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Historisches zur DNA

Erste Anfärbung der DNA und erste Lokalisation in der Zelle

Für den organischen Chemiker des 21. Jahrhunderts ist Wasser als Lösungsmittel eher die obskure Ausnahme. Für die belebte Natur ist es dennoch das Lösungsmittel. Alle chemischen Reaktionen der Zelle finden im wässrigen Milieu statt – sieht man von den Verhältnissen innerhalb der biologischen Makromoleküle einmal ab. Entsprechend dieser Tatsache ist Friedrich Miescher vorgegangen, indem er die Isolierung der DNA ausschließlich mit wässrigen Lösungen über die Veränderung des pH-Wertes vorgenommen hat. Die Tatsache, dass DNA eine schwache Säure ist, war bei den Fällungen natürlich extrem hilfreich.

Ähnlich sind alle Histologen vorgegangen, wenn sie nach Methoden suchten, die DNA in der Zelle sichtbar zu machen. Man hatte schon ausgangs des 19. Jahrhunderts - vor allem durch die überragenden Arbeiten von Paul Ehrlich - zahlreiche neue Farbstoffe gefunden, mit denen man Zellkompartimente selektiv anfärben konnte. Auch hier war es eine Kombination aus histologischen Erfahrungen und Zufall, die dazu führte, die DNA im Zellkern anzufärben. Die Pionierarbeit hat dabei der Gießener Biochemiker Robert Feulgen (1884-1955) mit seiner so genannten Feulgen-Färbung geleistet (Feulgen und Rosenberg, 1924). Er hat dabei zwei Eigenschaften der DNA ausgenutzt, lange bevor man die Reaktionen strukturell verstehen konnte.

  1. Durch Behandlung mit Säure werden selektiv die Purin-Basen abgespalten. Diese Reaktion war schon durch Miescher zur Isolierung der Purin-Basen genutzt worden. Es bildet sich die apurinische Säure, die jetzt eine freie Aldehyd-Gruppe enthält. Bei milder Säurebehandlung gelingt entsprechend Abb.1 die partielle Abspaltung der Purin-Base. Achtung: Die natürlichen Pyrimidin-Basen erlauben keine Lokalisation einer positiven Ladung auf dem N-glycosidischen Stickstoff und sind deshalb säurestabil. Erst nach Alkylierung des O2-Sauerstoffs im Cytidin gelingt die Abspaltung des Pyrimidins.
  2. Die Zugabe von Fuchsin, auch Basic Violett genannt, führt zur Bildung einer Schiff´schen Base mit der Aldehyd-Gruppe. Dabei wird das hydrophobe, farblose Fuchsin in die DNA interkaliert. Die Basenstapelkräfte unterstützen also die Reaktion. Es kommt zur Ausbildung einer rotvioletten Farbe auf Grund der neuen elektronischen Umgebung des Fuchsins (Charge Transfer).
Abb.1
Ablauf der Feulgen-Färbung innerhalb der doppelsträngigen DNA (R = Verlängerung nach 3` und 5`)

Das Feulgen-reagenz wird in der Darstellung von Chromosomen innerhalb der Zellen eingesetzt. So gelingt im studentischen Praktikum die Darstellung der Zellteilung und der Chromosomen-Segregation mit Hefezellen. Die Reaktion mit Fuchsin hat aber den großen Nachteil, dass es sich um eine irreversible Reaktion handelt. Heute benutzt man in der Gentechnik zur Anfärbung von DNA nach der Gelektrophorese den Farbstoff Ethidiumbromid. Hier ist die Interkalation reversibel; das Entfärben gelingt bereits mit Wasser. Abb. 2 zeigt ein in die DNA interkaliertes Ethidiumbromid-Molekül. Man beachte die hohe Flexibilität des DNA-Rückgrats. Der Abstand zwischen zwei Basen der DNA wird exakt verdoppelt. Durch Charge Transfer kommt es zur Ausbildung einer charakteristischen Fluoreszenz bei Anregung im ultravioletten Licht. Zu starke Bestrahlung führt sehr schnell zur Ausbildung kovalenter Bindungen und damit zu Mutationen.

Abb.2
Ethidiumbromid als Einlagerungskomplex mit der doppelsträngigen DNA.

Abb. nach D. Voet, J.G. Voet: Biochemie

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