind aber noch nicht alles:

  1. Es wurde auch über vier Modifikationen der Cytosinreste in humaner DNA berichtet. Diese Modifikationen bestehen aus dem Zusatz folgender Gruppen:
  2. Uracil ist in den Zentromer-Regionen von mindestens zwei menschlichen Chromosomen (6 und 11) zu finden.

Synthetische Basen

Im Labor wurde DNA (und auch RNA) mit weiteren künstlichen Basen versehen. Ziel ist es meist, damit unnatürliche Basenpaarungen (englischunnatural base pairs, UBP) zu erzeugen:

  • Im Jahr 2004 wurde DNA erzeugt, die statt der vier Standardnukleobasen (A, T, G und C) ein erweitertes Alphabet mit sechs Nukleobasen (A, T, G, C, dP und dZ) enthielt. Dabei steht bei diesen zwei neuen Basen dP für2-Amino-8-(1′-β-D-2′-desoxyribofuranosyl)-imidazo[1,2-a]-1,3,5-triazin-4(8H)-on und dZ für 6-Amino-5-nitro-3-(1′-β-D-2′-desoxyribofuranosyl)-2(1H)-pyridon.
  • Im Jahr 2006 wurden erstmals eine DNA mit um eine Benzolgruppe bzw. eine Naphthylgruppe erweiterten Basen untersucht (je nach Stellung der Erweiterungsgruppen entweder xDNA bzw. xxDNA oder yDNA bzw. yyDNA genannt).
  • Yorke Zhang et al. berichteten zur Jahreswende 2016/2017 über halbsynthetische Organismen mit einer DNA, die um die Basen X (alias NaM) und Y' (alias TPT3) bzw. die (Desoxyribo-)Nukleotide dX (dNaM) und dY' (dTPT3) erweitert wurde, die miteinander paaren. Vorausgegangen waren Versuche mit Paarungen auf Basis der Basen X und Y (alias 5SICS), d. h. der Nukleotiden dX und dY (alias d5SICS). Weitere Basen, die mit 5SICS paaren können, sind FEMO und MMO2.
  • Anfangs 2019 wurde über DNA und RNA mit jeweils acht Basen (vier natürliche und vier synthetische) berichtet, die sich alle paarweise einander zuordnen (Hachimoji-DNA).

Enantiomere

DNA tritt in Lebewesen als D-DNA auf; L-DNA als Enantiomer (Spiegelmer) kann allerdings synthetisiert werden (gleiches gilt analog für RNA). L-DNA wird langsamer von Enzymen abgebaut als die natürliche Form, was sie für die Pharmaforschung interessant macht.

Ribosomale DNA in Transkription: Die Länge neu synthetisierter rRNA-Moleküle wächst vom Anfang zum Ende einer Transkriptionseinheit (Elektronenmikroskopische Aufnahme, 40.000-fache Vergrößerung)

DNA-Moleküle spielen als Informationsträger und „Andockstelle“ eine wichtige Rolle für Enzyme, die für die Transkription zuständig sind. Weiterhin ist die Information bestimmter DNA-Abschnitte, wie sie etwa in operativen Einheiten wie dem Operon vorliegt, wichtig für Regulationsprozesse innerhalb der Zelle.

Bestimmte Abschnitte der DNA, die sogenannten Gene, codieren genetische Informationen, die Aufbau und Organisation des Organismus beeinflussen. Gene enthalten „Baupläne“ für Proteine oder Moleküle, die bei der Proteinsynthese oder der Regulation des Stoffwechsels einer Zelle beteiligt sind. Die Reihenfolge der Basen bestimmt dabei die genetische Information. Diese Basensequenz kann mittels Sequenzierung zum Beispiel über die Sanger-Methode ermittelt werden.

Die Basenabfolge (Basensequenz) eines Genabschnitts der DNA wird zunächst durch die Transkription in die komplementäre Basensequenz eines sogenannten Ribonukleinsäure-Moleküls überschrieben (abgekürzt RNA). RNA enthält im Unterschied zu DNA den Zucker Ribose anstelle von Desoxyribose und die Base Uracil anstelle von Thymin, der Informationsgehalt ist aber derselbe. Für die Proteinsynthese werden sogenannte mRNAs verwendet, einsträngige RNA-Moleküle, die aus dem Zellkern ins Zytoplasma hinaustransportiert werden, wo die Proteinsynthese stattfindet (siehe Proteinbiosynthese).

Nach der sog. „Ein-Gen-Ein-Protein-Hypothese“ wird von einem codierenden Abschnitt auf der DNA die Sequenz jeweils eines Proteinmoleküls abgelesen. Es gibt aber Regionen der DNA, die durch Verwendung unterschiedlicher Leseraster bei der Transkription jeweils mehrere Proteine codieren. Außerdem können durch alternatives Spleißen (nachträgliches Schneiden der mRNA) verschiedene Isoformen eines Proteins hergestellt werden.

Neben der codierenden DNA (den Genen) gibt es nichtcodierende DNA, die etwa beim Menschen über 90 Prozent der gesamten DNA einer Zelle ausmacht.

Die Speicherkapazität der DNA konnte bisher nicht technisch nachgebildet werden. Mit der Informationsdichte in einem Teelöffel getrockneter DNA könnte die aktuelle Weltbevölkerung etwa 350 Mal nachgebaut werden.

Die Doppelhelix wird durch die Helikase und die Topo­iso­me­rase geöffnet. Danach setzt die Primase einen Primer und die DNA-Polymerase beginnt, den Leitstrang zu kopieren. Eine zweite DNA-Polymerase bindet den Folgestrang, kann aber nicht kontinuierlich synthetisieren, sondern produziert einzelne Okazaki-Fragmente, die von der DNA-Ligase zusammengefügt werden.
Hauptartikel: Replikation

Die DNA kann sich nach dem sog. semikonservativen Prinzip mit Hilfe von Enzymen selbst verdoppeln (replizieren). Die doppelsträngige Helix wird durch das Enzym Helikase aufgetrennt, nachdem sie von der Topoisomerase entspiralisiert wurde. Die entstehenden Einzelstränge dienen als Matrize (Vorlage) für den jeweils zu synthetisierenden komplementären Gegenstrang, der sich an sie anlagert.

Die DNA-Synthese, d. h. die Bindung der zu verknüpfenden Nukleotide, wird durch Enzyme aus der Gruppe der DNA-Polymerasen vollzogen. Ein zu verknüpfendes Nukleotid muss in der Triphosphat-Verbindung – also als Desoxyribonukleosidtriphosphat – vorliegen. Durch Abspaltung zweier Phosphatteile wird die für den Bindungsvorgang benötigte Energie frei.

Das Enzym Helikase bildet eine Replikationsgabel, zwei auseinander laufende DNA-Einzelstränge. In ihrem Bereich markiert ein RNA-Primer, der durch das Enzym Primase synthetisiert wird, den Startpunkt der DNA-Neusynthese. An dieses RNA-Molekül hängt die DNA-Polymerase nacheinander Nukleotide, die denen der DNA-Einzelstränge komplementär sind.

Die Verknüpfung der neuen Nukleotide zu einem komplementären DNA-Einzelstrang kann an den beiden alten Strängen nur in 5'→3'-Richtung verlaufen und tut das demzufolge ohne Unterbrechung den alten 3'→5'-Strang entlang in Richtung der sich immer weiter öffnenden Replikationsgabel.

Die Synthese des neuen Stranges am alten 5'→3'-Strang dagegen kann nicht kontinuierlich auf die Replikationsgabel zu, sondern nur von dieser weg ebenfalls in 5'→3'-Richtung erfolgen. Der alte Doppelstrang ist aber zu Beginn der Replikation nur ein Stück weit geöffnet, so dass an dem zweiten Strang – in „unpassender“ Gegenrichtung – immer nur ein kurzes Stück neuer komplementärer DNA entstehen kann.

Da dabei eine DNA-Polymerase jeweils nur etwa 1000 Nukleotide verknüpft, ist es nötig, den gesamten komplementären Strang in einzelnen Stücken zu synthetisieren. Wenn sich die Replikationsgabel etwas weiter geöffnet hat, lagert sich daher ein neuer RNA-Primer wieder direkt an der Gabelungsstelle an den zweiten Einzelstrang an und initiiert die nächste DNA-Polymerase.

Bei der Synthese des 3'→5'-Stranges wird deshalb pro DNA-Syntheseeinheit jeweils ein neuer RNA-Primer benötigt. Primer und zugehörige Syntheseeinheit bezeichnet man als Okazaki-Fragment. Die für den Replikations-Start benötigten RNA-Primer werden anschließend enzymatisch abgebaut. Dadurch entstehen Lücken im neuen DNA-Strang, die durch spezielle DNA-Polymerasen mit DNA-Nukleotiden aufgefüllt werden.

Zum Abschluss verknüpft das Enzym Ligase die noch nicht miteinander verbundenen neuen DNA-Abschnitte zu einem einzigen Strang.

Hauptartikel: Mutation, DNA-Schaden und DNA-Reparatur

Mutationen von DNA-Abschnitten – zum Beispiel Austausch von Basen gegen andere oder Änderungen in der Basensequenz – führen zu Veränderungen des Erbgutes, die zum Teil tödlich (letal) für den betroffenen Organismus sein können.

