Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist ein Molekül, das die biologischen Anweisungen enthält, die jede Art einzigartig machen. Die DNA wird zusammen mit den darin enthaltenen Anweisungen bei der Fortpflanzung von erwachsenen Organismen an ihre Nachkommen weitergegeben.
ÜBERSICHT
Wo wird die DNA gefunden?
In Organismen, die Eukaryoten genannt werden, befindet sich die DNA in einem speziellen Bereich der Zelle, dem Zellkern. Da die Zelle sehr klein ist und die Organismen viele DNA-Moleküle pro Zelle haben, muss jedes DNA-Molekül fest verpackt sein. Diese verpackte Form der DNA wird als Chromosom bezeichnet.
Während der DNA-Replikation wird die DNA abgewickelt, damit sie kopiert werden kann. Auch zu anderen Zeiten des Zellzyklus entrollt sich die DNA, damit ihre Anweisungen zur Herstellung von Proteinen und für andere biologische Prozesse verwendet werden können. Während der Zellteilung jedoch liegt die DNA in ihrer kompakten Chromosomenform vor, um die Übertragung auf neue Zellen zu ermöglichen.
Die Forscher bezeichnen die im Zellkern befindliche DNA als Kern-DNA. Der vollständige Satz der Kern-DNA eines Organismus wird als Genom bezeichnet.
Neben der DNA, die sich im Zellkern befindet, haben Menschen und andere komplexe Organismen auch eine kleine Menge DNA in Zellstrukturen, die als Mitochondrien bekannt sind. Mitochondrien erzeugen die Energie, die die Zelle braucht, um richtig zu funktionieren.
Bei der sexuellen Fortpflanzung erben die Organismen die Hälfte ihrer Kern-DNA vom männlichen und die Hälfte vom weiblichen Elternteil. Die gesamte mitochondriale DNA erbt der Organismus jedoch von dem weiblichen Elternteil. Dies liegt daran, dass nur die Eizellen, nicht aber die Samenzellen, ihre Mitochondrien während der Befruchtung behalten.
Woraus besteht die DNA?
Die DNA besteht aus chemischen Bausteinen, den so genannten Nukleotiden. Diese Bausteine setzen sich aus drei Teilen zusammen: einer Phosphatgruppe, einer Zuckergruppe und einer von vier Arten von Stickstoffbasen. Um einen DNA-Strang zu bilden, werden die Nukleotide zu Ketten verknüpft, wobei sich die Phosphat- und Zuckergruppen abwechseln.
Die vier Arten von Stickstoffbasen, die in Nukleotiden vorkommen, sind: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Die Reihenfolge oder Sequenz dieser Basen bestimmt, welche biologischen Anweisungen in einem DNA-Strang enthalten sind. Zum Beispiel könnte die Sequenz ATCGTT die Anweisung für blaue Augen sein, während ATCGCT die Anweisung für braune Augen sein könnte.
Die vollständige DNA-Bedienungsanleitung oder das Genom eines Menschen enthält etwa 3 Milliarden Basen und etwa 20.000 Gene auf 23 Chromosomenpaaren.
Was macht die DNA?
Die DNA enthält die Anweisungen, die ein Organismus braucht, um sich zu entwickeln, zu überleben und sich zu vermehren. Um diese Funktionen ausführen zu können, müssen die DNA-Sequenzen in Botschaften umgewandelt werden, die zur Herstellung von Proteinen verwendet werden können, den komplexen Molekülen, die die meiste Arbeit in unserem Körper leisten.
Jede DNA-Sequenz, die Anweisungen zur Herstellung eines Proteins enthält, wird als Gen bezeichnet. Die Größe eines Gens kann sehr unterschiedlich sein und reicht von etwa 1.000 Basen bis zu 1 Million Basen beim Menschen. Gene machen nur etwa 1 Prozent der DNA-Sequenz aus. Die DNA-Sequenzen außerhalb dieses einen Prozents sind daran beteiligt, zu regeln, wann, wie und in welcher Menge ein Protein gebildet wird.
Wie werden DNA-Sequenzen zur Herstellung von Proteinen verwendet?
