Die DNA: Struktur, Funktion und Bedeutung des Lebensmoleküls
Die Desoxyribonukleinsäure (DNA), oft als der Bauplan des Lebens bezeichnet, ist das Molekül, das die genetische Information aller lebenden Organismen und vieler Viren enthält. Sie steuert die Entwicklung, Funktion und Reproduktion aller Lebewesen. In diesem Artikel werden wir die Struktur, Funktion und Bedeutung der DNA im Detail untersuchen.
Was ist DNA?
Die DNA (Desoxyribonukleinsäure, wobei das A eigentlich für das englische Wort für Säure, also „acid“ steht, im Deutschen also DNS) ist das Molekül, das die genetische Information aller lebenden Organismen und vieler Viren enthält. Sie enthält die Geninformationen, die dein Aussehen und deinen Stoffwechsel beeinflussen. Die DNA ist ein Biomolekül (biologisch aktive Verbindungen bzw. Moleküle, die in Lebewesen vorkommen) mit der Eigenschaft, Gene und deren Erbeigenschaften in sich zu tragen.
Der Aufbau der DNA
Die DNA besteht aus zwei langen Strängen, die eine Doppelhelix bilden und aus Bausteinen namens Nukleotide zusammengesetzt sind. Die DNA ist aus sogenannten Nukleotiden aufgebaut. In einem DNA Molekül sind viele dieser Nukleotide aneinandergereiht.
Nukleotide: Die Bausteine der DNA
Ein Nukleotid ist ein Molekül und der kleinste Baustein von Nukleinsäuren. Es stellt ein Grundbaustein der DNA und RNA dar. Sie bestehen aus Zucker, einer Phosphatgruppe und einer Base. Ein Nukleotid setzt sich aus einer organischen Base (Guanin, Adenin, Cytosin und Thymin), der Desoxyribose und drei Phosphatresten zusammen.
Merke: Das Nukleotid oder dNTP wird aus folgenden Bestandteilen gebildet: Zucker, drei Phosphorsäurereste, eine organische Base. Grundlegend ist der Fünferzucker, im Fall der DNA die Desoxyribose.
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Die DNA setzt sich aus einem Nukleosid und einem Nukleotid zusammen.
Der Zucker: Desoxyribose
Du beginnst mit dem Zuckermolekül - der sogenannten Desoxyribose. Das ist ein Zuckermolekül, das aus fünf Kohlenstoffatomen besteht. Du nennst das auch Pentose. „Desoxy“ bedeutet „ohne Sauerstoff“, denn dieser fehlt am 2. Kohlenstoffatom. Übrigens: Die Kohlenstoffatome am Zuckermolekül werden mit den Zahlen 1 bis 5 im Uhrzeigersinn durchnummeriert. In der Abbildung sind die Kohlenstoffatome C1 bis C5 gekennzeichnet.
Merke: Die Nummerierung der Desoxyribose ist Grundlage der Strangorientierung (5'→3'-Orientierung). Nukleotid: Grundbaustein der DNA. Wo liegen die wichtigen C-Atome C1, C3 und C5?
Die Phosphatgruppe
Der nächste Bestandteil für den Aufbau der DNA stellt eine Phosphatgruppe dar. Zucker und Phosphat kommen hier immer im selben Verhältnis (1:1) vor. Die Phosphatgruppe besitzt die chemische Zusammensetzung (PO43- ). Am C5 findet sich der Phosphatrest. Vor Einbau des Nukleotids in die DNA liegt dieses als Triphosphat vor. Wie in der Abbildung gezeigt, sind drei Phosphatreste am C5 gebunden. Beim Einbau in die DNA werden zwei der Phosphatreste abgespalten und nur das Monophosphat in den DNA-Strang eingebaut.
Die Basen: Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin
Die wichtigsten Bausteine der DNA sind die Basenpaare Adenin (A) und Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Es gibt zwei Grundkörper für organische Basen. Zwei Nukleotide verbinden sich über die Basen miteinander, wobei immer eine der zwei Purinbasen sich mit einer der beiden Pyrimidinbasen verbindet. Die vier Basen sind an einem Rückgrat aus Zuckermolekülen (Desoxyribose) befestigt, die über Phosphatreste miteinander verbunden sind. Diese Verknüpfung nennt man Phosphordiesterbindung. Sie findet immer zwischen dem 5. Zucker (5’) eines Moleküls mit dem 3. Zucker (3’) des nächsten Moleküls statt.