In seltenen Fällen sind solche Mutationen aber auch von Vorteil; sie bilden dann den Ausgangspunkt für die Veränderung von Lebewesen im Rahmen der Evolution. Mittels der Rekombination bei der geschlechtlichen Fortpflanzung wird diese Veränderung der DNA sogar zu einem entscheidenden Faktor bei der Evolution: Die eukaryotische Zelle besitzt in der Regel mehrere Chromosomensätze, d. h., ein DNA-Doppelstrang liegt mindestens zweimal vor. Durch wechselseitigen Austausch von Teilen dieser DNA-Stränge, das Crossing-over bei der Meiose, können so neue Eigenschaften entstehen.

DNA-Moleküle können durch verschiedene Einflüsse beschädigt werden. Ionisierende Strahlung, wie zum Beispiel UV- oder γ-Strahlung, Alkylierung sowie Oxidation können die DNA-Basen chemisch verändern oder zum Strangbruch führen. Diese chemischen Änderungen beeinträchtigen unter Umständen die Paarungseigenschaften der betroffenen Basen. Viele der Mutationen während der Replikation kommen so zustande.

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 aufeinander folgender Thyminbasen im DNA-Strang durch UV-Strahlung, zum Beispiel aus Sonnenlicht. Diese Schäden sind wahrscheinlich eine wesentliche Ursache für die Entstehung von Hautkrebs.
  • die Entstehung von 8-Oxoguanin durch Oxidation von Guanin: 8-Oxoguanin ist sowohl zu Cytosin als auch zu Adenin komplementär. Während der Replikation können beide Basen gegenüber 8-Oxoguanin eingebaut werden.

Aufgrund ihrer mutagenen Eigenschaften und ihres häufigen Auftretens (Schätzungen belaufen sich auf 104 bis 106 neue Schäden pro Zelle und Tag) müssen DNA-Schäden rechtzeitig aus dem Genom entfernt werden. Zellen verfügen dafür über ein effizientes DNA-Reparatursystem. Es beseitigt Schäden mit Hilfe folgender Strategien:

  • Direkte Schadensreversion: Ein Enzym macht die chemische Änderung an der DNA-Base rückgängig.
  • Basenexcisionsreparatur: Die fehlerhafte Base, zum Beispiel 8-Oxoguanin, wird aus dem Genom ausgeschnitten. Die entstandene freie Stelle wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert.
  • Nukleotidexcisionsreparatur: 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 zum Beispiel 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.
Beginnende DNA-Denaturierung

Die Basenpaarung von DNA wird bei verschiedenen zellulären Vorgängen denaturiert. Die Basenpaarung wird dabei durch verschiedene DNA-bindende Proteine abschnittsweise aufgehoben, z. B. bei der Replikation oder der Transkription. Der Ort des Denaturierungsbeginns wird als Denaturierungsblase bezeichnet und im Poland-Scheraga-Modell beschrieben. Jedoch wird die DNA-Sequenz, die Steifigkeit und die Torsion nicht miteinbezogen. Die Lebensdauer einer Denaturierungsblase beträgt zwischen einer Mikrosekunde und einer Millisekunde.

Im Labor kann DNA durch physikalische und chemische Methoden denaturiert werden. DNA wird durch Formamid, Dimethylformamid, Guanidiniumsalze, Natriumsalicylat, Sulfoxid, Dimethylsulfoxid (DMSO), verschiedene Alkohole, Propylenglykol und Harnstoff denaturiert, meist in Kombination mit Wärme. Auch konzentrierte Lösungen von Natriumhydroxid denaturieren DNA. Bei den chemischen Methoden erfolgt eine Absenkung der Schmelztemperatur der doppelsträngigen DNA.

DNA kann durch eine DNA-Reinigung, z. B. per DNA-Extraktion, von anderen Biomolekülen getrennt werden. Der qualitative Nachweis von DNA (welche DNA vorliegt) erfolgt meistens durch eine Polymerasekettenreaktion, eine isothermale DNA-Amplifikation, eine DNA-Sequenzierung, einen Southern Blot oder durch eine In-situ-Hybridisierung. Der quantitative Nachweis (wie viel DNA vorliegt) erfolgt meistens durch eine qPCR, bei gereinigten Proben mit nur einer DNA-Sequenz kann eine Konzentration auch durch Photometrie bei einer Wellenlänge von 260 nm gemessen werden. Eine Extinktion von 1 einer gereinigten DNA-Lösung entspricht bei doppelsträngiger DNA einer Konzentration von 50 µg/mL, bei einzelsträngiger DNA entspricht dies 33 µg/mL und bei einzelsträngigen Oligonukleotiden liegt die Konzentration darunter, abhängig von der Zusammensetzung an Nukleinbasen (siehe DNA-Extraktion#Quantifizierung). Durch interkalierende Farbstoffe wie Ethidiumbromid, Propidiumiodid oder SYBR Green I sowie durch furchenbindende Farbstoffe wie DAPI, Pentamidine, Lexitropsine, Netropsin, Distamycin, Hoechst 33342 oder Hoechst 33258 kann DNA angefärbt werden. Weniger spezifisch gebundene DNA-Farbstoffe und Färbemethoden sind z. B. Methylenblau, der Carbocyanin-Farbstoff Stains-All oder die Silberfärbung. Durch Molecular Combing kann die DNA gestreckt und ausgerichtet werden.

Als aDNA („ancient DNA“; alte DNA) werden Reste von Erbgutmolekülen in toten Organismen bezeichnet, wenn keine direkten Verwandten des beprobten Organismus mehr leben. Auch wird die DNA des Menschen dann als aDNA bezeichnet, wenn das Individuum mindestens 75 Jahre vor der Probenuntersuchung verstorben ist.

