19.3: Desoxyribonukleinsäure (DNA)

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Lernziele

  1. Nennen Sie die drei Grundbestandteile eines Desoxyribonukleotids.
  2. Bestimmen, welche stickstoffhaltigen Basen Purine und welche Pyrimidine sind.
  3. Bestimme die komplementäre Basenpaarung.
  4. Erkläre, warum DNA nur in der Richtung 5′ zu 3′ synthetisiert werden kann.
  5. Vergleiche das prokaryotische Nukleoid mit dem eukaryotischen Zellkern im Hinblick auf die folgenden Punkte:
    1. Anzahl der Chromosomen
    2. lineare oder zirkuläre Chromosomen
    3. Vorhandensein oder Fehlen einer Kernmembran
    4. Vorhandensein oder Fehlen von Nukleosomen
    5. Vorhandensein oder Fehlen von Mitose
    6. Vorhandensein oder Fehlen von Meiose

Die DNA ist ein langes, doppelsträngiges, schraubenförmiges Molekül, das aus Bausteinen besteht, die Desoxyribonukleotide genannt werden. Jedes Desoxyribonukleotid besteht aus drei Teilen: einem Molekül des 5-Kohlenstoff-Zuckers Desoxyribose, einer stickstoffhaltigen Base und einer Phosphatgruppe (Abbildung \(\PageIndex{1}\)).

Abbildung \(\PageIndex{1}\): Ein Desoxyribonukleotid. Man beachte die Phosphatgruppe, die an das 5′-Kohlenstoffatom der Desoxyribose gebunden ist, und die stickstoffhaltige Base, in diesem Fall Thymin, die an das 1′-Kohlenstoffatom gebunden ist.
  • Desoxyribose. Deoxyribose ist ein ringförmiger 5-Kohlenstoff-Zucker (Abbildung \(\PageIndex{2}\)). Die 5 Kohlenstoffe sind im Uhrzeigersinn um den Zucker herum fortlaufend nummeriert. Die ersten 4 Kohlenstoffatome bilden den eigentlichen Ring des Zuckers, wobei das 5′-Kohlenstoffatom vom 4′-Kohlenstoffatom des Rings ausgeht. Die stickstoffhaltige Base des Nukleotids ist an das 1′-Kohlenstoffatom des Zuckers und die Phosphatgruppe an das 5′-Kohlenstoffatom gebunden. Bei der DNA-Synthese wird die Phosphatgruppe eines neuen Desoxyribonukleotids durch das Enzym DNA-Polymerase kovalent an das 3′-Kohlenstoffatom eines bereits in der Kette vorhandenen Nukleotids gebunden.
Abbildung \(\PageIndex{2}\): Der 5-Kohlenstoff-Zucker Desoxyribose. Bei der Herstellung von Nukleotiden wird die stickstoffhaltige Base an den 1′-Kohlenstoff und die Phosphatgruppe an den 5′-Kohlenstoff gebunden. Die ersten 4 dargestellten Kohlenstoffe bilden den eigentlichen Ring des Zuckers. Das 5′-Kohlenstoffatom fällt aus dem Ring heraus.
  • Eine stickstoffhaltige Base. Es gibt vier stickstoffhaltige Basen in der DNA: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Adenin und Guanin werden als Purinbasen bezeichnet, während Cytosin und Thymin als Pyrimidinbasen bezeichnet werden (Abbildung \(\PageIndex{3}\)).
Abbildung \(\PageIndex{3}\): Die vier stickstoffhaltigen Basen in der DNA: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Das Phosphat eines Desoxyribonukleotids, das sich an das 3′-Kohlenstoffatom der Desoxyribose eines anderen bindet, bildet das Zucker-Phosphat-Grundgerüst der DNA (die Seiten der „Leiter“). Die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Nukleotidbasen (Adenin-Thymin; Guanin-Cytosin) bilden die Sprossen. Beachten Sie die antiparallele Natur der DNA. Ein Strang endet mit einem 5′-Phosphat und der andere mit einem 3′-Hydroxyl.

  • Eine Phosphatgruppe (Abbildung \(\PageIndex{4}\)).
Abbildung \(\PageIndex{4}\): Eine Phosphatgruppe

Um die beiden Ketten von Desoxyribonukleotiden während der DNA-Replikation zu synthetisieren, sind die beteiligten DNA-Polymerase-Enzyme nur in der Lage, die Phosphatgruppe am 5′-Kohlenstoff eines neuen Nukleotids mit der Hydroxyl (OH)-Gruppe des 3′-Kohlenstoffs eines bereits in der Kette vorhandenen Nukleotids (Abbildung \(\PageIndex{2}\)) zu verbinden. Die kovalente Bindung, die die Nukleotide miteinander verbindet, wird als Phosphodiesterbindung bezeichnet. Jeder DNA-Strang hat ein sogenanntes 5′-Ende und ein 3′-Ende. Das bedeutet, dass an einem Ende jedes DNA-Strangs, dem so genannten 5′-Ende, immer eine Phosphatgruppe an den 5′-Kohlenstoff des terminalen Desoxyribonukleotids gebunden ist (Abbildung \(\PageIndex{5}\)). Das andere Ende dieses Strangs, das so genannte 3′-Ende, hat immer ein Hydroxyl (OH) am 3′-Kohlenstoff seines terminalen Desoxyribonukleotids.

