Desoxyribonukleinsäure und Epiphaniasfest: Unterschied zwischen den Seiten

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[[Datei:DNA orbit animated.gif|mini|hochkant=1|Strukturmodell einer DNA-Helix in B-Konformation ([[:Datei:DNA orbit animated.gif|Animation]]). Die [[Stickstoff]] (blau) enthaltenden [[Nukleinbasen]] liegen waagrecht zwischen zwei Rückgratsträngen, welche sehr reich an [[Sauerstoff]] (rot) sind. [[Kohlenstoff]]atome sind grün dargestellt.]]
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'''Desoxyribonukleinsäure''' (kurz '''DNS'''; englisch '''DNA''' für ''deoxyribonucleic acid''<!--das wird im Englischen WIRKLICH ohne „s“ geschrieben-->) (lat.-fr.-gr. [[Kunstwort]]) ist eine [[Nukleinsäure]], die sich als [[Polynukleotid]] aus einer Kette von vielen [[Nukleotid]]en zusammensetzt. Das in den [[Chromosom]]en befindliche [[Biomolekül]] ist bei allen [[Lebewesen]] und bei vielen Viren ([[DNA-Virus|DNA-Viren]], [[w:Pararetroviren|Pararetroviren]]) der Träger der [[Erbinformation]], also die materielle Basis der [[Gen]]e. Die Gesamtlänge der DNA in einer einzelnen [[mensch]]lichen [[Zelle (Biologie)|Zelle]] beträgt etwa 2 [[Meter|m]]. Das Wort ''Desoxyribonukleinsäure'' setzt sich zusammen aus [[w:des-|des-]] (englisch: de-), der ersten Silbe von [[Sauerstoff|Oxygenium]] (Sauerstoff), den ersten beiden Silben von [[Ribose]] (siehe ''[[Desoxyribose]]'') und [[Nukleinsäuren|Nukleinsäure]].
 
Im Normalzustand ist DNA<ref>Im Sprachgebrauch wird die Desoxyribonukleinsäure überwiegend mit der englischen Abkürzung '''DNA''' bezeichnet; die deutsche Abkürzung '''DNS''' wird im ''[[w:Duden|]]'' als  „veraltend“ bezeichnet. Vgl. ''Duden. Die deutsche Rechtschreibung. Band 1.'' 26. Auflage. Mannheim 2013.</ref> in Form einer [[Doppelhelix]] aufgebaut. Ihre Bausteine sind vier verschiedene Nukleotide, die jeweils aus einem [[Phosphat]]&shy;rest, dem Zucker Desoxyribose und einer von vier organischen [[Nukleinbasen|Basen]] ([[Adenin]], [[Thymin]], [[Guanin]] und [[Cytosin]], oft abgekürzt mit A, T, G und C) bestehen.
 
Die Gene in der DNA enthalten die Information für die Herstellung der [[Ribonukleinsäure]]n (RNA, im Deutschen auch RNS). Eine wichtige Gruppe von RNA, die [[mRNA]], enthält wiederum die Information für den Bau der [[Protein]]e (Eiweiße), welche für die biologische Entwicklung eines Lebewesens und den [[Stoffwechsel]] in der [[Zelle (Biologie)|Zelle]] notwendig sind. Innerhalb der Protein-codierenden Gene legt die Abfolge der Basen die [[Aminosäuresequenz|Abfolge der Aminosäuren]] des jeweiligen Proteins fest: Im [[Genetischer Code|genetischen Code]] stehen jeweils [[Basentriplett|drei Basen]] für eine bestimmte [[Aminosäure]].
 
Bei [[Höhere Tiere|höheren Tieren]] und [[Pflanzen]] codieren allerdings weit überwiegende Teile der DNA keine Proteine. Die nichtcodierenden Bereiche, die aber, wie man mittlerweile erkannt hat, auch vielfältige, teils noch ungeklärte Aufgaben erfüllen, werden als '''nichtcodierende Desoxyribonukleinsäure''' ({{EnS|''noncoding DNA''}}, früher auch ''junk DNA'') bezeichnet. Beim [[Mensch]]en codieren wenigstens 95% der DNA kein Eiweiß.
 
In den Zellen von [[Eukaryoten]], zu denen auch [[Pflanzen]], [[Tiere]] und [[Pilze]] gehören, ist der Großteil der DNA im [[Zellkern]] (lateinisch ''Nucleus'') als [[Chromosom]]en organisiert, ein kleiner Teil befindet sich in den [[Mitochondrium|Mitochondrien]], den „Kraftwerken“ der Zellen, und wird dementsprechend [[mitochondriale DNA]] (mtDNA) genannt. Pflanzen und [[Algen]] haben außerdem DNA in ihren [[Chloroplast]]en, den [[Photosynthese]] betreibenden [[Organell]]en. Bei [[Bakterien]] und [[Archaeen]] – den [[Prokaryoten]], die keinen Zellkern besitzen – liegt die DNA im [[Cytoplasma]]. Manche [[Viren]], die [[RNA-Virus|RNA-Viren]], haben keine DNA, sondern RNA, um die genetische Information zu speichern.
 
DNA-Moleküle, die ähnlich wie [[Enzym]]en oder [[Ribozym]]e [[Katalysator|katalytische]] Funktionen ausüben, werden auch als '''Desoxyribozyme''' bezeichnet.
 
== Entdeckungsgeschichte ==
[[Datei:James Dewey Watson.jpg|mini|[[James Watson]]]]
[[Datei:Francis Crick.png|mini|[[Francis Crick]]]]
[[Datei:DNA Model Crick-Watson.jpg|mini|DNA-Modell von Crick und Watson (1953)]]
 
{{Anker|Nuklein}} <!-- Sprungziel der Weiterleitung von [[Nuklein]] -->
 
1869 entdeckte der Schweizer Arzt [[Friedrich Miescher]] in einem [[Extraktion (Verfahrenstechnik)|Extrakt]] aus [[Eiter]] eine durch milde Säurebehandlung aus den [[Zellkern]]en der [[Leukozyt]]en<ref>Bärbel Häcker: ''DNS.'' In: [[Werner E. Gerabek]], Bernhard D. Haage, [[Gundolf Keil]], Wolfgang Wegner (Hrsg.): ''Enzyklopädie Medizingeschichte.'' De Gruyter, Berlin/ New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 316 f.; hier: S. 316.</ref> gewonnene Substanz, die er '''Nuklein''' nannte. Miescher arbeitete damals im Labor von [[Felix Hoppe-Seyler]] im [[Schloss Hohentübingen|Tübinger Schloss]].<ref>Hubert Mania: [https://www.heise.de/tp/features/Ein-Opfer-der-wissenschaftlichen-Vorurteile-seiner-Zeit-3434063.html ''Ein Opfer der wissenschaftlichen Vorurteile seiner Zeit. Die DNS wurde bereits 1869 im Tübinger Renaissanceschloss entdeckt.''] Auf: ''Telepolis.'' 17. April 2004.</ref>
1889 isoliert der Deutsche [[Richard Altmann]] aus dem Nuklein Proteine und die Nukleinsäure.<ref>[[Richard Altmann]]: ''Ueber Nucleinsäuren.'' In: ''Archiv für Anatomie und Physiologie. Physiologische Abteilung.'' Leipzig 1889, S. 524–536.</ref> 1896 entdeckt der Deutsche [[Albrecht Kossel]] in der Nukleinsäure die vier Basen A, C, T und G. 1919 identifizierte [[Phoebus Levene]] die Bestandteile der DNA (Base, Zucker und Phosphatrest).<ref>{{Literatur |Autor=P. Levene |Titel=The structure of yeast nucleic acid |Sammelwerk=[[J Biol Chem]] |Band=40 |Nummer=2 |Datum=1919 |Seiten=415–424 |Online=http://www.jbc.org/content/40/2/415.citation}}</ref> Levene schlug eine kettenartige Struktur der DNA vor, in welcher die Nukleotide durch die Phosphatreste zusammengefügt sind und sich stetig wiederholen. Als wirksamer Bestandteil der Chromosomen bzw. des Kernchromatins wurde die DNA bereits 1932 von K. Voit und Hartwig Kuhlenbeck (1897–1984) angesehen.<ref>Joachim Gerlach: ''Hartwig Kuhlenbeck†'' In: ''Würzburger medizinhistorische Mitteilungen'' 2, 1984, S. 269–273; hier: S. 271.</ref> 1937 publizierte William Astbury erstmals Röntgenbeugungsmuster, die auf eine repetitive Struktur der DNA hinwiesen.<ref>{{Literatur |Autor=W. Astbury |Titel=Nucleic acid |Sammelwerk=Symp. SOC. Exp. Bbl |Band=1 |Nummer=66 |Datum=1947}}</ref>
 