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Commons: Desoxyribonukleinsäure – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Desoxyribonukleinsäure – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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Desoxyribonukleinsäure
desoxyribonukleinsäure, helixmolekül, träger, erbinformation, sprache, beobachten, bearbeiten, eine, weiterleitung, diesen, artikel, weitere, bedeutungen, sind, unter, begriffsklärung, aufgeführt, anhören, abgekürzt, meist, kurz, abkürzung, für, englisch, deox. Desoxyribonukleinsaure Helixmolekul als Trager der Erbinformation Sprache Beobachten Bearbeiten DNA ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel Weitere Bedeutungen sind unter DNA Begriffsklarung aufgefuhrt Desoxyribonukleinsaure anhoren i abgekurzt DNS meist kurz als DNA Abkurzung fur englisch deoxyribonucleic acid bezeichnet ist eine aus unterschiedlichen Desoxyribonukleotiden aufgebaute Nukleinsaure Sie tragt die Erbinformation bei allen Lebewesen und den DNA Viren Das langkettige Polynukleotid enthalt in Abschnitten von Genen besondere Abfolgen seiner Nukleotide Diese DNA Abschnitte dienen als Matrizen fur den Aufbau entsprechender Ribonukleinsauren RNA wenn genetische Information von DNA in RNA umgeschrieben wird siehe Transkription Die hierbei an der DNA Vorlage aufgebauten RNA Strange erfullen unterschiedliche Aufgaben sie sind als rRNA englisch ribosomal RNA als tRNA englisch transfer RNA und als mRNA englisch messenger RNA an der Biosynthese von Proteinen beteiligt siehe Proteinbiosynthese Im Falle einer messenger oder Boten RNA mRNA stellt die Abfolge von Nukleinbasen die Bauanleitung fur ein Protein dar DNA Helix in B Konformation Struktur modell Die Stickstoff blau enthaltenden Nukleinbasen liegen waagrecht zwischen zwei Ruckgratstrangen welche sehr reich an Sauerstoff rot sind Kohlenstoff ist grun dargestellt Die Grundbausteine von DNA Strangen sind vier verschiedene Nukleotide die jeweils aus einem Phosphatrest dem Zucker Desoxyribose sowie einer von vier Nukleinbasen Adenin Thymin Guanin und Cytosin oft mit A T G und C abgekurzt bestehen Die Abfolge von Basen Basensequenz in bestimmten DNA Strangabschnitten enthalt Information Umgeschrieben in den Einzelstrang einer mRNA gibt deren Basensequenz bei der Proteinbiosynthese die Abfolge von Aminosauren Aminosaurensequenz im zu bildenden Protein vor Hierbei wird drei aufeinanderfolgenden Basen je einem Basentriplett als Codon jeweils eine bestimmte Aminosaure zugeordnet und diese mit der vorigen verknupft sodass ein Polypeptid entsteht So werden an einem Ribosom mithilfe von tRNA entsprechend dem genetischen Code Bereiche der Basensequenz in eine Aminosaurensequenz ubersetzt siehe Translation Das Genom einer Zelle liegt zumeist als DNA Doppelstrang vor bei dem die beiden basenpaarend einander komplementaren Strange raumlich die Form einer Doppelhelix bilden siehe Abbildung Bei der Replikation werden sie entwunden und getrennt jeweils durch Basenpaarung wieder komplementar erganzt sodass anschliessend zwei nahezu identische doppelstrangige DNA Molekule vorliegen Fehler beim Replikationsvorgang sind eine Quelle von Mutationen die nach Kernteilung und Zellteilung in entstandenen Zellen als Veranderung genetischer Information vorliegen und weitergegeben werden konnen In den Zellen von Eukaryoten zu denen Pflanzen Tiere und Pilze gehoren ist der Grossteil der DNA im Zellkern lateinisch nucleus daher nukleare DNA oder nDNA als Chromosomen organisiert Ein kleiner Teil befindet sich in den Mitochondrien und wird dementsprechend mitochondriale DNA mtDNA genannt Pflanzen und Algen haben ausserdem DNA in Photosynthese betreibenden Organellen den Chloroplasten bzw Plastiden cpDNA Bei Bakterien und Archaeen den Prokaryoten die keinen Zellkern besitzen liegt die DNA im Cytoplasma meist zirkular vor siehe Bakterienchromosom Manche Viren speichern ihre genetische Information in RNA statt in DNA siehe RNA Virus Inhaltsverzeichnis 1 Bezeichnung 2 Entdeckungsgeschichte 3 Aufbau und Organisation 3 1 Bausteine 3 2 Die Doppelhelix 3 3 Chromatin und Chromosomen 3 4 Bakterielle und virale DNA 3 5 Chemische und physikalische Eigenschaften der DNA Doppelhelix 3 5 1 Stapelwechselwirkungen 3 5 2 Schmelzpunkt 3 6 Kreuzformige DNA an Palindromen 3 7 Nicht Standard Basen 3 7 1 Naturliche Nichtstandard Basen 3 7 2 Naturliche modifizierte Basen Methylierungen u a 3 7 3 Synthetische Basen 3 8 Enantiomere 4 Genetischer Informationsgehalt und Transkription 5 DNA Replikation 6 Mutationen und andere DNA Schaden 7 Denaturierung 8 DNA Reinigung und Nachweis 9 Alte DNA 10 Siehe auch 11 Literatur 12 Weblinks 13 Anmerkungen und EinzelnachweiseBezeichnungDie Bezeichnung Desoxyribonukleinsaure ist ein Wort das sich aus mehreren Komponenten zusammensetzt des von des oxy von den ersten beiden Silben von Oxygenium fur Sauerstoff ribo von den ersten beiden Silben von Ribose somit Desoxyribo fur Desoxyribose und nukleinsaure von Nuklein und Saure Im deutschen Sprachgebrauch wird die Desoxyribonukleinsaure inzwischen uberwiegend mit der englischen Abkurzung fur deoxyribonucleic acid als DNA bezeichnet wahrend die Abkurzung DNS nach dem Duden als veraltend 1 gilt Entdeckungsgeschichte James Watson Francis Crick DNA Modell von Crick und Watson 1953 1869 entdeckte der Schweizer Arzt Friedrich Miescher in einem Extrakt aus Eiter eine durch milde Saurebehandlung aus den Zellkernen der Leukozyten 2 gewonnene Substanz die er Nuklein nannte Miescher arbeitete damals im Labor von Felix Hoppe Seyler im Tubinger Schloss 3 1892 bzw 1897 posthum nachdem der zu Grunde liegende Brief veroffentlicht wurde fuhrte der spate Miescher auf Basis seiner biochemischen Erkenntnisse hinsichtlich der Komplexitat von Nukleinen und Proteinen als erster den Schrift oder Code Vergleich fur den noch zu entdeckenden Trager der Erbinformation als Forschungshypothese in die Genetik ein 4 5 1889 isoliert der Deutsche Richard Altmann aus dem Nuklein Proteine und die Nukleinsaure 6 Weitere Erkenntnisse zur Nukleinsaure gehen auf die Arbeiten von Albrecht Kossel siehe Die Entdeckung der Nukleinbasen zuruck fur die er 1910 mit dem Nobelpreis fur Physiologie oder Medizin ausgezeichnet wurde Im Jahr 1885 teilte er mit dass aus einer grosseren Menge Rinder Bauchspeicheldruse eine stickstoffreiche Base mit der Summenformel C5H5N5 isoliert wurde fur die er abgeleitet von dem griechischen Wort aden fur Druse den Namen Adenin vorschlug 1891 konnte Kossel nach Altmanns Verfahren Hefe Nukleinsaure herstellen und Adenin und Guanin als Spaltprodukte nachweisen Es stellte sich heraus dass auch ein Kohlenhydrat Bestandteil der Nukleinsaure sein musste Kossel wahlte fur die basischen Substanzen Guanin und Adenin sowie seine Derivate den Namen Nucleinbasen 1893 berichtete Kossel dass er aus den Thymusdrusen des Kalbes Nukleinsaure gewonnen und ein gut kristallisiertes Spaltprodukt erhalten hatte fur das er den Namen Thymin vorschlug 1894 isolierte er aus den Thymusdrusen eine weitere basische Substanz Kossel gab ihr den Namen Cytosin Nachdem am Ende des 19 Jahrhunderts im Wesentlichen durch die Synthesen Emil Fischers die Strukturformeln des Guanins und Adenins als Purinkorper und des Thymins als Pyrimidinkorper endgultig aufgeklart worden waren konnte Kossel mit Hermann Steudel 1871 1967 auch die Strukturformel der Nukleinbase Cytosin als Pyrimidinkorper zweifelsfrei ermitteln Es hatte sich inzwischen erwiesen dass Guanin Adenin sowie Thymin und Cytosin in allen entwicklungsfahigen Zellen zu finden sind Die Erkenntnisse uber diese vier Nukleinbasen sollten fur die spatere Strukturaufklarung der DNA von wesentlicher Bedeutung sein Es war Albrecht Kossel der sie zusammen mit einem Kohlenhydrat und der Phosphorsaure eindeutig als Bausteine der Nukleinsaure charakterisierte Es gelang mir eine Reihe von Bruchstucken zu erhalten welche durch eine ganz eigentumliche Ansammlung von Stickstoffatomen gekennzeichnet sind Es sind hier nebeneinander das Cytosin das Thymin das Adenin und das Guanin Nobelvortrag am 12 Dezember 1910 Der aus Litauen stammende Biochemiker Phoebus Levene schlug eine kettenartige Struktur der Nukleinsaure vor in welcher die Nukleotide durch die Phosphatreste zusammengefugt sind und sich wiederholen 7 1929 konnte er in Zusammenarbeit mit dem russischen Physiologen Efim London 1869 1932 den Zuckeranteil der tierische Nukleinsaure