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Der Zucker, die Phosphatgruppe und eine Base verbinden sich miteinander und bilden ein Nukleotid. Für den Aufbau ist die Nummerierung der Kohlenstoffatome im Zuckermolekül wichtig. Der Zucker verbindet sich mit seinem C1-Kohlenstoffatom (1′) mit einer der 4 Basen. Das entstehende Nukleosid verbindet sich nun über das 5. Kohlenstoffatom (5′) mit einer Phosphatgruppe.
Die Doppelhelix-Struktur
Die DNA besteht aus einem Doppelstrang, der wie eine Strickleiter aufgebaut ist. Es befindet sich also sowohl rechts als auch links jeweils ein Faden. Die Doppelstränge verbinden sich mithilfe von Wasserstoffbrückenbindungen. Dadurch bekommt die DNA die Form einer Leiter. Die Verknüpfungen zwischen den beiden Fäden sind die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen. Allerdings können sich nicht alle Basen miteinander verbinden. Es kommt hier nämlich immer nur zu einer Basenpaarung zwischen einer Purinbase und einer Pyrimidinbase. Das nennst du auch komplementäre Basen bzw. Basenpaarung.
Aufgrund ihres Aufbaus und der freien Ladungen an den DNA-Strängen haben diese die Tendenz, sich umeinander zu verdrehen, es entsteht eine Doppelhelix. Die DNA hat die Form einer Doppelhelix. Das sind zwei lange Stränge, die sich um eine unsichtbare Achse winden. Der Doppelstrang besteht aus zwei Strängen, die umeinander gewunden sind. Die beiden Stränge verfolgen dabei jedoch entgegengesetzte Richtungen. Einer beginnt bei 3′ und endet bei 5′, während der andere bei 5′ beginnt und bei 3′ endet.
Antiparallelität der Stränge
Aufgrund dieser Bindungsverhältnisse ergibt sich eine sogenannte Antiparallelität der beiden Einzelstränge. Die beiden Stränge der Helix verlaufen gegenläufig, also antiparallel: Dem 5‘-Ende des einen Stranges liegt antiparallel das 3‘-Ende des komplementären Stranges gegenüber. Betrachtet man einen DNA Strang im ganzen, so hat er entsprechend ein 3’-Ende, an dem eine Sauerstoffgruppe (OH) und ein 5’ Ende, an dem ein Phosphates (PO4) hängt. Damit hat der DNA-Strang eine Polarität. Beim Menschen liegt sie doppelsträngig vor, wobei das 5’ Ende des einen beim 3’-Ende des anderen Stranges liegt.
Chromosomen und Histone
Um die DNA im Zellkern unterzubekommen, ist sie in den Chromosomen um bestimmte Proteine - die Histone - aufgewickelt. Jedes Chromosom besteht aus einem langen DNA Doppelstrang und verschiedenen Proteinen, wie den Histonen. Diese positiv geladenen Proteine verbinden sich mit negativen Phosphatgruppen der DNA. Dabei wickelt sich der lange DNA Faden zweimal um jeweils acht Histone. Es entsteht jetzt quasi eine Art Perlenkette, die aus DNA-Faden und Histonkomplexen zusammengesetzt ist. Diese „Perlenkette“ ist außerdem zu einer Spirale gewunden, die zu einer noch größeren Spirale verdrillt vorliegt.
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Die Funktion der DNA
Die DNA setzt sich aus einem Nukleosid und einem Nukleotid zusammen. Aber kennst du auch schon ihre Funktion? Die Anordnung der Nukeotide bestimmt die Entstehung verschiedener Proteine.
Die DNA-Replikation
Die DNA-Replikation ist ein essentieller Prozess, bei dem die DNA eines Organismus kopiert wird, um bei der Zellteilung eine identische Kopie an die Tochterzellen weiterzugeben. Dieser Prozess beginnt am sogenannten Replikationsursprung, wo das Enzym Helikase die Doppelhelix in zwei Einzelstränge auftrennt. Anschließend bindet die DNA-Polymerase an jeden Einzelstrang und fügt komplementäre Nukleotide hinzu, wodurch zwei identische Doppelstränge entstehen. Da die DNA-Polymerase nur in eine Richtung arbeiten kann, wird der Leitstrang kontinuierlich und der Folgestrang in kurzen Stücken, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert. Die DNA ist dazu in der Lage, sich selbst zu erneuern, was DNA-Replikation genannt wird. Dabei werden die zwei DNA-Stränge voneinander getrennt. Diese werden durch das Enzym Helikase katalysiert und die vom jeweiligen Strang zu ergänzende DNA wird neu erzeugt (DNA-Synthese). Für diesen Vorgang ist ein Enzym aus der Gruppe der DNA-Polymerase sowie ein RNA-Primer, der der Polymerase als Startpunkt dient, zuständig. Die Replikation der DNA ist der Prozess, bei dem die DNA eines Organismus kopiert wird, um bei der Zellteilung identische Kopien an die Tochterzellen weiterzugeben. Dieser Prozess gewährleistet, dass jede neue Zelle die gleiche genetische Information wie die Mutterzelle enthält.
