DNA und Replikation
Grundbausteine
Die DNA (engl. desoxyribonucleic acid) – auch DNS (dt. Desoxyribonukleinsäure) genannt – ist ein Polymer. Das bedeutet, dass sie eine sehr lange Verknüpfung von einzelnen Bausteinen ist. Die einzelnen Bausteine werden Nukleotide genannt.Nukleotide bestehen aus drei Einzelteilen:
- Einer Phosphat-Gruppe (
)
- Einem Zucker, der Desoxyribose
- Eine von vier verschiedenen stickstoffhaltigen Basen
- Adenin (A)
- Thymin (T)
- Guanin (G)
- Cytosin (C)
Die Reihenfolge, der an die Desoxyribose gebundenen Basen, wird als die Verschlüsselung der Erbinformation bezeichnet. Um die Erbinformation zu entschlüsseln, und sie beispielsweise in ein Protein zu übersetzen wird der genetische Code benötigt. Er gibt vor, welche Basentripletts welche Aminosäure codieren.
Die DNA ist damit der Träger der Erbinformation.
Abb. 1: Aufbau der DNA
Die Struktur der DNA
Die DNA liegt in Form eines Doppelstrangs vor, bestehend aus zwei Strängen, die antiparallel zueinander verlaufen. Dies bedeutet, dass der eine Strang in entgegengesetzter Richtung zum anderen verläuft.
Die Enden der DNA-Stränge sind nach den Kohlenstoffatomen des Zuckers benannt und werden als 5' und 3'-Ende bezeichnet. Die antiparallele Ausrichtung führt dazu, dass an beiden Enden der DNA gleichzeitig ein 5'- und ein 3'-Ende vorhanden sind.
Die Verdrehung der beiden Stränge formt eine Doppelhelix. Dieses Aufbau- und Verdrehungsmuster verleiht der DNA ihre einzigartige Struktur, die fundamental für die Übertragung genetischer Informationen und die Replikation während der Zellteilung ist.
Abb. 2: Darstellung der 5'- und 3'-Endung
Der zweite DNA-Strang passt exakt zum ersten Strang, wobei Adenin stets gegenüber von Thymin und Cytosin gegenüber von Guanin liegt. Diese komplementäre Basenpaarung gewährleistet eine perfekte Passgenauigkeit der beiden DNA-Stränge zueinander. Die DNA ist durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen der Einzelstränge verbunden. Bei Erwärmung auf etwa 90°C trennen sich die Stränge aufgrund überwundener Anziehungskräfte und verbinden sich nach Abkühlung erneut.
Der Schmelzpunkt variiert mit der Basenpaarzusammensetzung; Adenin-Thymin-Paare halten durch zwei und Cytosin-Guanin-Paare durch drei Wasserstoffbrücken zusammen. Eine höhere Konzentration von Guanin und Cytosin stärkt somit die DNA-Stabilität.
Die RNA
RNA, die Abkürzung für Ribonukleinsäure, weist Ähnlichkeiten zur DNA auf, da sie auch aus einem Zucker-Phosphat-Rückgrat besteht. Im Gegensatz zur DNA enthält die RNA jedoch die Zuckerart Ribose.
Auch in Bezug auf die Basen gibt es leichte Unterschiede. Statt Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Diese beiden Basen sind so ähnlich, dass Adenin mit beiden eine Bindung eingehen kann.
Der markanteste Unterschied zwischen DNA und RNA liegt darin, dass die RNA ein einzelsträngiges Molekül ist. Aufgrund des etwas größeren Zuckers ist die RNA weniger effizient darin, Doppelstränge zu bilden. Trotzdem kompensiert sie dies, indem sie teilweise mit sich selbst bindet und so verschiedene Strukturen ausbildet. Diese Fähigkeit zur Selbstbindung ermöglicht der RNA, komplexe und vielfältige Strukturen zu formen, die für verschiedene biologische Funktionen entscheidend sind.
Abb. 3: Vergleich von RNA und DNA
Die Replikation
Wenn Zellen sich teilen, ist es entscheidend, sicherzustellen, dass jede neue Zelle die vollständige genetische Information erhält. Dies wird durch die Replikation erreicht. In diesem Vorgang wird die DNA vor der Zellteilung verdoppelt.- Entwindung der DNA-Doppelhelix:
Das Enzym Helikase setzt am Ursprung der Replikation an und entwindet die DNA-Doppelhelix, indem es die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen aufbricht. Dadurch entstehen zwei einzelsträngige DNA-Matrizen. - Primerbildung:
Die DNA-Polymerase kann nicht direkt an einem Strang beginnen. Das Enzym Primase synthetisiert ein kurzes RNA-Fragment, genannt Primer, der komplementär an die DNA bindet. Der Primer dient als Startpunkt für die DNA-Synthese. - DNA-Synthese:
Die DNA-Polymerase fügt komplementäre Nukleotide entlang des Matrizenstrangs ein. Die Basenpaarung ist dabei spezifisch: Adenin paart mit Thymin (oder Uracil in RNA), und Cytosin paart mit Guanin. Die Replikation läuft in Richtung 5'-Ende des alten Strangs. Neue Nukleotide werden immer am 3'-Ende des neuen Strangs angelagert. Daher kann die Replikation nur auf einem Strang kontinuierlich ablaufen. Auf dem anderen Strang syntetisiert die Primase viele kurze Primer, die dann von der DNA-Polymerase zu den sogenannten Okazaki-Fragmenten verlängert werden. Es entstehen zwei identische DNA-Doppelstränge, bei denen jeweils eine Hälfte von der ursprünglichen DNA stammt und eine Hälfte neu herstellt wurde. Das wird als semikonservative Replikation bezeichnet. - Entfernung der Primer und Verknüpfung der Nukleotide:
Die RNA-Primer werden entfernt, und die Nukleotide werden durch das Enzym Ligase miteinander verbunden.
Abb. 4: Ablauf der Replikation