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Aufbau von DNA und RNA

Abstract

Die genetische Information eines Organismus wird in Form von Nucleinsäuren gespeichert. Diese Nucleinsäuren - DNA (deoxyribonucleic acid, Desoxyribonucleinsäure) und RNA (ribonucleic acid, Ribonucleinsäure) - sind lange lineare Polymere. Das bedeutet, sie bestehen aus Nucleotidbausteinen, die wiederum je aus einem Zucker, einem Phosphatrest und einer von vier Basen aufgebaut sind. DNA-Moleküle sind wesentlich länger als RNA-Moleküle und enthalten die gesamte genetische Information eines Organismus, die in der Abfolge der Basen codiert vorliegt. RNA-Moleküle dagegen enthalten nur einen Teil der Information und können ganz unterschiedliche Aufgaben in der Zelle übernehmen.

Das entscheidende Strukturmerkmal der DNA ist ihre Doppelhelix: Zwei gegenläufige, komplementäre Nucleinsäurestränge winden sich schraubenförmig umeinander. Außen liegt das sogenannte DNA-Rückgrat mit immer abwechselnd verknüpften Zucker- und Phosphatresten. Im Inneren der Helix liegen die Basen. Sie bilden Basenpaare, bei denen jeweils die Basen Adenin und Thymin bzw. Guanin und Cytosin über Wasserstoffbrücken verknüpft sind.

Das menschliche Genom umfasst 3,2×109 Basenpaare. Diese sind aber nicht auf einem langen, durchgehenden DNA-Doppelstrang zu finden, sondern auf 23 Chromosomen aufgeteilt. Jedes Chromosom ist ein lineares DNA-Molekül mit einer bestimmten Länge. Es ist im Lichtmikroskop nur in der Metaphase der Mitose gut sichtbar, da es dann am dichtesten gepackt ist. In den meisten Körperzellen liegen die Chromosomen doppelt vor - als Paare. Dabei kommt ein Teil des Paares von der Mutter und der andere Teil vom Vater. Die beiden zusammengehörigen Chromosomen bezeichnet man als homolog, denn sie besitzen jeweils eine Variante des selben Gens. Veränderungen in der Anzahl oder Struktur der Chromosomen führen zu verschiedenen Krankheitsbildern, z.B. Entwicklungsstörungen. Die Untersuchung der Chromosomen mit verschiedenen molekularbiologischen und zytogenetischen Methoden ermöglicht oft eine eindeutige Diagnosestellung.

Nucleotide und Nucleinsäuren

DNA und RNA sind Nucleinsäuren, d.h. aus Nucleotidbausteinen bestehende, langkettige und gerichtete Makromoleküle. "Gerichtet" bedeutet, dass die Nucleotiduntereinheiten immer in einer bestimmten Richtung miteinander verknüpft sind, woraus sich eine Ableserichtung ergibt. Nucleotide und ihre Derivate erfüllen aber auch noch weitere Aufgaben neben ihrer Funktion als Bausteine der Nucleinsäuren.

Molekulare Eigenschaften der Nucleotide und Nucleinsäuren

Die chemische Beschaffenheit der Nucleinsäuren (DNA und RNA) und ihr Aufbau aus sich wiederholenden Nucleotideinheiten ermöglicht ihre Funktion als Informationsträger und -vermittler.

Allgemeine Struktur der Nucleotide

  • Aufbau
    • Base (ein Purin- oder ein Pyrimidinderivat)
    • Zucker (Pentose)
    • Phosphatrest(e)
  • Bindungen
  • Nucleotide als Bausteine in Nucleinsäuren
    • Nucleinsäuren = lange Ketten (Polymere) von Nucleotiden
    • Primärstruktur von Nucleinsäure: Nucleotidabfolge in der Kette
    • Zuckerreste + Phosphatreste der einzelnen Nucleotide bilden das Rückgrat der DNA und RNA
    • Zuckerreste sind über Phosphodiesterbrücken verknüpft
    • Phosphodiesterbindungen sind negativ geladen

Das eine Ende der Nucleotidkette besitzt eine freie 3'OH-Gruppe, das andere Ende eine freie 5'OH-Gruppe, die meist mit einem Phosphatrest verknüpft ist. Laut Konvention schreibt man die Reihenfolge der Basen in einer Nucleinsäure immer in 5'→3'-Richtung!