Abbildung \(\PageIndex{5}\): Chemische Struktur der DNA. Das Phosphat eines Desoxyribonukleotids, das sich an das 3′-Kohlenstoffatom der Desoxyribose eines anderen bindet, bildet das Zucker-Phosphat-Grundgerüst der DNA (die Seiten der „Leiter“). Die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Nukleotidbasen (Adenin-Thymin; Guanin-Cytosin) bilden die Sprossen. Beachten Sie die antiparallele Natur der DNA. Ein Strang endet mit einem 5′-Phosphat und der andere mit einem 3′-Hydroxyl.

Wie im nächsten Abschnitt zu sehen sein wird, dient jeder Elternstrang während der DNA-Replikation als Vorlage für die Synthese des anderen Strangs durch komplementäre Basenpaarung. Komplementäre Basenpaarung bedeutet, dass DNA-Nukleotide mit der Base Adenin nur Wasserstoffbrücken mit Nukleotiden mit der Base Thymin (A-T) bilden. Ebenso können Nukleotide mit der Base Guanin nur mit Nukleotiden mit der Base Cytosin (G-C) eine Wasserstoffbrückenbindung eingehen. (Bei RNA-Nukleotiden bilden Adenin-Nukleotide, wie später noch zu sehen sein wird, Wasserstoffbrücken mit Nukleotiden mit der Base Uracil, da Thymin in der RNA nicht vorkommt.) Infolge dieser Bindung nimmt die DNA ihre schraubenförmige Form an. Daher werden die beiden DNA-Stränge als komplementär bezeichnet. Wenn ein Strang ein adeninhaltiges Nukleotid hat, hat der andere Strang immer ein Thymin-Nukleotid; wenn ein guaninhaltiges Nukleotid vorhanden ist, hat der andere Strang immer ein Cytosin-Nukleotid (Abbildung \(\PageIndex{1}\)).

Die beiden DNA-Stränge sind zwar komplementär, aber in entgegengesetzter Richtung zueinander ausgerichtet. Man sagt, dass ein Strang von 5′ nach 3′ verläuft; der gegenüberliegende DNA-Strang verläuft antiparallel oder von 3′ nach 5′ (Abbildung \(\PageIndex{1}\)).

Wir werden nun kurz das Genom von prokaryotischen Zellen mit dem von eukaryotischen Zellen vergleichen.

Das prokaryotische (bakterielle) Genom

Der Bereich innerhalb eines Bakteriums, in dem das Chromosom mit einem Elektronenmikroskop sichtbar ist, wird Nukleoid genannt. Das Chromosom der meisten Prokaryonten ist typischerweise ein langes, einzelnes Molekül aus doppelsträngiger, spiralförmiger, supergewickelter DNA, das einen physischen und genetischen Kreis bildet. Das Chromosom ist im Allgemeinen etwa 1000 µm lang und enthält häufig etwa 4000 Gene (Abbildung \(\PageIndex{8}\)). Escherichia coli, das 2-3 µm groß ist, hat ein Chromosom von etwa 1400 µm Länge. Damit ein Makromolekül dieser Größe in das Bakterium passt, binden histonähnliche Proteine an die DNA, teilen das DNA-Molekül in etwa 50 chromosomale Bereiche auf und machen es kompakter. Ein DNA-Topoisomerase-Enzym namens DNA-Gyrase wickelt dann das Chromosom zu einem engen Bündel auf und bildet eine verdichtete, supergewickelte DNA-Masse mit einem Durchmesser von etwa 0,2 µm.

Abbildung \(\PageIndex{6}\): Elektronenmikroskopische Aufnahme von Nukleoid-DNA

Bakterielle Enzyme, die als DNA-Topoisomerasen bezeichnet werden, sind für das Abwickeln, die Replikation und das Aufwickeln der zirkulären, supergewickelten bakteriellen DNA unerlässlich (Abbildung \(\PageIndex{7}\)). Sie sind auch bei der Transkription von DNA in RNA, bei der DNA-Reparatur und bei der genetischen Rekombination in Bakterien wichtig.