als Desoxyribose identifizieren J Biol Chem 1929 83 Seiten 793 802 5a Erst nachfolgend wurde sie als Desoxyribonukleinsaure bezeichnet Es wurde erkannt dass sie auch in pflanzlichen Zellkernen vorkommt Als wirksamer Bestandteil der Chromosomen bzw des Kernchromatins wurde die DNA bereits 1932 von K Voit und Hartwig Kuhlenbeck angesehen 8 1937 publizierte William Astbury erstmals Rontgenbeugungsmuster die auf eine repetitive Struktur der DNA hinwiesen 9 1943 wies Oswald Avery nach dass die Transformation von Bakterien das heisst die Weitergabe erblicher Information von einem Bakterien Stamm auf einen anderen heute horizontaler Gentransfer genannt auf der Ubertragung von DNA beruht 10 Dies widersprach der damals noch allgemein favorisierten Annahme dass nicht die DNA sondern Proteine die Trager der Erbinformation seien Unterstutzung in seiner Interpretation erhielt Avery 1952 als Alfred Hershey und Martha Chase nachwiesen dass DNA die Erbinformation des T2 Phagen enthalt 11 Den strukturellen Aufbau der DNA zu entschlusseln und im Modell nachzubilden gelang dem US Amerikaner James Watson und dem Briten Francis Crick am 28 Februar 1953 12 13 Ihre Entdeckung publizierten sie in der April Ausgabe 1953 des Magazins Nature in ihrem beruhmten Artikel Molecular Structure of Nucleic Acids A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid 14 Watson kam 1951 nach England nachdem er ein Jahr zuvor an der Indiana University Bloomington in den USA promoviert hatte Er hatte zwar ein Stipendium fur Molekularbiologie bekommen beschaftigte sich aber vermehrt mit der Frage des menschlichen Erbguts Crick widmete sich in Cambridge gerade erfolglos seiner Promotion uber die Kristallstruktur des Hamoglobinmolekuls als er 1951 Watson traf Zu dieser Zeit war bereits ein erbitterter Wettlauf um die Struktur der DNA entbrannt an dem sich neben anderen auch Linus Pauling am California Institute of Technology Caltech beteiligte Watson und Crick waren eigentlich anderen Projekten zugeteilt worden und besassen kein bedeutendes Fachwissen in Chemie Sie bauten ihre Uberlegungen auf den Forschungsergebnissen der anderen Wissenschaftler auf Watson sagte er wolle das Erbgut entschlusseln ohne Chemie lernen zu mussen In einem Gesprach mit dem renommierten Chemiker und Ersteller der Chargaff Regeln Erwin Chargaff vergass Crick wichtige Molekulstrukturen und Watson machte im selben Gesprach unpassende Anmerkungen die seine Unkenntnis auf dem Gebiet der Chemie verrieten Chargaff nannte die jungen Kollegen im Anschluss wissenschaftliche Clowns Watson besuchte Ende 1952 am King s College in London Maurice Wilkins der ihm DNA Rontgenaufnahmen von Rosalind Franklin zeigte was gegen den Willen von Franklin geschah Watson sah sofort dass es sich bei dem Molekul um eine Doppel Helix handeln musste Franklin selbst hatte aufgrund der Daten auch das Vorhandensein einer Helix vermutet jedoch hatte sie kein uberzeugendes Modell fur die Struktur vorzuweisen Da bekannt war dass die Purin und Pyrimidin Basen Paare bilden gelang es Watson und Crick die ganze Molekularstruktur herzuleiten So entwickelten sie am Cavendish Laboratorium der Universitat Cambridge das Doppelhelix Modell der DNA mit den Basenpaaren in der Mitte das am 25 April 1953 in der Zeitschrift Nature publiziert wurde 15 Diese denkwurdige Veroffentlichung enthalt gegen Ende den Satz It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen dass die spezifische Paarung die wir als gegeben voraussetzen unmittelbar auf einen moglichen Vervielfaltigungsmechanismus fur das genetische Material schliessen lasst Fur ihre Entdeckungen uber die Molekularstruktur der Nukleinsauren und ihre Bedeutung fur die Informationsubertragung in lebender Substanz erhielten Watson und Crick zusammen mit Maurice Wilkins 1962 den Nobelpreis fur Medizin 16 Rosalind Franklin deren Rontgenbeugungsdiagramme wesentlich zur Entschlusselung der DNA Struktur beigetragen hatten war zu diesem Zeitpunkt bereits verstorben und konnte daher nicht mehr nominiert werden Fur weitere geschichtliche Informationen zur Entschlusselung der Vererbungsvorgange siehe Forschungsgeschichte des Zellkerns sowie Forschungsgeschichte der Chromosomen und Chromosomentheorie der Vererbung Aufbau und Organisation Strukturformel eines DNA Ausschnittes Bausteine Die Desoxyribonukleinsaure ist ein langes Kettenmolekul Polymer aus vielen Bausteinen die man Desoxyribonukleotide oder kurz Nukleotide nennt Jedes Nukleotid hat drei Bestandteile Phosphorsaure bzw Phosphat den Zucker Desoxyribose sowie eine heterozyklische Nukleobase oder kurz Base Die Desoxyribose und Phosphorsaure Untereinheiten sind bei jedem Nukleotid gleich Sie bilden das Ruckgrat des Molekuls Einheiten aus Base und Zucker ohne Phosphat werden als Nukleoside bezeichnet Die Phosphatreste sind aufgrund ihrer negativen Ladung hydrophil sie geben DNA in wassriger Losung insgesamt eine negative Ladung Da diese negativ geladene in Wasser geloste DNA keine weiteren Protonen abgeben kann handelt es sich streng genommen nicht mehr um eine Saure Der Begriff Desoxyribonukleinsaure bezieht sich auf einen ungeladenen Zustand in dem Protonen an die Phosphatreste angelagert sind Bei der Base kann es sich um ein Purin namlich Adenin A oder Guanin G oder um ein Pyrimidin namlich Thymin T oder Cytosin C handeln Da sich die vier verschiedenen Nukleotide nur durch ihre Base unterscheiden werden die Abkurzungen A G T und C auch fur die entsprechenden Nukleotide verwendet Die funf Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1 sprich Eins Strich bis 5 nummeriert Am 1 Ende dieses Zuckers ist die Base gebunden Am 5 Ende hangt der Phosphatrest Genau genommen handelt es sich bei der Desoxyribose um die 2 Desoxyribose der Name kommt daher dass im Vergleich zu einem Ribose Molekul eine alkoholische Hydroxygruppe OH Gruppe an der 2 Position fehlt d h durch ein Wasserstoffatom ersetzt wurde An der 3 Position ist eine OH Gruppe vorhanden welche die Desoxyribose uber eine sogenannte Phosphodiester Bindung mit dem 5 Kohlenstoffatom des Zuckers des nachsten Nukleotids verknupft siehe Abbildung Dadurch besitzt jeder sogenannte Einzelstrang zwei verschiedene Enden ein 5 und ein 3 Ende DNA Polymerasen die in der belebten Welt die Synthese von DNA Strangen durchfuhren konnen neue Nukleotide nur an die OH Gruppe am 3 Ende anfugen nicht aber am 5 Ende Der Einzelstrang wachst also immer von 5 nach 3 siehe auch DNA Replikation weiter unten Dabei wird ein Nukleosidtriphosphat mit drei Phosphatresten als neuer Baustein angeliefert von dem zwei Phosphate in Form von Pyrophosphat abgespalten werden Der verbleibende Phosphatrest des jeweils neu hinzukommenden Nukleotids wird mit der OH Gruppe am 3 Ende des letzten im Strang vorhandenen Nukleotids unter Wasserabspaltung verbunden Die Abfolge der Basen im Strang codiert die genetische Information Die Doppelhelix A B und Z DNA Strukturmodelle mit jeweils 12 Basenpaaren v l n r Ausschnitt von 20 Basenpaaren aus der DNA Doppelhelix B Form Strukturmodell Ausschnitt eines DNA Molekuls Das hier verwendete Kalottenmodell stellt besser die Belegung des Raum volumens dar und vermeidet den Ein druck dass zwischen den Atomen noch viel Platz sei Allerdings werden Bindungen zwischen den Atomen schlechter dargestellt DNA kommt normalerweise als schraubenformige Doppelhelix in einer Konformation vor die B DNA genannt wird Zwei der oben beschriebenen Einzelstrange sind dabei aneinandergelagert und zwar in entgegengesetzter Richtung An jedem Ende der Doppelhelix hat einer der beiden Einzelstrange sein 3 Ende der andere sein 5 Ende Durch die Aneinanderlagerung stehen sich in der Mitte der Doppelhelix immer zwei bestimmte Basen gegenuber sie sind gepaart Die Doppelhelix wird hauptsachlich durch Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Basen desselben Stranges stabilisiert und nicht wie oft behauptet durch Wasserstoffbrucken zwischen den Strangen Es paaren sich immer Adenin und Thymin die dabei zwei Wasserstoffbrucken ausbilden oder Cytosin mit Guanin die uber drei Wasserstoffbrucken miteinander verbunden sind Eine Bruckenbildung erfolgt zwischen den Molekulpositionen 1 1 sowie 6 6 bei Guanin Cytosin Paarungen zusatzlich zwischen 2 2 Da sich immer die gleichen Basen paaren lasst sich aus der Sequenz der Basen in einem Strang die des anderen Strangs ableiten die Sequenzen sind komplementar siehe auch Basenpaar Dabei sind die Wasserstoffbrucken