Nucleosid: Base+Zucker; Nucleotid: Base+Zucker+Phosphat!

Nucleinsäurebasen

Nucleinsäurebasen sind heterozyklische Purin- und Pyrimidinderivate, die in DNA und RNA vorkommen. Ihre Reihenfolge in der Nucleinsäurekette ist entscheidend für die Codierung der genetischen Information .

Struktur und Nomenklatur der Nucleinsäurebasen

Grundgerüst Base in DNA und/oder RNA Als Nucleosideinheit in RNA Als Nucleosideinheit in DNA
Pyrimidin

Cytosin (C)

Cytidin Desoxycytidin
Thymin (T) Thymidin
Uracil (U) Uridin

Purin

Adenin (A)

Adenosin Desoxyadenosin
Guanin (G) Guanosin Desoxyguanosin

Die Basen der DNA sind Guanin, Cytosin, Adenin und Thymin, die der RNA Guanin, Cytosin, Adenin und Uracil!

Keto-Enol-Tautomerie der Nucleinsäurebasen

  • Intramolekulare Umlagerungen (Isomerisierungen) in Purinen und Pyrimidinen, die eine Ketogruppe (d.h. eine nicht-endständige Carbonylgruppe) und ein benachbartes Wasserstoffatom besitzen
  • Das Reaktionsgleichgewicht liegt bei den Purin- und Pyrimidinbasen auf Seiten der Ketoform.
  • Das ist wichtig für die DNA-Replikation und den Transkriptionsvorgang, da in der Enolform keine korrekte Basenpaarung zustande kommen kann (das hätte u.U. Mutationen zur Folge).

Weitere wichtige Basen

Weitere wichtige Basen sind die Purinbasen Hypoxanthin und Xanthin . Beide sind Zwischenprodukte des Purinstoffwechsels und nicht Teil der DNA. Hypoxanthin kommt als seltene Base in RNA vor, z.B. im Rahmen des RNA-Editings. Das Nucleosid von Hypoxanthin heißt Inosin , das Nucleosid von Xanthin heißt Xanthosin .

Nucleinsäurezucker

Der Zucker in der DNA ist die Desoxyribose, der Zucker in der RNA die Ribose .

  • Struktur: DNA und RNA enthalten als Zucker eine Pentose, die als Fünferring vorliegt
    • Nomenklatur: Die Nummerierung der Kohlenstoffatome der Zucker in Nucleinsäuren erfolgt durch eine Zahl mit einem Strich. Dadurch kann man sie von den Zahlen für die Atome der Basen unterscheiden, die ohne Strich geschrieben werden.
    • Unterschied: Die Desoxyribose unterscheidet sich von der Ribose durch das Fehlen eines Sauerstoffatoms am C2'-Atom.
  • Bindung
    • Zwischen Pentose und Base: N-glykosidische Bindung
      • Verknüpft das C1'-Atom der Ribose oder der Desoxyribose mit dem N9-Atom von Purinbasen bzw. dem N1-Atom der Pyrimidinbasen.
    • Zwischen den Pentosen: Phosphodiesterbindung

Phosphatreste

  • Ein Nucleotid kann ein, zwei oder drei Phosphatreste besitzen.
  • Bindung
    • Zwischen Ribose und Phosphatrest: Phosphorsäureesterbindung
    • Zwischen den Phosphatresten: Energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen
  • In Abhängigkeit von der Anzahl der Phosphatreste bezeichnet man die Nucleotide auch als
  • Je nachdem, ob der Phosphatrest am C3'-Atom oder am C5'-Atom des Zuckers gebunden ist, erfolgt auch die Benennung der Nucleotide.
    • Beispiel: Adenosin-5'-triphosphat (abgekürzt 5'-ATP) für ein Adenosinnucleosid mit drei über das C5'-Atom verknüpften Phosphatresten.
  • Mit einem "d" wird ein Desoxyribonucleotid gekennzeichnet.
    • Beispiel: Desoxyadenosin-5'-monophosphat (abgekürzt 5'-dAMP) für ein Desoxyadenosinnucleosid mit einem über das C5'-Atom verknüpften Phosphatrest