1943 wies [[Oswald Avery]] nach, dass die [[Transformation (Genetik)|Transformation]] von Bakterien, das heißt die Weitergabe erblicher Information von einem Bakterien-Stamm auf einen anderen, auf der Übertragung von DNA beruht.<ref>{{Literatur |Autor=O. Avery, C. MacLeod, M. McCarty |Titel=Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Inductions of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III |Sammelwerk=[[J Exp Med]] |Band=79 |Nummer=2 |Datum=1944 |Seiten=137–158 |DOI=10.1084/jem.149.2.297}}</ref> Dies widersprach der damals noch allgemein favorisierten Annahme, dass nicht die DNA, sondern Proteine die Träger der Erbinformation seien. Unterstützung in seiner Interpretation erhielt Avery 1952, als [[Alfred Hershey]] und [[Martha Chase]] nachwiesen, dass DNA die Erbinformation des T2-Phagen enthält.<ref>{{Literatur |Autor=A. Hershey, M. Chase |Titel=Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage |Sammelwerk=[[J Gen Physiol]] |Band=36 |Nummer=1 |Datum=1952 |Seiten=39–56 |Online=http://jgp.rupress.org/content/36/1/39.full.pdf |PMID=12981234}}</ref>
 
Den strukturellen Aufbau der DNA zu entschlüsseln und im Modell nachzubilden gelang dem US-Amerikaner [[James Watson]] und dem Briten [[Francis Crick]] am 28. Februar 1953.<ref>[[Spektrum der Wissenschaft]]: [http://www.spektrum.de/news/50-jahre-doppelhelix/616200 ''50 Jahre Doppelhelix''], 28. Februar 2003</ref><ref>[[Scientific American]]: [https://www.scientificamerican.com/article/february-28-the-day-scientists-discovered-double-helix/ ''February 28: The Day Scientists Discovered the Double Helix''], 28. Februar 2013.</ref> Ihre Entdeckung publizierten sie in der April-Ausgabe 1953 des Magazins ''[[Nature]]'' in ihrem berühmten Artikel ''[[Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid]]''.<ref name="WatsonCrick1953">J. D. Watson, F. H. Crick: [http://www.nature.com/physics/looking-back/crick/index.html ''Molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acid.''] In: ''[[Nature]].'' Band 171, Nr. 4356, 1953, S. 737–738. PMID 13054692 [http://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf (Volltext, PDF; 368&nbsp;kB)].</ref> Watson kam 1951 nach England, nachdem er ein Jahr zuvor an der [[Indiana University Bloomington]] in den USA promoviert hatte. Er hatte zwar ein [[Stipendium]] für [[Molekularbiologie]] bekommen, beschäftigte sich aber vermehrt mit der Frage des menschlichen Erbguts. Crick widmete sich in Cambridge gerade erfolglos seiner Promotion über die Kristallstruktur des Hämoglobinmoleküls, als er 1951 Watson traf.
 
Zu dieser Zeit war bereits ein erbitterter Wettlauf um die Struktur der DNA entbrannt, an dem sich neben anderen auch [[Linus Pauling]] am California Institute of Technology beteiligte. Watson und Crick waren eigentlich anderen Projekten zugeteilt worden und besaßen kein bedeutendes Fachwissen in [[Chemie]]. Sie bauten ihre Überlegungen auf den Forschungsergebnissen der anderen Wissenschaftler auf.
 
Watson sagte, er ''wolle das Erbgut entschlüsseln, ohne Chemie lernen zu müssen.'' In einem Gespräch mit dem renommierten Chemiker und Ersteller der [[Chargaff-Regeln]], [[Erwin Chargaff]], vergaß Crick wichtige Molekülstrukturen, und Watson machte im selben Gespräch unpassende Anmerkungen, die seine Unkenntnis auf dem Gebiet der Chemie verrieten. Chargaff nannte die jungen Kollegen im Anschluss „wissenschaftliche Clowns“.
 
Watson besuchte Ende 1952 am [[King’s College London|King’s College]] in London [[Maurice Wilkins]], der ihm [[Röntgenstrukturanalyse|DNA-Röntgenaufnahmen]] von [[Rosalind Franklin]] zeigte (was gegen den Willen von Franklin geschah). Watson sah sofort, dass es sich bei dem Molekül um eine ''Doppel''-Helix handeln musste; Franklin selbst hatte aufgrund der Daten auch das Vorhandensein einer Helix vermutet, jedoch hatte sie kein überzeugendes Modell für die Struktur vorzuweisen. Da bekannt war, dass die [[Purinbasen|Purin-]] und [[Pyrimidinbasen|Pyrimidin]]-Basen Paare bilden, gelang es Watson und Crick, die ganze Molekularstruktur herzuleiten. So entwickelten sie am [[Cavendish-Laboratorium]] der [[Universität Cambridge]] das [[Doppelhelix]]-Modell der DNA mit den Basenpaaren in der Mitte, das am 25. April 1953 in der Zeitschrift Nature publiziert wurde.<ref>Katharina Kramer: ''Dem Leben auf der Spur.'' In: ''GEO kompakt.'' Nr. 7, 2006.</ref>
 
Diese denkwürdige Veröffentlichung enthält gegen Ende den Satz „''It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material''“. (Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen, dass die spezifische Paarung, die wir als gegeben voraussetzen, unmittelbar auf einen möglichen Vervielfältigungsmechanismus für das Erbgut schließen lässt.)
 
„Für ihre Entdeckungen über die Molekularstruktur der Nukleinsäuren und ihre Bedeutung für die Informationsübertragung in lebender Substanz“ erhielten Watson und Crick zusammen mit Maurice Wilkins 1962 den [[Liste der Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin|Nobelpreis für Medizin]].<ref>[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1962/ Informationen der Nobelstiftung zur Preisverleihung 1962].</ref>
 
[[Rosalind Franklin]], deren [[Röntgenbeugung]]sdiagramme wesentlich zur Entschlüsselung der DNA-Struktur beigetragen hatten, war zu diesem Zeitpunkt bereits verstorben und konnte daher nicht mehr nominiert werden.
 
Für weitere geschichtliche Informationen zur Entschlüsselung der [[Vererbung (Biologie)|Vererbungsvorgänge]] siehe „[[Zellkern#Forschungsgeschichte|Forschungsgeschichte des Zellkerns]]“ sowie „[[Chromosom#Forschungsgeschichte|Forschungsgeschichte der Chromosomen]]“ und „[[Chromosomentheorie der Vererbung]]“.
 
