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DNA Schäden

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Biologie

In diesem Artikel geht es um die Reparaturvorgänge der DNA. Wir erklären Dir, welche DNA-Schäden es gibt, wie sie entstehen und wie Reparaturvorgänge diese DNA-Schäden beheben. Dieser Artikel gehört zum Fach Biologie als Unterthema der Molekularbiologie und erweitert den Fachbereich der Genetik



Welche Ursachen gibt es für DNA-Schäden? 


Es gibt sowohl endogene als auch exogene Faktoren, die DNA-Schäden verursachen. Mögliche Ursachen sind zum Beispiel: 


  • ionisierende Strahlungen (wie UV-Licht)
  • chemische Mutagene
  • freie Radikale

Diese führen zu fehlenden Basen, veränderten Basen, falschen Basenpaarungen, Insertion oder Deletion von Nucleotiden und Strangbrüchen. Mehr zu Ursachen von DNA-Schäden kannst Du auf StudySmarter nachlesen.


Welche Arten von DNA-Schäden gibt es? 


Die wichtigsten DNA-Schäden sind folgende: 

Dimerisierung


Bei Bestrahlung mit UV-Licht können benachbarte Basen eine Strangs Verbindungen eingehen. Diese chemische Reaktion wird Dimerisierung genannt und kommt häufig bei Thymin vor.


Hier eine Darstellung, damit du dir vorstellen kannst wie die Dimerisierung aussieht: 


                                   


Abbildung 1: Ablauf der Dimerisierung; Quelle via spektrum.de


Methylierung


Bei der Methylierung werden die Stickstoffbasen mit Methyl-Resten modifiziert. Diese Reaktion wird als Alkylierung bezeichnet und wird durch verschieden Substanzen verursacht. Diese kann endo- oder exogener Natur sein. Die entsprechenden Nucleotide mit Methyl-Resten paaren sich häufig falsch, wodurch es zu Mutationen kommt.

Depurinyrieung


Depurinyierung ist der Verlust von Purinbasen. Dies kann durch Wärme verursacht werden und führt zur Hydrolyse der Purinbasen.


Oxidation


Wie bereits erwähnt können DNA-Schäden durch Radikale, vor allem Sauerstoffradikale entstehen. Dabei entstehen zahlreiche Basenmodifikationen.


Strangbrüche


Doppelstrangbrüche der DNA-Doppelhelix können ebenfalls durch freie Radikale entstehen.


DNA-Reperaturvorgänge


Zellen sind häufig von Mutationen und DNA-Schäden betroffen. Glücklicherweise haben sich im Laufe der Evolution Mechanismen entwickelt, die defekte Stellen mithilfe von Enzymen reparieren. 


Es gibt folgende Reperaturvorgänge, die wir dir näher bringen werden.


Exzisions-Reparatur


Bei der Exzisions-Reparatur, der sogenannten Ausschneidungsreparatur wird der fehlerhafte DNA Abschnitt mit Hilfe von dem Enzym Nuklease herausgeschnitten. Die ursprüngliche Nukleotidsequenz ersetzt diesen Abschnitt dann. Es gibt folgende zwei Exzisions-Reparaturen:


                                                       

Abbildung 2: Ablauf der Exzisions-Reperatur; Quelle via spektrum.de


Wie die beiden Reparaturvorgänge der Exzisions-Reperatur ablaufen, erkläre wir dir jetzt.


Basenexzisionsreparatur (BER)


Die Basenexzisionsreparatur behebt Fehler in der Basenpaarung der beiden DNA-Stränge. Die Schäden werden durch die spezifische DNA-Glykolase erkannt und entfernt. Anschließend wird durch eine AP-Endonuklease die Lücke erkannt.  Sie schneidet zusammen mit einer Phosphodiesterase Desoxyribose und Phosphate heraus. Daraufhin synthetisiert DNA-Polymerase die korrekte Base abhängig von der komplementären Base auf dem fehlerfreien Strang. Eine DNA-Ligase verknüpft diese dann mit dem  bestehenden Strang. Dadurch wird der Fehler korrigiert.


Die Basenexzisionsreparatur findet oft bei der sogenannten Desaminierung statt. Da befindet sich z.B. statt Cytosin ein Uracil in der DNA.


Nukleotidexzisionsreparatur (NER)


Bei der Nukleotidexzisionsreparatur werden nicht einzelne Basen, sondern Veränderungen der DNA-Konformation, erkannt. Anschließend werden größere Abschnitte des Einzelstrangs entfernt und neusynthetisiert. Unabhängig von der Art des Schadens wird immer ein Segment von 24-32 Nukleotiden aus dem beschädigten Strang entfernt. Hierfür verantwortlich ist der Transkriptionsfaktor TFIH. Da es sich hierbei um einen Transkriptionsfaktor handelt, findet diese DNA-Reperatur meist an aktiven und gerade transkribierten Genen statt. Die Lücke wird dann durch DNA-Polymerasen und DNA-Ligasen geschlossen.


Was passiert wenn dieser Reparaturvorgang defekt ist?  Es gibt Krankheiten bei dem dieser Reparaturvorgang defekt ist. Du kannst dir die Erkrankung Xeroderma pigmentosum merken. Die Betroffenen sind anfälliger für Hautkrebs, da sie sehr empfindlich auf UV-Strahlung reagieren. 


