Die Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, besteht aus verschiedenen Nukleotiden. Sie ist wichtig für alle Lebewesen und einige Viren. Die DNA enthält spezielle Informationen, die in den Genen liegen.
Diese Informationen helfen bei der Herstellung von RNA. RNA wird dann zu Proteinen umgewandelt. Proteine sind wichtig für die Funktion der Zellen.
Schlüsselpunkte
- DNA ist der Träger der genetischen Information in Lebewesen
- DNA besteht aus Desoxyribonukleotiden, die zu einer Doppelhelix-Struktur zusammengefügt sind
- DNA-Sequenz wird in Proteine übersetzt, die für die Zellfunktion wichtig sind
- DNA-Replikation ist der Prozess, bei dem die DNA-Informationen vervielfältigt werden
- DNA-Mutationen können Krankheiten und Veränderungen verursachen
Definition und Bezeichnung
Desoxyribonukleinsäure (DNA)
Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, besteht aus mehreren Teilen. “Desoxy” kommt von Sauerstoff, “ribo” von Ribose. “Nukleinsäure” bedeutet, dass es aus Nukleotiden besteht. Im Deutschen sagt man oft einfach DNA.
Die DNA besteht aus vier Nukleotiden: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Ein DNA-Doppelstrang bildet eine Doppelhelix. Bei Pflanzen, Tieren und Pilzen ist die DNA hauptsächlich im Zellkern.
Die DNA enthält spezielle Sequenzen für Proteinsynthese. Fehler bei der Replikation können Mutationen verursachen.
| Schlüsselbegriffe | Bedeutung |
|---|---|
| Desoxyribonukleinsäure (DNA) | Nukleinsäure, die genetische Informationen in Lebewesen trägt |
| Nukleotide | Bausteine der DNA, bestehend aus Zucker, Phosphat und einer der vier Basen (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) |
| Doppelhelix | Charakteristische Struktur der DNA, bei der zwei Stränge spiralförmig umeinander gewunden sind |
| Eukaryoten | Lebewesen mit Zellkern, wie Pflanzen, Tiere und Pilze |
| Zellkern | Organell in Eukaryotenzellen, in dem sich die DNA befindet |
| Mitochondrien/Chloroplasten | Organellen in Eukaryotenzellen, die ebenfalls kleine Mengen an DNA enthalten |
| Gene | Abschnitte der DNA, die für die Produktion von Proteinen codieren |
| Mutationen | Veränderungen in der DNA-Sequenz, die zu genetischen Veränderungen führen können |
Die Desoxyribonukleinsäure oder DNA ist zentral für genetische Informationen. Sie ist wichtig für Vererbung, Genexpression und Zellteilung.
Entdeckungsgeschichte
Die Geschichte der DNA-Entdeckung ist voller Pioniere der Molekularbiologie. 1869 fand der Schweizer Arzt Friedrich Miescher in Eiter eine Substanz, die er Nuklein nannte. Er dachte, dass diese Substanz die Erbinformationen übertragen könnte.
1885 isolierte Albrecht Kossel die Nukleinsäurebausteine Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. 1929 entdeckte Phoebus Levene den Zuckeranteil als Desoxyribose. 1943 zeigte Oswald Avery, dass DNA die Transformation von Bakterien ermöglicht.
1953 war der Durchbruch, als James Watson und Francis Crick die Doppelhelix-Struktur der DNA entdeckten. Sie erhielten 1962 den Nobelpreis für Medizin zusammen mit Maurice Wilkins.
“Über die Bedeutung der DNA-Struktur kann man kaum übertreiben. Sie ist eine der wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts und hat unser Verständnis des Lebens revolutioniert.”
Die Doppelhelix-Struktur war der Start für moderne Genforschung und Technologien wie CRISPR. Trotz großer Fortschritte in den letzten 70 Jahren, gibt es noch viel zu entdecken.
Aufbau der DNA
Bausteine und Struktur
Die dna-aufbau besteht aus vier verschiedenen nukleotide. Jeder Nukleotid hat einen Phosphatrest, den Zucker Desoxyribose und eine von vier nukleinsäurebasen. Diese sind Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Sie sind durch das zucker-phosphat-rückgrat verbunden.
Die Reihenfolge der Basen in der DNA gibt die genetische Information. Die Basenpaarung zwischen Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin schafft die Doppelhelix-Struktur der DNA.
| Nukleotidbestandteile | Eigenschaften |
|---|---|
| Phosphatgruppe | Verleiht der DNA ihre negative Ladung |
| Desoxyribose | Fünfkohliger Zucker, der das Rückgrat der DNA bildet |
| Nukleinbasen (A, T, G, C) | Bauen die genetische Information der DNA auf |
Jedes Nukleotid besteht aus Phosphat, Desoxyribose und einer Nukleinbase. Sie sind durch das Zucker-Phosphat-Rückgrat verbunden. Die genetischen Informationen in der DNA sind entscheidend für Zellen und Organismen.
“Die DNA ist das Molekül, das die Erbinformationen in fast allen Lebewesen speichert und überträgt.”
Das DNA-Modell
Im Jahr 1953 entwickelten James Watson und Francis Crick das dna-struktur-Modell. Es zeigt, wie die DNA in einer doppelhelix-Form besteht. Die beiden DNA-Stränge sind miteinander verbunden, indem die Basen über Wasserstoffbrücken nach innen zeigen.