== Aufbau und Organisation ==
=== Bausteine ===
[[Datei:chemische Struktur der DNA.svg|mini|hochkant=1.5|Strukturformel eines DNA-Ausschnittes]]
 
Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Kettenmolekül ([[Polymer]]) aus vielen Bausteinen, die man [[Desoxyribonukleotide]] oder kurz ''Nukleotide'' nennt. Jedes Nukleotid hat drei Bestandteile: [[Phosphorsäure]] bzw. Phosphat, den [[Zucker]] [[Desoxyribose]] sowie eine [[Heterocyclen|heterozyklische]] [[Nukleinbasen|Nukleobase]] oder kurz Base. Die Desoxyribose- und Phosphorsäure-Untereinheiten sind bei jedem Nukleotid gleich. Sie bilden das Rückgrat des Moleküls. Einheiten aus Base und Zucker (ohne Phosphat) werden als [[Nukleoside]] bezeichnet.
 
Die ''Phosphatreste'' sind aufgrund ihrer negativen Ladung [[hydrophil]], sie geben DNA in wässriger Lösung insgesamt eine negative Ladung. Da diese negativ geladene, in Wasser gelöste DNA keine weiteren [[Proton]]en abgeben kann, handelt es sich streng genommen nicht (mehr) um eine [[Säure]]. Der Begriff Desoxyribonuklein''säure'' bezieht sich auf einen ungeladenen Zustand, in dem Protonen an die Phosphatreste angelagert sind.
 
Bei der ''Base'' kann es sich um ein [[Purine|Purin]], nämlich [[Adenin]] (''A'') oder [[Guanin]] (''G''), oder um ein [[Pyrimidin]], nämlich [[Thymin]] (''T'') oder [[Cytosin]] (''C''), handeln. Da sich die vier verschiedenen Nukleotide nur durch ihre Base unterscheiden, werden die Abkürzungen A, G, T und C auch für die entsprechenden Nukleotide verwendet.
 
Die fünf Kohlenstoffatome einer ''Desoxyribose'' sind von 1' (sprich ''Eins Strich'') bis 5' nummeriert. Am 1'-Ende dieses Zuckers ist die Base gebunden. Am 5'-Ende hängt der Phosphatrest. Genau genommen handelt es sich bei der Desoxyribose um die 2-Desoxyribose; der Name kommt daher, dass im Vergleich zu einem [[Ribose]]-Molekül eine alkoholische [[OH-Gruppe]] an der 2'-Position fehlt (bzw. durch ein Wasserstoffatom ersetzt wurde).
 
An der 3'-Position ist eine OH-Gruppe vorhanden, welche die Desoxyribose über eine sogenannte Phosphodiester-Bindung mit dem 5'-Kohlenstoffatom des Zuckers des nächsten Nukleotids verknüpft (siehe Abbildung). Dadurch besitzt jeder sogenannte ''Einzelstrang'' zwei verschiedene Enden: ein 5'- und ein 3'-Ende. DNA-Polymerasen, die in der belebten Welt die Synthese von DNA-Strängen durchführen, können neue Nukleotide nur an die OH-Gruppe am 3'-Ende anfügen, nicht aber am 5'-Ende. Der Einzelstrang wächst also immer von 5' nach 3' (siehe auch DNA-Replikation weiter unten). Dabei wird ein [[Nukleosidtriphosphat]] (mit drei Phosphatresten) als neuer Baustein angeliefert, von dem zwei Phosphate in Form von [[Pyrophosphat]] abgespalten werden. Der verbleibende Phosphatrest des jeweils neu hinzukommenden Nukleotids wird mit der OH-Gruppe am 3'-Ende des letzten im Strang vorhandenen Nukleotids unter Wasserabspaltung verbunden. Die Abfolge der Basen im Strang codiert die genetische Information.
 
=== Die Doppelhelix ===
[[Datei:A-DNA, B-DNA and Z-DNA.png|mini|Von links nach rechts: Strukturmodelle der A-, B- und Z-DNA mit jeweils 12 Basenpaaren]]
[[Datei:DNA Overview.png|mini|hochkant|Strukturmodell eines Ausschnitts aus der DNA-Doppelhelix (B-Form) mit 20 Basenpaarungen]]
[[Datei:DNA Furchen.png|mini|hochkant|Ausschnitt aus einem [[Kalottenmodell]] eines DNA-Moleküls. Während andere Modelle gut geeignet sind, die Beziehung der einzelnen Atome zueinander darzustellen, zeigt ein Kalottenmodell die Belegung des Raumvolumens. Es wird daher der falsche Eindruck vermieden, dass zwischen den einzelnen Atomen noch viel Raum sei.]]
 
DNA kommt normalerweise als schraubenförmige Doppelhelix in einer [[Konformation]] vor, die [[B-DNA]] genannt wird. Zwei der oben beschriebenen Einzelstränge sind dabei aneinandergelagert, und zwar in entgegengesetzter Richtung: An jedem Ende der Doppelhelix hat einer der beiden Einzelstränge sein 3'-Ende, der andere sein 5'-Ende. Durch die Aneinanderlagerung stehen sich in der Mitte der Doppelhelix immer zwei bestimmte Basen gegenüber, sie sind „gepaart“. Die Doppelhelix wird hauptsächlich durch Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Basen stabilisiert (und nicht, wie oft behauptet, durch [[Wasserstoffbrücke]]n).
 
Es paaren sich immer Adenin und Thymin, die dabei zwei [[Wasserstoffbrücke]]n ausbilden, oder Cytosin mit Guanin, die über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Eine Brückenbildung erfolgt zwischen den Molekülpositionen 1=1 sowie 6=6, bei Guanin-Cytosin-Paarungen zusätzlich zwischen 2=2. Da sich immer die gleichen Basen paaren, lässt sich aus der Sequenz der Basen in einem Strang die des anderen Strangs ableiten, die Sequenzen sind ''komplementär'' (siehe auch: [[Basenpaar]]). Dabei sind die Wasserstoffbrücken fast ausschließlich für die Spezifität der Paarung verantwortlich, nicht aber für die Stabilität der Doppelhelix.
 
Da stets ein Purin mit einem Pyrimidin kombiniert wird, ist der Abstand zwischen den Strängen überall gleich, es entsteht eine regelmäßige Struktur. Die ganze Helix hat einen Durchmesser von ungefähr 2&nbsp;[[Nanometer]]n (nm) und windet sich mit jedem Zuckermolekül um 0,34&nbsp;nm weiter.
 
Die Ebenen der Zuckermoleküle stehen in einem Winkel von 36° zueinander, und eine vollständige Drehung wird folglich nach 10 Basen (360°) und 3,4&nbsp;nm erreicht. DNA-Moleküle können sehr groß werden. Beispielsweise enthält das größte menschliche Chromosom 247 Millionen Basenpaare.<ref name="Ensembl-HSA">[http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/Info/Index www.ensembl.org, ''Homo sapiens'']: Datenbankstand von Februar 2009. (Website auf Englisch).</ref>
 
Beim Umeinanderwinden der beiden Einzelstränge verbleiben seitliche Lücken, sodass hier die Basen direkt an der Oberfläche liegen. Von diesen ''Furchen'' gibt es zwei, die sich um die Doppelhelix herumwinden (siehe Abbildungen und Animation am Artikelanfang). Die „große Furche“ ist 2,2&nbsp;nm breit, die „kleine Furche“ nur 1,2&nbsp;nm.<ref>{{Literatur |Autor=R. Wing, H. Drew, T. Takano, C. Broka, S. Tanaka, K. Itakura, R. Dickerson |Titel=Crystal structure analysis of a complete turn of B-DNA |Sammelwerk=Nature |Band=287 |Nummer=5784 |Datum=1980 |Seiten=755–758 |PMID=7432492}}</ref>
 
Entsprechend sind die Basen in der großen Furche besser zugänglich. Proteine, die sequenzspezifisch an die DNA binden, wie zum Beispiel [[Transkriptionsfaktor]]en, binden daher meist an der großen Furche.<ref>{{Literatur |Autor=C. Pabo, R. Sauer |Titel=Protein-DNA recognition |Sammelwerk=[[Annu Rev Biochem]] |Band=53 |Seiten=293–321 |PMID=6236744}}</ref>
 
Auch manche DNA-Farbstoffe, wie zum Beispiel [[DAPI]], lagern sich an einer Furche an.
 