fast ausschliesslich fur die Spezifitat der Paarung verantwortlich nicht aber fur die Stabilitat der Doppelhelix Da stets ein Purin mit einem Pyrimidin kombiniert wird ist der Abstand zwischen den Strangen uberall gleich es entsteht eine regelmassige Struktur Die ganze Helix hat einen Durchmesser von ungefahr 2 nm und windet sich mit jedem Zuckermolekul um 0 34 nm weiter Die Ebenen der Zuckermolekule stehen in einem Winkel von 36 zueinander und eine vollstandige Drehung wird folglich nach 10 Basen 360 und 3 4 nm erreicht DNA Molekule konnen sehr gross werden Beispielsweise enthalt das grosste menschliche Chromosom 247 Millionen Basenpaare 17 DNA Structure Key Labelled NoBB Beim Umeinanderwinden der beiden Einzelstrange verbleiben seitliche Lucken sodass hier die Basen direkt an der Oberflache liegen Von diesen Furchen gibt es zwei die sich um die Doppelhelix herumwinden siehe Abbildungen und Animation am Artikelanfang Die grosse Furche ist 2 2 nm breit die kleine Furche nur 1 2 nm 18 Entsprechend sind die Basen in der grossen Furche besser zuganglich Proteine die sequenzspezifisch an die DNA binden wie zum Beispiel Transkriptionsfaktoren binden daher meist an der grossen Furche 19 Auch manche DNA Farbstoffe wie zum Beispiel DAPI lagern sich an einer Furche an Die kumulierte Bindungsenergie zwischen den beiden Einzelstrangen halt diese zusammen Kovalente Bindungen sind hier nicht vorhanden die DNA Doppelhelix besteht also nicht aus einem Molekul sondern aus zweien Dadurch konnen die beiden Strange in biologischen Prozessen zeitweise getrennt werden Neben der eben beschriebenen B DNA existieren auch A DNA sowie eine 1979 von Alexander Rich und seinen Kollegen am MIT erstmals auch untersuchte linkshandige sogenannte Z DNA Diese tritt besonders in G C reichen Abschnitten auf Erst 2005 wurde uber eine Kristallstruktur berichtet welche Z DNA direkt in einer Verbindung mit B DNA zeigt und so Hinweise auf eine biologische Aktivitat von Z DNA liefert 20 Die folgende Tabelle und die daneben stehende Abbildung zeigen die Unterschiede der drei Formen im direkten Vergleich Strukturinformationen der drei DNA Formen die biologisch relevant sein konnten B DNA ist die in der belebten Natur haufigste Form Strukturmerkmal A DNA B DNA Z DNAAufbau aus Monomeren Monomeren DimerenDrehsinn der Helix rechts rechts linksDurchmesser ca 2 6 nm 2 37 nm 1 8 nmHelikale Windung pro Basenpaar twist 32 7 34 3 30 Basenpaare pro helikale Windung 11 10 12Anstieg pro Base 0 29 nm 0 34 nm 0 37 nmAnstieg pro Windung Ganghohe 3 4 nm 3 4 nm 4 4 nmNeigungswinkel der Basenpaare zur Achse 20 6 7 Grosse Furche eng und tief breit und tief Tiefe 0 85 nm flach Kleine Furche breit und flach eng und tief Tiefe 0 75 nm eng und tief Pyrimidinbasen Cytosin Thymin Uracil Zuckerkonformation Glykosidische Bindung C3 endo anti C2 endo anti C2 endo antiPurinbasen Adenin Guanin Zuckerkonformation Glykosidische Bindung C3 endo anti C2 endo anti C3 endo syn a rechtsgangige Doppelhelix b linksgangige Doppelhelix Die Stapel der Basenpaare base stackings liegen nicht wie Bucher exakt parallel aufeinander sondern bilden Keile die die Helix in die eine oder andere Richtung neigen Den grossten Keil bilden Adenosine die mit Thymidinen des anderen Stranges gepaart sind Folglich bildet eine Serie von AT Paaren einen Bogen in der Helix Wenn solche Serien in kurzen Abstanden aufeinander folgen nimmt das DNA Molekul eine gebogene bzw eine gekrummte Struktur an welche stabil ist Dies wird auch Sequenz induzierte Beugung genannt da die Beugung auch von Proteinen hervorgerufen werden kann die sogenannte Protein induzierte Beugung Sequenzinduzierte Beugung findet man haufig an wichtigen Stellen im Genom Chromatin und Chromosomen Menschliche Chromosomen in spater Metaphase der mitotischen Zellkernteilung Jedes Chromosom zeigt zwei Chromatiden die in der Anaphase getrennt und fur zwei Zellkerne aufgeteilt werden Hauptartikel Chromatin und Chromosom Organisiert ist die DNA in der eukaryotischen Zelle in Form von Chromatinfaden genannt Chromosomen die im Zellkern liegen Ein einzelnes Chromosom enthalt von der Anaphase bis zum Beginn der S Phase einen langen durchgehenden DNA Doppelstrang in einem Chromatid Am Ende der S Phase besteht das Chromosom aus zwei identischen DNA Faden in zwei Chromatiden Da ein solcher DNA Faden mehrere Zentimeter lang sein kann ein Zellkern aber nur wenige Mikrometer Durchmesser hat muss die DNA zusatzlich komprimiert bzw gepackt werden Dies geschieht bei Eukaryoten mit sogenannten Chromatinproteinen von denen besonders die basischen Histone zu erwahnen sind Sie bilden die Nukleosomen um die die DNA auf der niedrigsten Verpackungsebene herumgewickelt wird Wahrend der Kernteilung Mitose wird jedes Chromosom zu seiner maximal kompakten Form kondensiert Dadurch konnen sie mit dem Lichtmikroskop besonders gut in der Metaphase identifiziert werden Bakterielle und virale DNA In prokaryotischen Zellen liegt die doppelstrangige DNA in den bisher dokumentierten Fallen mehrheitlich nicht als lineare Strange mit jeweils einem Anfang und einem Ende vor sondern als zirkulare Molekule jedes Molekul d h jeder DNA Strang schliesst sich mit seinem 3 und seinem 5 Ende zum Kreis Diese zwei ringformigen geschlossenen DNA Molekule werden je nach Lange der Sequenz als Bakterienchromosom oder Plasmid bezeichnet Sie befinden sich bei Bakterien auch nicht in einem Zellkern sondern liegen frei im Plasma vor Die Prokaryoten DNA wird mit Hilfe von Enzymen zum Beispiel Topoisomerasen und Gyrasen zu einfachen Supercoils aufgewickelt die einer geringelten Telefonschnur ahneln Indem die Helices noch um sich selbst gedreht werden sinkt der Platzbedarf fur die Erbinformation In den Bakterien sorgen Topoisomerasen dafur dass durch standiges Schneiden und Wiederverknupfen der DNA der verdrillte Doppelstrang an einer gewunschten Stelle entwunden wird Voraussetzung fur Transkription und Replikation Viren enthalten je nach Typ als Erbinformation entweder DNA oder RNA Sowohl bei den DNA wie den RNA Viren wird die Nukleinsaure durch eine Protein Hulle geschutzt Chemische und physikalische Eigenschaften der DNA Doppelhelix Die DNA ist bei neutralem pH Wert ein negativ geladenes Molekul wobei die negativen Ladungen auf den Phosphaten im Ruckgrat der Strange sitzen Zwar sind zwei der drei sauren OH Gruppen der Phosphate mit den jeweils benachbarten Desoxyribosen verestert die dritte ist jedoch noch vorhanden und gibt bei neutralem pH Wert ein Proton ab was die negative Ladung bewirkt Diese Eigenschaft macht man sich bei der Agarose Gelelektrophorese zu Nutze um verschiedene DNA Strange nach ihrer Lange aufzutrennen Einige physikalische Eigenschaften wie die freie Energie und der Schmelzpunkt der DNA hangen direkt mit dem GC Gehalt zusammen sind also sequenzabhangig Stapelwechselwirkungen Fur die Stabilitat der Doppelhelix sind hauptsachlich zwei Faktoren verantwortlich die Basenpaarung zwischen komplementaren Basen sowie Stapelwechselwirkungen stacking interactions zwischen aufeinanderfolgenden Basen Anders als zunachst angenommen 14 ist der Energiegewinn durch Wasserstoffbruckenbindungen vernachlassigbar da die Basen mit dem umgebenden Wasser ahnlich gute Wasserstoffbruckenbindungen eingehen konnen Die Wasserstoffbrucken eines GC Basenpaares tragen nur minimal zur Stabilitat der Doppelhelix bei wahrend diejenigen eines AT Basenpaares sogar destabilisierend wirken 21 Stapelwechselwirkungen hingegen wirken nur in der Doppelhelix zwischen aufeinanderfolgenden Basenpaaren Zwischen den aromatischen Ringsystemen der heterozyklischen Basen entsteht eine dipol induzierte Dipol Wechselwirkung welche energetisch gunstig ist Somit ist die Bildung des ersten Basenpaares aufgrund des geringen Energiegewinnes und des verlustes recht ungunstig jedoch die Elongation Verlangerung der Helix ist energetisch gunstig da die Basenpaarstapelung unter Energiegewinn verlauft 22 Die Stapelwechselwirkungen sind jedoch sequenzabhangig und energetisch am gunstigsten fur gestapelte GC GC weniger gunstig fur gestapelte AT AT Die Unterschiede in den Stapelwechselwirkungen erklaren hauptsachlich warum GC reiche DNA Abschnitte thermodynamisch stabiler sind als AT reiche wahrend Wasserstoffbruckenbildung eine untergeordnete Rolle spielt 21 Schmelzpunkt Der Schmelzpunkt der DNA ist die Temperatur bei der die Bindungskrafte zwischen den beiden Einzelstrangen uberwunden werden und