DNA - Der Bauplan des Lebens

Heute beschäftige ich mich mit der DNA (Desoxyribonukleinsäure) als Bauplan des Lebens, anfangs möchte ich mich kurz dem Aufbau widmen, dieser sollte allerdings als Basiswissen vorhanden sein. Die DNA ist aus Nucleotiden aufgebaut. Das sind Pentosezuckermoleküle an denen ein Phosphation und eine Base chemisch gebunden sind. Es gibt 5 verschiedenen Basen mit denen wir uns anfangs beschäftigen. Sie werden unterteilt in Purinbasen (Adenin und Guanin) und Pyrimidinbasen (Cytosin, Thymin und Uracil). Uracil kommt nur in RNA (Ribonukleinsäure) vor, wohingegen Thymin nur in DNA vorkommt. Sie ersetzen die Position des jeweils anderen. Die Basen bilden mit dem zweiten Strang der DNA Wasserstoffbrückenbindungen aus, dabei bindet sich Adenin immer mit Thymin und Guanin mit Cytosin.

Da die DNA ein fortlaufender Strang ist, müssen die Nucleotide untereinander verbunden sein. Dies geschieht über ein Phosphordiester-Bindung zwischen der Pentose und dem Phosphation. Aufgrund der Eigenschaften dieser Bindung wird ein DNA Strang immer in 5' -> 3' Richtung aufgeschrieben. Dies hängt mit der Nummerierung der C-Atome in der Pentose zusammen. Für alle die das genauer interessiert: Campbell Biologie Kapitel 5.5.

Abb.1 DNA (Quelle: Google)

Am 28. Februar 1953 schafften es Francis Crick und James Watson die DNA in ihrer Struktur zu beschreiben. Sie erstellten das erste heute noch gültige Doppelhelixmodell der DNA. Sie erhält ihre einzigartige Form durch chemische Kräfte zwischen den Molekülen. 

Die DNA Replikation nach Watson-Crick

Wir wissen das die DNA durch eine semikonservative Replikation kopiert wird. Das bedeutet das nach der Entspiralisierung des Doppelhelix an jedem der beiden Einzelstränge ein neuer Strang gebildet wird. So ist die Fehlerquote sehr gering, da jeder Strang eine vollständige Matrize (template) darstellt. 

Nukleinsäurepolymerasen, das bedeutet Enzyme die, die Replikation der DNA katalysieren, synthetisieren aber stets vom 5' zum 3' Ende, dies hängt mit dem Aufbau der Nukleotide zusammen, sie können das neue Phosphoratom immer nur an das 3' Ende anhängen. Das geschieht übrigens unter Abspaltung von 2 Phosphationen. 

Daraus ergibt sich ein Problem, denn der komplimentär Strang liegt in 3'->5' Richtung vor, er muss also stückweise in 5'-> 3' Richtung synthetisiert werden. Es ergeben sich "Okazaki -Fragmente" die nach ihrem Entdecker benannt wurden. Man spricht deshalb auch von einem kontinuierlichen Strang (5'->3') und einem diskontinuierlichen Strang (3'->5') im allgemeinen Sprachgebrauch auch "Leading strand" und "Lagging strand". Für die Entstehung der Okazakifragmente ist ein eigener Primer (ein Startermolekül; auch beim kontinuierlichen Strang sind Primer nötig, diese lagern sich aber selbstständig an) notwendig, die Primase eine aus RNA bestehende Polymerase übernimmt diese Aufgabe. Außerdem entstehen durch das erstellen dieser Fragmente Lücken im Strang, darum kümmert sich die DNA-Ligase, sie "klebt" die DNA- Fragmente zusammen.

Abb. 2 DNA-Replikation (Quelle Wikipedia/Replikation)

Hier noch einmal die wichtigsten Enzyme:

Helicase: Sie trennt die beiden DNA Stränge von einander sodass eine Replikation stattfinden kann.                                  

DNA-Polymerase: Sie vollführt die eigentliche Bildung des neuen Strangs und ist außerdem in der Lage Fehler (z.B. Mutationen) direkt auszubessern.

Primase: Sie ist für das anfügen von Primern am diskontinuierlichen Strang zuständig.

DNA Ligase: Sie schließt die Lücken zwischen den Okazakifragmenten des diskontinuierlichen Strangs und erstellt so einen kompletten komplimentären Strang.