Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA

Die DNA-Struktur

Die DNA ist eine doppelsträngige Helix. Die DNA-Bestandteile sind die Nukleotide:

• DNA-Aufbau:
  • In eukaryontischen Zellen befindet sich DNA im Zellkern und in den Mitochondrien:
    • Das Chromosom Chromosom Grundbegriffe der Genetik ist die kompakte Form der DNA.
    • Beim Menschen: 46 homologe Chromosomen (23 Paare)
    • Kodierende Abschnitte, die in Chromosomen enthalten sind, werden als Gene bezeichnet
  • Bei Prokaryonten liegt die DNA als Plasmid oder Chromosom Chromosom Grundbegriffe der Genetik im Zytoplasma vor.
• DNA-Struktur:
  • 2 antiparallele Stränge (entgegengesetzte Polarität) bilden eine Doppelhelix: 10,5 Basenpaare pro Helixwindung
  • Negativ geladenes Zucker-Phosphat-Rückgrat
  • Zusammenhalt der komplementären Stränge durch folgende Kräfte:
    • Wasserstoffbrücken
    • Van-der-Waals-Kräfte
    • Hydrophobe Wechselwirkungen
  • Freie 5′-3′-Kohlenstoff-Enden an jedem Strang
  • Von James Watson und Francis Crick beschrieben (erhielten 1962 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin)
  • Die Arbeit von Rosalind Franklin mittels Röntgen-Kristallografie war essenziell zur Entdeckung der DNA-Struktur.
• Nukleotide sind die DNA-Bestandteile:
  • Nukleotide der DNA (Desoxyribonukleotide):
    • Desoxyadenosintriphosphat (dATP)
    • Desoxyguanosintriphosphat (dGTP)
    • Desoxycytidintriphosphat (dCTP)
    • Desoxythymidintriphosphat (dTTP)
  • Nukleotide sind über 3’–5′-Phosphodiesterbindungen verbunden:
    • Die Energie für die Synthese entsteht bei der Freisetzung von 2 Phosphaten (dATP → Desoxyadenosinmonophosphat (dAMP)).
    • Die Synthese erfolgt in 5’–3′-Richtung.
    • Purine paaren sich mit Pyrimidinen:
      • Adenin Adenin Nukleinsäuren (Purin) ↔ Thymin Thymin Nukleinsäuren (Pyrimidin)
      • Guanin Guanin Nukleinsäuren (Purin) ↔ Cytosin Cytosin Nukleinsäuren (Pyrimidin)

DNA-Struktur im Zellkern

• Im Zellkern wird die DNA durch Nukleinproteine zu Chromosomen kondensiert.
• Reihenfolge der DNA-Kondensation: doppelsträngige DNA (dsDNA) → Nukleosomen → Solenoidstrang → Chromatinschleifen → Chromosomen
  • Negativ geladene dsDNA wird um positiv geladene Histonoctamere gewickelt, um Nukleosomen zu bilden.
  • Histone unterliegen Veränderungen, die die Erreichbarkeit der DNA und damit die Transkription (TX) beeinflussen:
    • Acetylierung (erhöht TX)
    • Methylierung (erhöht oder verringert TX, Epigenetik → erblich)
    • Phosphorylierung (erhöht oder verringert TX)
    • Ubiquitylierung
    • ADP-Ribosylierung
• Formen von Chromatin:
  • Euchromatin (nicht kondensierte Form): transkriptionell aktiv
  • Heterochromatin (kondensierte Form): transkriptionell inaktiv

Mitochondriale DNA

• Mitochondriale DNA (mtDNA) macht 1 % der zellulären DNA aus.
• Nur von der Mutter vererbt (nicht nach Mendelschen Regeln)
• Eigenschaften der menschlichen mtDNA:
  • Rund, doppelsträngig, bestehend aus schweren (H) und leichten (L) Strängen
  • Enthält 16.569 Basenpaare
  • Kodiert für ribosomale RNAs, tRNAs und Proteinuntereinheiten, die für die oxidative Phosphorylierung (ATP-Produktion) notwendig sind
  • Hohe Mutationsrate (5–10 mal höher als die der nukleären DNA)
• Das Vorhandensein von mtDNA führte zur Endosymbiontentheorie:
  • In der Vergangenheit waren Mitochondrien vermutlich selbstständig lebensfähige Bakterien.
  • Aufnahme durch eukaryontische Zelle, Verlust eines Teils der DNA und Entwicklung zu einem Zellorganell von Eukaryonten
  • mtDNA ist zirkulär
  • Vermehrung durch Zweiteilung, keine Neubildung

Klinische Relevanz

• Mitochondriale Myopathien Mitochondriale Myopathien Mitochondriale Myopathien: verursacht durch mitochondriale Erkrankungen, bei denen in der Biopsie Ragged-Red-Fibers (unscharf begrenzte, zusammengeklumpte Mitochondrien) gesehen werden. Die Myopathie ähnelt einer Akkumulation von Glykogen und neutralen Lipiden, die mit einer erhöhten Empfindlichkeit für die Succinatdehydrogenase und einer verminderten Empfindlichkeit für die Cytochrom-c-Oxidase korreliert sein kann. Sowohl mitochondriale als auch nukleäre DNA-Mutationen liegen der mitochondrialen Myopathie zugrunde.
• Genetische Mutationen: Fehler in der DNA, die manchmal eine pathologische Proteinfunktion bedingen. Es gibt verschiedene Arten von Mutationen, einschließlich Chromosomen-, Punkt-, Frameshift- (Leserasterverschiebung) und Trinukleotid-Repeat-Mutationen. Punktmutationen umfassen Missense-, Nonsense- und stumme Mutationen.