DNA: Schäden & Reparaturmechanismen

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Schäden oder Veränderungen der DNA können verschiedene Ursachen haben, zum Beispiel UV-Strahlung, Mutagene (äußere Einwirkungen, die Mutationen verursachen können) und freie Radikale. Typische DNA-Schäden sind Dimerisierung, Methylierung oder Strangbrüche der DNA. Sie können sich negativ auf die DNA-Replikation oder Proteinbiosynthese auswirken und dadurch zu Störungen der Zellfunktion, Mutationen und Tumorentstehung führen. Deshalb sind körpereigene Reparatursysteme so wichtig, um DNA-Schäden wieder zu korrigieren.

DNA-Schäden

Es gibt verschiedene Ursachen für DNA-Schäden, aber es wird in der Regel von exogenen und endogenen Faktoren gesprochen:

Exogene Faktoren sind äußere Einflüsse, wie zum Beispiel UV-Strahlung, Giftstoffe oder ionisierende Strahlung.
Endogene Faktoren haben ihren Ursprung im Organismus selbst, wie zum Beispiel Stoffwechselprodukte oder Fehler während der DNA-Replikation.

Endogene Faktoren

Während des Stoffwechsels laufen in den Zellen viele unterschiedliche chemische Reaktionen ab. Dabei kann es immer wieder zu Schäden der DNA kommen. Zum Beispiel kann aus Cytosin Uracil entstehen, oder die Basen Adenin und Guanin werden in einer Reaktion der Nukleotide mit Wasser von der Ribose abgespalten. Allein dadurch verliert die menschliche Zelle bis zu 1 Million Basen pro Tag.

Exogene Faktoren

Jede menschliche Zelle führt pro Tag schätzungsweise $20.000$ DNA-Reparaturen durch, an denen veränderte Basen sitzen. Hautzellen, zum Beispiel, müssen regelmäßig DNA-Schäden reparieren, die durch Sonnenstrahlung (UV-Strahlung) entstehen.

Wenn zwei Cytosin- oder zwei Thymin-Basen nebeneinander liegen, kann es durch den Einfluss von UV-Strahlung dazu kommen, dass sie miteinander reagieren und sogenannte Dimere bilden. Das bedeutet, dass sie eine sehr starke Bindung miteinander eingehen und dadurch die DNA Replikation blockieren können.

Auch wenn während der Proteinbiosynthese nur bestimmte Bereiche des Genoms abgelesen werden, so ist es doch sehr wichtig, das gesamte Genom ständig zu überwachen und DNA-Schäden oder Mutationen zu beheben, damit diese Schäden während der Mitose nicht an Tochterzellen weitergegeben werden.

Biologie; Weitergabe und Veränderung der genetischen Information; 11.-12. Klasse Gymnasium; DNA: Schäden & Reparaturmechanismen

Reparaturmechanismen

RNA-Polymerase

Während der Transkription (mRNA-Synthese) ist das Enzym RNA-Polymerase aktiv. Es ist mit Reparatursystemen gekoppelt und kann im Laufe der Transkription DNA-Schäden erkennen. Daraufhin wird die Transkription gestoppt und Reparatursysteme aktiviert und den DNA-Schaden zu korrigieren.

Austausch fehlerhafter Basen und Nukleotide

Die DNA besteht aus zwei komplementären Strängen. Sobald einer der beiden DNA-Stränge fehlerhaft oder beschädigt ist, kann der andere Strang, als Vorlage verwendet werden, um die Schäden zu korrigieren. Meistens wird erstmal die fehlerhafte Base entfernt, woraufhin mehrere Enzyme den Rest des Nukleotids entfernen und den Einbau eines korrekten Nukleotids katalysieren.

Biologie; Weitergabe und Veränderung der genetischen Information; 11.-12. Klasse Gymnasium; DNA: Schäden & Reparaturmechanismen — Wenn ein fehlerhaftes Nukleotid eingebaut und detektiert wurde (1), wird dieses Nukleotid entfernt (2). Da der komplementäre DNA-Strang als Vorlage dient, kann das korrekte Nukleotid eingebaut werden (3).

Reparatur von Thymin-Dimeren

Thymin-Dimere werden durch einen anderen Mechanismus repariert. Ein längerer DNA-Abschnitt, der das Thymin-Dimer enthält, wird herausgeschnitten und durch die DNA-Polymerase komplett neu synthetisiert. Anschließend verbindet das Enzym Ligase den neuen Abschnitt mit dem Rest des DNA-Strangs.

Reparatur von Doppelstrangbrüchen

Wenn beide Stränge der DNA-Doppelhelix Strangbrüche an derselben Stelle aufweisen, ist kein intakter komplementärer Abschnitt vorhanden. Bestimmte Proteine erkennen den Strangbruch anhand der Bruchstellen und binden daran, um sie zusammenzuhalten. Mehrere Enzyme arbeiten währenddessen gleichzeitig an der Neuverknüpfung der Stränge. Dieser Reparaturmechanismus ist sehr effizient, allerdings kann es trotzdem zu einem Verlust von Nukleotiden an der ursprünglichen Bruchstelle kommen.

Biologie; Weitergabe und Veränderung der genetischen Information; 11.-12. Klasse Gymnasium; DNA: Schäden & Reparaturmechanismen — Ein DNA-Doppelstrangbruch (1) wird von speziellen Proteinen erkannt (2), welche an die Bruchstellen binden und die DNA-Stränge zusammenhalten (3). Anschließend verknüpfen Enzyme die Bruchstellen miteinander und der DNA-Doppelstrang ist wieder durchgängig.

Bedeutung der DNA-Reparatur

Wenn Schäden der DNA nicht repariert werden, kann das die genetischen Sequenzen ändern. Das kann dazu führen, dass die DNA-Synthese entweder falsch oder gar nicht abläuft. Folglich können wichtige Chromosomenbereichen fehlen, die Zellfunktion beeinträchtigt werden oder Tumore entstehen. Deshalb sind die DNA-Reparaturmechanismen unserer Zellen sehr wichtig.

Zusammenfassung

Verschiedene Faktoren führen zu Veränderungen und Schädigungen der DNA, wie z.B. UV-Strahlung, ionisierende Strahlung oder Fehler während der DNA-Replikation.
Es gibt endogene und exogene Faktoren.
Es gibt verschiedene Reparaturmechanismen, die DNA-Schäden beheben können und dafür sorgen, dass sie nicht an Tochterzellen weitergegeben werden.
DNA-Reparatur ist so wichtig, weil sie Mutationen verhindern, die zu fehlerhafter DNA, beeinträchtigter Zellfunktion oder Tumoren führen können.