DNA-Synthese

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 11. April 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Die DNA-Synthese findet im Rahmen der Replikation von DNA statt. Die DNA ist Träger der Erbinformation und steuert alle Lebensprozesse. Sie befindet sich beim Menschen wie bei allen anderen Lebewesen im Kern der Zelle. Die DNA besitzt die Form eines Doppelstrangs, ähnlich einer gewundenen Strickleiter, die als Helix bezeichnet wird. Diese Doppelhelix besteht aus zwei DNA-Molekülen. Jeder der beiden komplementären Einzelstränge ist aus einem Rückgrat aus Zuckermolekülen (Desoxyribose) und Phosphat-Resten aufgebaut, an das die vier organischen, stickstoffhaltigen Basen Guanin, Adenin, Cytosin und Thymin gebunden sind. Über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen gegenüberliegnden, sog. komplementären, Basen sind die beiden Stränge aneinander gebunden. Dabei sind nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung nur Verknüpfungen zwischen Guanin und Cytosin einerseits, sowie Adenin und Thymin andererseits möglich.

Was ist die DNA-Synthese?

Die DNA-Synthese findet im Rahmen der Replikation von DNA statt. Die DNA ist Träger der Erbinformation und steuert alle Lebensprozesse.

Damit sich DNA vervielfältigen kann, ist der Prozess der DNA-Synthese notwendig. Sie beschreibt das Aufbauen der Desoxyribonucleinsäure (abgekürzt als DNS oder auch DNA). Das entscheidende Enzym dabei ist die DNA-Polymerase. Nur so ist Zellteilung möglich.

Der gewundene DNA-Doppelstrang wird für die Replikation zuerst von Enzymen, sog. Helicasen und Topoisomerasen, entwunden und die beiden Einzelstränge voneinander getrennt. Diese Vorbereitung der eigentlichen Replikation nennt sich Initiation. Nun wird ein Stück RNA synthetisiert, das die DNA-Polymerase als Ausgangspunkt für ihre enzymatische Aktivität benötigt.

Während der folgenden Elongation (Strang-Verlängerung) kann jeder Einzelstrang von der DNA-Polymerase als Vorlage genutzt werden, um das komplementäre Gegenstück DNA zu synthetisieren. Da eine der Basen immer nur mit einer anderen Base Bindungen eingehen kann, ist es möglich, anhand eines Einzelstranges den jeweils anderen, zugehörigen Strang zu rekonstruieren. Diese Zuordnung der komplementären Basen ist Aufgabe der DNA-Polymerase.

Anschließend wird das Zucker-Phosphat-Rückgrat des neuen DNA-Strangs von einer Ligase verknüpft. Dadurch entstehen zwei neue DNA-Doppelstränge, die jeweils einen Strang aus der alten DNA-Helix enthalten. Die neue Doppelhelix wird daher als semikonservativ bezeichnet.

Beide Stränge der Doppelhelix besitzen eine Polarität, die die Orientierung der Moleküle angibt. Die Richtung der beiden DNA-Moleküle in einer Helix ist gegenläufig. Da die DNA-Polymerase aber nur in eine Richtung arbeitet, kann nur der Strang, der in der entsprechenden Orientierung vorliegt, kontinuierlich aufgebaut werden. Der andere Strang wird Stück für Stück synthetisiert. Die entstehenden DNA-Abschnitte, auch als Okazaki-Fragmente bezeichnet, werden dann von der Ligase zusammengefügt. Die Beendigung der DNA-Synthese mithilfe verschiedener Kofaktoren wird als Termination bezeichnet.

Funktion & Aufgabe

Da die meisten Zellen nur über eine begrenzte Lebensdauer verfügen, müssen im Körper ständig neue Zellen durch Zellteilung gebildet werden, um die absterbenden zu ersetzen. Die roten Blutkörperchen im menschlichen Körper beispielsweise haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 120 Tagen, wohingegen einige Darmzellen bereits nach ein bis zwei Tagen durch neue Zellen ersetzt werden müssen. Dazu ist eine mitotische Zellteilung notwendig, bei der aus einer Mutterzelle zwei neue, identische Tochterzellen entstehen. Beide Zellen benötigen den vollständigen Satz an Genen, dieser kann also im Gegensatz zu anderen Zellbestandteilen nicht einfach aufgeteilt werden. Damit bei der Teilung keine Erbinformation verloren geht, muss die DNA vor der Teilung verdoppelt („repliziert“) werden.

Auch bei der Reifung der männlichen und weiblichen Keimzellen (Ei- und Samenzellen) finden Zellteilungen statt. Bei den dabei stattfindenden meiotischen Teilungen wird die DNA allerdings nicht verdoppelt, da eine Reduzierung um die Hälfte der DNA erwünscht ist. Bei der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle wird dann wieder die komplette Anzahl an Chromosomen, dem Verpackungszustand der DNA, erreicht.

Die DNA ist essentiell für das Funktionieren des menschlichen Körpers und aller anderen Organismen, da sie die Grundlage für die Synthese von Proteinen darstellt. Eine Kombination von jeweils drei aufeinander folgenden Basen steht für eine Aminosäure, daher wird von einem Triplettcode gesprochen. Jedes Basen-Triplett wird über messenger-RNA (mRNA) in eine Aminosäure „übersetzt“; diese Aminosäuren werden dann im Zellplasma zu Proteinen verknüpft. Die mRNA unterscheidet sich von der DNA nur in einem Atom im Zuckerrest des Rückgrats und in einigen Basen. MRNA dient also hauptsächlich als Informationsträger für den Transport von in der DNA gespeicherter Information aus dem Zellkern ins Zellplasma.

Krankheiten & Beschwerden

Ein Organismus, der nicht zur DNA-Synthese fähig ist, wäre nicht lebensfähig, da bereits in der Embryonalentwicklung ständig neue Zellen durch Zellteilung gebildet werden müssen. Fehler in der DNA-Synthese, das heißt einzelne falsch eingebaute Basen, die nicht dem Prinzip der komplementären Basenpaarung folgen, kommen jedoch relativ häufig vor. Aus diesem Grund besitzen die menschlichen Zellen Reparatursysteme. Diese beruhen auf Enzymen, die den DNA-Doppelstrang kontrollieren und falsch eingefügte Basen über verschiedene Mechanismen korrigieren.

Dazu kann beispielsweise der Bereich um die falsche Base herausgeschnitten und nach dem erläuterten Synthese-Prinzip neu aufgebaut werden. Wenn jedoch die DNA-Reparatursysteme der Zelle defekt oder überlastet sind, können sich Basenfehlpaarungen, sog. Mutationen anhäufen. Diese Mutationen destabilisieren das Genom und erhöhen so die Wahrscheinlichkeit für immer neue Fehler im Verlauf der DNA-Synthese. Eine Ansammlung solcher Mutationen kann zu Krebs führen. Dabei erhalten manche Gene durch die Mutation eine krebsfördernde Wirkung (gain of function), wohingegen andere Gene ihre schützende Wirkung verlieren (loss of function).

In manchen Zellen ist eine erhöhte Fehlerrate jedoch sogar erwünscht, um sie anpassungsfähiger zu machen, so zum Beispiel in bestimmten Zellen des menschlichen Immunsystems.

Quellen

Buselmaier, W. et al.: Humangenetik für Biologen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2005
Herold, G.: Innere Medizin. Selbstverlag, Köln 2016
Murken, J., Grimm, T., Holinski-Feder, E., Zerres, K. (Hrsg.): Taschenlehrbuch Humangenetik. Thieme, Stuttgart 2011

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