DNA: Struktur, Funktion und Mutationen verstehen

Was ist DNA? Definition und Funktion

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist ein Biomolekül, das aus den organischen Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Phosphor (P) besteht. Chemisch gesehen ist sie ein Polynukleotid, da sie aus sich wiederholenden molekularen Einheiten, den sogenannten Nukleotiden (Desoxyribonukleotiden), aufgebaut ist. Ihre Hauptaufgabe ist die Speicherung und Übertragung genetischer Informationen, die die molekularen Grundlagen der Vererbung bilden.

Chemische Zusammensetzung der DNA

Die chemische Zusammensetzung der DNA umfasst drei verschiedene Molekülkomponenten:

1. Eine Pentose, genauer gesagt die Desoxyribose.
2. Eine stickstoffhaltige Base. Es gibt zwei Haupttypen:
   • Purine: Adenin (A) und Guanin (G).
   • Pyrimidine: Cytosin (C) und Thymin (T).
3. Eine Phosphorsäuregruppe.

Vom Nukleosid zum Polynukleotid

Ein Nukleosid entsteht, wenn eine Pentose über das C-1-Atom mit einer stickstoffhaltigen Base verbunden ist. Wird diesem Nukleosid eine Phosphorsäuregruppe am 5'-Kohlenstoff der Pentose hinzugefügt, spricht man von einem Nukleotid. Die Verknüpfung einer Vielzahl von Nukleotiden über 5'-3'-Phosphodiesterbindungen führt zur Bildung einer Nukleinsäure, auch als Polynukleotid bezeichnet. Die Sequenz der Nukleotide in einer Nukleinsäure wird immer vom Phosphatende (5') zum 3'-Kohlenstoff der folgenden Pentose gelesen. Ein solches Polynukleotid besitzt zwei unterschiedliche Enden: ein 3'-Ende und ein 5'-Ende.

Primärstruktur der DNA: Die Nukleotidsequenz

Die Primärstruktur der DNA beschreibt die spezifische Abfolge (Sequenz) der Nukleotide innerhalb eines Stranges. Angesichts der enormen Anzahl von Nukleotiden in einem DNA-Strang und der unzähligen Kombinationsmöglichkeiten wird deutlich, dass die Reihenfolge der stickstoffhaltigen Basen eine spezifische Information (die sogenannte biologische Botschaft) kodieren kann. Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie 26 Buchstaben oder Zeichen strukturierte Informationen in einer Sprache bilden.

Sekundärstruktur: Das Watson-Crick-Doppelhelix-Modell

Die Sekundärstruktur der DNA folgt dem 1953 von Watson und Crick vorgeschlagenen Modell der DNA-Doppelhelix. Dieses Modell ermöglichte ein tiefgreifendes Verständnis der Funktionen dieses Moleküls, insbesondere der Speicherung und Übertragung genetischer Informationen. Das Modell beschreibt folgende strukturelle Merkmale:

• Es existieren zwei polynukleotidische Stränge, die sich dextral (rechtsgängig) um eine gemeinsame Achse winden und so eine Doppelhelix bilden.
• Beide Ketten oder Stränge sind antiparallel, was bedeutet, dass ihre 3'-5'-Phosphodiesterbrücken in entgegengesetzte Richtungen verlaufen: Ein Strang verläuft von 3' nach 5', der andere von 5' nach 3'.
• Die Purin- und Pyrimidinbasen jedes Stranges sind im Inneren der Doppelhelix gestapelt, wobei ihre Ebenen parallel zueinander und senkrecht zur Achse der Doppelhelix liegen.
• Die Basen eines Stranges sind über Wasserstoffbrückenbindungen mit den Basen des anderen Stranges gepaart. Die zulässigen Basenpaare sind Adenin (A) mit Thymin (T) und Guanin (G) mit Cytosin (C).
• Die beiden antiparallelen Stränge der Doppelhelix sind nicht identisch in ihrer Sequenz, sondern komplementär zueinander (wenn ein Strang A hat, hat der andere T und umgekehrt).
• Die Basen sind in einem Abstand von 0,34 nm von Mitte zu Mitte gestapelt, was dem Abstand zwischen jedem Basenpaar entspricht. In jeder vollen Umdrehung der Doppelhelix befinden sich genau 10 Nukleotide, was einer Länge von 3,4 nm entspricht.
• Der Durchmesser der Doppelhelix beträgt etwa 2,0 nm.

Stabilisierung der DNA-Doppelhelix

Die Stabilität der Doppelhelix wird durch mehrere Faktoren gewährleistet:

• Die Basen sind relativ hydrophob und befinden sich im Inneren der Helix, während die polaren Zucker- und negativ geladenen Phosphatgruppen an der Peripherie liegen und mit Wasser in Kontakt stehen, wodurch sie das äußere Skelett der Doppelhelix bilden.
• Die Doppelhelix wird nicht nur durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Basenpaaren stabilisiert, sondern auch durch elektronische Wechselwirkungen (Basenstapelung) zwischen den übereinanderliegenden Basen und hydrophobe Wechselwirkungen.

