DNA-Schäden und Reparaturmechanismen

DNA-Schäden und Reparaturmechanismen Übung

• Benenne die dargestellten DNA-Schäden.

  Tipps

  Ein anderes Wort für „verändern“ ist „modifizieren“.

  Lösung

  Als Basenmodifikation wird die chemische Veränderung einer Base bezeichnet. Diese Veränderung kann beispielsweise durch das Anhängen einer Methylgruppe oder durch Glykosylierung bewirkt werden.

  Kommt es hingegen bei der Replikation der DNA zum Einbau einer falschen Base, also zum Beispiel Thymin (T) anstatt Guanin (G), entsteht eine Basenfehlpaarung. In diesem Beispiel würde der Base Thymin also ein Cytosin gegenüberstehen, der eigentliche Partner von Guanin.

  Es kann auch passieren, dass die DNA-Polymerase bei der Replikation eine Base auslässt. Diesen Fehler nennt man Basenverlust. Ein einzelner Basenverlust führt immer zu einer Verschiebung des Leserasters.

  Sind nicht die Basen von einem Fehler betroffen, sondern das Rückgrat der DNA, also die Zucker-Phosphat-Ketten, können sich diese Moleküle oft nicht mehr richtig verknüpfen. Es kommt zu einem Bruch der DNA. Dies kann entweder nur einen der beiden Stränge betreffen (Einzelstrangbruch) oder beide Nukleotidstränge (Doppelstrangbruch).

• Nenne mögliche Ursachen für DNA-Schäden.

  Tipps

  Hautkrebs ensteht durch Schäden in der DNA von Hautzellen.

  Lösung

  Die häufigsten Ursachen für das Entstehen von DNA-Schäden sind Strahlung, Exposition zu mutagenen Chemikalien und das spontane Auftreten, zum Beispiel durch Fehler bei der Replikation. Falsche DNA-Polymerasen kommen bei der Replikation nicht vor. Zwar gibt es verschiedene Polymerasen, diese haben aber auch verschiedene Funktionen. Eine DNA-Polymerase ist ein spezifisches Enzym und kann eine Replikation nur beginnen, wenn sie dafür auch geeignet ist.

  Ein Mangel an Basen für den Einbau während der DNA-Replikation kann nicht aufkommen. Der Körper hat stets genug Basen zur Verfügung.

• Entscheide, welche Aussagen zu den DNA-Reparaturmechanismen korrekt sind.

  Tipps

  Nur nach einer fehlerfreien Replikation kann auch eine fehlerfrei Transkription ablaufen.

  Lösung

  DNA-Reparaturmechanismen werden grundsätzlich von Enzymen gesteuert. Eine wichtige Rolle spielen beispielsweise die DNA-Polymerase, die Ligase und Endonukleasen.

  Die DNA-Polymerase besitzt eine Exonukleasefunktion. Sie spaltet nicht komplementäre Nukleotide von der wachsenden DNA-Kette ab. Sie besitzt also eine Korrekturlesefunktion.

  Bei der Exzisionsreparatur werden ganze, fehlerhafte Stücke mit Hilfe der Endonukleasen aus der DNA geschnitten. Nachdem die DNA-Polymerase das fehlende Stück ersetzt hat, verbindet es die Ligase mit dem DNA-Strang. Ihr Einsatz ist der letzte Schritt der Exzisionsreparatur.

  Alle DNA-Reparaturmechanismen helfen dabei, die DNA vor Mutationen und Schäden zu bewahren und somit Krankheiten vorzubeugen. Im Alter steigt das Risiko, an beispielsweise Krebs zu erkranken. Dies kann unter anderem auf eine fehlerhafte oder nicht funktionierende DNA-Reparatur zurückgeführt werden.

• Erkläre, warum die Korrekturlesefunktion bei Eukaryoten im Zuge der Replikation ablaufen muss.

  Tipps

  Stelle Dir einen fertigen DNA-Doppelstrang vor. Zwischen zwei gegenüberliegenden Basen wurden keine Wasserstoffbrücken ausgebildet. Kannst Du bestimmen, welche der beiden Basen korrekt ist und welche falsch?