Postreplikations-Reparatur


Bei der Postreplikations-Reparatur werden fehlerhafte Stellen in der DNA bei der Replikation ausgelassen. Die nichtreparierten Nucleotide können durch Enzyme der Replikation umgangen werden. Dabei beenden DNA-Polymerasen die Replikation an der fehlerhaften Stelle und nehmen die DNA-Synthese nach einem gewissen Abstand wieder auf. So entsteht ein DNA-Doppelstrang mit mehreren Lücken. Die Lücken in der DNA werden dann durch Rekombination mit intakten DNA-Abschnitten repariert.


Fotoreaktivierung


Bei der Fotoreaktion beseitigt ein Enzym unter Aufnahme von Licht die durch UV-Licht ausgelöste Dimerisierung von Thyminbasen rückgängig. Diese würde nämlich zu einem Stopp der Replikation führen. Für die Fotoreaktivierung bindet das Enzym Fotolyase an ein Thymin-Dimer und spaltet diese bei Bestrahlung mit Licht in die Monomore. Diese sind dann wieder fähig sich mit komplementären Basen zu paaren.


Die Enzyme die hierfür zuständig sind, heißen DNA-Fotolyasen. Sie werden bei Licht aktiviert und können beispielsweise Thymin-Dimere oder Methylierung der Nucleotide reparieren. Die überschüssige Methylgruppe wird durch Methyltransferasen gebunden, sodass die DNA-Base wieder in ihrem ursprüngliche Zustand ist. 


Dieser Reparaturvorgang existiert übrigens nicht bei Menschen, da wir keine Fotolyasen besitzen.


Um Dir die Fotoreaktivierung besser vorstellen zu können, schau Dir am Besten diese Darstellen an:


                                                   

Abbildung 3: Ablauf der Fotoreaktivierung; Quelle via doccheck.de



SOS-Reparatur


Die SOS-Reparatur kommt bei Bakterien wie Escherichia coli vor. Sie wird nur bei extremen Notfallsitutation (intensive UV-Bestrahlung) induziert, da sie fehlerhaft verläuft. 


Als Folge einer DNA-Schädigung kommt eine einzelsträngige DNA vor. Dabei wird recA-Protein aktiviert. Dies spaltet und inaktiviert verschiedene Repressorproteine, die Expression von Genen ermöglichen, die an der DNA-Reparatur beteiligt sind. 


Unter anderem codieren sie für Endonucleasen. Die Endonuclease zerschneidet den DNA-Strang dann beidseitig an einer Schädigung. An dieser Stelle werden dann beliebige Nucleotide als komplementär eingesetzt. Auf diese Weise kann die Replikation weiterlaufen. Dieser Reperaturmechanismus wird jedoch nur in Notfallsituationen induziert, da hier eine erhöhte Mutationsrate besteht.


Warum sind Reparaturvorgänge so wichtig?


DNA-Schäden, die nicht repariert werden führen zu Sequenzänderung. Dadurch kann die DNA-Synthese falsch oder überhaupt nicht ablaufen. Als Folge können wichtige Chromosomenbereiche fehlen, die Zellfunktionen gestört sein und Tumore entstehen. Das Erkennen und Beseitigen der DNA-Schäden durch die Reperaturvorgänge ist daher sehr wichtige für jede Zelle.


Reparaturvorgänge der DNA - Das Wichtigste auf einen Blick!


  • DNA-Schäden und Veränderungen können entstehen durch UV-Bestrahlung, Mutagene und freie Radikale. Die wichtigsten Schäden sind folgende: die Dimersierung durch UV-Bestrahlung, Methylierung, Depurynierung, Oxidation und Strangbrüche der DNA. Reperaturvorgänge der DNA sorgen dafür, dass diese DNA-Schäden behoben werden.


  • Es gibt zwei verschieden Exzisionsreparaturen: die Basenexzisionsreparatur und die Nukleotidexzisionsreparatur. Bei der Basenexzisionreparatur werden Fehler der Basenpaarung behoben. Die fehlerhafte Base wird heraus geschnitten und neu synthetisiert. Bei der Nukleotidexzisionsreparatur hingegen DNA-Konformationen behoben. Hierfür werden größere Abschnitte entfernt und neu synthetisiert.


  • Durch die Postreplikations-Reparatur werden fehlerhafte Stellen an der DNA bei der Replikation ausgelassen. Dafür hören die DNA-Polymerase an der fehlerhaften mit Replikation auf und setzen sie nach einem gewissen Abstand fort. Dadurch entsteht ein Strang mit Lücken. Die Lücken werden dann erkannt und durch Rekombination behoben. 


  • Bei der Fotoreaktivierung macht ein Enzym namens Fotolyase die Dimerisierung von Thyminbasen rückgängig. Dieses Enzym wird durch Licht aktiviert. 


  • Die SOS-Reparatur kommt bei extremen Notfallsituationen zum Einsatz. Das kann z.B. intensive UV-Bestrahlung sein. Hierbei werden Endonucleasen aktiviert. Diese schneiden den DNA-Strang beidseitig an einer Schädigung. Hier werden anschließend beliebige Nucleotide eingefügt, sodass die Replikation weiterlaufen kann. Dieser Reparaturvorgang verläuft fehlerhaft, weswegen 


  • Reparaturvorgänge sind sehr wichtig für jede Zelle, denn sie verhindern, dass sich DNA-Schäden auf die DNA-Synthese bzw. Replikation auswirken. Fehlerhafte DNA kann zur Störungen der Zellfunktion, Mutation und bis Tumorentstehung führen.



FERTIG! 

Jetzt hast du einen Überblick über die Reparaturvorgänge, einen wichtigen Teil der Genetik. Dennoch gibt es zahlreiche weitere Themen in der Genetik, die du kennen solltest, wenn Du die Genetik gut kennen willst. Weitere Artikel und wichtige Themen findest du auf StudySmarter.

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