Die kumulierte Bindungsenergie zwischen den beiden Einzelsträngen hält diese zusammen. [[Kovalente Bindung]]en sind hier nicht vorhanden, die DNA-Doppelhelix besteht also nicht aus einem Molekül, sondern aus zweien. Dadurch können die beiden Stränge in biologischen Prozessen zeitweise getrennt werden.
 
Neben der eben beschriebenen B-DNA existieren auch [[A-DNA]] sowie eine 1979 von Alexander Rich und seinen Kollegen am [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] erstmals auch untersuchte, linkshändige, sogenannte [[Z-DNA]]. Diese tritt besonders in G-C-reichen Abschnitten auf. Erst 2005 wurde über eine Kristallstruktur berichtet, welche Z-DNA direkt in einer Verbindung mit B-DNA zeigt und so Hinweise auf eine biologische Aktivität von Z-DNA liefert.<ref name="Ha2005">{{Literatur |Autor=S. C. Ha, K. Lowenhaupt, A. Rich, Y. G. Kim, K. K. Kim |Titel=Crystal structure of a junction between B-DNA and Z-DNA reveals two extruded bases |Sammelwerk=Nature |Band=437 |Datum=2005 |Seiten=1183–1186 |PMID=16237447}}</ref>
Die folgende Tabelle und die daneben stehende Abbildung zeigen die Unterschiede der drei Formen im direkten Vergleich.
 
{| class="wikitable centered" style="text-align:right"
|+ Strukturinformationen der drei DNA-Formen, die biologisch relevant sein könnten<br />
(B-DNA ist die in der belebten Natur häufigste Form)
|- class="hintergrundfarbe6"
! Strukturmerkmal
! A-DNA
! B-DNA
! Z-DNA
|- align="left"
| Drehsinn der Helix
| rechts
| rechts
| links
|-
| align="left" | Durchmesser
| ≈ 2,6 [[Nanometer|nm]]
| ≈ 2,0 [[Nanometer|nm]]
| ≈ 1,8 [[Nanometer|nm]]
|-
| align="left" | Basenpaare pro helikale Windung
| 11,6
| 10,0
| 12 (6 [[Dimer]]e)
|-
| align="left" | Helikale Windung je Basenpaar (twist)
| 31°
| 36°
| 60° (pro [[Dimer]])
|-
| align="left" | Ganghöhe (Anstieg pro Windung)
| 3,4 [[Nanometer|nm]]
| 3,4 [[Nanometer|nm]]
| 4,4 [[Nanometer|nm]]
|-
| align="left" | Anstieg pro Base
| 0,29 [[Nanometer|nm]]
| 0,34 [[Nanometer|nm]]
| 0,74 [[Nanometer|nm]] (pro [[Dimer]])
|-
| align="left" | Neigungswinkel der Basenpaare zur Achse
| 20°
| 6°
| 7°
|- align="left"
| Große Furche
| eng und tief
| breit und tief; Tiefe: 0,85 [[Nanometer|nm]]
| flach
|- align="left"
| Kleine Furche
| breit und flach
| eng und tief; Tiefe: 0,75 [[Nanometer|nm]]
| eng und tief
|- align="left"
| Zuckerkonformation
| C3'-''endo''
| C2'-''endo''
| [[Pyrimidinbasen]]: C2'-''endo''<br />[[Purinbasen]]: C3'-''endo''
|- align="left"
| Glykosidische Bindung
| anti
| anti
| [[Pyrimidinbasen]]: anti<br />[[Purinbasen]]: syn
|}
[[Datei:Levo dextro-4.svg|mini|a) rechtsgängige, b) linksgängige Doppelhelix]]
Die Stapel der Basenpaare ({{lang|en|''base stackings''}}) liegen nicht wie Bücher exakt parallel aufeinander, sondern bilden Keile, die die [[Helix]] in die eine oder andere Richtung neigen.
Den größten Keil bilden Adenosine, die mit Thymidinen des anderen Stranges gepaart sind. Folglich bildet eine Serie von AT-Paaren einen Bogen in der Helix. Wenn solche Serien in kurzen Abständen aufeinander folgen, nimmt das DNA-Molekül eine gebogene bzw. eine gekrümmte Struktur an, welche stabil ist. Dies wird auch Sequenz-induzierte Beugung genannt, da die Beugung auch von Proteinen hervorgerufen werden kann (die sogenannte Protein-induzierte Beugung). Sequenzinduzierte Beugung findet man häufig an wichtigen Stellen im Genom.
 
=== Chromatin und Chromosomen ===
[[Datei:HumanChromosomesChromomycinA3.jpg|mini|Präparation menschlicher Chromosomen in später Metaphase der mitotischen Zellkernteilung. Jedes Chromosom zeigt zwei Chromatiden, die in der Anaphase getrennt und für zwei Zellkerne aufgeteilt werden]]
{{Hauptartikel|Chromatin|Chromosom}}
Organisiert ist die DNA in der [[Eukaryoten|eukaryotischen]] [[Zelle (Biologie)|Zelle]] in Form von Chromatin<nowiki>fäden</nowiki>, genannt Chromosomen, die im [[Zellkern]] liegen. Ein einzelnes Chromosom enthält von der [[Zellzyklus#Phasen|Anaphase]] bis zum Beginn der [[Zellzyklus#Phasen|S-Phase]] ''einen'' langen, durchgehenden DNA-Doppelstrang (in einer [[Chromatid]]e). Am Ende der [[#DNA-Replikation|S-Phase]] besteht das Chromosom aus ''zwei'' identischen DNA-Fäden (in zwei Chromatiden).
 
Da ein solcher DNA-Faden mehrere Zentimeter lang sein kann, ein Zellkern aber nur wenige [[Meter#Mikrometer|Mikrometer]] Durchmesser hat, muss die DNA zusätzlich komprimiert bzw. „gepackt“ werden. Dies geschieht bei Eukaryoten mit sogenannten Chromatinproteinen, von denen besonders die basischen [[Histon]]e zu erwähnen sind. Sie bilden die [[Nukleosom]]en, um die die DNA auf der niedrigsten Verpackungsebene herumgewickelt wird. Während der [[Mitose|Kernteilung (Mitose)]] wird jedes Chromosom zu seiner maximal kompakten Form kondensiert. Dadurch können sie mit dem [[Lichtmikroskop]] besonders gut in der [[Zellzyklus#Phasen|Metaphase]] identifiziert werden.
 
=== Bakterielle und virale DNA ===
In [[Prokaryoten|prokaryotischen]] Zellen liegt die doppelsträngige DNA in den bisher dokumentierten Fällen mehrheitlich nicht als lineare Stränge mit jeweils einem Anfang und einem Ende vor, sondern als zirkuläre Moleküle&nbsp;– jedes Molekül (d.&nbsp;h. jeder DNA-Strang) schließt sich mit seinem 3'- und seinem 5'-Ende zum Kreis. Diese zwei ringförmigen, geschlossenen DNA-Moleküle werden je nach Länge der Sequenz als [[Bakterienchromosom]] oder [[Plasmid]] bezeichnet. Sie befinden sich bei Bakterien auch nicht in einem Zellkern, sondern liegen frei im Plasma vor. Die Prokaryoten-DNA wird mit Hilfe von [[Enzym]]en (zum Beispiel [[Topoisomerase]]n und [[Gyrase]]n) zu einfachen „[[Supercoil]]s“ aufgewickelt, die einer geringelten Telefonschnur ähneln. Indem die Helices noch um sich selbst gedreht werden, sinkt der Platzbedarf für die Erbinformation. In den Bakterien sorgen Topoisomerasen dafür, dass durch ständiges Schneiden und Wiederverknüpfen der DNA der verdrillte Doppelstrang an einer gewünschten Stelle entwunden wird (Voraussetzung für [[Transkription (Biologie)|Transkription]] und [[Replikation]]). [[Viren]] enthalten je nach Typ als Erbinformation entweder DNA oder RNA. Sowohl bei den DNA- wie den RNA-Viren wird die Nukleinsäure durch eine [[Protein]]-Hülle geschützt.
 