Gene und Proteine
Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA, der einen Code für die Herstellung (Synthese) eines Proteins (z. B. Enzym) besitzt. bei der immer drei aufeinanderfolgende Basen der DNA (= Basentriplett) eine Aminosäure ergeben.
Telomere
Telomere sind die Endkappen der Chromosomen, bestehend aus wiederholten DNA-Sequenzen, die die strukturelle Stabilität und Integrität der Chromosomen während der Zellteilung schützen. Bei jeder Zellteilung verkürzen sich die Telomere, da die DNA-Replikationsmechanismen die Enden der Chromosomen nicht vollständig kopieren können. Diese Verkürzung wird mit dem Alterungsprozess der Zellen und der begrenzten Teilungsfähigkeit, bekannt als die Hayflick-Grenze, in Verbindung gebracht. Telomere spielen eine entscheidende Rolle in der Krebsbiologie, da viele Krebszellen Telomerase, ein Enzym, das Telomere verlängert, reaktivieren, um sich unkontrolliert zu teilen.
Die Bedeutung der DNA in der Medizin
DNA-Tests
Ein DNA-Test analysiert die genetische Information in einer Person, um Identität, Verwandtschaft oder genetische Prädispositionen für bestimmte Krankheiten zu bestimmen. Solche Tests werden häufig in der Forensik zur Identifizierung von Personen oder in der Ahnenforschung zur Bestimmung der genetischen Abstammung eingesetzt. Zudem können medizinische DNA-Tests Aufschluss über genetische Risiken und Erbkrankheiten geben, was präventive oder gezielte Behandlungsansätze ermöglicht. Häufig werden Chromosomen-Kartierungen verwendet, aber auch die Sequenzierung (Nukleotidfolge) der DNS kann zur Analyse verwendet werden. Für Kriminaluntersuchungen und beispielsweise Vaterschaftstests sind sogenannte short Tandem repeats (STR) besonders relevant.
Genetische Erkrankungen
Erkrankungen im Zusammenhang mit der DNA, auch genetische oder Erbkrankheiten genannt, entstehen durch Mutationen oder Anomalien in der genetischen Sequenz. Diese Mutationen können vererbt oder spontan auftreten und führen zu einer fehlerhaften Funktion oder Regulation von Genen. Beispiele für solche Erkrankungen sind Zystische Fibrose, Sichelzellenanämie und Huntington-Krankheit, die durch spezifische Mutationen in einzelnen Genen verursacht werden. Chromosomenanomalien wie Trisomie 21, bekannt als Down-Syndrom, entstehen durch zusätzliche oder fehlende Chromosomen. In bestimmten Fällen kann es zu Schäden an der DNA kommen. Dieses verursachen sogenannte Mutagene, welche chemischen (z. B. durch Röntgenstrahlen oder Ultraviolettstrahlen) oder physischen Ursprunges sind. Sie führen zu Veränderungen an der DNA-Sequenz. Je nach Mutagen kommt es zu unterschiedlichen Formen von DNA-Schäden. Die meisten Schäden entstehen durch Oxidationen, zu welchen freie Radikale oder Wasserstoffperoxide gehören.
DNA vs. RNA: Was ist der Unterschied?
Der Hauptunterschied im Aufbau von DNA und RNA liegt in der Struktur und den Bestandteilen der Moleküle. DNA (Desoxyribonukleinsäure) besteht aus zwei Strängen, die eine Doppelhelix bilden, und enthält die Zuckerkomponente Desoxyribose. RNA (Ribonukleinsäure) hingegen ist meist einzelsträngig und enthält den Zucker Ribose. Bei den Basenpaaren unterscheidet sich RNA von DNA dadurch, dass RNA die Base Uracil (U) anstelle von Thymin (T) enthält, sodass die Basenpaare in RNA Adenin (A) mit Uracil (U) und Guanin (G) mit Cytosin (C) sind.