Vergleich von DNA und RNA

DNA RNA
Basen
Zucker
  • Desoxyribose
  • Ribose
Länge
  • In Abhängigkeit vom Organismus
  • Von mehreren 1000 bis zu mehreren Millionen Nucleotiden
  • Sehr unterschiedlich
Struktur
  • Sehr variabel! Abhängig vom RNA-Typ, aber sehr häufig einzelsträngig
  • Verschiedene dreidimensionale Strukturen möglich, z.B. Loops durch Ausbildung von kurzen Abschnitten mit Basenpaarung (doppelsträngig)
Funktion
  • Genom (enthält Erbinformation)

Für die Synthese von DNA und RNA werden Nucleosidtriphosphate miteinander verbunden!

Die Bausteine der DNA sind dATP, dGTP, dCTP und dTTP, die der RNA sind ATP, GTP, CTP und UTP!

Funktion der Nucleotide und ihrer Derivate

Nucleotide und Nucleotidderivate haben im Körper wichtige Funktionen.

  • Bausteine der Nucleinsäuren: Die Nucleosidtriphosphate dATP, dGTP, dCTP und dTTP (in DNA) bzw. ATP, GTP, CTP und UTP (in RNA) sind die aktivierten Vorstufen für die Synthese von DNA und RNA.
  • Energieträger: Insbesondere als universelle Energiewährung der Zelle in Form von ATP, aber auch GTP
  • Signalmoleküle: Vor allem die second Messenger cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) und cGMP (zyklisches Guanosinmonophosphat) , beides Phosphorsäurediester
  • Aktivatoren zur Übertragung von Gruppen: Nucleotide sind durch die Möglichkeit zur Bildung von energiereichen Bindungen in der Lage, in Biosynthesen ein Molekül auf ein anderes zu übertragen, z.B.:
    • UDP-Glucose ist eine aktivierte Form der Glucose in der Glycogenbiosynthese.
    • Aus der Nahrung stammendes Cholin kann mittels CTP zu CDP-Cholin aktiviert und so in der Synthese von Phosphatidylcholin eingesetzt werden.
    • 3'-Phosphoadenosin-5'-Phosphosulfat (PAPS) dient in der Biosynthese von Sulfatiden als Sulfatgruppendonator.
    • S-Adenosylmethionin (SAM) wird aus Methionin gebildet und dient als Cofaktor bei Methylierungsreaktionen .
  • Regulatoren: Von enzymatischen Reaktionen in Signaltransduktionswegen (z.B. aktiviert GTP G-Proteine)
  • Carriermoleküle: Z.B. die Elektronencarrier Nicotinamid-Adenindinucleotid (NAD+) und Flavin-Adenindinucleotid (FAD) als Bestandteil von Coenzymen bei Redoxreaktionen

Der Energieträger ATP enthält Ribose und nicht Desoxyribose als Zucker, besitzt also eine 2'OH-Gruppe!

DNA: Struktur und Eigenschaften

Die DNA enthält die genetischen Informationen der Zelle und gibt diese bei der Zellteilung an die Tochterzellen weiter. Dabei ermöglicht die Struktur der DNA-Moleküle als Doppelstränge und die spezifische Basenpaarung die Erzeugung von zwei identischen Tochtermolekülen.

DNA-Struktur

Die DNA liegt in der Zelle die meiste Zeit nicht als einsträngige Kette von Desoxyribonucleotiden vor, sondern als Doppelstrang. Die beiden Stränge sind komplementär zueinander und verlaufen antiparallel . Die Basen in den beiden Strängen bilden spezifische Basenpaare über Wasserstoffbrücken (H-Brücken).

  • Doppelhelix: Dreidimensionale Struktur der DNA, in der sich die zwei Polynucleotidstränge schraubenartig umeinander winden
  • Stabilisierung durch
    • Basenpaarung über Wasserstoffbrücken
    • Hydrophober Effekt: Das negativ geladene Zucker-Phosphat-Rückgrat liegt auf der Außenseite, die Basen im Inneren der Helix.
    • "Basenstapel": Die Basenpaare stapeln sich übereinander („stacking interactions“) und ziehen sich durch Van-der-Waals-Kräfte an, was eine weitere Stabilisierung bewirkt.
  • Weitere Kennzeichen: Auf der Außenseite der Doppelhelix findet man zwei Vertiefungen, die kleine Furche und die große Furche .

