DNA/DNS (Desoxyribonukleidsäure): Aufbau, Replikation und Fehler

Die Desoxyribonukleinsäure, besser bekannt als DNA, ist das Fundament des Lebens und trägt die genetischen Informationen, die die Entwicklung, Funktion und Reproduktion aller lebenden Organismen steuern. Dieses Molekül – bestehend aus einer Doppelhelix von Nukleotidsträngen – enthält die Baupläne für Proteine und reguliert eine Vielzahl biologischer Prozesse. Die Entdeckung der DNA-Struktur hat die Wissenschaft revolutioniert und weitreichende Anwendungen in Medizin, Forensik, Biotechnologie und Genetik ermöglicht und wurde unter anderem mit dem Nobelpreis ausgestattet.

DNA – Definition

DNA (Desoxyribonukleinsäure, wobei das A eigentlich für das englische Wort für Säure, also „acid“ steht, im Deutschen also DNS) ist das Molekül, das die genetische Information aller lebenden Organismen und vieler Viren enthält. Sie besteht aus zwei langen Strängen, die eine Doppelhelix bilden und aus Bausteinen namens Nukleotide zusammengesetzt sind. Diese Nukleotide bestehen aus einem Zucker (Desoxyribose), einem Phosphat und einer der vier Basen. Die Reihenfolge dieser Basen kodiert die genetischen Informationen, die für den Aufbau und die Funktion eines Organismus notwendig sind.

Sie kommt im Zellkern einer Zelle vor, sowie im Inneren der Mitochondrien (besondere Form).

DNA – Aufbau

Die DNA besteht auf vier verschiedenen Basen:

• Adenin (A)
• Cytosin (C)
• Guanin (G)
• Thymin (T)

Sei hängen an einem Rückgrat aus Zuckermolekülen (Desoxyribose), die über Phosphatreste miteinander verbunden sind. Diese Verknüpfung nennt man Phosphordiesterbindung. Sie findet immer zwischen dem 5. Zucker (5’) eines Moleküls mit dem 3. Zucker (3’) des nächsten Moleküls statt. Betrachtet man einen DNA Strang im ganzen, so hat er entsprechend ein 3’-Ende, an dem eine Sauerstoffgruppe (OH) und ein 5’ Ende, an dem ein Phosphates (PO4) hängt. Damit hat der DNA-Strang eine Polarität. Beim Menschen liegt sie doppelsträngig vor, wobei das 5’ Ende des einen beim 3’-Ende des anderen Stranges liegt. Sie sind also antiparallel angeordnet.

An jeder der Ribosen hängt genau eine der Basen, die Kombination aus beiden nennt man Nukleosid. Kommt ein Phosphatrest dazu handelt es sich um ein Nukleotid. Die Anordnung der Nukeotide bestimmt die Entstehung verschiedener Proteine. Die zwei Stränge sind immer komplementär zueinander angeordnet, ein Strang gibt die Anordnung des zweiten Strangs vor. Dies ist der Fall, da aufgrund des speziellen Aufbaus der Basen Adenin immer mit Thymin und Cytosin immer mit Guanin paart. Das kann dann beispielsweise so aussehen:

Strang 1: 3’-ATA-GCA-TAG-ACT-CTA-ATA-5’
Strang 2: 5’-TAT-CGT-ATC-TGA-GAT-TAT-3’

Aufgrund ihres Aufbaus und der freien Ladungen an den DNA-Strängen haben diese die Tendenz, sich umeinander zu verdrehen, es entsteht eine Doppelhelix. Je nachdem wie ihr Aufbau ist, unterscheidet man eine B-Form (die am häufigsten vorkommt) eine A-Form und eine Z-Form.

DNA – Replikation

Die DNA-Replikation ist ein essentieller Prozess, bei dem die DNA eines Organismus kopiert wird, um bei der Zellteilung eine identische Kopie an die Tochterzellen weiterzugeben. Dieser Prozess beginnt am sogenannten Replikationsursprung, wo das Enzym Helikase die Doppelhelix in zwei Einzelstränge auftrennt. Anschließend bindet die DNA-Polymerase an jeden Einzelstrang und fügt komplementäre Nukleotide hinzu, wodurch zwei identische Doppelstränge entstehen. Da die DNA-Polymerase nur in eine Richtung arbeiten kann, wird der Leitstrang kontinuierlich und der Folgestrang in kurzen Stücken, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert. Diese Fragmente werden später durch das Enzym Ligase verbunden, was zur vollständigen Verdopplung der DNA führt.

Telomere

Telomere sind die Endkappen der Chromosomen, bestehend aus wiederholten DNA-Sequenzen, die die strukturelle Stabilität und Integrität der Chromosomen während der Zellteilung schützen. Bei jeder Zellteilung verkürzen sich die Telomere, da die DNA-Replikationsmechanismen die Enden der Chromosomen nicht vollständig kopieren können. Diese Verkürzung wird mit dem Alterungsprozess der Zellen und der begrenzten Teilungsfähigkeit, bekannt als die Hayflick-Grenze, in Verbindung gebracht. Telomere spielen eine entscheidende Rolle in der Krebsbiologie, da viele Krebszellen Telomerase, ein Enzym, das Telomere verlängert, reaktivieren, um sich unkontrolliert zu teilen. Daher sind Telomere sowohl für das Verständnis des Alterungsprozesses als auch für die Entwicklung von Krebsbehandlungen von großer Bedeutung.

DNA Test

Ein DNA-Test analysiert die genetische Information in einer Person, um Identität, Verwandtschaft oder genetische Prädispositionen für bestimmte Krankheiten zu bestimmen. Solche Tests werden häufig in der Forensik zur Identifizierung von Personen oder in der Ahnenforschung zur Bestimmung der genetischen Abstammung eingesetzt. Zudem können medizinische DNA-Tests Aufschluss über genetische Risiken und Erbkrankheiten geben, was präventive oder gezielte Behandlungsansätze ermöglicht. Es können verschiedene Methoden verwendet werden:

Häufig werden Chromosomen-Kartierungen verwendet, aber auch die Sequenzierung (Nukleotidfolge) der DNS kann zur Analyse verwendet werden. Für Kriminaluntersuchungen und beispielsweise Vaterschaftstests sind sogenannte short Tandem repeats (STR) besonders relevant. Auch die Länge von speziellen nicht codierenden DNA-Fragmenten ist sehr individuell und kann zur Analyse verwendet werden.

Desoxyribonukleinsäure – Erkrankungen und Beschwerden

Erkrankungen im Zusammenhang mit der DNA, auch genetische oder Erbkrankheiten genannt, entstehen durch Mutationen oder Anomalien in der genetischen Sequenz. Diese Mutationen können vererbt oder spontan auftreten und führen zu einer fehlerhaften Funktion oder Regulation von Genen. Beispiele für solche Erkrankungen sind Zystische Fibrose, Sichelzellenanämie und Huntington-Krankheit, die durch spezifische Mutationen in einzelnen Genen verursacht werden. Chromosomenanomalien wie Trisomie 21, bekannt als Down-Syndrom, entstehen durch zusätzliche oder fehlende Chromosomen. Die Erforschung der DNA und genetischer Mechanismen hat zur Entwicklung diagnostischer Tests und therapeutischer Ansätze geführt, die das Management und die Behandlung dieser Erkrankungen verbessern.