diese sich voneinander trennen Dies wird auch als Denaturierung bezeichnet Solange die DNA in einem kooperativen Ubergang denaturiert der sich in einem enggefassten Temperaturbereich vollzieht bezeichnet der Schmelzpunkt die Temperatur bei der die Halfte der Doppelstrange in Einzelstrange denaturiert ist Von dieser Definition sind die korrekten Bezeichnungen midpoint of transition temperature bzw Mittelpunktstemperatur Tm abgeleitet Der Schmelzpunkt hangt von der jeweiligen Basensequenz in der Helix ab Er steigt wenn in ihr mehr GC Basenpaare liegen da diese entropisch gunstiger sind als AT Basenpaare Das liegt nicht so sehr an der unterschiedlichen Zahl der Wasserstoffbrucken welche die beiden Paare ausbilden sondern viel mehr an den unterschiedlichen Stapelwechselwirkungen stacking interactions Die stacking Energie zweier Basenpaare ist viel kleiner wenn eines der beiden Paare ein AT Basenpaar ist GC Stapel dagegen sind energetisch gunstiger und stabilisieren die Doppelhelix starker Das Verhaltnis der GC Basenpaare zur Gesamtzahl aller Basenpaare wird durch den GC Gehalt angegeben Da einzelstrangige DNA UV Licht etwa 40 Prozent starker absorbiert als doppelstrangige lasst sich die Ubergangstemperatur in einem Photometer gut bestimmen Wenn die Temperatur der Losung unter Tm zuruckfallt konnen sich die Einzelstrange wieder aneinanderlagern Dieser Vorgang heisst Renaturierung oder Hybridisierung Das Wechselspiel von De und Renaturierung wird bei vielen biotechnologischen Verfahren ausgenutzt zum Beispiel bei der Polymerase Kettenreaktion PCR bei Southern Blots und der In situ Hybridisierung Kreuzformige DNA an Palindromen Ein Palindrom ist eine Folge von Nukleotiden bei denen sich die beiden komplementaren Strange jeweils von rechts genauso lesen lassen wie von links Unter naturlichen Bedingungen bei hoher Drehspannung der DNA oder kunstlich im Reagenzglas kann sich diese lineare Helix als Kreuzform cruciform herausbilden indem zwei Zweige entstehen die aus dem linearen Doppelstrang herausragen Die Zweige stellen jeweils fur sich eine Helix dar allerdings bleiben am Ende eines Zweiges mindestens drei Nukleotide ungepaart Beim Ubergang von der Kreuzform in die lineare Helix bleibt die Basenpaarung wegen der Biegungsfahigkeit des Phosphodiester Zucker Ruckgrates erhalten Die spontane Zusammenlagerung von komplementaren Basen zu sog Stamm Schleifen Strukturen wird haufig auch bei Einzelstrang DNA oder RNA beobachtet Nicht Standard Basen Gelegentlich werden in Viren und zellularen Organismen Abweichungen von den oben genannten vier kanonischen Basen Standard Basen Adenin A Guanin G Thymin T und Cytosin C beobachtet weitere Abweichungen konnen kunstlich erzeugt werden Naturliche Nichtstandard Basen Uracil U wird normalerweise nicht in der DNA gefunden es tritt lediglich als Abbauprodukt von Cytosin auf In mehreren Bakteriophagen bakteriellen Viren wird Thymin jedoch durch Uracil ersetzt 23 24 Bacillus subtilis Bakteriophage PBS1 ICTV Spezies Bacillus virus PBS1 und PBS2 vorgeschlagene Spezies Bacillus phage PBS2 alias Bacteriophage PBS2 25 beide Spezies sind Myophagen d h Phagen aus der Familie Myoviridae ohne zugewiesene Gattung Bacillus virus PBS1 ICTV Spezies Yersinia virus R1RT in der Gattung Tg1virus Familie Myoviridae 26 Staphylococcus Phage S6 alias Staphylococcus aureus Bacteriophage 15 ebenfalls aus der Familie Myoviridae Uracil wird auch in der DNA von Eukaryoten wie Plasmodium falciparum Apicomplexa gefunden Es ist dort in relativ geringen Mengen vorhanden 7 10 Uracileinheiten pro Million Basen 27 5 Hydroxymethyldesoxyuridin hm5dU ersetzt Thymidin im Genom verschiedener Bacillus Phagen der Spezies Bacillus virus SPO1 Gattung Spo1virus fruher Spounalikevirus oder SPO1 like viruses ebenfalls Familie Myoviridae 28 29 Es sind dies die Phagen SPO1 SP8 SP82 Phi E alias ϕe und 2C 30 31 5 Dihydroxypentauracil DHPU mit Nukleotid 5 dihydroxypentyl dUMP DHPdUMP wurde als Ersatz fur Thymidin im Bacillus Phagen SP15 auch SP 15 Familie Myoviridae 29 32 beschrieben 30 33 34 35 Beta d glucopyranosyloxymethyluracil Base J ebenfalls eine modifizierte Form von Uracil wurde in verschiedenen Organismen gefunden Den Flagellaten Diplonema und Euglena beide Excavata Euglenozoa sowie allen Gattungen der Kinetoplastiden 36 Die Biosynthese von J erfolgt in zwei Schritten Im ersten Schritt wird ein spezifisches Thymidin in DNA in Hydroxymethyldesoxyuridin HOMedU umgewandelt im zweiten wird HOMedU zu J glykosyliert 37 Es gibt einige Proteine die spezifisch an diese Base binden 38 39 40 Diese Proteine scheinen entfernte Verwandte des Tet1 Onkogens zu sein das an der Pathogenese der akuten myeloischen Leukamie beteiligt ist 41 J scheint als Terminationssignal fur RNA Polymerase II zu wirken 42 43 2 6 Diaminopurin alias 2 Aminoadenin Base D oder X DAP 1976 wurde festgestellt dass der Cyanophage S 2L alias Cyanobacteria phage S 2L Gattung Cyanostylovirus Familie Siphoviridae 44 evtl eigene Familie Cyanostyloviridae oder Styloviridae 45 46 47 48 49 dessen Wirte Spezies der Gattung Synechocystis sind alle Adenosinbasen in seinem Genom durch 2 6 Diaminopurin ersetzt 50 35 Drei weitere Untersuchungen folgten im Jahr 2021 eine Zusammenfassung findet sich auf sciencealert Mai 2021 51 Ahnliches gilt fur Acinetobacter phage SH Ab 15497 52 ebenfalls Siphoviridae und weitere Vertreter dieser Familie sowie der Podoviridae 53 Wie 2016 herausgefunden wurde ist 2 Desoxyarchaeosin dG im Genom mehrerer Bakterien und im Escherichia Phagen 9g ICTV Escherichia virus 9g Gattung Nonagvirus Familie Siphoviridae vorhanden 54 6 Methylisoxanthopterin 5 HydroxyuracilNaturliche modifizierte Basen Methylierungen u a In naturlicher DNA kommen auch modifizierte Basen vor Insbesondere werden Methylierungen der kanonischen Basen im Rahmen der Epigenetik untersucht Zunachst wurde im Jahr 1925 5 Methylcytosin m5C im Genom von Mycobacterium tuberculosis gefunden 55 Im Genom des Xanthomonas oryzae Bakteriophagen Xp12 Xanthomonas phage XP 12 Familie Siphoviridae 56 und des Halovirus FH Halobacterium virus phiH Gattung Myohalovirus Myoviridae ist das gesamte Cystosin Kontingent durch 5 Methylcytosin ersetzt 57 58 Einen kompletten Ersatz von Cytosin durch 5 Glycosylhydroxymethylcytosin syn Glycosyl 5 hydroxymethylcytosin in den Phagen T2 T4 und T6 der Spezies Escherichia Virus T4 Gattung Tquattrovirus Unterfamilie Tevenvirinae der Familie Myoviridae wurde 1953 beobachtet 59 Wie 1955 entdeckt wurde ist N6 Methyladenin 6mA m6A in der DNA von Colibakterien vorhanden 60 N6 Carbamoylmethyladenin wurde 1975 in den Bakteriophagen Mu ICTV Spezies Escherichia virus Mu fruher Enterobacteria phage Mu Gattung Muvirus veraltet Mulikevirus in der Familie Myoviridae und Lambda Mu 61 62 beschrieben 63 7 Methylguanin m7G wurde 1976 im Phagen DDVI Enterobacteria phage DdVI alias DdV1 Gattung T4virus von Shigella disenteriae beschrieben 64 N4 Methylcytosin m4C in DNA wurde 1983 beschrieben in Bacillus centrosporus 65 1985 wurde 5 Hydroxycytosin im Genom des Rhizobium Phagen RL38JI gefunden 66 a Putrescinylthymin Alpha Putrescinylthymin putT und a Glutamylthymidin Alpha Glutamylthymidin kommt im Genom sowohl des Delftia Phagen FW 14 Phi W 14 Spezies Dellftia virus PhiW14 Gattung Ionavirus Familie Myovrirdae 67 als auch des Bacillus Phagen SP10 ebenfalls Familie Myoviridae vor 68 69 5 Dihydroxypentyluracil wurde im Bacillus Phagen SP15 auch SP 15 Familie Myoviridae 29 35 gefunden 70 Die Funktion dieser nicht kanonischen Basen in der DNA ist nicht bekannt Sie wirken zumindest teilweise als molekulares Immunsystem und helfen die Bakterien vor einer Infektion durch Viren zu schutzen Nicht Standard und modifizierte Basen bei Mikroben sind aber noch nicht alles Es wurde auch uber vier Modifikationen der Cytosinreste in humaner DNA berichtet 71 Diese Modifikationen bestehen aus dem Zusatz folgender Gruppen Methyl CH3 Hydroxymethyl CH2OH Formyl CHO Carboxyl COOH Es wird angenommen dass diese Modifikationen regulatorische Funktionen haben Stichwort Epigenetik Uracil ist in den Zentromer Regionen von mindestens zwei menschlichen Chromosomen 6 und 11 zu finden 72 Synthetische Basen Im Labor wurde DNA und auch RNA mit weiteren kunstlichen Basen versehen Ziel ist es meist damit unnaturliche Basenpaarungen englisch unnatural base pairs UBP zu erzeugen 73 Im Jahr 2004 wurde DNA erzeugt die statt der vier Standardnukleobasen A T G und C ein erweitertes Alphabet