Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen

1.1 Nukleinsäuren, DNA
= Desoxyribonukleinsäure Teil I
I
Basenpaarung

Die Nukleotide sind nun über die 3´-Position an der Pentose
miteinander verbunden. Damit ergibt sich eine Kette von Phosphorsäure
und 2-Desoxy-Ribose, aus der jeweils die Basen seitlich herausstehen mit
2 Enden, dem 5´Ende und 3´-Ende.

!dna0000 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenDie beiden Stränge sind gegenläufig. Adenin paart sich
immer mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Bei der A-T-Paarung findet
man 2 Wasserstoffbrücken, bei der C-G-Paarung 3 H-Brücken.
Die gepaarten Basen liegen in einer Ebene. DNA enthält also
gleichviel Cytosin wie Guanin und gleichviel Adenin wie Thymin.
Die Basensequenz ist aperiodisch.Als Rückgrat des DNA-Stranges fungiert die abwechselnde
Kette von Phosphat-Zucker-Phosphat-Zucker usw.Diese Merkmale zeigen sich auch in der Sekundärstruktur der
DNA.

Das DNA-Molekül liegt räumlich als Helix vor. Da die beiden
Stränge umeinandergewunden sind, bezeichnet man die Konformation
der DNA als Doppelhelix. Die Eigenschaft der umeinander gewundenen
Einzelstränge wird als plektonemisch
bezeichnet. Die DNA-Helix ist rechtsgewunden.

dolhelix - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenIn der Abbildung links ist die bisher
besprochene Primärstruktur und die Sekundärstruktur zu sehen.
Dabei bilden die gepaarten Basen die Sprossen der DNA-Leiter.

 

!dna_12b - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenSekundärstruktur und Stabilisierung

Links ist ein Ausschnitt eines DNA-Doppelstrangs von der Seite
als Drahtmodell zusehen.

Dabei fällt auf, daß die gepaarten Basen eine Ebene
bilden, also gestapelt übereinander liegen. Dadurch entsteht
ein sogenannter Stacking-Effekt,
der wegen der gestapelten aromatischen Ringe der Doppelhelix eine
höhere Festigkeit verleiht.

Weiterhin wird die Doppelhelix durch Wasserstoffbrücken
zwischen den Windungen der Helices stabilisiert.

 

at11 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenDie Basenpaarung im Drahtmodell links zeigt die Ebene der sich
gegenüberliegenden Basen mit den beiden H-Brücken
zwischen Adenin und Thymin, die zwischen den funktionellen Gruppen
der Basen und den N-Atome sich ausbilden.

Die Basenpaare dienen auch als Maß für die Genomgröße,
beim Mensch ca. 3 x109.


3d3 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen

DNA WEB
http://www.umass.edu/microbio/chime/dna/fs_code.htm
http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/DNA/DNA.html
http://www.ch.ic.ac.uk/motm/
3d3 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen

DNA Online
3d3 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen

Biomoleküle
http://www.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/BCMolecules.html

Denaturierung

!nucleic - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenBei Temperaturen von100 C° wird die DNA-Doppelhelix nach
3 bis 5 Minuten in ihre beiden Einzelstränge getrennt. Man
spricht wie bei den Proteinen von Hitze-Denaturierung. Wendet
man längere Zeit 65°C auf die Einzelstränge an, findet
Renaturierung oder Hybridisierung statt (die beiden Stränge
lagern sich wieder zum Doppelstrang zusammen).

DNA-Nachweis und Isolierung

Die Standardmethode DNA oder DNA-Bruchstücke zu trennen, zu identifizieren
und zu reinigen ist die Gelelektrophorese
mit Agarose-Gelen. Mit der Elektrophorese können Stoffe aufgrund
ihrer Ladung (Größe) getrennt werden. Die Technik ist einfach,
schnell durchzuführen und in der Lage komplexe Gemische aufzutrennen.
Die Position der DNA im Gel kann direkt bestimmt werden.

!img86 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommenebrom1 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenDazu werden Banden der DNA mit dem Fluoreszenz-Farbstoff Ethidium-Bromid
angefärbt. Auf diese Weise können kleinste Mengen im Bereich
von 1ng DNA mit Hilfe von UV-Licht nachgewiesen werden. Der
Farbstoff lagert sich zwischen die Basen und absorbiert bei 300
bzw. 360 nm UV-Licht oder übernimmt von der DNA absorbierte
Energie von 260 nm und strahlt sie bei 590 nm im rot-orangen Bereich
ab.

 

Die DNA ist bei neutralem pH negativ geladen (Phosphatgruppen),
sie wandert deshalb zur Anode.Die Wanderungsrate der DNA im Agarosegel hängt von verschiedenen
Faktoren wie der Größe der DNA-Moleküle, der Stärke
des angelegten Stroms oder der Agarose-Konzentration ab.Die DNA kann ebenfalls als Autoradiogramm
nachgewiesen werden.
gelel1 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen

DNA-Fingerprint (genetischer
Fingerabdruck)

!forens1 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenLinks ist das Autoradiogramm der DNA-Fingerprints aus einer Blutspur
an einem Menschen zu sehen, der einem Verbrechen zum Opfer gefallen
ist.Vergleichen Sie das Bandenmuster der Blutspur
mit den DNA-Proben der Verdächtigen!
Die DNA eines Individuums ist spezifisch wie ein Fingerabdruck.
Dies wird heute in der Kriminaltechnik oder bei Vaterschaftsnachweisen
angewandt.Dazu werden Spuren der DNA aus Blut oder Samen gewonnen, mit Hilfe
spezieller Enzyme (Restriktionsenzyme)
in kleine Stücke geschnitten und durch Gelelektrophorese getrennt.
Man erhält nach Anfärbung oder Markierung ein typisches
Bandenmuster. Die Anzahl und Form der Banden wird als genetischer
Fingerabdruck bezeichnet.Die Technik wurde in den 80er Jahren entwickelt.

