Der Träger aller genetischen Informationen ist die D N A - Desoxyribonucleic acid (Desoxyribonucleinsäure, DNS)

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1 N U C L E I N S Ä U R E N Der Träger aller genetischen Informationen ist die D N A - Desoxyribonucleic acid (Desoxyribonucleinsäure, DNS) BAUSTEINE DER NUCLEINSÄUREN Die monomeren Bausteine der Nucleinsäuren nennt man NUCLEOTIDE Ein Nucleotid besteht aus drei Komponenten: 1. Purin- oder Pyrimidin-Base 2. Zucker; 5C; Ribose bzw. Desoxyribose 3. Phosphat-Rest Die Base ist über eine N-glycosidische Bindung an das C1 des Zuckers gebunden. Der P-Rest ist esterartig am C5 des Zuckers gebunden. B A S E N (Nucleobasen) In der DNA kommen jeweils 2 Purinbasen (ADENIN und GUANIN) und 2 Pyrimidinbasen (THYMIN und CYTOSIN) vor. In der RNA (Ribonucleic Acid) steht anstelle von Thymin die Pyrimidinbase URACIL. Z U C K E R Die Nucleotide der DNA enthalten DESOXYRIBOSE; man spricht von "Desoxyribonucleotiden". Die Nucleotide der RNA enthalten RIBOSE; man spricht von "Ribonucleotiden". O.Meixner Nukleinsäuren Handout 1

2 P H O S P H A T - BRÜCKE Die einzelnen Nucleotide in DNA und RNA sind verbunden durch -Brücken zwischen dem C5 des einen Zuckers und dem C3 des benachbarten Zuckers. Zuckerphosphodiesterband = Rückgrat der Polynucleotid-Ketten Das Polymer besitzt ein freies 3'- und ein freies 5'-Ende. ZAHLENVERHÄLTNIS DER NUCLEOTIDE Der Prozentgehalt von Adenin ist immer gleich dem Prozentgehalt von Thymin: Ebenso sind die Prozentgehalte von Guanin und Cytosin stets gleich: Bedeutung für DNA-Analytik: Daher genügt die quantitative Analyse einer einzigen Base, um die prozentuale Zusammensetzung der gesamten DNA zu errechnen. G = C A = T DIE DOPPELHELIX: J.D.WATSON und F.H.C.CRICK postulierten 1953 die Struktur der DOPPELHELIX. "Geburtsstunde der Molekulargenetik"; Nobelpreis O.Meixner Nukleinsäuren Handout 2

3 STRUKTUR der DNA Doppelspirale aus zwei Bändern, die ähnlich einer Wendeltreppe durch Stufen miteinander verbunden sind. Die Bänder stellen das Rückgrat der DNA-Kette dar (Zucker-Phosphat). Die basischen Ringe sind nach innen gerichtet. Gegenüberliegende basische Ringe sind durch Wasserstoff-Brückenbindungen miteinander verbunden: BASENPAARE = Stufen der Wendeltreppe O.Meixner Nukleinsäuren Handout 3

4 Desoxyribonucleotid Cytosin analog: Thymidin, Adenosin, Guanosin, Uridin Desoxyribose Cytidin Die "korrespondierenden Basen" Ein Purin-Ring bildet immer mit einem Pyrimidin-Ring ein Basenpaar ADENIN ist immer an THYMIN und GUANIN ist immer an CYTOSIN gebunden. Andere Paarungen sind nicht möglich! Die beiden Stränge einer DNA sind "einander komplementär" Aufgrund der strengen Basenpaarungsregel kann man die Sequenz des einen Stranges aus der Sequenz des anderen Stranges ableiten. Durch diese strenge Komplementarität wird die exakte Weitergabe der Basensequenz an Tochter-DNA- Moleküle gewährleistet! O.Meixner Nukleinsäuren Handout 4