mit sechs Nukleobasen A T G C dP und dZ enthielt Dabei steht bei diesen zwei neuen Basen dP fur 2 Amino 8 1 b D 2 desoxyribofuranosyl imidazo 1 2 a 1 3 5 triazin 4 8H on und dZ fur 6 Amino 5 nitro 3 1 b D 2 desoxyribofuranosyl 2 1H pyridon 74 75 76 Im Jahr 2006 wurden erstmals eine DNA mit um eine Benzolgruppe bzw eine Naphthylgruppe erweiterten Basen untersucht je nach Stellung der Erweiterungsgruppen entweder xDNA bzw xxDNA oder yDNA bzw yyDNA genannt 77 Yorke Zhang et al berichteten zur Jahreswende 2016 2017 uber halbsynthetische Organismen mit einer DNA die um die Basen X alias NaM und Y alias TPT3 bzw die Desoxyribo Nukleotide dX dNaM und dY dTPT3 erweitert wurde die miteinander paaren Vorausgegangen waren Versuche mit Paarungen auf Basis der Basen X und Y alias 5SICS d h der Nukleotiden dX und dY alias d5SICS 78 79 Weitere Basen die mit 5SICS paaren konnen sind FEMO und MMO2 80 Anfangs 2019 wurde uber DNA und RNA mit jeweils acht Basen vier naturliche und vier synthetische berichtet die sich alle paarweise einander zuordnen Hachimoji DNA 81 82 Enantiomere DNA tritt in Lebewesen als D DNA auf L DNA als Enantiomer Spiegelmer kann allerdings synthetisiert werden gleiches gilt analog fur RNA L DNA wird langsamer von Enzymen abgebaut als die naturliche Form was sie fur die Pharmaforschung interessant macht 83 84 Genetischer Informationsgehalt und Transkription Ribosomale DNA in Transkription Die Lange neu synthetisierter rRNA Molekule wachst vom Anfang zum Ende einer Transkriptionseinheit Elektronenmikroskopische Aufnahme 40 000 fache Vergrosserung Hauptartikel Gen Genetischer Code und Transkription Biologie DNA Molekule spielen als Informationstrager und Andockstelle eine wichtige Rolle fur Enzyme die fur die Transkription zustandig sind Weiterhin ist die Information bestimmter DNA Abschnitte wie sie etwa in operativen Einheiten wie dem Operon vorliegt wichtig fur Regulationsprozesse innerhalb der Zelle Bestimmte Abschnitte der DNA die sogenannten Gene codieren genetische Informationen die Aufbau und Organisation des Organismus beeinflussen Gene enthalten Bauplane fur Proteine oder Molekule die bei der Proteinsynthese oder der Regulation des Stoffwechsels einer Zelle beteiligt sind Die Reihenfolge der Basen bestimmt dabei die genetische Information Diese Basensequenz kann mittels Sequenzierung zum Beispiel uber die Sanger Methode ermittelt werden Die Basenabfolge Basensequenz eines Genabschnitts der DNA wird zunachst durch die Transkription in die komplementare Basensequenz eines sogenannten Ribonukleinsaure Molekuls uberschrieben abgekurzt RNA RNA enthalt im Unterschied zu DNA den Zucker Ribose anstelle von Desoxyribose und die Base Uracil anstelle von Thymin der Informationsgehalt ist aber derselbe Fur die Proteinsynthese werden sogenannte mRNAs verwendet einstrangige RNA Molekule die aus dem Zellkern ins Zytoplasma hinaustransportiert werden wo die Proteinsynthese stattfindet siehe Proteinbiosynthese Nach der sog Ein Gen Ein Protein Hypothese wird von einem codierenden Abschnitt auf der DNA die Sequenz jeweils eines Proteinmolekuls abgelesen Es gibt aber Regionen der DNA die durch Verwendung unterschiedlicher Leseraster bei der Transkription jeweils mehrere Proteine codieren Ausserdem konnen durch alternatives Spleissen nachtragliches Schneiden der mRNA verschiedene Isoformen eines Proteins hergestellt werden Neben der codierenden DNA den Genen gibt es nichtcodierende DNA die etwa beim Menschen uber 90 Prozent der gesamten DNA einer Zelle ausmacht Die Speicherkapazitat der DNA konnte bisher nicht technisch nachgebildet werden Mit der Informationsdichte in einem Teeloffel getrockneter DNA konnte die aktuelle Weltbevolkerung etwa 350 Mal nachgebaut werden 85 DNA Replikation Die Doppelhelix wird durch die Helikase und die Topo iso me rase geoffnet Danach setzt die Primase einen Primer und die DNA Polymerase beginnt den Leitstrang zu kopieren Eine zweite DNA Polymerase bindet den Folgestrang kann aber nicht kontinuierlich synthetisieren sondern produziert einzelne Okazaki Fragmente die von der DNA Ligase zusammengefugt werden Hauptartikel Replikation Die DNA kann sich nach dem sog semikonservativen Prinzip mit Hilfe von Enzymen selbst verdoppeln replizieren Die doppelstrangige Helix wird durch das Enzym Helikase aufgetrennt nachdem sie von der Topoisomerase entspiralisiert wurde Die entstehenden Einzelstrange dienen als Matrize Vorlage fur den jeweils zu synthetisierenden komplementaren Gegenstrang der sich an sie anlagert Die DNA Synthese d h die Bindung der zu verknupfenden Nukleotide wird durch Enzyme aus der Gruppe der DNA Polymerasen vollzogen Ein zu verknupfendes Nukleotid muss in der Triphosphat Verbindung also als Desoxyribonukleosidtriphosphat vorliegen Durch Abspaltung zweier Phosphatteile wird die fur den Bindungsvorgang benotigte Energie frei Das Enzym Helikase bildet eine Replikationsgabel zwei auseinander laufende DNA Einzelstrange In ihrem Bereich markiert ein RNA Primer der durch das Enzym Primase synthetisiert wird den Startpunkt der DNA Neusynthese An dieses RNA Molekul hangt die DNA Polymerase nacheinander Nukleotide die denen der DNA Einzelstrange komplementar sind Die Verknupfung der neuen Nukleotide zu einem komplementaren DNA Einzelstrang kann an den beiden alten Strangen nur in 5 3 Richtung verlaufen und tut das demzufolge ohne Unterbrechung den alten 3 5 Strang entlang in Richtung der sich immer weiter offnenden Replikationsgabel Die Synthese des neuen Stranges am alten 5 3 Strang dagegen kann nicht kontinuierlich auf die Replikationsgabel zu sondern nur von dieser weg ebenfalls in 5 3 Richtung erfolgen Der alte Doppelstrang ist aber zu Beginn der Replikation nur ein Stuck weit geoffnet so dass an dem zweiten Strang in unpassender Gegenrichtung immer nur ein kurzes Stuck neuer komplementarer DNA entstehen kann Da dabei eine DNA Polymerase jeweils nur etwa 1000 Nukleotide verknupft ist es notig den gesamten komplementaren Strang in einzelnen Stucken zu synthetisieren Wenn sich die Replikationsgabel etwas weiter geoffnet hat lagert sich daher ein neuer RNA Primer wieder direkt an der Gabelungsstelle an den zweiten Einzelstrang an und initiiert die nachste DNA Polymerase Bei der Synthese des 3 5 Stranges wird deshalb pro DNA Syntheseeinheit jeweils ein neuer RNA Primer benotigt Primer und zugehorige Syntheseeinheit bezeichnet man als Okazaki Fragment Die fur den Replikations Start benotigten RNA Primer werden anschliessend enzymatisch abgebaut Dadurch entstehen Lucken im neuen DNA Strang die durch spezielle DNA Polymerasen mit DNA Nukleotiden aufgefullt werden Zum Abschluss verknupft das Enzym Ligase die noch nicht miteinander verbundenen neuen DNA Abschnitte zu einem einzigen Strang Mutationen und andere DNA Schaden Hauptartikel Mutation DNA Schaden und DNA Reparatur Mutationen von DNA Abschnitten zum Beispiel Austausch von Basen gegen andere oder Anderungen in der Basensequenz fuhren zu Veranderungen des Erbgutes die zum Teil todlich letal fur den betroffenen Organismus sein konnen In seltenen Fallen sind solche Mutationen aber auch von Vorteil sie bilden dann den Ausgangspunkt fur die Veranderung von Lebewesen im Rahmen der Evolution Mittels der Rekombination bei der geschlechtlichen Fortpflanzung wird diese Veranderung der DNA sogar zu einem entscheidenden Faktor bei der Evolution Die eukaryotische Zelle besitzt in der Regel mehrere Chromosomensatze d h ein DNA Doppelstrang liegt mindestens zweimal vor Durch wechselseitigen Austausch von Teilen dieser DNA Strange das Crossing over bei der Meiose konnen so neue Eigenschaften entstehen DNA Molekule konnen durch verschiedene Einflusse beschadigt werden Ionisierende Strahlung wie zum Beispiel UV oder g Strahlung Alkylierung sowie Oxidation konnen die DNA Basen chemisch verandern oder zum Strangbruch fuhren Diese chemischen Anderungen beeintrachtigen unter Umstanden die Paarungseigenschaften der betroffenen Basen Viele der Mutationen wahrend der Replikation kommen so zustande Einige haufige DNA Schaden sind die Bildung von Uracil aus Cytosin unter spontanem Verlust einer Aminogruppe durch Hydrolyse Uracil ist wie Thymin komplementar zu Adenin Thymin Thymin Dimerschaden verursacht durch photochemische Reaktion zweier aufeinander folgender Thyminbasen im DNA Strang durch UV Strahlung zum Beispiel aus Sonnenlicht Diese Schaden sind wahrscheinlich eine wesentliche Ursache fur die