Endonuklease

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 18. November 2016
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Endonukleasen sind Enzyme, die DNA und RNA abbauen, ohne sie vollständig zu spalten. Die Gruppe der Endonukleasen umfasst verschiedene Enzyme, die jeweils substrat- und wirkungsspezifisch arbeiten.

Inhaltsverzeichnis

Was ist eine Endonuklease?

Bei Endonukleasen handelt es sich um verschieden Enzyme, die nicht nur im Menschen vorkommen, sondern in allen Lebewesen zu finden sind. Sie gehören zur übergeordneten Gruppe der Nukleasen. Endonukleasen bauen DNA oder RNA ab, ohne sie vollständig zu spalten.

Die DNA oder Desoxyribonukleinsäure ist ein komplexes Gebilde aus Zuckermolekülen (Desoxyribose) und Nukleinsäuren. Um die DNA zu bearbeiten, lösen die Endonukleasen die Phosphodiesterbindung zwischen den einzelnen Bausteinen. Die Phosphodiesterbindung hält die DNA und RNA am Rückgrat zusammen. Die Nukleotide von DNA und RNA besitzen einen Phosphorsäurerest. Er befindet sich am Zucker, dessen Grundgerüst einen Ring bildet.

Dieser Ring besitzt fünf Kohlenstoffatome; unter anderem am Kohlenstoffatom C5 sitzt eine OH-Gruppe, das heißt ein Verbund aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom. Das Kohlenstoffatom C5 und die OH-Gruppe bilden einen Ester der Phosphorsäure. Dieser Phosphorsäurerest erhält eine zweite Esterbindung, die aus dem Kohlenstoffatom C3 und der dazugehörigen OH-Gruppe besteht. Die entstandene Bindung stellt eine 3'-5'-Phosphodiesterbindung dar.

Funktion, Wirkung & Aufgaben

Endonukleasen tragen zur Bearbeitung der DNA und RNA bei. Die Nukleinsäuren Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin bilden den genetischen Code, der nicht nur bei der Vererbung Informationen an die nächste Generation weitergibt, sondern auch den Stoffwechsel der Zellen steuert.

Die Abfolge der verschiedenen Nukleinsäuren in der DNA kodiert die Reihenfolge, in der andere Enzyme – sogenannte RibosomenAminosäuren aneinanderketten. Aus diesen Ketten bestehen alle Proteine; von der Reihenfolge der Nukleinsäuren in der DNA hängt dementsprechend die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein ab – was wiederum die Gestalt und Funktionsweise des Proteins bestimmt.

Die Biologie bezeichnet die Übersetzung des genetischen Codes in Aminosäureketten als Translation. Die Translation findet in den Zellen des menschlichen Körpers außerhalb des Zellkerns statt – die DNA befindet sich jedoch ausschließlich innerhalb des Zellkerns. Deshalb muss die Zelle eine Kopie der DNA erstellen. Als Zuckermolekül kommt in der Kopie nicht Desoxyribose, sondern Ribose zum Einsatz. Deshalb handelt es sich um eine RNA. Die Produktion der RNA heißt in der Biologie auch Transkription und benötigt Endonukleasen.

Im Rahmen der Translation müssen verschiedene Enzyme die Kette der Nukleotide verlängern. Die teilweise Spaltung durch Endonukleasen macht dies ebenfalls möglich. Die gleiche Funktion haben Endonukleasen auch bei der Replikation, wenn eine Kopie der DNA im Rahmen der Zellteilung erforderlich ist.

Bildung, Vorkommen, Eigenschaften & optimale Werte

Die Endonukleasen sind wie alle Enzyme Proteine, die aus Ketten von Aminosäuren bestehen. Alle Aminosäuren haben das gleiche Grundgerüst: Sie bestehen aus einem zentralen Kohlenstoffatom, an das sich eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, ein einzelnes Wasserstoffatom, ein α-Kohlenstoffatom und eine Restgruppe binden. Der Rest ist für jede Aminosäure charakteristisch und entscheidet darüber, welche Wechselwirkungen sie mit anderen Aminosäuren und weiteren Stoffen eingehen kann.

Die eindimensionale Struktur der Enzyme in Form ihrer Aminosäurekette bezeichnet die Biologie auch als Primärstruktur. Innerhalb der Kette entstehen Faltungen; andere Enzyme katalysieren diesen Vorgang. Die räumliche Ordnung wird dabei durch Wasserstoffbrücken stabilisiert, die sich zwischen den einzelnen Bausteinen bilden. Diese Sekundärstruktur kann sowohl als α-Helix als auch als β-Faltblatt in Erscheinung treten. Die Sekundärstruktur des Proteins faltet sich weiter und nimmt komplexere Form an. Hierbei spielen die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Aminosäureresten die entscheidende Bedeutung.

Aufgrund von biochemischen Eigenschaften der jeweiligen Reste entsteht schließlich die Tertiärstruktur. Erst in dieser Form hat das Protein seine endgültigen Eigenschaften, die maßgeblich von der räumlichen Form abhängen. Bei einem Enzym gehört zu dieser Gestalt das aktive Zentrum, wo die eigentliche Enzymreaktion stattfindet. Im Fall von Endonukleasen reagiert das aktive Zentrum mit DNA oder RNA als Substrat.

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Krankheiten & Störungen

Endonukleasen spielen bei der Reparatur der DNA eine wichtige Rolle, da sie ihre Ketten aufspalten. Die Reparatur ist notwendig, wenn die DNA zum Beispiel durch Strahlung oder chemische Substanzen Schaden erlitten hat. Bereits UV-Licht kann diese Wirkung haben.

Eine erhöhte Dosis von UV-B-Strahlung hat zur Folge, dass es zu Häufungen von Thymin-Dimeren im DNA-Strang kommt. Sie verformen die DNA und führen nachfolgend zu Störungen in der Verdopplung der DNA: Das Enzym, das die DNA bei der Replikation ausliest, kommt an der Verformung durch Thymin-Dimere nicht vorbei und kann seine Arbeit deshalb nicht fortsetzen.

Menschliche Zellen verfügen über verschiedene Reparatur-Mechanismen. Bei der Excisionsreparatur kommen Endonukleasen zum Einsatz. Eine spezialisierte Endonuklease ist in der Lage, Thymin-Dimere und andere Schäden zu erkennen. Sie zerschneidet den betroffenen DNA-Strang zweimal, sowohl vor als auch nach fehlerhaften Stelle. Der Dimer ist dadurch zwar entfernt, jedoch entsteht dadurch eine Lücke im Code. Ein anderes Enzym, die DNA-Polymerase, muss anschließend die Lücke füllen. Als Vergleich zieht sie den komplementären DNA-Strang heran und ergänzt die entsprechenden Basenpaare, bis die Lücke gefüllt und der beschädigte DNA-Strang wieder hergestellt ist.

Diese Reparatur ist keine Seltenheit, sondern ereignet sich täglich vielfach im Körper. Bei Störungen im Reparaturprozess kann es zu verschiedenen Störungen kommen, zum Beispiel zur Hautkrankheit Xeroderma pigmentosum. Bei dieser Erkrankung reagieren Betroffene übermäßig empfindlich auf Sonnenlicht, denn die Zellen können UV-Schäden nicht reparieren.

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