Basenpaarung

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 31. Mai 2017
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Ein Basenpaar besteht aus zwei Nukleobasen, welche sich in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Ribonukleinsäure (RNA) gegenüberliegen, aneinander binden und mit Hilfe von Wasserstoffbrϋcken den Doppelstrang bilden. Dies ist die genomische Information eines Organismus und beinhaltet die Gene. Eine fehlerhafte Basenpaarung kann zu Mutationen führen.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Basenpaarung?

Ein Basenpaar besteht aus Nukleobasen. Dabei handelt es sich um ein Element der DNA oder RNA. Diese Nukleobasen wiederum bilden zusammen mit Phosphorsäure oder Phosphat und der Desoxyribose, einem Zucker, das Nukleotid (die Base).

Die Phosphorsäure und die Desoxyribose sind bei jedem Nukleotid gleich, sie bilden das Rückgrat der DNA. Die Base und die Desoxyribose werden als Nukleosid bezeichnet. Der Phosphatrest fϋhrt dazu, dass die DNA negativ geladen ist und zudem hydrophil ist, es kommt zu einer Wechselwirkung mit Wasser.

Nukleotide unterscheiden sich lediglich in der Base. Es werden fϋnf Basen unterschieden, je nachdem, ob sie Bestandteile der DNA oder RNA darstellen. Bei den Basen handelt es sich um Adenin (A) und Guanin (G), diese gehören zu den Purinen. Thymin (T), Cytosin (C) und Uracil (U) sind Pyrimidine. Purine sind heterocyclische organische Verbindungen, während Pyrimidine heterocylcische, aromatische, organische Verbindungen sind.

In der DNA kommt es zur Basenpaarung von Adenin und Thymin (A-T), sowie von Guanin und Cytosin (G-C). Bei der RNA dagegen entsteht eine Basenpaarung zwischen Adenin und Uracil (A-U) sowie zwischen Guanin und Cytosin (G-C). Diese Basenpaarung wird als komplementär bezeichnet.

Die Paarungen werden durch Wasserstoffbrϋcken erzeugt. Dabei handelt es sich um die Wechselwirkung zwischen einem Wasserstoffatom mit einem freien Elektronenpaar eines weiteren Atoms. Das Wasserstoffatom ist hierbei kovalent gebunden. Dies ist eine chemische Bindung, bei der es zu einer Wechselwirkung zwischen den Valenzelektronen von einem Atom und dem Atomkern eines weiteren Atoms kommt. Die Basenpaarungen werden zudem als Gröβenmaβ für die DNA verwendet: 1bp entspricht einem und 1kb entspricht 1000 Basenpaaren oder Nukleotiden.

Funktion & Aufgabe

Die Basenpaarung hat wesentliche Funktionen fϋr die Struktur der DNA. Die DNA kommt als Doppelhelix vor. Die räumliche Anordung der Doppelhelix wird dabei als B-DNA, eine rechtsgängige doppelstrangige Helix, die im Gegensatz zur A-Form eine entspanntere Anordnung besitzt, bezeichnet.

Bei der Basenpaarung von Adenin und Thymin kommt es zur Ausbildung von zwei Wasserstoffbrϋcken. Dagegen entstehen bei der Paarung von Guanin und Cytosin drei Wasserstoffbrϋcken. Aufgrund der Basenpaarung zwischen einem Purin und eines Pyrimidin, ist der entstehende Abstand zwischen den beiden DNA-Strängen immer gleich. Es kommt zu einer regelmäβigen Struktur der DNA, wobei der Durchmesser der DNA-Helix 2nm beträgt. Eine vollständige Drehung von 360° innerhalb der Helix erfolgt alle 10 Basenpaare und ist 3,4 nm lang.

Die Basenpaarung spielt zudem eine wichtige Rolle bei der Replikation der DNA. Die DNA-Replikation wird in Initiationsphase, Elongationsphase und Terminationsphase gegliedert. Dies geschieht bei der Zellteilung. Die DNA wird von einem Enzym, der DNA-Helicase entwunden. Die Doppelstränge werden voneinander getrennt und eine DNA-Polymerase setzt sich an einen DNA-Einzelstrang und beginnt an jedem Einzelstrang einen komplementären DNA-Strang herzustellen. Dadurch entstehen zwei neue DNA-Einzelstränge, welche eine neue DNA-Doppelhelix bilden.

Durch die komplementäre Basenpaarung wird die Struktur der neu synthetisierten DNA-Doppelhelix sichergestellt. Zusätzlich spielt die Basenpaarung eine wesentliche Rolle bei der Proteinbiosynthese. Diese wird in Transkription und Translation unterteilt. Bei der Transkription wird die DNA-Doppelhelix entwunden und die komplementären Stränge werden voneinander getrennt. Dies geschieht ebenfalls durch das Enzym Helicase.

Die RNA-Polymerase bindet an einen Einzelstrand der DNA und bildet komplementär zu diesem die RNA. Bei der RNA wird Uracil anstatt von Thymin eingesetzt und sie besitzt im Vergleich zur DNA einen sogenannten polyA-Schwanz. RNA endet immer in einer Aneinanderreihung von Adenin. Die RNA bleibt zudem ein Einzelstrang und dient während der Translation der Synthese eines Proteins. Die Art des Proteins hängt dabei von dem jeweiligen Gen ab, das abgelesen wurde und als Vorlage für die Proteinbiosynthese verwendet wurde.

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Krankheiten & Beschwerden

Erwin Chargaff stellte fest, dass die Anzahl der Basen Adenin und Thymin als auch von Guanin und Cytosin 1:1 beträgt. James D. Watson und Francis Harry Compton Crick fanden schlieβlich heraus, dass es zu einer komplementären Basenpaarung von Adenin und Thymin als auch von Guanin und Cytosin kommt. Dies wird als Watson-Crick-Paarung bezeichnet.

Es kann jedoch durch verschiedene Störungen zu ungewöhnlichen Basenpaarungen kommen, wie der Reverse-Watson-Crick-Paarung. Eine weitere fehlerhafte From der Basenpaarung ist die Wobble-Paarung. Dabei handelt es sich um Paarungen entgegen der Watson-Crick-Paarung wie G-U, G-T oder A-C. Diese Fehler können bei der DNA-Replikation vorkommen und müssen dann durch DNA-Reparatur beseitigt werden.

Durch fehlerhafte Basenpaarungen kann es zu Mutationen kommen. Diese Mutationen müssen nicht schädlich sein. Es gibt sogenannte stille Muationen, bei denen ein Basenpaar mit einem anderen Paar ausgetauscht wird, es aber keine funktionalen oder strukturellen Störungen für das synthetisierte Protein zur Folge hat. Im Fall der Sichelzellenanämie ist jedoch eine Mutation der Grund für die Bildung von nicht-funktionsfähigen roten Blutkörperchen. Die Mutation betrifft direkt das Hämoglobin, welches für den Sauerstofftransport im Blut zuständig ist. Es kommt zu schweren und lebensbedrohlichen Durchblutungsstörungen und einer Blutarmut.

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