  Lösung

  Die neu synthetisierte DNA wird von der DNA-Polymerase im Zuge der Replikaton nochmals überprüft. Sie fährt sozusagen ein Stück zurück und stellt fest, ob eine falsche Base eingebaut wurde oder nicht. Wird ein Fehler erkannt, wird die falsche Base abgeschnitten und durch die Richtige ersetzt. Daher kann die Korrekturlesefunktion nur während der Replikation ablaufen. Ein weiterer Grund ist, dass sich nach Ablauf der Replikation bei Eukaryoten nicht mehr feststellen lässt, welches der Originalstrang war und welches der neu gebildete Tochterstrang. Somit kann nicht erkannt werden, welche der beiden gegenüberliegenden Basen nun die Korrekte ist.

  Bei Prokaryoten, zum Beispiel Bakterien, ist der DNA-Strang, der abgelesen wird, markiert. Es lässt sich demnach auch nach der Replikation erkennen, welche Base in der Fehlpaarung korrekt ist und welche nicht.

• Benenne die beschriebenen DNA-Reparaturmechanismen.

  Tipps

  Korrekturlesen kann man erst nach der Erstellung eines Textes. Genauso ist es bei der Replikation.

  Erinnere Dich an die Meiose. Was versteht man unter homologer Rekombination?

  Lösung

  Die DNA-Polymerase hat eine eigene Exonukleasefunktion. Wird eine falsche Base am wachsenden Ende des DNA-Stranges eingebaut, entfernt sie die Exonuklease sofort wieder.

  Generell unterscheidet man zwischen Exo- und Endonukleasen. Exonukleasen schneiden an den Kettenenden und Endonukleasen schneiden innerhalb der Kette. Das griechische Wort „endo“ steht für innen und „exo“ für außen.

  Ist ein Teilstück der DNA fertig synthetisiert, kommt die Korrekturlesefunktion der DNA-Polymerase zum Einsatz. Sie entdeckt Fehlpaarungen in der DNA und korrigiert sie.

  Im Zuge der Exzisionsreparatur oder auch Ausschnittsreparatur werden ganze beschädigte DNA-Abschnitte von Endonukleasen entfernt und durch neue Basen ersetzt.

  Die Rekombinationsreparatur kommt nur bei sehr großen und gravierenden DNA-Schäden zum Einsatz. Sind beispielsweise beide DNA-Stränge gebrochen, so dass nichts mehr abgelesen und demnach auch nicht synthetisiert werden kann, wird das fehlende Stück durch das entsprechende Stück eines Strangs des homologen Chromosoms ersetzt. Dieses kann dort dann neu synthetisiert werden.

• Beschreibe, welche Folgen entstehen, wenn ein Thymin-Dimer nicht repariert werden kann.

  Tipps

  Erinnere Dich, welche Funktion Exonukleasen haben.

  Lösung

  Die Mondscheinkrankheit beruht auf Mutationen in DNA-Reparaturmechanismen. Durch UV-Licht wird die Entstehung von Thymin-Dimeren begünstigt. Durch die Entstehung eines Thymin-Dimers können sich keine Wasserstoffbrücken zwischen den beteiligten Thyminen und den gegenüberliegenden Adeninen ausbilden. Dies führt dazu, dass die DNA-Synthese unterbrochen wird. Wenn dies der Fall ist, sterben Zellen normalerweise ab. Wenn sie nicht absterben, kann Krebs entstehen.

  Exonuklease schneidet grundsätzlich nicht innerhalb des DNA-Stranges, sondern nur an den Enden. Die Funktion der Endonukleasen, die das beschädigte Stück normalerweise ausschneiden, können sie nicht übernehmen.

  Durch die Dimer-Struktur entsteht eine Verformung des DNA-Stranges. Dieser Fehler ist so gravierend, dass die DNA-Polymerase das Dimer unmöglich als nur ein Thymin erkennen kann.