=== Chemische und physikalische Eigenschaften der DNA-Doppelhelix ===
Die DNA ist bei neutralem [[pH-Wert]] ein negativ geladenes Molekül, wobei die negativen Ladungen auf den [[Phosphat]]en im Rückgrat der Stränge sitzen. Zwar sind zwei der drei sauren OH-Gruppen der Phosphate mit den jeweils benachbarten Desoxyribosen [[Ester|verestert]], die dritte ist jedoch noch vorhanden und gibt bei neutralem pH-Wert ein [[Proton (Chemie)|Proton]] ab, was die negative Ladung bewirkt. Diese Eigenschaft macht man sich bei der [[Agarose-Gelelektrophorese]] zu Nutze, um verschiedene DNA-Stränge nach ihrer Länge aufzutrennen. Einige physikalische Eigenschaften wie die freie Energie und der Schmelzpunkt der DNA hängen direkt mit dem [[GC-Gehalt]] zusammen, sind also sequenzabhängig.
 
==== Stapelwechselwirkungen ====
Für die Stabilität der Doppelhelix sind hauptsächlich zwei Faktoren verantwortlich: die Basenpaarung zwischen komplementären Basen sowie Stapelwechselwirkungen (''stacking interactions'') zwischen aufeinanderfolgenden Basen.
 
Anders als zunächst angenommen,<ref name="WatsonCrick1953" /> ist der Energiegewinn durch Wasserstoffbrückenbindungen vernachlässigbar, da die Basen mit dem umgebenden Wasser ähnlich gute Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können. Die Wasserstoffbrücken eines GC-Basenpaares tragen nur minimal zur Stabilität der Doppelhelix bei, während diejenigen eines AT-Basenpaares sogar destabilisierend wirken.<ref name="Yakovchuk2006">Peter Yakovchuk, Ekaterina Protozanova, Maxim D. Frank-Kamenetskii: ''Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix.'' In: ''[[Nucleic Acids Research]].'' Band 34, Nr. 2, 2006, S. 564–574. [[doi:10.1093/nar/gkj454]] PMID 16449200</ref> Stapelwechselwirkungen hingegen wirken nur in der Doppelhelix zwischen aufeinanderfolgenden Basenpaaren: Zwischen den aromatischen Ringsystemen der heterozyklischen Basen entsteht eine dipol-induzierte [[Dipol-Dipol-Kräfte|Dipol-Wechselwirkung]], welche energetisch günstig ist. Somit ist die Bildung des ersten Basenpaares aufgrund des geringen Energiegewinnes und des [[Entropie (Thermodynamik)|-verlustes]] recht ungünstig, jedoch die Elongation (Verlängerung) der Helix ist energetisch günstig, da die Basenpaarstapelung unter Energiegewinn verläuft.<ref>Gerhard Steger (Hrsg.): ''Bioinformatik: Methoden zur Vorhersage von RNA- und Proteinstrukturen.'' Birkhäuser Verlag, Basel, Boston, Berlin 2003.</ref>
 
Die Stapelwechselwirkungen sind jedoch sequenzabhängig und energetisch am günstigsten für gestapelte GC-GC, weniger günstig für gestapelte AT-AT. Die Unterschiede in den Stapelwechselwirkungen erklären hauptsächlich, warum GC-reiche DNA-Abschnitte [[Thermodynamik|thermodynamisch]] stabiler sind als AT-reiche, während Wasserstoffbrückenbildung eine untergeordnete Rolle spielt.<ref name="Yakovchuk2006" />
 
==== Schmelzpunkt ====
Der ''Schmelzpunkt der DNA'' ist die Temperatur, bei der die Bindungskräfte zwischen den beiden Einzelsträngen überwunden werden und diese sich voneinander trennen. Dies wird auch als [[Denaturierung (Biochemie)|''Denaturierung'']] bezeichnet.
 
Solange die DNA in einem kooperativen Übergang denaturiert (der sich in einem enggefassten Temperaturbereich vollzieht), bezeichnet der Schmelzpunkt die Temperatur, bei der die Hälfte der Doppelstränge in Einzelstränge denaturiert ist. Von dieser Definition sind die korrekten Bezeichnungen „midpoint of transition temperature“ bzw. Mittelpunktstemperatur <math>T_{m}</math> abgeleitet.
 
Der Schmelzpunkt hängt von der jeweiligen Basensequenz in der Helix ab. Er steigt, wenn in ihr mehr GC-Basenpaare liegen, da diese entropisch günstiger sind als AT-Basenpaare. Das liegt nicht so sehr an der unterschiedlichen Zahl der Wasserstoffbrücken, welche die beiden Paare ausbilden, sondern viel mehr an den unterschiedlichen Stapelwechselwirkungen ''(stacking interactions).'' Die stacking-Energie zweier Basenpaare ist viel kleiner, wenn eines der beiden Paare ein AT-Basenpaar ist. GC-Stapel dagegen sind energetisch günstiger und stabilisieren die Doppelhelix stärker. Das Verhältnis der GC-Basenpaare zur Gesamtzahl aller Basenpaare wird durch den [[GC-Gehalt]] angegeben.
 
Da einzelsträngige DNA UV-Licht etwa 40 % stärker absorbiert als doppelsträngige, lässt sich die Übergangstemperatur in einem [[Photometer]] gut bestimmen.
 
Wenn die Temperatur der Lösung unter T<sub>m</sub> zurückfällt, können sich die Einzelstränge wieder aneinanderlagern. Dieser Vorgang heißt ''Renaturierung'' oder ''Hybridisierung.'' Das Wechselspiel von De- und Renaturierung wird bei vielen biotechnologischen Verfahren ausgenutzt, zum Beispiel bei der [[Polymerase-Kettenreaktion]] (PCR), bei [[Southern Blot]]s und der [[In-situ-Hybridisierung]].
 
=== Kreuzförmige DNA an Palindromen ===
Ein [[Palindrom]] ist eine Folge von Nukleotiden, bei denen sich die beiden komplementären Stränge jeweils von rechts genauso lesen lassen wie von links.
 
Unter natürlichen Bedingungen (bei hoher Drehspannung der DNA) oder künstlich im Reagenzglas kann sich diese lineare Helix als Kreuzform (cruciform) herausbilden, indem zwei Zweige entstehen, die aus dem linearen Doppelstrang herausragen. Die Zweige stellen jeweils für sich eine Helix dar, allerdings bleiben am Ende eines Zweiges mindestens drei Nukleotide ungepaart. Beim Übergang von der Kreuzform in die lineare Helix bleibt die Basenpaarung wegen der Biegungsfähigkeit des Phosphodiester-Zucker-Rückgrates erhalten.
 
Die spontane Zusammenlagerung von komplementären Basen zu sog. Stamm-Schleifen-Strukturen wird häufig auch bei Einzelstrang-DNA oder -RNA beobachtet.
 