Weitere interessante Fakten über DNA
- Basenanzahl: Ein einzelner DNA-Strang besteht aus einer Vielzahl von Basen, typischerweise Millionen bis Milliarden, abhängig von der Organismenart. Diese Basen sind Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C), die sich paarweise verbinden (A mit T, G mit C) und die Doppelhelix-Struktur der DNA bilden. Die genaue Anzahl der Basen in einem DNA-Strang variiert je nach spezifischem Genom des Organismus.
- Eineiige Zwillinge: Ja, eineiige Zwillinge entstehen aus einer einzigen befruchteten Eizelle, die sich in zwei Embryonen teilt, weshalb sie identische DNA haben. Allerdings können im Laufe der Zeit durch Mutationen und Umwelteinflüsse geringfügige Unterschiede in ihrer DNA entstehen.
- Mitochondriale DNA: Im Inneren der Mitochondrien befindet sich die mitochondriale DNA, auch mtDNA oder mDNA genannt, welche wie die DNA doppelsträngig ist, jedoch zu einem Ring geschlossen ist. Die Mitochondrien regenerieren über die Atmungskette das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat (universelle und unmittelbar verfügbare Energieträger in Zellen und wichtiger Regulator energieliefernder Prozesse). Des Weiteren erfüllen sie essentielle Aufgaben für die Zelle. Die Mitochondriale DNA enthält nur 37 Gene, von welchen 13 für auf der Atmungskette lokalisierte Proteine codieren. Die mtDNA wird ausschließlich maternal vererbt, das heißt von der Mutter. Die mitochondriale DNA gibt es sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren.
- Chargaff-Regel: Die Basenverhältnisse innerhalb der DNA lassen sich über die sogenannte Chargaff-Regel benennen. Die besagt, dass der Anteil des Adenins eines Doppelstrangs dem des Thymins entspricht und der Anteil des Guanins dem des Cytosins.
Historische Entdeckungen rund um die DNA
- Friedrich Miescher (1869): Der aus der Schweiz kommende Arzt Friedrich Miescher isolierte im Jahre 1869 eine mikroskopische Substanz aus einem eiterbestehenden Extrakt, welches aus dem Zellkern eines Lymphozyten kam. Diese nannte er Nuklein. Erstmals beschrieben wurde die Nukleinsäure von dem Schweizer Mediziner Friedrich Miescher im Jahr 1869. Nachdem er seine Forschungen an Proteinen aufgab, weil diese zu komplex und zu vielfältig waren, wandte er sich der Untersuchung von Zellkernen zu. Deren Funktion war zu damaliger Zeit völlig unbekannt. Aus den Kernen von weißen Blutkörperchen isolierte er eine Substanz, die sich durch ihren hohen Phosphorgehalt deutlich von Proteinen unterschied. Er nannte sie Nuclein nach dem lateinischen Wort nucleus (Kern).
- Albrecht Kossel: Albrecht Kossel entdeckte, dass Nuclein aus vier Bausteinen und Zuckermolekülen aufgebaut ist.
- Richard Altmann (1889): 1889 schließlich benannte Richard Altmann, der als erster Nukleinsäuren auch in Pflanzenzellen fand, das Nuclein aufgrund seiner chemischen Eigenschaften in Nukleinsäure um.
- Phoebus Levene (1929): Erst 1929 erkannte Phoebus Levene, dass die Nukleinsäure (hier die Desoxyribonukleinsäure) aus Desoxyribose, Phosphorsäureresten und den vier organischen Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin besteht. Er prägte den Begriff 'Nukleotid' für diese Baueinheiten der Nukleinsäure.
- William Astbury (1937): Im Jahre 1937 stellte William Astbury mithilfe von Röntgenstrahlen erstmals die reguläre DNA-Struktur dar.
- Alfred Day Hershey und Martha Chase (1952): Dass die DNA eine wichtige Rolle bei der Vererbung spielt, bestätigten die Genetiker Alfred Day Hershey und Martha Chase im Jahre 1952 aufgrund ihrer Entdeckung, dass es sich bei der DNA um genetisches Material handelt.
- James Watson und Francis Crick (1953): Ein Jahr später legte James Watson zusammen mit Francis Crick im Journal Nature dar, was heute als das erste korrekte Doppelhelixmodell der DNA-Struktur gilt.
- Frederick Sanger, Allan Maxam und Walter Gilbert (1977): Frederick Sanger, Allan Maxam und Walter Gilbert entwickelten 1977 ein Verfahren, mit dem die Reihenfolge der Nukleotid-Bausteine, die Sequenz, bestimmt werden konnte.
