DNA

DNA – Funktion

Die DNA hat essenzielle Aufgaben im Körper und in den Zellen.

• Speicherung Erbgut
• enthält Bauplan des Körpers

Diese ist die Speicherung unseres Erbguts, also der Erbinformation. Sie enthält also den Bauplan unseres Körpers und wichtige Informationen zur Entwicklung und Funktion jeder Körperzelle. Diese Informationen liegen auf der DNA in Form eines Codes vor. Dieser Code, man spricht hier auch vom genetischen Code, ergibt sich aus der Abfolge (Sequenz) in der die vier organischen Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin angeordnet sind.

Die DNA ist jedoch kein reines Speichermolekül. Die in ihr hinterlegte Information kann – wie Passagen oder Seiten in einem großen Buch – auch gelesen werden. Damit nicht immer die gesamte DNA durchstöbert werden muss, sind wichtige Informationen in sogenannten Genen zusammengefasst. Ein Gen enthält alle Informationen, die für die Herstellung eines oder mehrerer Proteine notwendig sind.

Das DNA-Modell

Die DNA wurde bereits Ende des 19. Jahrhunderts durch den Schweizer Arzt Friedrich Miescher entdeckt. Er isolierte die Nukleinsäure aus Eiter, den er auf entsorgten Bandagen fand.

Die Nukleobasen der DNA waren schnell identifiziert. Es sollte jedoch bis 1929 dauern, bis der amerikanische Biochemiker Phoebus Levene die Desoxyribose als Zucker der DNA ausmachte. In den folgenden Jahren wurde teils heftig über die räumliche Anordnung und die eigentliche Funktion der DNA diskutiert.

Selbst als die Aufgabe der DNA nicht mehr angezweifelt wurde, blieb ihre räumliche Struktur im Dunkeln. Den Durchbruch schafften erst die Forschenden Rosalind Franklin, James Watson und Francis Crick im Jahre 1953. Sie konnten anhand von Röntgenbildern die Struktur der DNA bestimmen und beschrieben sie in ihrem Modell.

Das DNA-Modell nach Watson und Crick

Die beiden Forscher entwickelten, mit Unterstützung der englischen Chemikerin Rosalind Franklin, ihr Watson-Crick-Modell der DNA in der Zelle. Es schlussfolgerte, dass die DNA eine schraubenförmige Struktur mit komplementären Nukleinsäuresträngen einnimmt.

Die Nukleinsäurestränge bestehen aus einzelnen Nukleotideinheiten, die über ein Phosphatrückgrat verbunden sind. Ein Nukleotid besteht aus einer organischen Base, der Desoxyribose und einem Phosphatrest.

Zusammen mit der Regel von Erwin Chargaff und den Röntgenaufnahmen von Rosalind Franklin schlossen sie daraus, dass die Basen in der Doppelhelix nach innen zeigten.

Die gegenüberliegenden Basen der Nukleinsäurestränge mussten sich also paaren. Diese Paarung in der Doppelhelix erfolgt komplementär und gegenläufig (antiparallel).

Abbildung 1: Doppelhelix der DNA

DNA – Aufbau

Die DNA ist aus mehreren Bausteinen zusammengesetzt. Diese Bausteine sind:

• ein Phosphatrest,
• der Zucker Desoxyribose,
• eine von vier organischen Basen.

Je nach Zusammensetzung kannst du zwischen zwei Einheiten unterscheiden:

Desoxyribose + eine Base = Nukleosid

Desoxyribose + eine Base + ein Phosphatrest = Nukleotid

Abbildung 2: Unterscheidung Nukleosid und Nukleotid

Das Rückgrat der DNA

Die einzelnen Bausteine der DNA sind über die Phosphatreste miteinander verbunden. Dieses sogenannte Rückgrat sorgt für eine ausreichende Stabilität der Doppelhelix. Da der Phosphatrest über die Ribose an die Base gekoppelt ist, wird das Gerüst der DNA auch als Zucker-Phosphat-Rückgrat bezeichnet.

Die Basen der DNA

Wie du bereits gelesen hast, findest du vier unterschiedliche organische Basen in der DNA:

• Adenin (A)
• Thymin (T)
• Guanin (G)
• Cytosin (C)

Häufig kürzt man diese nur mit ihrem Anfangsbuchstaben ab. Die Basen der beiden Stränge der Doppelhelix liegen sich dabei gegenüber. Sie bilden untereinander Wasserstoffbrücken aus. Diese können jedoch nur zwischen den passenden Basen aufgebaut werden: zwischen Adenin und Thymin und zwischen Guanin und Cytosin. Diese Basen bezeichnet man als komplementär.