Abbildung \(\PageIndex{7}\): Zirkuläre, supergewickelte prokaryotische DNA. Damit das große DNS-Molekül in das Bakterium passt, wickelt ein DNS-Topoisomerase-Enzym namens DNS-Gyrase das Chromosom zu einem engen Bündel auf und bildet eine verdichtete, supergewickelte DNS-Masse mit einem Durchmesser von etwa 0,2 µm.

Das prokaryotische Nukleoid hat keine Kernmembran, die die DNS umgibt, und der Kernkörper teilt sich nicht durch Mitose. Die Zytoplasmamembran spielt eine Rolle bei der Trennung der DNA während der bakteriellen Replikation. Da Bakterien haploid sind (nur ein Chromosom haben), gibt es auch keine Meiose.

Das eukaryotische Genom

Prokaryotische und eukaryotische Zellen unterscheiden sich sowohl in der Menge als auch in der Organisation ihrer DNA-Moleküle sehr stark. Eukaryontische Zellen enthalten viel mehr DNA als Bakterien, und diese DNA ist in Form von mehreren Chromosomen in einem Zellkern angeordnet.

Der Zellkern eukaryontischer Zellen ist von einer Kernmembran umgeben (Abbildung \(\PageIndex{7}\)) und enthält lineare Chromosomen, die aus negativ geladener DNA bestehen, die mit positiv geladenen Basisproteinen, den Histonen, verbunden sind, um Strukturen zu bilden, die als Nukleosomen bekannt sind. Die Nukleosomen sind Teil des so genannten Chromatins, also der DNA und der Proteine, aus denen die Chromosomen bestehen. Der Zellkern teilt sich bei der Mitose, und aus diploiden Zellen entstehen durch Meiose haploide Geschlechtszellen.

Abbildung \(\PageIndex{8}\): Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von Candida albicans, einer eukaryotischen Zelle. PM = Plasmamembran; M = Mitochondrien; N = Zellkern; V = Vakuole; CW = Zellwand. (Centers for Disease Control and Prevention).

Die DNA in eukaryotischen Zellen ist in einer hoch organisierten Weise verpackt. Sie besteht aus einer Grundeinheit, die Nukleosom genannt wird, einer perlenartigen Struktur mit einem Durchmesser von 11 nm, die aus 146 Basenpaaren DNA besteht, die um acht Histonmoleküle gewickelt sind. Die Nukleosomen sind durch ein etwa 60 Basenpaare langes DNA-Segment, die so genannte Linker-DNA, miteinander verbunden (Abbildung \(\PageIndex{9})). Ein weiteres Histon, das mit der Linker-DNA verbunden ist, verpackt dann benachbarte Nukleotide zu einem Nukleosomenfaden mit einem Durchmesser von 30nm. Schließlich bilden diese verpackten Nukleosomenfäden große gewundene Schleifen, die von Nicht-Histon-Gerüstproteinen zusammengehalten werden. Diese gewundenen Schleifen auf den Gerüstproteinen interagieren, um das kondensierte Chromatin zu bilden, das man in Chromosomen während der Mitose sieht (Abbildung \(\PageIndex{10}\)).

Abbildung \(\PageIndex{9}\): Nukleosomen. Die DNA in eukaryontischen Zellen ist in einer hoch organisierten Weise verpackt. Sie besteht aus einer Grundeinheit namens Nukleosom, einer perlenartigen Struktur mit 146 Basenpaaren DNA, die um acht Histonmoleküle gewickelt sind. Die Nukleosomen sind durch ein etwa 60 Basenpaare langes DNA-Segment miteinander verbunden.

In den letzten Jahren hat man herausgefunden, dass die strukturelle Beschaffenheit des Desoxyribonukleoproteins dazu beiträgt, ob DNA in RNA umgeschrieben wird oder nicht. So können beispielsweise chemische Veränderungen des Chromatins dazu führen, dass sich Teile des Chromatins kondensieren oder entspannen. Wenn eine Region kondensiert ist, können die Gene nicht transkribiert werden. Darüber hinaus können sich chemische Stoffe an die Histonproteine, um die sich die DNA wickelt, anlagern oder von ihnen entfernt werden. Die Anlagerung oder Entfernung dieser chemischen Gruppen am Histon bestimmt, ob die Genexpression in der Nähe verstärkt oder unterdrückt wird.

Abbildung \(\PageIndex{10}\): Replizierendes eukaryotisches Chromosom

Das Epigenom bezieht sich auf eine Vielzahl chemischer Verbindungen, die das Genom verändern, indem sie typischerweise eine Methylgruppe (CH3) an die Nukleotidbase Adenin an bestimmten Stellen des DNA-Moleküls anfügen. Diese Methylierung kann wiederum die Transkription bestimmter Gene entweder unterdrücken oder aktivieren. Indem das Epigenom Gene ein- oder ausschaltet, ermöglicht es dem Genom, mit der Umgebung der Zelle zu interagieren und auf sie zu reagieren. Das Epigenom kann genau wie das Genom vererbt werden.