Basenpaare in der DNA: Guanin paart mit Cytosin (3 H-Brücken), Adenin paart mit Thymin (2 H-Brücken)!

DNA-Konformation

DNA kann verschiedene Strukturformen annehmen. Sie liegt in vivo hauptsächlich in der B-Konformation vor (B-DNA). Neben der B-DNA gibt es auch noch eine A- (A-DNA) und eine Z-Konformation (Z-DNA). Außerdem können sich übergeordnete (Tertiär‑)Strukturen ausbilden, die durch Superspiralisierung zustande kommen. James Watson und Francis Crick leiteten aus verschiedenen experimentellen Beobachtungen, insb. der Chemikerin Rosalind Franklin, ein Modell der B-DNA ab. Sie erhielten zusammen mit Maurice Wilkins dafür 1962 den Nobelpreis für Medizin; Franklin verstarb bereits zuvor und konnte nicht mehr bedacht werden.

Eigenschaften der B-DNA

  • Rechtsgängige Doppelhelix
  • 10 Basenpaare pro Helixwindung auf einer Länge von 3,4nm
  • Helixdurchmesser: 2nm
  • Basen stehen in etwa senkrecht zur Achse der Helix

Eigenschaften der A-DNA

  • Wie B-DNA rechtsgängige Doppelhelix, allerdings breiter und kürzer als B-DNA
  • Basenpaare stehen nicht senkrecht auf der Helixachse, sondern sind der Achse gegenüber etwas geneigt
  • Dehydratisierte Form, d.h. DNA kann experimentell so vorliegen, aber nicht in vivo; allerdings nehmen manche RNAs und DNA-RNA-Hybride diese Konformation an

Eigenschaften der Z-DNA

  • Linksgängige Doppelhelix
  • Länger gestreckt als B-DNA und dadurch geringerer Durchmesser
  • In GC-reichen Sequenzen vorkommend, insgesamt aber unter physiologischen Bedingungen selten
  • Phosphatgruppen des DNA-Rückgrats bilden hier eine Zickzacklinie

Die DNA liegt in der Zelle hauptsächlich als B-DNA vor und ist damit eine rechtsgängige Doppelhelix!

Supercoils

Weitere strukturelle Besonderheiten der DNA

Die DNA ist in ihrer Längsrichtung sehr flexibel. Durch die Bindung von Proteinen kann die Konformation der DNA beeinflusst werden. Aber auch die Abfolge der Basen hat Auswirkungen auf ihre lokale Struktur.

Palindrom

  • Definition: Ein Palindrom ist im Allgemeinen eine Zeichensequenz, die von vorn und hinten gelesen die gleiche Zeichenreihenfolge enthält, z.B. Otto.
  • Molekularbiologische Verwendung des Begriffs „Palindrom“ für sog. inverted repeats (umgekehrte Sequenzwiederholungen)
    • Auf den beiden komplementären Strängen eines DNA-Doppelstrangs kommen bei palindromischen Sequenzen über einen bestimmten Sequenzabschnitt jeweils die gleichen Basenabfolgen vor, d.h. immer in 5'→3'-Richtung gelesen ist die Basenreihenfolge die gleiche.
    • Dazwischen können Basen liegen, die nicht übereinstimmen.
    • Diese Abschnitte sind mit sich selbst komplementär und können Haarnadelstrukturen ausbilden .
    • Bei doppelsträngiger DNA führt das zur Ausbildung von kreuz-förmigen Strukturen.
  • Funktion: Manche Proteine, die DNA binden können, brauchen palindromische Sequenzen als Erkennungssequenz, z.B. Steroidhormonrezeptoren oder Restriktionsenzyme .