=== Enantiomere ===
DNA tritt in Lebewesen als <small>D</small>-DNA auf – <small>L</small>-DNA kann allerdings synthetisiert werden (gleiches gilt analog für RNA). <small>L</small>-DNA wird langsamer von Enzymen abgebaut als die natürliche Form, was sie für die [[Pharmaforschung]] interessant macht.<ref>W. Purschke, F. Radtke, F. Kleinjung, S. Klussmann: ''A DNA Spiegelmer to staphylococcal enterotoxin B.'' In: ''Nucleic Acids Research.'' Band 31, Nr. 12, 2003, S. 3027–3032. [[doi:10.1093/nar/gkg413]] PMID 12799428</ref><ref>Gosuke Hayashi, Masaki Hagihara, Kazuhiko Nakatani: ''Application of L-DNA as a molecular tag.'' In: ''Nucleic Acids Symposium Series.'' Band 49, Nr. 1, 2005, S. 261–262. [[doi:10.1093/nass/49.1.261]] PMID 17150733</ref>
 
== Genetischer Informationsgehalt und Transkription ==
[[Datei:RibosomaleTranskriptionsEinheit.jpg|mini|Elektronenmikroskopisches Bild [[Ribosomale DNA|ribosomaler DNA]] in Transkription. Die Länge neu synthetisierter rRNA-Moleküle wächst vom ''Beginn'' zum ''Ende'' einer Transkriptionseinheit]]
{{Hauptartikel|Gen|Genetischer Code|Transkription (Biologie)}}
DNA-Moleküle spielen als Informationsträger und „Andockstelle“ eine wichtige Rolle für Enzyme, die für die [[Transkription (Biologie)|Transkription]] zuständig sind. Weiterhin ist die Information bestimmter DNA-Abschnitte, wie sie etwa in operativen Einheiten wie dem [[Operon]] vorliegt, wichtig für Regulationsprozesse innerhalb der Zelle.
 
Bestimmte Abschnitte der DNA, die sogenannten [[Gen]]e, codieren genetische Informationen, die Aufbau und Organisation des Organismus beeinflussen. Gene enthalten „Baupläne“ für Proteine oder Moleküle, die bei der Proteinsynthese oder der [[Genregulation|Regulation]] des Stoffwechsels einer Zelle beteiligt sind. Die Reihenfolge der Basen bestimmt dabei die genetische Information. Diese [[Basensequenz]] kann mittels [[DNA-Sequenzierung|Sequenzierung]] zum Beispiel über die [[Frederick Sanger|Sanger]]-Methode ermittelt werden.
 
Die Basenabfolge (Basensequenz) eines Genabschnitts der DNA wird zunächst durch die [[Transkription (Biologie)|Transkription]] in die komplementäre Basensequenz eines sogenannten [[Ribonukleinsäure]]-Moleküls überschrieben (abgekürzt RNA). RNA enthält im Unterschied zu DNA den Zucker [[Ribose]] anstelle von Desoxyribose und die Base [[Uracil]] anstelle von Thymin, der Informationsgehalt ist aber derselbe. Für die Proteinsynthese werden sogenannte [[mRNA]]s verwendet, einsträngige RNA-Moleküle, die aus dem Zellkern ins [[Zytoplasma]] hinaustransportiert werden, wo die Proteinsynthese stattfindet (''siehe'' [[Proteinbiosynthese]]).
 
Nach der sog. „Ein-Gen-Ein-Protein-Hypothese“ wird von einem codierenden Abschnitt auf der DNA die Sequenz jeweils eines Proteinmoleküls abgelesen. Es gibt aber Regionen der DNA, die durch Verwendung unterschiedlicher ''Leseraster'' bei der Transkription jeweils mehrere Proteine codieren. Außerdem können durch [[alternatives Spleißen]] (nachträgliches Schneiden der mRNA) verschiedene Isoformen eines Proteins hergestellt werden.
 
Neben der codierenden DNA (den Genen) gibt es [[Nichtcodierende Desoxyribonukleinsäure|nichtcodierende DNA]], die etwa beim Menschen über 90 % der gesamten DNA einer Zelle ausmacht.
 
Die [[Speicherkapazität]] der DNA konnte bisher nicht technisch nachgebildet werden. 1 Gramm getrockneter DNA enthält den Informationsgehalt von 1 Billion [[Compact Disc]]s (CD). Mit der Informationsdichte in einem [[Essbesteck#Löffel|Teelöffel]] getrockneter DNA könnte die aktuelle [[Weltbevölkerung]] etwa 350 Mal nachgebaut werden.<ref>Leonard M. Adelmann: ''Rechnen mit der DNA.'' In: ''Spektrum der Wissenschaft.'' November 1998, S. 77, [http://www.spektrum.de/alias/dachzeile/rechnen-mit-dna/824929 (Volltext)]</ref>
 
== DNA-Replikation ==
[[Datei:DNA replication split horizontal.svg|mini|Die Doppelhelix wird durch die [[Helikase]] und die [[Topoisomerase]] geöffnet. Danach setzt die [[Primase]] einen Primer und die [[DNA-Polymerase]] beginnt, den ''leading strand'' zu kopieren. Eine zweite DNA-Polymerase bindet den ''lagging strand'', kann aber nicht kontinuierlich synthetisieren, sondern produziert einzelne [[Okazaki-Fragment]]e, welche von der [[DNA-Ligase]] zusammengefügt werden.]]
 
{{Hauptartikel|Replikation}}
 
Die DNA kann sich nach dem sog. [[Meselson-Stahl-Versuch|''semikonservativen'' Prinzip]] mit Hilfe von [[Enzym]]en selbst verdoppeln (replizieren). Die doppelsträngige Helix wird durch das Enzym ''[[Helikase]]'' aufgetrennt. Die entstehenden Einzelstränge dienen als [[Matrize (Genetik)|Matrize]] (Vorlage) für den jeweils zu synthetisierenden komplementären Gegenstrang, der sich an sie anlagert.
 
Die DNA-Synthese, d.&nbsp;h. die Bindung der zu verknüpfenden Nukleotide, wird durch Enzyme aus der Gruppe der ''[[DNA-Polymerase]]n'' vollzogen. Ein zu verknüpfendes Nukleotid muss in der Triphosphat-Verbindung – also als Desoxyribonukleosidtriphosphat – vorliegen. Durch Abspaltung zweier Phosphatteile wird die für den Bindungsvorgang benötigte Energie frei.
 
Das Enzym Helikase bildet eine ''Replikationsgabel,'' zwei auseinander laufende DNA-Einzelstränge. In ihrem Bereich markiert ein ''RNA-[[Primer]]'', der durch das Enzym [[Primase]] synthetisiert wird, den Startpunkt der DNA-Neusynthese. An dieses RNA-Molekül hängt die DNA-Polymerase nacheinander Nukleotide, die denen der DNA-Einzelstränge komplementär sind.
 
Die Verknüpfung der neuen Nukleotide zu einem komplementären DNA-Einzelstrang kann an den beiden alten Strängen nur in [[Nukleinsäure-Nomenklatur|5'→3']] Richtung verlaufen und tut das demzufolge ohne Unterbrechung den alten [[Nukleinsäure-Nomenklatur|3'→5']]-Strang entlang in Richtung der sich immer weiter öffnenden Replikationsgabel.
 
Die Synthese des neuen Stranges am alten 5'→3'-Strang dagegen kann nicht kontinuierlich auf die Replikationsgabel zu, sondern nur von dieser weg ebenfalls in 5'→3'-Richtung erfolgen. Der alte Doppelstrang ist aber zu Beginn der Replikation nur ein Stück weit geöffnet, so dass an dem zweiten Strang – in „unpassender“ Gegenrichtung – immer nur ein kurzes Stück neuer komplementärer DNA entstehen kann.
 
Da dabei eine DNA-Polymerase jeweils nur etwa 1000 Nukleotide verknüpft, ist es nötig, den gesamten komplementären Strang in einzelnen Stücken zu synthetisieren. Wenn sich die Replikationsgabel etwas weiter geöffnet hat, lagert sich daher ein neuer RNA-Primer wieder direkt an der Gabelungsstelle an den zweiten Einzelstrang an und initiiert die nächste DNA-Polymerase.
 