Zusammenfassung

  1. Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist ein langes, doppelsträngiges, schraubenförmiges Molekül, das aus Bausteinen besteht, die Desoxyribonukleotide genannt werden.
  2. Ein Desoxyribonukleotid besteht aus drei Teilen: einem Molekül des 5-Kohlenstoff-Zuckers Desoxyribose, einer stickstoffhaltigen Base und einer Phosphatgruppe.
  3. Es gibt vier stickstoffhaltige Basen in der DNA: Adenin, Guanin, Cytosin oder Thymin. Adenin und Guanin sind als Purinbasen bekannt, während Cytosin und Thymin als Pyrimidinbasen bekannt sind.
  4. Deoxyribose ist ein ringförmiger Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen. Die 5 Kohlenstoffe sind im Uhrzeigersinn um den Zucker herum fortlaufend nummeriert. Die ersten 4 Kohlenstoffatome bilden den eigentlichen Ring des Zuckers, wobei das 5′-Kohlenstoffatom vom 4′-Kohlenstoffatom des Rings ausgeht. Die stickstoffhaltige Base des Nukleotids ist an das 1′-Kohlenstoffatom des Zuckers und die Phosphatgruppe an das 5′-Kohlenstoffatom gebunden.
  5. Bei der DNA-Synthese kann das Enzym DNA-Polymerase die Phosphatgruppe eines neuen Desoxyribonukleotids nur an das 3′-Kohlenstoffatom eines bereits in der Kette vorhandenen Nukleotids binden.
  6. Bei der DNA-Replikation dient jeder Elternstrang als Vorlage für die Synthese des anderen Strangs durch komplementäre Basenpaarung.
  7. Komplementäre Basenpaarung bedeutet, dass DNA-Nukleotide mit der Base Adenin nur mit Nukleotiden mit der Base Thymin (A-T) Wasserstoffbrücken bilden. Ebenso können Nukleotide mit der Base Guanin nur mit Nukleotiden mit der Base Cytosin (G-C) Wasserstoffbrückenbindungen eingehen.
  8. Die beiden DNA-Stränge sind zwar komplementär, aber in entgegengesetzter Richtung zueinander ausgerichtet. Man sagt, dass ein Strang 5′ zu 3′ verläuft; der andere DNA-Strang verläuft antiparallel oder 3′ zu 5′.
  9. In prokaryotischen Zellen gibt es keine Kernmembran, die die DNA umgibt. Prokaryontische Zellen haben keine Mitose und Meiose.
  10. Damit ein so großes Makromolekül in das Bakterium passt, binden histonähnliche Proteine an die DNA, teilen das DNA-Molekül in etwa 50 chromosomale Domänen auf und machen es kompakter. Dann wickelt ein Enzym namens DNA-Gyrase jede Domäne um sich selbst und bildet so eine kompakte, supergewickelte DNA-Masse. Eine Topoisomerase namens DNA-Gyrase katalysiert das negative Supercoiling der zirkulären DNA in Bakterien. Die Topoisomerase IV hingegen ist an der Entspannung der supergewickelten zirkulären DNA beteiligt, wodurch die Trennung der miteinander verbundenen Tochterchromosomen am Ende der bakteriellen DNA-Replikation ermöglicht wird.
  11. Die DNA in eukaryotischen Zellen ist in Grundeinheiten verpackt, die Nukleosomen genannt werden, eine perlenartige Struktur, die aus DNA besteht, die um acht Histonmoleküle gewickelt ist. Die DNA ist in Form mehrerer Chromosomen organisiert, die sich in einem von einer Kernmembran umgebenen Zellkern befinden. Der Kern teilt sich durch Mitose, und bei Eukaryoten, die sich geschlechtlich fortpflanzen, werden durch Meiose Keimzellen erzeugt.
  12. Die strukturelle Beschaffenheit des Desoxyribonukleoproteins trägt dazu bei, ob die DNA in RNA umgeschrieben wird oder nicht. Zum Beispiel können chemische Veränderungen des Chromatins dazu führen, dass sich Teile des Chromatins verdichten oder entspannen. Wenn eine Region kondensiert ist, können Gene nicht transkribiert werden. Darüber hinaus können sich chemische Stoffe an die Histonproteine, um die sich die DNA wickelt, anlagern oder von ihnen entfernt werden. Die Anlagerung oder Entfernung dieser chemischen Gruppen am Histon bestimmt, ob die Genexpression in der Nähe verstärkt oder unterdrückt wird.

Mitwirkende und Zuordnungen

  • Dr. Gary Kaiser (COMMUNITY COLLEGE OF BALTIMORE COUNTY, CATONSVILLE CAMPUS)

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