RNA: Struktur und Eigenschaften

RNA-Klassen und ihre Struktur

RNA-Moleküle sind Nucleinsäuren (wie DNA-Moleküle). Prinzipiell gleicht der Aufbau eines RNA-Einzelstrangs (Primärstruktur) dem der DNA-Einzelstränge. Wie oben bereits erwähnt, enthält RNA aber Ribose als Zucker und Uracil als Base . In Zellen vorkommende RNA-Moleküle sind wesentlich kürzer als DNA-Moleküle und übernehmen sehr verschiedene Funktionen, u.a. in der Proteinbiosynthese, als strukturgebende Elemente oder als Enzym (Ribozym). RNAs lassen sich in verschiedene Klassen einteilen, die sich in ihrer Länge, Struktur und Funktion unterscheiden. In Abhängigkeit von der Klasse liegen die RNA-Moleküle einzelsträngig oder abschnittsweise doppelsträngig vor.

Klassifizierung der RNA
Definition und Funktion Struktur
mRNA (messenger RNA)
  • Sehr variable Struktur und Länge, da die Nucleotidsequenz der mRNA abhängig ist von der Nucleotidsequenz des entsprechenden DNA-Abschnitts
  • Bei Eukaryonten erhält das primäre Transkript noch eine sog. Cap-Struktur am 5'-Ende und einen sog. Poly(A)-Schwanz am 3'-Ende
tRNA (transfer RNA)
  • Bestehen aus 65-110 Nucleotiden
  • Bilden durch intramolekulare Basenpaarung charakteristische kleeblattförmige Strukturen aus
  • Strukturmerkmale
    • Anticodonschleife: Enthält Bindestelle aus 3 Basen (Anticodon) für die Erkennung der komplementären mRNA-Sequenz (Codon)
    • 3'OH-Ende mit der Sequenz CCA: Bindestelle für zum Anticodon passende Aminosäure
    • Dihydrouridinschleife (auch D-Arm) und TΨC-Schleife (auch T-Arm) mit modifizierten Basen
      • Dihydrouridin und Pseudouridin (abgekürzt mit dem Symbol Ψ für den griechischen Buchstaben Psi) werden nach der Synthese der tRNA aus Uracil gebildet und geben den Schleifen ihren Namen
rRNA (ribosomale RNA)
  • 5S-, 5,8S-, 18S- und 28S-rRNA
    • 18S-rRNA: Bestandteil der kleinen Untereinheit der Ribosomen (40S)
    • 5S-, 5,8S- und 28S-rRNA: Bestandteile der großen ribosomalen Untereinheit (60S)
snRNA (small nuclear RNA)
snoRNA (small nucleolar RNA)
  • Klasse nicht-codierender RNAs im Nucleolus im Zellkern
  • Modifizieren RNA-Moleküle, v.a. rRNAs, u.a. durch Methylierung von Riboseresten
RNA-Bestandteil des Signalerkennungspartikels
auch: scRNA (small cytoplasmic RNA)
  • Besteht aus 300 Nucleotiden
  • Komplexe Struktur mit vielen doppelhelikalen Abschnitten
RNA-Bestandteil der Telomerase (human telomerase RNA, hTR)
miRNA (mikroRNA)
  • Klasse regulatorischer, nicht-codierender RNAs
  • Sind im menschlichen Genom in den Introns codiert und regulieren die Genexpression (binden überwiegend komplementäre mRNAs und sorgen für ihren Abbau, d.h. sie verhindern die Translation)
  • Bestehen aus ca. 20-30 Nucleotiden
  • Entstehen aus Vorläufermolekülen mit einer 5'-Cap-Struktur und einem Poly(A)-Schwanz, werden dann aber in kleinere Oligonucleotide gespalten
siRNA (small interfering RNA)
  • Klasse regulatorischer, nicht-codierender RNAs
  • Werden experimentell eingesetzt oder entstehen bei viraler Infektion, d.h. werden von außen in eine Zelle oder Organismus eingebracht und regulieren die Genexpression (binden exakt komplementäre mRNAs und sorgen für ihren Abbau)
  • Bestehen aus ca. 20-30 Nucleotiden
  • Entstehen aus doppelsträngigen Vorläufermolekülen nach ähnlichen Mechanismen wie miRNA

RNA-Interferenz (RNAi)

