DNA: Aufbau, Struktur und Replikation

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1 DNA: Aufbau, Struktur und Replikation Biochemie Die DNA als Träger der Erbinformation Im Genom sind sämtliche Informationen in Form von DNA gespeichert. Die Information des Genoms ist statisch, d. h. in jeder Zelle identisch. Die Informationsübertragung erfolgt über RNA, die Ebene des Proteoms (Gesamtzahl der in einer Zelle oder einem Gewebe exprimierter Proteine) hingegen ist dynamisch. DNA liegt als Doppelstrang vor. 1

2 Die 5 Basen der Nukleinsäuren Die Purinbasen NH 2 O N N N NH N H N Adenin N H N Guanin NH 2 Die Pyrimidinbasen NH 2 O O N NH NH N H Cytosin O N H Thymin O N H Uracil O Typische Absorptionswellenlängen 2

3 Röntgenbeugungsmuster der DNA Über das Röntgenbeugungs muster der DNA konnten Rosalind Franklin und Maurice Wilkins auf zwei Periodizitäten schließen. Das Watson-Crick Modell 1953 Watson und Crick postulierten auf Basis der Chargaffschen Befunden und der Röntgenbeugungsmuster ein Modell für die DNA: 2 helicale DNA Ketten eine rechtsgängige Doppelhelix antiparalleler Verlauf der DNA Einzelstränge Watson-Crick Basenpaarung 3

4 Die Watson-Crick Basen-Paarung Komplementarität Die beiden Stränge laufen antiparallel. Die Sequenz der beiden Stränge ist nicht gleich, sondern komplemetär. Die Information ist in jedem der beiden DNA-Stränge erhalten. 4

5 DNA bildet die Doppelhelix spontan aus Aufbau der Doppelhelix Abstand zwischen den Basenstapeln: 3,4 Å Höhe einer Helix- Windung: 36 Å (3,6 nm) 10,5 Basenpaare statt 10 wie von Watson und Crick postuliert. 5

6 UV-Absorption Schmelztemperatur 6

7 Schmelztemperatur in Abhängigkeitdes G/C- Anteils Die Replikation erfolgt semikonservativ 7

8 A,B und Z-Formen der DNA A,B und Z-Formen der DNA A-Form B-Form Z-Form Drehrichtung der Helix Rechts Rechts Links Durchmesser 26 Å 20 Å 18 Å Anstieg pro Basenpaar 2,6 Å 3,4 Å 3,7 Å Konformation des Zuckers C-3 endo C-2 endo C-2 endo bei Pyrimidinen C-3 endo bei Purinen 8

9 Palindrome und Spiegelbilder ROTOR Palindrome führen zu alternativen Strukturen 9

10 Palindrome führen zu alternativen Strukturen II Trippelhelixsysteme mit Hoogstenbasenpaarung 10

11 E. Coli DNA-Molekül aus zerstörter Zelle 10 Mio. Zeichen Chromosomenzahl einiger Organismen 11

12 Die Superspiralisierung der DNA 12

13 Histone als Proteinkomponente des Chromatins 13

14 Nucleosomen als Organisationeinheit Nucleosomen als Organisationeinheit 14

15 Topoisomerasen Zwei Hauptklassen: Typ I (schneidet nur 1 Strang) und Typ II (schneidet 2 Stränge) Bei Prokaryoten (z. B. E. Coli): 4 Topoisomerasen (2xTyp I, 2x Typ II) I,II,III, IV II Gyrase Bei Eukaryoten (human): 4 Topoisomerasen (2xTyp I, 2x Typ II) I,IIa,IIb, III Typ I Hemmstoffe: Irinotecan, Topotecan Typ II Hemmstoffe: Etoposid Extrachromosomale DNA Prokaryoten: Plasmid-Ringe die frei im Cytosol vorliegen. Eukaryoten: Mitochondrien und Chloroplasten enthalten DNA. Mensch: (mtdna) Basenpaare 15

16 Die Replikation der DNA bei Prokaryoten Die Replikation erfolgt semikonservativ. Die Grundlagen der Replikation sind in allen Lebewesen fast identisch. DNA liegt als Doppelstrang vor. Prokaryotische Systeme sind strukturell einfacher. Jeder Strang kann als Matrize dienen. Die Replikationsgabel 16

17 Die Replikation ist ein koordinierter, aber semidiskontinuierlicher Prozeß 17

18 OriC das Origin of Replication von E. Coli 245 bp Region, 3 fast idente 13-mere (AT-reich) 4 Bindungsstellen für DnaA, Initiator-Protein, fördert die Öffnung der Helix. Diese bestehen aus je 9 bp. Der Start der Replikation erfolgt über die da- Methylierung. Die Proteine des Initiationsphase 18

19 DNA-Ligase katalysiert Phosphordiester Bindungen 19

20 Die Synthese der Okazaki-Fragmente Die Synthese der Okazaki-Fragmente 20

21 Einschub: die DNA-Polymerasen von E. coli Genauigkeit der Replikation Die Genauigkeit der Replikation wird gegeben durch: 1) Die Basenpaarung. 2) Die sterische/geometrische Kontrolle z. B. des aktiven Zentrums von DNA-Polymerase I. 3) DNA-Polymerasen überprüfen den synthetisierten Strang. Exonucleasen: hydrolysieren von einem Ende des Stranges DNA-Bindungen. Endonucleasen: spalten an beliebigen Stellen der Nukleinsäurekette. 21

22 Die Termination der Replikation 22

23 DNA Methylierung 23

24 Abschluß der Fehlpaarungsreparatur 24

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28 Der Ames Test 28