Bei der Synthese des 3'→5'-Stranges wird deshalb pro DNA-Syntheseeinheit jeweils ein neuer RNA-Primer benötigt. Primer und zugehörige Syntheseeinheit bezeichnet man als ''[[Okazaki-Fragment]]''. Die für den Replikations-Start benötigten RNA-Primer werden anschließend enzymatisch abgebaut. Dadurch entstehen Lücken im neuen DNA-Strang, die durch spezielle DNA-Polymerasen mit DNA-Nukleotiden aufgefüllt werden.
 
Zum Abschluss verknüpft das Enzym ''Ligase'' die noch nicht miteinander verbundenen neuen DNA-Abschnitte zu einem einzigen Strang.
 
== Mutationen und andere DNA-Schäden ==
{{Hauptartikel|Mutation|DNA-Schaden|DNA-Reparatur}}
[[Mutation]]en von DNA-Abschnitten – zum Beispiel Austausch von Basen gegen andere oder Änderungen in der Basensequenz – führen zu Veränderungen des [[Genom|Erbgutes]], die zum Teil tödlich ([[Letalität|letal]]) für den betroffenen Organismus sein können.
 
In seltenen Fällen sind solche Mutationen aber auch von Vorteil; sie bilden dann den Ausgangspunkt für die Veränderung von Lebewesen im Rahmen der [[Evolution]]. Mittels der [[Rekombination (Genetik)|Rekombination]] bei der geschlechtlichen [[Fortpflanzung]] wird diese Veränderung der DNA sogar zu einem entscheidenden Faktor bei der Evolution: Die eukaryotische Zelle besitzt in der Regel mehrere Chromosomensätze, d.&nbsp;h., ein DNA-Doppelstrang liegt mindestens zweimal vor. Durch wechselseitigen Austausch von Teilen dieser DNA-Stränge, das [[Crossing-over]] bei der [[Meiose]], können so neue Eigenschaften entstehen.
 
DNA-Moleküle können durch verschiedene Einflüsse beschädigt werden. [[Ionisierende Strahlung]], wie zum Beispiel [[Ultraviolettstrahlung|UV-]] oder [[Gammastrahlung|γ-Strahlung]], [[Alkylierung]] sowie [[Oxidation]] können die DNA-Basen chemisch verändern oder zum Strangbruch führen. Diese chemischen Änderungen beeinträchtigen unter Umständen die Paarungseigenschaften der betroffenen Basen. Viele der Mutationen während der [[Replikation]] kommen so zustande.
 
Einige häufige DNA-Schäden sind:
* die Bildung von Uracil aus Cytosin unter spontanem Verlust einer Aminogruppe durch [[Hydrolyse]]: Uracil ist wie Thymin komplementär zu Adenin.
* Thymin-Thymin-Dimerschäden verursacht durch photochemische Reaktion zweier aufeinander folgender Thyminbasen im DNA-Strang durch [[Ultraviolettstrahlung|UV-Strahlung]], zum Beispiel aus [[Solarstrahlung|Sonnenlicht]]. Diese Schäden sind wahrscheinlich eine wesentliche Ursache für die Entstehung von [[Hautkrebs]].
* die Entstehung von [[8-Oxoguanin]] durch [[Oxidation]] von Guanin: 8-Oxoguanin ist sowohl zu Cytosin als auch zu Adenin komplementär. Während der [[Replikation]] können beide Basen gegenüber 8-Oxoguanin eingebaut werden.
 
Aufgrund ihrer mutagenen Eigenschaften und ihres häufigen Auftretens (Schätzungen belaufen sich auf 10<sup>4</sup>-10<sup>6</sup> neue Schäden pro Zelle und Tag) müssen DNA-Schäden rechtzeitig aus dem [[Genom]] entfernt werden. Zellen verfügen dafür über ein effizientes DNA-Reparatursystem. Es beseitigt Schäden mit Hilfe folgender Strategien:
 
* Direkte Schadensreversion: Ein Enzym macht die chemische Änderung an der DNA-Base rückgängig.
* Basenexcisionsreparatur: Die fehlerhafte Base, zum Beispiel 8-Oxoguanin, wird aus dem Genom ausgeschnitten. Die entstandene freie Stelle wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert.
* Nukleotidexcisionsreparatur: Ein größerer Teilstrang, der den Schaden enthält, wird aus dem Genom ausgeschnitten. Dieser wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert.
* [[Homologe Rekombination]]: Sind beide DNA-Stränge beschädigt, wird die genetische Information aus dem zweiten Chromosom des homologen Chromosomenpaars für die Reparatur verwendet.
* Replikation mit speziellen Polymerasen: DNA-Polymerase η kann zum Beispiel fehlerfrei über einen TT-Dimerschaden replizieren. Menschen, bei denen Polymerase η nicht oder nur eingeschränkt funktioniert, leiden häufig an [[Xeroderma pigmentosum]], einer [[Erbkrankheit]], die zu extremer Sonnenlichtempfindlichkeit führt.
 
== Denaturierung ==
[[Datei:DNA_Denaturation.png|mini|Beginn der Denaturierung von DNA]]
Die Basenpaarung von DNA wird bei verschiedenen zellulären Vorgängen [[Denaturierung (Biochemie)|denaturiert]]. Die Basenpaarung wird dabei durch verschiedene [[DNA-bindendes Protein|DNA-bindende Proteine]] abschnittsweise aufgehoben, z. B. bei der [[Replikation]] oder der [[Transkription (Biologie)|Transkription]]. Der Ort des Denaturierungsbeginns wird als Denaturierungsblase bezeichnet<ref name="1st">{{cite journal|last2=Destainville|first2=Nicolas|last3=Manghi|first3=Manoel|date=2015-01-21|title=DNA denaturation bubbles: Free-energy landscape and nucleation/closure rates|journal=The Journal of Chemical Physics|volume=142|issue=3|pages=034903|doi=10.1063/1.4905668|last1=Sicard |first1=François| arxiv=1405.3867}}</ref> und im [[Poland-Scheraga-Modell]] beschrieben.<ref>Simon Lieu: [http://web.mit.edu/8.334/www/grades/projects/projects15/LieuSimon.pdf ''The Poland-Scheraga Model.''] (2015): 0-5. Massachusetts Institute of Technology, 14 Mai 2015.</ref> Jedoch wird die [[DNA-Sequenz]], die [[Steifigkeit]] und die [[Torsion (Mechanik)|Torsion]] nicht miteinbezogen.<ref name="DOI10.1023/B:JOSS.0000022370.48118.8b">C. Richard, A. J. Guttmann: ''Poland–Scheraga Models and the DNA Denaturation Transition.'' In: ''Journal of Statistical Physics.'' 115, 2004, S.&nbsp;925, {{DOI|10.1023/B:JOSS.0000022370.48118.8b}}.</ref> Die Lebensdauer einer Denaturierungsblase beträgt zwischen einer Mikrosekunde und einer Millisekunde.<ref name="2nd">{{cite journal|last2=Libchaber|first2=Albert|last3=Krichevsky|first3=Oleg|date=2003-04-01|title=Bubble Dynamics in Double-Stranded DNA|journal=Physical Review Letters|volume=90|issue=13|doi=10.1103/physrevlett.90.138101|last1=Altan-Bonnet|first1=Grégoire}}</ref>
 
Im Labor kann DNA durch physikalische und chemische Methoden denaturiert werden. DNA wird durch [[Formamid]],<ref name="ReferenceA">J. Marmur, P. O. Ts'O: ''Denaturation of deoxyribonucleic acid by formamide.'' In: ''[[Biochimica et Biophysica Acta]].'' Band 51, Juli 1961, S.&nbsp;32–36, PMID 13767022.</ref> [[Dimethylformamid]],<ref name="AP">Academic Press: ''PROG NUCLEIC ACID RES&MOLECULAR BIO.'' Academic Press, 1963, ISBN 978-0-080-86289-7, S.&nbsp;267.</ref> Guanidiniumsalze,<ref name="Eun">Hyone-Myong Eun: ''Enzymology Primer for Recombinant DNA Technology.'' Elsevier, 1996, ISBN 978-0-080-53113-7, S.&nbsp;67.</ref> [[Natriumsalicylat]],<ref name="AP"/> [[Sulfoxid]],<ref name="AP"/> [[Dimethylsulfoxid]] (DMSO), verschiedene [[Alkohole]],<ref name="AP"/> [[Propylenglykol]] und [[Harnstoff]]<ref name="Eun"/> denaturiert, meist in Kombination mit Wärme. Auch konzentrierte Lösungen von [[Natriumhydroxid]] denaturieren DNA. Bei den chemischen Methoden erfolgt eine Absenkung der Schmelztemperatur der doppelsträngigen DNA.
 