Wenn du also die Basenabfolge des einen Stranges kennst, kennst du automatisch auch die des gegenüberliegenden, komplementären DNA-Stranges der Doppelhelix. Diese Erkenntnis ist in der oben erwähnten Regel von Erwin Chargaff zusammengefasst.

Struktur von DNA Doppelstrang

Der DNA-Strang besteht aus dem Zucker-Phosphat-Rückgrat an, dessen Seite die organischen Basen herausragen. In der Doppelhelix befinden sich die Basen in der Mitte zwischen den Rückgraten der DNA-Stränge. So können sich die passenden Basen gegenüber anlagern. Den sogenannten Polynukleotidstrang kann man sich wie eine Strickleiter vorstellen. Dieser Strang liegt als Helix vor, windet sich also wendeltreppenartig. Dabei gibt es etwa 10,4 Basenpaare pro Windung.

Abbildung 3: Aufbau der DNA

Die Verpackung der DNA

Die DNA ist ein ziemlich langes Molekül. Würdest du sie komplett auslegen, hätte sie eine Länge von etwa zwei Metern! Unsere Zellkerne sind jedoch nur einige Mikrometer groß. Wie passt die ganze DNA als dort hinein?

Die Antwort: Sie wird stark komprimiert, was man auch als Verpackung bezeichnet. Die DNA-Doppelhelix wird auf sogenannte Histone, spezielle Proteine, aufgewickelt. Histone, auf denen ein DNA-Abschnitt aufgewickelt wurde, nennt man Nukleosomen. Diese Nukleosomen bilden sich entlang der DNA-Doppelhelix – die Nukleosomenkette entsteht.

Die Nukleosomenkette wird weiter zum Chromatin komprimiert. Dieser Chromatinfaden hat eine charakteristische Breite von etwa 30 Nanometern. Das Chromatin kann weiter spiralisieren und windet sich letztlich zu einer kompakten Struktur: dem Chromosom. Die X- beziehungsweise Y-förmigen Chromosomen treten jedoch nur während der Metaphase der Kernteilung auf. Sonst liegt die DNA zwar auf Histone gepackt, aber nicht zu Chromosomen verdichtet im Zellkern vor.

Chromosomen der DNA

Die Chromosomen sind die am höchsten aufgewickelte (kondensierte) Form der DNA in der Zelle. Jeder Mensch besitzt in seinen Körperzellen einen Chromosomensatz von 46 Chromosomen, davon sind 44 Autosomen und 2 Geschlechtschromosomen, die Gonosomen. Die Gesamtheit der zellulären DNA wir auch als Genom bezeichnet. Die Hälfte des Chromosomensatzes wird dann an die Nachfolger weitergegeben, wobei sich die Chromosomen rekombinieren können. So entsteht eine hohe genetische Rekombinationsmöglichkeit.

Der genetische Code der DNA

Wie du bereits gelernt hast, liegt die genetische Information, die die DNA trägt, in verschlüsselter Form vor. Diese Verschlüsselung der Erbinformation nennt man den genetischen Code. Der genetische Code besteht aus der Abfolge (Sequenz) der einzelnen organischen Basen der DNA. Mit der reinen Sequenz kannst du jedoch noch nicht viel anfangen.

Hier musst du den Schlüssel des Codes beachten: Drei Basen der DNA codieren immer für eine Aminosäure. Die Aminosäuren sind die Grundbausteine, aus denen sich Proteine zusammensetzen. Das heißt: Die DNA-Sequenz wird in Aminosäuren übersetzt, die dann zu Proteinen zusammengebaut werden.

Die drei Basen bezeichnet man als Triplet. Der genetische Code der DNA besitzt folgende Eigenschaften:

Er ist:

• Überlappungsfrei: Die Basen bzw. Triplets überlappen sich nicht.
• Kommafrei: Es gibt keine Trennung zwischen den einzelnen Triplets.
• Universell: Er ist bei fast allen Organismen identisch.
• Redundant: Eine Aminosäure kann durch unterschiedliche Triplets gebildet werden.

Die Gene der DNA

Die Informationen, die die DNA trägt, sind in kleinere Pakete unterteilt: die Gene. In der Regel enthält ein Gen alle Informationen, die für die Herstellung eines Proteins nötig sind. Ein Mensch besitzt etwa 22 500 Gene. Die Anzahl der Gene macht jedoch keine Aussage darüber, wie weit entwickelt ein Organismus ist. In der folgenden Tabelle findest du eine Übersicht über die Genome und Genzahlen einiger Organismen.

Organismus	Anzahl der Gene	Größe des Genoms (Basenpaare)
Gemeiner Wasserfloh	30 907
Acker-Schmalwand	>25 000
Mensch	22 500
Fruchtfliege	12 000
Bäckerhefe	6 000

DNA-Replikation

Einige Zellen teilen sich in unserem Körper und können sich so vervielfältigen. Bevor sich eine Zelle teilen kann, muss sie ihre DNA verdoppeln. Diesen Vorgang nennt man Replikation.