Die Anweisungen der DNA werden in einem zweistufigen Prozess zur Herstellung von Proteinen verwendet. Zunächst lesen Enzyme die Informationen in einem DNA-Molekül und schreiben sie in ein Zwischenmolekül namens Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) um.
Anschließend wird die im mRNA-Molekül enthaltene Information in die „Sprache“ der Aminosäuren übersetzt, die die Bausteine der Proteine sind. Diese Sprache teilt der Proteinbildungsmaschinerie der Zelle die genaue Reihenfolge mit, in der die Aminosäuren miteinander verbunden werden müssen, um ein bestimmtes Protein herzustellen. Dies ist eine große Aufgabe, denn es gibt 20 Arten von Aminosäuren, die in vielen verschiedenen Reihenfolgen angeordnet werden können, um eine große Vielfalt von Proteinen zu bilden.
Wer hat die DNA entdeckt?
Der Schweizer Biochemiker Frederich Miescher beobachtete die DNA erstmals Ende des 19. Jahrhunderts. Von dieser Entdeckung bis zur Entschlüsselung der Struktur des DNA-Moleküls und der Erkenntnis seiner zentralen Bedeutung für die Biologie verging jedoch fast ein Jahrhundert.
Viele Jahre lang diskutierten Wissenschaftler darüber, welches Molekül die biologischen Anweisungen des Lebens enthält. Die meisten waren der Meinung, dass die DNA ein zu einfaches Molekül sei, um eine so entscheidende Rolle zu spielen. Stattdessen argumentierten sie, dass Proteine aufgrund ihrer größeren Komplexität und größeren Formenvielfalt eher in der Lage seien, diese lebenswichtige Funktion auszuführen.
Die Bedeutung der DNA wurde 1953 dank der Arbeit von James Watson*, Francis Crick, Maurice Wilkins und Rosalind Franklin deutlich. Durch die Untersuchung von Röntgenbeugungsmustern und die Erstellung von Modellen entdeckten die Wissenschaftler die Doppelhelixstruktur der DNA – eine Struktur, die es ihr ermöglicht, biologische Informationen von einer Generation zur nächsten zu übertragen.
Was ist die DNA-Doppelhelix?
Die Wissenschaftler verwenden den Begriff „Doppelhelix“, um die gewundene, zweisträngige chemische Struktur der DNA zu beschreiben. Diese Form – die einer gedrehten Leiter ähnelt – verleiht der DNA die Fähigkeit, biologische Anweisungen mit großer Präzision weiterzugeben.
Um die DNA-Doppelhelix aus chemischer Sicht zu verstehen, stellen Sie sich die Seiten der Leiter als Stränge mit abwechselnden Zucker- und Phosphatgruppen vor – Stränge, die in entgegengesetzter Richtung verlaufen. Jede „Sprosse“ der Leiter besteht aus zwei Stickstoffbasen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind. Aufgrund der hochspezifischen Natur dieser Art von chemischer Paarung paart sich die Base A immer mit der Base T und ebenso C mit G. Wenn Sie also die Reihenfolge der Basen auf einem Strang einer DNA-Doppelhelix kennen, ist es ein Leichtes, die Reihenfolge der Basen auf dem anderen Strang herauszufinden.
Die einzigartige Struktur der DNA ermöglicht es dem Molekül, sich während der Zellteilung selbst zu kopieren. Wenn sich eine Zelle auf eine Teilung vorbereitet, spaltet sich die DNA-Helix in der Mitte und wird zu zwei Einzelsträngen. Diese Einzelstränge dienen als Vorlage für den Aufbau von zwei neuen, doppelsträngigen DNA-Molekülen – jedes eine Kopie des ursprünglichen DNA-Moleküls. Bei diesem Prozess wird überall dort, wo ein T vorhanden ist, eine A-Base hinzugefügt, ein C, wo ein G vorhanden ist, und so weiter, bis alle Basen wieder Partner haben.
Außerdem wird bei der Herstellung von Proteinen die Doppelhelix entrollt, so dass ein einzelner DNA-Strang als Vorlage dienen kann. Dieser Vorlagenstrang wird dann in mRNA umgeschrieben, ein Molekül, das wichtige Anweisungen an den Proteinbildungsapparat der Zelle übermittelt.
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