Mutationen

UV-Strahlung und ionisierende Strahlung als Mutagene

UV-Strahlung verknüpft benachbarte Pyrimidinbasen zu Dimeren, ionisierende Strahlung oxidiert Basen und bricht Stränge, meist über Radikale aus Wasser.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Ein Pyrimidindimer ist eine durch UV-Strahlung entstandene kovalente Verknüpfung zweier benachbarter Pyrimidinbasen desselben DNA-Strangs, meist als Thymindimer.
  • UV-B wirkt hauptsächlich über einen Cyclobutanring zwischen den C5- und C6-Atomen benachbarter Thymine, auch UV-A ist mutagen.
  • Thymindimere knicken die Helix, stören die Paarung mit Adenin und führen zu Punkt- und Leserastermutationen.
  • Infrarot ist zu energiearm und bildet in der Regel keine Thymindimere.
  • Ionisierende Strahlung erzeugt durch Radiolyse von Wasser Hydroxylradikale, die Basen verändern und Strangbrüche verursachen.

Worum es geht

Sonnenlicht und Röntgenstrahlen verändern die DNA auf ganz verschiedene Weise. UV-Strahlung verknüpft Basen miteinander, ionisierende Strahlung zerschlägt Moleküle. Das erklärt den Hautkrebs nach häufigem Sonnenbrand ebenso wie die zellschädigende Wirkung der Strahlentherapie.

UV-Strahlung und Pyrimidindimere

Strahlung ist wie viele Chemikalien ein Mutagen. UV-Strahlung löst vor allem Punkt- und Leserastermutationen aus. Mutagen wirken sowohl UV-B (280 bis 315 nm) als auch UV-A (315 bis 400 nm).

UV-B wird direkt von den Basen absorbiert. Liegen zwei Pyrimidinbasen im selben Strang nebeneinander, öffnet die Energie ihre C5=C6-Doppelbindungen. Es entsteht ein Cyclobutanring, der beide Basen kovalent verbindet. Das Produkt heißt Pyrimidindimer. Am häufigsten trifft es zwei Thymine, dann spricht man vom Thymindimer.

Strukturformeln zweier übereinanderliegender Thymine, die durch UV-Licht über einen Vierring zwischen ihren C5- und C6-Atomen verbunden werden.

Bildung eines Cyclobutan-Thymindimers aus zwei benachbarten Thyminen durch UV-B.

Das Dimer wirkt wie eine verklebte Stelle im Reißverschluss. Die Helix knickt ab, und die beiden Thymine paaren nicht mehr sauber mit den gegenüberliegenden Adeninen. Die Polymerase liest die Stelle bei der Replikation falsch oder überspringt sie. So entstehen Basenaustausche und Leserasterverschiebungen. Wie die Zelle Dimere beseitigt, zeigt die DNA-Reparatur.

Schema einer DNA-Doppelhelix, in der zwei benachbarte Thymine eines Strangs verbunden sind und die Helix an dieser Stelle abknickt.

Ein Thymindimer verbiegt die Doppelhelix und stört die Basenpaarung.
🎯 Examensrelevant: Lage des Thymindimers

Wird im Examen gerne gefragt: Das Thymindimer verknüpft zwei benachbarte Thymine desselben Strangs, nicht zwei Basen gegenüberliegender Stränge. UV-B wirkt hauptsächlich über diese Dimerisierung.

Infrarot erzeugt in der Regel keine Thymindimere. Seine Energie reicht nicht, um Doppelbindungen zu öffnen, es erwärmt nur. UV-B knüpft eine neue Bindung, statt bestehende zu lösen. Die N-glykosidische Bindung, die Phosphodiesterbindung und die Wasserstoffbrücken der Basenpaare bleiben dabei weitgehend intakt, und Thymin wird nicht demethyliert. Auch Translokationen sind nicht der Weg, über den UV mutagen wirkt.

Ionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlung wie Röntgen- oder Gammastrahlung ist so energiereich, dass sie Elektronen aus Molekülen herausschlägt. Sie kann die DNA direkt treffen und dort Bindungen zerbrechen. Viel häufiger trifft sie Wasser, denn Zellen bestehen überwiegend daraus.

Bei dieser Radiolyse entstehen reaktive Sauerstoffspezies, vor allem das Hydroxylradikal \(^{\bullet}\mathrm{OH}\). Die Radikale oxidieren Basen und greifen den Zucker an. Die Folgen sind Basenveränderungen sowie Einzel- und Doppelstrangbrüche. Beides kann Mutationen auslösen.

Schema: Ein Strahl trifft entweder direkt die DNA oder ein Wassermolekül, aus dem ein Hydroxylradikal entsteht, das Basen oxidiert und Strangbrüche verursacht.

Direkte und indirekte Wirkung ionisierender Strahlung auf die DNA.

Anders als UV-B, das gezielt benachbarte Pyrimidine verknüpft, schädigt ionisierende Strahlung die DNA ungezielt. Sie zerstört dabei auch das Zucker-Phosphat-Rückgrat.

Quiz

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Aussage 1

Ionisierende Strahlung schädigt DNA zu einem großen Teil indirekt über Hydroxylradikale, die bei der Radiolyse von Wasser entstehen.

Die Strahlung trifft meist Wasser. Die entstehenden reaktiven Sauerstoffspezies oxidieren Basen und verursachen Strangbrüche.

Aussage 2

Infrarotstrahlung ist der typische Auslöser von Thymindimeren in der Haut.

Infrarot ist zu energiearm, um die C5=C6-Doppelbindungen zu öffnen. Thymindimere entstehen vor allem durch UV-B.

Aussage 3

Ein Thymindimer verbindet ein Thymin kovalent mit einem Thymin des gegenüberliegenden Strangs.

Das Dimer verknüpft zwei benachbarte Thymine desselben Strangs über einen Cyclobutanring.

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