Abbildung 4: Schematische Darstellung der DNA-Replikation

Die Replikation der DNA erfolgt mit Hilfe zahlreicher Enzyme. Einige davon sind:

• die Topoisomerase, die den DNA-Doppelstrang entwindet,
• die Helicase, die die beiden DNA-Stränge teilt, und
• die DNA-Polymerase, die aus jedem der geteilten Stränge wieder einen Doppelstrang baut.

Da bei der Verdopplung der DNA je ein Strang des Ausgangsmoleküls in den beiden neu geschaffenen DNA-Molekülen erhalten bleibt, bezeichnet man die Replikation auch als semi-konservativ.

DNA in der Gentechnik

Vielleicht hast du schon den Begriff Gentechnik gehört. Als Gentechnik bezeichnet man ein Forschungsfeld, dass sich mit der gezielten Veränderung der DNA beschäftigt. Je nachdem, in welchem Bereich gentechnische Methoden angewandt werden, kannst du zwischen folgenden Arten der Gentechnik unterscheiden:

• Grüne Gentechnik: Veränderung von Pflanzen
• Rote Gentechnik: Gentechnik in Medizin und Pharmazie
• Weiße Gentechnik: Gentechnik in der Industrie
• Graue Gentechnik: Gentechnik in der Abfallwirtschaft
• Blaue Gentechnik: Veränderung von Meereslebewesen, vor allem Bakterien

Die DNA und die RNA

RNA steht für ribonucleic acid, also Ribonukleinsäure. Diese hat zwar einige Gemeinsamkeiten mit der DNA in der Zelle, es gibt jedoch auch ein paar Unterschiede.

Unterschiede der DNA und RNA

DNA steht für Desoxyribonukleinsäure, RNA jedoch nur für Ribonukleinsäure. Doch was heißt das jetzt? Die Ribose der RNA verfügt über ein zusätzliche Hydroxygruppe (-OH) an der zweiten Position des fünfatomigen Zuckerrings. In der DNA befindet sich hier nur ein Wasserstoffatom. Daher wird die Ribose der DNA auch als Desoxyribose bezeichnet – ihr fehlt im Vergleich zur zeitlich früher entdeckten Ribose der RNA ein Sauerstoffatom.

In der RNA kommt auch statt Thymin die Base Uracil vor. Zudem liegt die RNA meist einzelsträngig vor und ist weniger stabil als die DNA.

Abbildung 5: Vergleich zwischen RNA und DNA

Verschiedene Formen der DNA

Die DNA ist in der Regel ein doppelsträngiges Molekül, das in einer Doppelhelix vorliegt. Bei eukaryotischen Zellen, also Pflanzen- und Tierzellen, befindet sie sich im Zellkern und lässt sich in Chromosomen organisieren. In Viren und Bakterien liegt sie jedoch in anderer Form vor.

Virale DNA

Die DNA eines Virus liegt in seiner Kapsid-Hülle. Dort kommt sie entweder in Ringform oder als Strang vor. Sie kann bei Viren auch einzelsträngig sein. Die DNA wird vom Virus in eine Zelle eingeschleust, um dort abgelesen zu werden. Dadurch entstehen neue Viren und die Körperzelle stirbt letztlich ab. Nicht alle Viren nutzen jedoch die DNA als Erbgut. Es existieren auch unzählige RNA-Viren, wie zum Beispiel das Coronavirus SARS-CoV2.

Bakterielle DNA

Im Gegensatz zur DNA in unseren Körperzellen liegt die DNA im Bakterium frei im Zytoplasma. Das Bakterium besitzt nämlich keinen Zellkern, in dem sie das Erbgut verpacken könnte. Die bakterielle DNA, auch Bakterienchromosom genannt, ist ringförmig. Zusätzlich enthalten einige Bakterien mehrere kleine ringförmige DNA-Moleküle, sogenannte Plasmide, die für zusätzliche Proteine codieren. Oft sind diese die Ursache für Antibiotikaresistenzen.

Mitochondriale DNA

Die mitochondriale DNA (mtDNA) stellt einen Sonderfall dar. Vielleicht hast du schon von der Endosymbiontentheorie gehört. Diese besagt, dass Mitochondrien ehemals Bakterien waren, die mit den eukaryontischen Zellen eine Symbiose eingegangen sind. Dazu passt die Tatsache, dass Mitochondrien, obwohl sie sich in unseren Zellen befinden, ein eigenes Erbgut aufweisen. Die dort enthaltenen Informationen sind notwendig zur Synthese der komplexen Proteine der Atmungskette. Die mitochondriale DNA ist auch ringförmig und liegt frei im Plasma der Mitochondrien vor.