== DNA-Reinigung und Nachweis ==
DNA kann durch eine [[DNA-Reinigung]], z.&nbsp;B. per [[DNA-Extraktion]], von anderen [[Biomolekül]]en getrennt werden. Der qualitative Nachweis von DNA (welche DNA vorliegt) erfolgt meistens durch eine [[Polymerasekettenreaktion]], eine [[isothermale DNA-Amplifikation]], eine [[DNA-Sequenzierung]], einen [[Southern Blot]] oder durch eine [[In-situ-Hybridisierung]]. Der quantitative Nachweis (wie viel DNA vorliegt) erfolgt meistens durch eine [[qPCR]], bei gereinigten Proben mit nur einer DNA-Sequenz kann eine [[Konzentration (Chemie)|Konzentration]] auch durch [[Photometrie]] bei einer [[Wellenlänge]] von 260&nbsp;nm gemessen werden. Eine [[Extinktion (Optik)|Extinktion]] von 1 einer gereinigten DNA-Lösung entspricht bei doppelsträngiger DNA einer [[Konzentration (Chemie)|Konzentration]] von 50 Mikrogramm pro Milliliter, bei einzelsträngiger DNA entspricht dies 33 Mikrogramm pro Milliliter<ref name="Hennig">Wolfgang Hennig: ''Genetik.'' Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-07430-5 ({{Google Buch|BuchID=XyitBgAAQBAJ|SeitenID=PR2}}).</ref> und bei einzelsträngigen [[Oligonukleotid]]en liegt die Konzentration darunter, abhängig von der Zusammensetzung an Nukleinbasen (siehe [[DNA-Extraktion#Quantifizierung]]). Durch [[Interkalation (Chemie)|interkalierende]] Farbstoffe wie [[Ethidiumbromid]], [[Propidiumiodid]] oder [[SYBR Green I]] sowie durch furchenbindende Farbstoffe wie [[4′,6-Diamidin-2-phenylindol|DAPI]], [[Pentamidin]]e, [[Lexitropsin]]e, [[Netropsin]], [[Distamycin]], [[Hoechst 33342]] oder ''Hoechst 33258'' kann DNA angefärbt werden. Weniger spezifisch gebundene DNA-Farbstoffe und Färbemethoden sind z.&nbsp;B. [[Methylenblau]], der Carbocyanin-Farbstoff [[Stains-All]] oder die [[Silberfärbung]]. Durch ''[[Molecular Combing]]'' kann die DNA gestreckt und ausgerichtet werden.
 
== „Alte“ DNA ==
Als [[aDNA]] („ancient DNA“; alte DNA) werden Reste von Erbgutmolekülen in toten Organismen bezeichnet, wenn keine direkten Verwandten des beprobten Organismus mehr leben. Auch wird die DNA des Menschen dann als aDNA bezeichnet, wenn das Individuum mindestens 75 Jahre vor der Probenuntersuchung verstorben ist.
 
== Siehe auch ==
* {{WikipediaDE|Kategorie:DNA}}
* {{WikipediaDE|Desocxribonukleinsäure}}
 
== Literatur ==
* Chris R. Calladine und andere: ''DNA – Das Molekül und seine Funktionsweise.'' 3. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2005, ISBN 3-8274-1605-1.
* Ernst Peter Fischer: ''Am Anfang war die Doppelhelix. James D. Watson und die neue Wissenschaft vom Leben.'' Ullstein, Berlin 2004, ISBN 3-548-36673-2.
* Ernst Peter Fischer: ''Das Genom. Eine Einführung.'' Fischer, Frankfurt am Main 2002, ISBN 3-596-15362-X.
* James D. Watson: ''Die Doppelhelix''. Rowohlt, Reinbek 1997, ISBN 3-499-60255-5.
* James D. Watson: ''Gene, Girls und Gamow. Erinnerungen eines Genies.'' Piper, München 2003, ISBN 3-492-04428-X.
* James D. Watson: ''Am Anfang war die Doppelhelix''. Ullstein, Berlin 2003, ISBN 3-550-07566-9.
* James D. Watson, M. Gilman, J. Witkowski, M. Zoller: ''Rekombinierte DNA.'' 2. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1993, ISBN 3-86025-072-8.
* Tomas Lindahl: ''Instability and decay of the primary structure of DNA.'' In: ''Nature''. Band 362, 1993, S. 709–715. [[doi:10.1038/362709a0]].
* W. Wayt Gibbs: ''Preziosen im DNA-Schrott.'' In: ''Spektrum der Wissenschaft''. Nr. 2, 2004, S. 68–75. [http://www.spektrum.de/alias/serie-unbekanntes-genom-teil-i-nur-rna-gene/preziosen-im-dna-schrott/840344 (online)]
* W. Wayt Gibbs: ''DNA ist nicht alles.'' In: ''Spektrum der Wissenschaft.'' Nr. 3, 2004, S. 68–75. [http://www.spektrum.de/alias/teil-ii-epigenetik/dna-ist-nicht-alles/840301 (online)]
* Hans-Jürgen Quadbeck-Seeger: ''Die Struktur der DNA – ein Modell-Projekt.'' In: ''Chemie in unserer Zeit.'' Band 42, 2008, S. 292–294. [[doi:10.1002/ciuz.200890046]].
 
== Weblinks ==
{{Commonscat|DNA|Desoxyribonukleinsäure}}
{{Wiktionary}}
* [https://www.youtube.com/watch?v=_5rm8r2RJJw Video: DNA-Isolierung aus Tomaten]
* [http://www.dnai.org/ DNA Interactive – Seite des Cold Spring Harbor Institute und des Howard Hughes Medical Institute] (eine exzellente Einführung in die Thematik, engl.)
* [http://www.dnaftb.org/ DNA from the Beginning des Dolan DNA Learning Center]
* [http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/dna/ „DNA from the Beginning“] (deutsch)
* [http://www.tillmenke.de/schule/biologie/der-genetische-code.php „Übersetzer“ zum Finden der codierten Aminosäure zum codierenden Basentriplett oder umgekehrt]
* [http://www.tillmenke.de/schule/biologie/von-der-dna-zum-peptid.html „Übersetzer“ eines ganzen DNA-Abschnittes in die codierten Aminosäuren]
* [http://www.extremetech.com/extreme/134672-harvard-cracks-dna-storage-crams-700-terabytes-of-data-into-a-single-gram Harvard cracks DNA storage, crams 700 terabytes of data into a single gram]
 
== Einzelnachweise ==
<references />
 
{{Normdaten|TYP=s|GND=4070512-2}}
 
{{SORTIERUNG:Desoxyribonukleinsaure}}
[[Kategorie:Wikipedia:Exzellent]]
[[Kategorie:Artikel mit Animation]]
[[Kategorie:Nukleinsäure]]
[[Kategorie:Genetik]]
[[Kategorie:DNA|!]]
 
{{Wikipedia}}

Version vom 10. Mai 2020, 18:01 Uhr

Weiterleitung nach:

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