Entstehung von Hautkrebs die Entstehung von 8 Oxoguanin durch Oxidation von Guanin 8 Oxoguanin ist sowohl zu Cytosin als auch zu Adenin komplementar Wahrend der Replikation konnen beide Basen gegenuber 8 Oxoguanin eingebaut werden Aufgrund ihrer mutagenen Eigenschaften und ihres haufigen Auftretens Schatzungen belaufen sich auf 104 bis 106 neue Schaden pro Zelle und Tag mussen DNA Schaden rechtzeitig aus dem Genom entfernt werden Zellen verfugen dafur uber ein effizientes DNA Reparatursystem Es beseitigt Schaden mit Hilfe folgender Strategien Direkte Schadensreversion Ein Enzym macht die chemische Anderung an der DNA Base ruckgangig Basenexcisionsreparatur Die fehlerhafte Base zum Beispiel 8 Oxoguanin wird aus dem Genom ausgeschnitten Die entstandene freie Stelle wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert Nukleotidexcisionsreparatur Ein grosserer Teilstrang der den Schaden enthalt wird aus dem Genom ausgeschnitten Dieser wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert Homologe Rekombination Sind beide DNA Strange beschadigt wird die genetische Information aus dem zweiten Chromosom des homologen Chromosomenpaars fur die Reparatur verwendet Replikation mit speziellen Polymerasen DNA Polymerase h kann zum Beispiel fehlerfrei uber einen TT Dimerschaden replizieren Menschen bei denen Polymerase h nicht oder nur eingeschrankt funktioniert leiden haufig an Xeroderma pigmentosum einer Erbkrankheit die zu extremer Sonnenlichtempfindlichkeit fuhrt Denaturierung Beginnende DNA Denaturierung Die Basenpaarung von DNA wird bei verschiedenen zellularen Vorgangen denaturiert Die Basenpaarung wird dabei durch verschiedene DNA bindende Proteine abschnittsweise aufgehoben z B bei der Replikation oder der Transkription Der Ort des Denaturierungsbeginns wird als Denaturierungsblase bezeichnet 86 und im Poland Scheraga Modell beschrieben 87 Jedoch wird die DNA Sequenz die Steifigkeit und die Torsion nicht miteinbezogen 88 Die Lebensdauer einer Denaturierungsblase betragt zwischen einer Mikrosekunde und einer Millisekunde 89 Im Labor kann DNA durch physikalische und chemische Methoden denaturiert werden DNA wird durch Formamid 90 Dimethylformamid 91 Guanidiniumsalze 92 Natriumsalicylat 91 Sulfoxid 91 Dimethylsulfoxid DMSO verschiedene Alkohole 91 Propylenglykol und Harnstoff 92 denaturiert meist in Kombination mit Warme Auch konzentrierte Losungen von Natriumhydroxid denaturieren DNA Bei den chemischen Methoden erfolgt eine Absenkung der Schmelztemperatur der doppelstrangigen DNA DNA Reinigung und NachweisDNA kann durch eine DNA Reinigung z B per DNA Extraktion von anderen Biomolekulen getrennt werden Der qualitative Nachweis von DNA welche DNA vorliegt erfolgt meistens durch eine Polymerasekettenreaktion eine isothermale DNA Amplifikation eine DNA Sequenzierung einen Southern Blot oder durch eine In situ Hybridisierung Der quantitative Nachweis wie viel DNA vorliegt erfolgt meistens durch eine qPCR bei gereinigten Proben mit nur einer DNA Sequenz kann eine Konzentration auch durch Photometrie bei einer Wellenlange von 260 nm gemessen werden Eine Extinktion von 1 einer gereinigten DNA Losung entspricht bei doppelstrangiger DNA einer Konzentration von 50 µg mL bei einzelstrangiger DNA entspricht dies 33 µg mL 93 und bei einzelstrangigen Oligonukleotiden liegt die Konzentration darunter abhangig von der Zusammensetzung an Nukleinbasen siehe DNA Extraktion Quantifizierung Durch interkalierende Farbstoffe wie Ethidiumbromid Propidiumiodid oder SYBR Green I sowie durch furchenbindende Farbstoffe wie DAPI Pentamidine Lexitropsine Netropsin Distamycin Hoechst 33342 oder Hoechst 33258 kann DNA angefarbt werden Weniger spezifisch gebundene DNA Farbstoffe und Farbemethoden sind z B Methylenblau der Carbocyanin Farbstoff Stains All oder die Silberfarbung Durch Molecular Combing kann die DNA gestreckt und ausgerichtet werden Alte DNAAls aDNA ancient DNA alte DNA werden Reste von Erbgutmolekulen in toten Organismen bezeichnet wenn keine direkten Verwandten des beprobten Organismus mehr leben Auch wird die DNA des Menschen dann als aDNA bezeichnet wenn das Individuum mindestens 75 Jahre vor der Probenuntersuchung verstorben ist Siehe auchXenonukleinsaure XNA dazu LNA Peptid Nukleinsaure PNA Morpholino Didesoxyribonukleosidtriphosphate ddNTPs Artifizielle Zwischenstufen bei der DNA Sequenzierung nach SangerDesoxyadenosinmonoarsenat dAMAs siehe GFAJ 1 Diskussion um den Einbau von Arsen in Biomolekule fraglicher Einbau in DNA bei Halomonas Spezies GFAJ 1 siehe auch Halomonas titanicae LiteraturChris R Calladine und andere DNA Das Molekul und seine Funktionsweise 3 Auflage Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2005 ISBN 3 8274 1605 1 Ernst Peter Fischer Am Anfang war die Doppelhelix James D Watson und die neue Wissenschaft vom Leben Ullstein Berlin 2004 ISBN 3 548 36673 2 Ernst Peter Fischer Das Genom Eine Einfuhrung Fischer Frankfurt am Main 2002 ISBN 3 596 15362 X James D Watson Die Doppelhelix Rowohlt Reinbek 1997 ISBN 3 499 60255 5 James D Watson Gene Girls und Gamow Erinnerungen eines Genies Piper Munchen 2003 ISBN 3 492 04428 X James D Watson Am Anfang war die Doppelhelix Ullstein Berlin 2003 ISBN 3 550 07566 9 James D Watson M Gilman J Witkowski M Zoller Rekombinierte DNA 2 Auflage Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 1993 ISBN 3 86025 072 8 Tomas Lindahl Instability and decay of the primary structure of DNA In Nature Band 362 1993 S 709 715 doi 10 1038 362709a0 W Wayt Gibbs Preziosen im DNA Schrott In Spektrum der Wissenschaft Nr 2 2004 S 68 75 online W Wayt Gibbs DNA ist nicht alles In Spektrum der Wissenschaft Nr 3 2004 S 68 75 online Hans Jurgen Quadbeck Seeger Die Struktur der DNA ein Modell Projekt In Chemie in unserer Zeit Band 42 2008 S 292 294 doi 10 1002 ciuz 200890046 Weblinks Commons Desoxyribonukleinsaure Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Wiktionary Desoxyribonukleinsaure Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Video DNA Isolierung aus Tomaten DNA Interactive Seite des Cold Spring Harbor Institute und des Howard Hughes Medical Institute eine exzellente Einfuhrung in die Thematik engl DNA from the Beginning des Dolan DNA Learning Center DNA from the Beginning deutsch Ubersetzer zum Finden der codierten Aminosaure zum codierenden Basentriplett oder umgekehrt Ubersetzer eines ganzen DNA Abschnittes in die codierten Aminosauren Harvard cracks DNA storage crams 700 terabytes of data into a single gramAnmerkungen und Einzelnachweise Vgl Duden Die deutsche Rechtschreibung Band 1 26 Auflage Mannheim 2013 Barbel Hacker DNS In Werner E Gerabek Bernhard D Haage Gundolf Keil Wolfgang Wegner Hrsg Enzyklopadie Medizingeschichte De Gruyter Berlin New York 2005 ISBN 3 11 015714 4 S 316 f hier S 316 Hubert Mania Ein Opfer der wissenschaftlichen Vorurteile seiner Zeit Die DNS wurde bereits 1869 im Tubinger Renaissanceschloss entdeckt Auf Telepolis 17 April 2004 Johann Friedrich Miescher Brief an Wilhelm His 17 Dezember 1892 In Miescher Johann Friedrich Die histochemischen und physiologischen Arbeiten Band 1 Seite 116 f Dieser Brief wurde erst 1897 nach dem Tode Friedrich Mieschers publiziert Vgl auch Hans Blumenberg Die Lesbarkeit der Welt Frankfurt am Main 1986 Suhrkamp Verlag Kapitel XXII Der genetische Code und seine Leser Seite 372 ff Dort eine Darstellung der Bedeutung Friedrich Mieschers in Hinsicht auf die Einfuhrung des Schriftvergleichs fur die Erbinformation Richard Altmann Ueber Nucleinsauren In Archiv fur Anatomie und Physiologie Physiologische Abteilung Leipzig 1889 S 524 536 P Levene The structure of yeast nucleic acid In J Biol Chem Band 40 Nr 2 1919 S 415 424 jbc org Joachim Gerlach Hartwig Kuhlenbeck In Wurzburger medizinhistorische Mitteilungen Band 2 1984 S 269 273 hier S 271 W Astbury Nucleic acid In Symp SOC Exp Bbl Band 1 Nr 66 1947 O Avery C MacLeod M McCarty Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types Inductions of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III In J Exp Med Band 79 Nr 2 1944 S 137 158 doi 10 1084 jem 149 2 297 A Hershey M Chase Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage In J 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Normdaten Sachbegriff GND 4070512 2 OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Desoxyribonukleinsaure amp oldid 215292129, wikipedia, wiki, deutsches

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