Genetische Information und Mutationen

Mit der Hypothese der molekularen Struktur der DNA-Doppelhelix im Jahr 1953 durch Watson und Crick entstand auch die Hypothese zur Erklärung der genetischen Kodierung. Demnach ist die genetische Information in der Abfolge der Nukleotide (A, T, G, C) des DNA-Moleküls enthalten, welche wiederum die Aminosäuresequenz in Proteinen bestimmt. Der Begriff Mutation wurde 1901 von Hugo de Vries eingeführt, um eine genetische Veränderung zu beschreiben, die zur Entstehung einer neuen Eigenschaft führt, die in keiner der vorhergehenden Generationen vorhanden war. Er prägte den Begriff Mutation, um unerwartete Veränderungen in der biologischen Information zu bezeichnen. Heute unterscheiden wir drei Haupttypen von Mutationen: Genommutationen, Chromosomenmutationen und Genmutationen.

Mutagene: Ursachen genetischer Veränderungen

Ein Großteil der Mutationen tritt spontan auf, andere werden jedoch durch physikalische oder chemische Einwirkungen in der Umgebung verursacht, die die Struktur der DNA beeinflussen können. Diese Mutationen werden als induzierte Mutationen bezeichnet, und die auslösenden Agenten sind Mutagene. Mutagene werden wie folgt klassifiziert:

Physikalische Mutagene

• Ionisierende Strahlung: Dies ist elektromagnetische Strahlung kurzer Wellenlänge und hoher Energie, wie z.B. Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Sie können Chromosomenbrüche verursachen, die zu Chromosomenmutationen führen, und auch stickstoffhaltige Basen verändern, was Genmutationen zur Folge hat.
• Nicht-ionisierende Strahlung: Hierzu gehört insbesondere ultraviolette (UV) Strahlung. Sie kann die Bildung kovalenter Bindungen zwischen zwei benachbarten Pyrimidinbasen verursachen, was zu Dimeren von Cytosin oder Thymin führt und somit Genmutationen durch Basenübergänge auslösen kann.

Chemische Mutagene

Basierend auf ihrer Wirkungsweise können wir unterscheiden zwischen:

• Salpetersäure: Verursacht die Desaminierung stickstoffhaltiger Basen. Zum Beispiel wird Cytosin zu Uracil umgewandelt, was zu einem Basenübergang führt.
• Alkylierungsmittel: Fügen Methyl-, Ethyl- oder andere Alkylgruppen zu den stickstoffhaltigen Basen hinzu, wodurch die DNA-Replikation verändert wird.
• Basenanaloga: Dies sind Substanzen, die den stickstoffhaltigen Basen ähneln. Sie verursachen Basenübergänge, da sie die Fähigkeit besitzen, die natürlichen Basen zu ersetzen. Zum Beispiel kann 5-Bromuracil (5-BU) anstelle von Thymin in die DNA eingebaut werden.
• Interkalierende Substanzen: Bestimmte Farbstoffe, wie z.B. Acridinorange, können sich zwischen die stickstoffhaltigen Basen schieben, was zu Insertionen oder Deletionen führt. Substanzen wie Teere oder bestimmte Chemikalien im Tabakrauch können kovalente Querverbindungen zwischen den beiden DNA-Strängen bilden und deren Funktion stören.

Klassifikation von Mutationen

Genmutationen

Genmutationen sind Veränderungen in der Nukleotidsequenz eines einzelnen Gens. Sie können durch Basenaustausch (Substitutionen), Insertionen oder Deletionen von Nukleotiden verursacht werden und führen oft zu Veränderungen in den kodierten Proteinen.

Chromosomenmutationen

Chromosomenmutationen sind strukturelle Veränderungen an Chromosomen. Dazu gehören Deletionen (Verlust eines Chromosomenabschnitts), Duplikationen (Verdopplung eines Abschnitts), Inversionen (Umkehrung eines Abschnitts) und Translokationen (Verschiebung eines Abschnitts auf ein anderes Chromosom). Sie entstehen oft durch Brüche in den Chromosomen.

Genommutationen

Genommutationen betreffen die Anzahl der Chromosomen oder ganzer Chromosomensätze. Man unterscheidet:

1. Polyploidie: Eine Erhöhung der gesamten Chromosomensätze (z.B. von 2n zu 4n).
2. Haploidie: Eine Abnahme der Chromosomensätze (z.B. von 2n zu n).
3. Aneuploidie: Eine Veränderung der Anzahl einzelner Chromosomen, nicht des gesamten Satzes (z.B. Trisomie 21, Monosomie X).