5 RNA-Arten Unterschied zwischen DNA und RNA: DNA RNA Zucker Desoxyribose Ribose Base Thymin Uracil 3 Arten von RNA: 1 Messenger-RNA (mrna) 2 Transfer-RNA (trna) 3 Ribosomale RNA (rrna) 1. Messenger-RNA (mrna) Weitgehend linear. Kurze selbstkomplementäre Abschnitte. Meist Nukleotide. Aufgabe: Entsteht bei Transkription; ist einzelsträngiges Abbild der doppelsträngigen DNA; bringt genet. Information aus dem Zellkern zu den Ribosomen. 2. Ribosomale RNA (rrna) Abwechselnd lineare und selbstkomplementäre Abschnitte; Nucleotide; Aufgaben: (a) 65 % der Gesamtmasse der Ribosomen besteht aus rrna (b) rrna liefert einen Pool von Nukleotiden zum Aufbau der mrna (ca. 90 % der Gesamt-RNA = rrna) 3. Transfer-RNA (trna) Sehr kleine RNA (70-90 Nukleotide); vorwiegend doppelhelical: "Kleeblattstruktur"; am "Stiel" des Kleeblattes werden Aminosäuren in energiereicher Bindung aufgenommen; am gegenüberliegenden Ende befindet sich das "Anticodon" (Basentriplett, komplementär zu einem Basentriplett der mrna; spezifisch für jede AS); beinhaltet seltene Basen: Dihydro-Uridin, Inosin, Pseudo-Uridin O.Meixner Nukleinsäuren Handout 5

6 Raumstruktur der trna aufgefaltete trna: Kleeblattstruktur O.Meixner Nukleinsäuren Handout 6

7 GEN - GENOM - CHROMOSOM - CHROMATIN GEN: Abschnitt auf der DNA, der die Information zur Herstellung eines Proteins trägt. GENOM: Gesamte genetische Information eines Organismus. Größenvergleich: Virus-Genom: Basenpaare (Bp) 1 Buchseite Bakterien-Genom: Humangenom: Bp 1 Buch mit 1000 Seiten Bp Bibliothek mit 1000 Büchern In den Zellkernen der meisten tierischen und pflanzlichen Zellen liegt die genetische Information in zweifacher Ausfertigung vor (Diploidie). In Prokaryonten (z.b. bei E.coli) befindet sich das gesamte Genom auf einem langen DNA-Faden. In Eukaryontenzellen ist das Genom auf mehrere verschieden große DNA-Fäden aufgeteilt: CHROMOSOMEN: Beispiele: Drosophila 8 Chromosomen Weizen 42 Rhesusaffe 42 Mensch 46 Karpfen 104 Farn-Arten > 600 Man unterscheidet in Geschlechtschromosomen und Autosomen (Gesamtheit der übrigen Chromosomen) 0,1 bis 1 % der zellulären DNA befindet sich nicht im Zellkern (Chromosomen), sondern in Mitochondrien bzw. Chloroplasten! Der Mensch hat 46 Chromosomen und darauf rund Gene (weniger als 10 % der gesamten DNA-Information enthält Baupläne für Proteine!) O.Meixner Nukleinsäuren Handout 7

8 Aufbau eines Chromosoms Metaphase- Chromosom Nur während der Mitose (in der Metaphase) im Zuge der Zellteilung bilden sich die sichtbaren Chromosomen aus; man spricht auch von Verdichtung des Chromatins. Ansonsten liegt die Chromatinfaser entspannt im Zellkern vor. CHROMATIN Die Chromosomen bestehen aus regelmäßig angeordneten Untereinheiten - den Nucleosomen. Diese wiederum bestehen aus DNA und aus Proteinen - den Histonen. Die Gesamtheit aller Nucleosomen (Komplex aus Eukaryonten-DNA und Histon-Proteinen) nennt man CHROMATIN "SOLENOID-MODELL" (Magnetspulen-Modell) ZWECK: Durch diese "Überstruktur" des Chromatins ist eine besonders enge Packung der DNA möglich. O.Meixner Nukleinsäuren Handout 8

9 Im eukaryontischen Nucleosom liegt die DNA nicht ringförmig geschlossen bzw. superhelical verdrillt, sondern linear vor. durchgehender Faden auf einem Chromosom; offenkettig mit einem 5'-Phosphat- und einem 3'-OH-Ende. Zwischen den einzelnen Nucleosomen liegen kurze DNA-Verbindungsstücke: "LINKER". Prokaryontische DNA liegt ringförmig (zirkulär) und superhelical verdrillt ( superspiralisiert )vor: Supercoil Je nach Spiralisierungsrichtung unterscheidet man zwischen negativer und positiver Superspiralisierung. O.Meixner Nukleinsäuren Handout 9