  • Definition: Gezieltes Ausschalten von spezifischen Ziel-RNAs (meist mRNAs) durch kurze, einzelsträngige RNAs, die an die Ziel-RNAs über Basenpaarung binden
  • Regulatorische RNA-Moleküle: u.a. miRNAs, siRNAs
  • Funktion
    • Herunterregulation der Genexpression (sog. Gene Silencing)
    • Abwehrmechanismus gegen zellfremde RNA-Moleküle
  • Mechanismen

Organisation des menschlichen Genoms

Das menschliche Genom umfasst etwa 3,2 Milliarden Basenpaare . Eine diploide menschliche Zelle enthält dementsprechend 6,4x109bp. Würde die DNA einer Zelle als lineares Molekül vorliegen, hätten alle Chromosomen zusammen eine Länge von etwa 1,8m. Die DNA muss also verpackt im Zellkern vorliegen.

Anteile der verschiedenen Sequenzen am menschlichen Genom

Das menschliche Genom unterteilt sich in Kerngenom und mitochondriales Genom.

Anteile des Kerngenoms

Mitochondriales Genom (mitochondriale DNA, mtDNA)

Zusammensetzung und Aufbau von Chromosomen

Die DNA liegt im Zellkern von Eukaryonten an Proteinkomplexe gebunden vor. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen sehen diese Strukturen aus wie Perlen auf einer Kette. Sie sind weiter verdichtet zu Chromatinfasern, die wiederum durch die Einwirkung anderer Proteine zu Schleifen gefaltet werden. Maximal verdichtet liegen die DNA-Moleküle in der Metaphase der Mitose vor. Nur hier sind die einzelnen Chromosomen lichtmikroskopisch unterscheidbar.

Histonproteine

  • Definition: Gruppe von Proteinen, die im Zellkern von Eukaryonten die DNA binden
  • Allgemeine Eigenschaften
  • Typen: Es gibt 4 Kernhistone und ein Verbindungshiston
    • Kernhistone
    • Verbindungshiston
      • Proteinname: H1
      • Struktur: Noch nicht komplett bekannt, aber andere, weniger einheitliche Struktur als Kernhistone.
      • Funktion: Stabilisiert die DNA auf dem Histonoctamer und bindet zum Teil an die DNA in den Zwischenstücken zwischen den Nucleosomen

Nucleosom (Nucleosomen-Core-Partikel)

Chromatin

Morphologie und Darstellung von Chromosomen

Die Chromosomen sind nur in der Zellteilung sichtbar, insbesondere in der Metaphase.

Die Bezeichnung "Chromosom" wird auch sehr häufig synonym verwendet für das lichtmikroskopisch sichtbare Metaphasenchromosom, obwohl die Chromosomen in allen Phasen des Zellzyklus vorhanden sind.

Kennzeichen von Chromosomen (Chromosomenmorphologie)

Chromosomen werden unterschieden nach ihrer Länge, der Lage des Zentromers und nach ihrem Bandenmuster!

Darstellung der Chromosomen

Zur Untersuchung der Chromosomenzahl und für einen Überblick über eventuelle strukturelle Veränderungen lassen sich die Chromosomen in einem sog. Karyogramm sichtbar machen. Durch verschiedene Färbemethoden erhält man spezifische Bandenmuster, die für jedes Chromosom charakteristisch sind.

  • Karyogramm
    • Darstellungsmethode zur Untersuchung der Chromosomen eines Individuums und Sichtbarmachung möglicher Abweichungen in ihrer Anzahl oder Struktur
    • Die Chromosomen werden isoliert und angefärbt; dann kann man das sog. Bandenmuster analysieren
    • Bandenmuster: Quer verlaufende Bänder unterschiedlicher Breite und Verteilung, die in Abhängigkeit von der Präparation und Färbetechnik induziert werden können
      • Material
        • Für die zytogenetische Untersuchung werden meist Lymphozytenpräparate verwendet.
        • In der pränatalen Diagnostik verwendet man auch Amnionzellen.
      • Präparation
        • Die zu untersuchenden Zellen werden in Kultur genommen und zur Teilung angeregt.
        • Um Metaphasenchromosomen zu erhalten, werden die Zellen dann mit dem Spindelgift Colchicin behandelt.
      • Bänderungstechniken
        • Färbung mit Quinacrin (fluoreszierende Banden, heute allerdings nicht mehr diagnostisch eingesetzt)
        • Giemsa-Bänderung (Standardbänderungstechnik, erzeugt dunkle G-Banden mit transkriptionell inaktivem Chromatin und helle, transkriptionell aktive R-Banden)
      • Analyse: Begutachtung von durchschnittlich 10 bis 15 Metaphasen-Chromosomensätzen bei 1250-facher Vergrößerung
      • Ergebnis

Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH)

  • Definition: Methode zur spezifischen Anfärbung von DNA-Sequenzen durch Fluoreszenz-markierte DNA-Sonden, z.B. zur Anfärbung von Chromosomen in Karyogrammen, zur Tumordiagnostik oder zur Kartierung von Genen auf Chromosomen in der Metaphase
  • Prinzip
    • Denaturierung der DNA in den präparierten Chromosomen
    • Hybridisierung der DNA mit einzelsträngigen, Fluoreszenz-markierten DNA-Sonden, die komplementär zu DNA-Abschnitten verschiedener Chromosomen sind
    • Untersuchung des Chromosomensatzes im Fluoreszenzmikroskop
      • Wo die Sonde gebunden hat, ist ein farbliches Signal zu erkennen
      • Fehlt das Signal, kann man davon ausgehen, dass der komplementäre Abschnitt der DNA fehlt.
  • Besonderheiten
    • Das spezifische Anfärben erhöht die Auflösung im Vergleich zu den klassischen Färbemethoden für Karyogramme
    • Dadurch können auch kleinere Veränderungen der Chromosomen, z.B. kleinere Deletionen, erkannt werden.
    • FISH ist auch auf Chromosomen in der Interphase möglich

Wiederholungsfragen zum Kapitel Aufbau von DNA und RNA

Nucleotide und Nucleinsäuren

Wie ist ein Nucleotid aufgebaut? Welche Bindungen enthält es?

Wie heißen die Basen von DNA bzw. RNA? Welche Basen paaren sich?

Welche weiteren wichtigen Basen kennst du? Wie heißen ihre Nucleoside?

Wie erfolgt die Nomenklatur der Zucker in DNA bzw. RNA?

Wie ist das Signalmolekül cAMP aufgebaut?

Welchen Zucker enthält ATP?

DNA

Wie liegt DNA normalerweise in der Zelle vor?

Wie viele Basenpaare finden sich in B-DNA normalerweise pro Helixwindung?

Erkläre den Begriff Palindrom!

RNA

Beschreibe wichtige Strukturmerkmale der tRNA!

Aus welchen Bestandteilen sind die Untereinheiten extramitochondrialer Ribosomen aufgebaut?

Welche Aufgabe übernimmt rRNAs?

Welche RNA ist Bestandteil des Spleißosoms?

Welche Funktion übernehmen mikroRNA?

Was versteht man unter RNA-Interferenz und welche Mechanismen nutzt sie?

Welche Aufgabe übernehmen snoRNAs hauptsächlich?

Welche Rolle spielt RNA innerhalb der Telomerase?

Organisation des menschlichen Genoms

Wie viel Prozent des Kerngenoms bzw. des mitochondrialen Genoms kodiert für Gene? Was ist mit dem Rest?

Welche einfachen repetitiven DNA-Elemente kennst du?

Wieso sind Histonproteine positiv geladen?

Was ist ein Nucleosom?

Was wird als Chromatin bezeichnet?

Wie unterscheiden sich Heterochromatin und Euchromatin?

Aus wie vielen Chromosomen (Autosomen und Gonosomen) besteht der menschliche Chromosomensatz?

Wie lautet das Karyogramm einer gesunden Frau bzw. eines gesunden Mannes?

Wo finden sich pseudoautosomale Regionen?

Was wird als Kinetochor bezeichnet? Wo wird es zusammengebaut?

Wie wird die Verbindungsstelle der Schwesterchromatiden bezeichnet?

Wo liegen typischerweise Nucleolus-Organisator-Regionen? Was wird dort kodiert?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.