Shockwave-Animationen zur DNA können Sie hier sehen: http://rna.micro.umass.edu/~molgent/

DNA als Träger der Erbinformation

1944 hat Oswald Avery durch den Transformationsversuch von Griffith
(1928) nachgewiesen, daß DNA der Träger der Erbinformation
ist. Dazu benutzte er Bakterien des Stamms Streptococcus pneumoniae
und Labormäuse.

s_pneu - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenVon Pneumococcen gibt es Stämme, die eine Schleimkapsel
besitzen und virulent sind, also Lungenentzündung
hervorrufen (= S-STAMM). Daneben
gibt es welche, die keine Schleimkapsel
besitzen und auch nicht pathogen sind
(= R-STAMM). Sie haben durch zufällige
Mutation die Virulenz verloren.Mit S-Stamm-Bakterien sterben die Mäuse an Lungenentzündung,
bei Injektion der R-Stamm- Bakterien nicht.

 

Seit Griffith (1928) ist bekannt, daß wenn harmlose R-Stamm-Pneumokokken
in Gegenwart von zellfreien Extrakten von S-Stamm Bakterien ( oder
hitzegetötete S-Stamm) wachsen, die Eigenschaft der Virulenz
auf die R-Stamm-Bakterien übertragen wird. Man findet nämlich
virulente S-Stamm-Pneumokokken vor. Diesen Vorgang nannte
Griffith Transformation.
Transformation ist die Aufnahme von DNA aus der Umgebung. Der Sachverhalt
ist nochmals unten dargestellt.

6_3 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen

Avery und Mitarbeiter testeten, welche Substanz die Transformation
verursachte, indem Sie den zellfreien Extrakt fraktionierten und
nach Molekülen trennten. Diese Fraktionen wurden dann auf Transformation
getestet. Die DNA-Fraktion transformierte als einzige.

  1. Zunächst zentrifugierten Sie die Bakteriensuspension, in
    der sich R-Stamm und tote S-Stamm-Bakterien befanden, was größere
    Zellpartikel eliminierte. Die Bakterien transformierten aber immer
    noch.
  2. Nun gaben Sie Protease dazu. Dadurch wurden alle Proteine zerstört.
    Ergebnis: ebenfalls Transformation. Auch mit RNAse, Lipase und
    kohlenhydratspaltenden Enzymen zeigte sich kein Erfolg.
  3. Erst die Zugabe von DNAse unterband die Transformation. Sie
    folgerten daraus, daß DNA das
    transformierende Prinzip sei, also Träger
    der Erbinformation
Aufbau und Vorkommen der RNA

Neben der Nukleinsäure DNA als Träger der Erbinformation ist noch RNA (= Ribonukleinsäure) an den molekularen Prozessen um die Erbinformation beteiligt. Mehr zum Aufbau der DNA gibt es bei Inhaltsangabe.info. Sie kommt in der Zelle in 3 Formen vor:

5%
m-RNA = Messenger-RNA oder Boten-RNAentsteht beim Kopieren der Gene
15%
t-RNA = transfer-RNAtransportiert Aminosäuren zu den Ribosomen
80%
r-RNA = ribosomale RNAdaraus bestehen Ribosomen
rna2 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenDie Nukleotide der RNA bestehen im Unterschied zu DNA aus der Pentose Ribose. Weiterhin ist nicht Thymin enthalten, sondern das Derivat Uracil.

Die 4 in RNA vorkommenden Basen sind also: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U).

Zudem kommt RNA fast immer einsträngig vor, trotzdem gibt es Basenpaarung, da sich das Molekül räumlich faltet.

3d3 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen
RNA

Nachfolgend ist ein t-RNA-Molekül dargestellt.

tRNA - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen

3d3 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen
t-RNA Phe
t-RNA-Moleküle besitzen eine typische 3-D-Struktur mit 3 Schleifen, die für die Proteinbiosynthese an den Ribosomen wichtig sind. Das sogenannte Anticodon ist eine Abfolge von 3 Nukleotiden in der Anticodonschleife, die spezifisch für die einzelnen t-RNA-Moleküle ist. Es gibt mehr als 20 verschiedene t-RNA-Spezies in einer Zelle, jedes mit einem anderen Anticodon und auf der entgegengesetzten Molekülseite mit einer anderen Aminosäure. Alle t-RNA-Moleküle besitzen zwischen 75 und 90 Nukleotide. Darin kommen häufig auch sogenannte modifizierte Basen vor, z. B. Wybutosin, ein stark modifiziertes Guanosin oder Dihydrouracil, Thiouracil, Pseudouracil und 5-Methylcytidin.

Herstellung der RNA

m-RNA wird immer dann im Zellkern hergestellt, wenn die Information der Gene zur Herstellung von Enzymen benötigt werden.

8_15 - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & VorkommenDie rRNA wird im Zellkern innerhalb von speziellen Strukturen produziert: den Nukleoli. Im Zellkern können mehrere davon enthalten sein.

Dies sind rundliche, stark färbbare Körperchen. In ihnen liegen bestimmte Chromosomen mit den Genen von ribosomaler RNA.

Ein Zelle stellt hier pro Minute bis zu 10 000 Ribosomen her.


b200tu - Basenpaarung DNA, Sekundärstruktur, RNA: Aufbau & Vorkommen

Oben rechts ist im ELMI-Bild der Ausschnitt eines Chromatinfadens im Nukleolus abgebildet, an dem gerade rRNA synthetisiert wird.

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