Dieses watson-crick-modell wurde durch die Arbeit von Rosalind Franklin und Erwin Chargaff möglich. Es ist bis heute eine wichtige Beschreibung der DNA-Struktur.
Am 25. April 1953 entdeckten Watson, Crick und Wilkins die DNA-Struktur. Rosalind Franklin und Maurice Wilkins nutzten Röntgenstrahlen für ihre Forschung. 1962 bekamen Watson, Crick und Wilkins den Nobelpreis für ihre Arbeit.
Rosalind Franklin starb 1958 im Alter von 37 Jahren an Eierstockkrebs. Sie wurde deshalb nicht für den Nobelpreis nominiert.
| Organismus | Genzahl |
|---|---|
| Gemeiner Wasserfloh | 30,907 |
| Acker-Schmalwand | >25,000 |
| Mensch | 22,500 |
| Fruchtfliege | 12,000 |
| Bäckerhefe | 6,000 |
1944 wurde die DNA als Erbträger entdeckt. Friedrich Miescher fand die DNA im 19. Jahrhundert. Erwin Chargaff entwickelte eine Regel, die die Basenverhältnisse in DNA beschreibt.
Das Human Genom Projekt kartierte die 3,2 Milliarden Basenpaare der menschlichen DNA. 2001 wurden erste Ergebnisse veröffentlicht. Seit 2003 ist die menschliche DNA vollständig entschlüsselt. Ein Mensch hat etwa 22.500 Gene.
“Die Entschlüsselung der Struktur unseres Erbguts fand am 25. April 1953 statt.”
DNA-Replikation
Das semi-konservative Replikationsmodell
Die DNA kann sich selbst verdoppeln. Dieses Phänomen basiert auf dem semi-konservativen Modell. Dieses Modell wurde in den 1950er Jahren durch das Meselson-Stahl-Experiment bestätigt.
Zuerst trennt das Enzym Helicase die DNA-Doppelhelix. So kann jeder Einzelstrang als Matrize für einen neuen komplementären Gegenstrang dienen.
Mit DNA-Polymerasen werden die neuen DNA-Stränge aufgebaut. Zwei nahezu identische DNA-Doppelstränge entstehen. Diese Stränge bewahren die genetische Information und werden an die Tochterzellen weitergegeben.
An der Replikationsgabel entstehen Okazaki-Fragmente. Diese werden durch DNA-Ligasen zu einem zusammenhängenden Strang verknüpft.
Die DNA-Replikation erfolgt in drei Phasen: Initiation, Elongation und Termination. Währenddessen arbeiten verschiedene Enzyme zusammen. So wird eine effiziente und fehlerfreie Verdopplung der genetischen Information gewährleistet.
Es gibt Unterschiede in der DNA-Replikation zwischen verschiedenen Organismen. Prokaryoten und Eukaryoten haben zum Beispiel unterschiedliche Replikationsgeschwindigkeiten. Auch die Länge der Okazaki-Fragmente und die Anzahl der Replikationsursprünge variieren.
Der genetische Code
Der genetische Code verbindet DNA-Sequenzen mit der Herstellung von Proteinen. Er besteht aus drei aufeinanderfolgenden DNA-Basen, genannt Triplets oder Codons. Diese codieren für eine spezifische Aminosäure. So dient der Code als genaue Anleitung für Proteine.
Bei der Transkription wird die DNA in eine Boten-RNA (mRNA) umgeschrieben. Diese mRNA wird dann an den Ribosomen in die richtige Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt.
| Codon | Aminosäure |
|---|---|
| AUG | Methionin |
| GCU, GCC, GCA, GCG | Alanin |
| UGU, UGC | Cystein |
| GAU, GAC | Asparaginsäure |
| GAA, GAG | Glutaminsäure |
| UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG | Leucin |
| CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG | Arginin |
Das Codon “AUG” zeigt den Start eines Gens an. “UAA”, “UAG” und “UGA” signalisieren das Ende. Dank der Redundanz des genetischen Codes gibt es für viele Aminosäuren mehrere Codons. Das erhöht die Fehlertoleranz und macht den Code robust gegen Mutationen.
“Der genetische Code ist ein faszinierendes Phänomen, das die grundlegendsten Prozesse des Lebens steuert.”
Gene
Die DNA besteht aus kleineren Einheiten, die Gene genannt werden. Gene enthalten alle Infos, die für ein Protein nötig sind. Der Mensch hat etwa 22.500 Gene.
Die Gesamtheit der zellulären DNA heißt Genom. Gene sind die Vorlagen für Proteine. Sie sind die wichtigsten Teile der Erbinformation.
Strukturelle Einheiten der Erbinformation
Die Bedeutung der Gene für die Vererbung wurde im 19. Jahrhundert entdeckt. 1856 begann Johann Gregor Mendel, Erbsenpflanzen zu kreuzen, um die Vererbung sichtbarer Merkmale zu untersuchen. Später bestätigten Carl Correns, Hugo de Vries und Erich Tschermak Mendels Erkenntnisse.
1903 prägte Wilhelm Johannsen die Begriffe “Gen” und “Genotyp” in der Genetik. In den folgenden Jahrzehnten erhielten Forscher tiefe Einblicke in die Gene.
1944 bewiesen Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty, dass die DNS die Erbinformation trägt. 1953 entdeckten James D. Watson und Francis Crick die Doppelhelix-Struktur der DNS.
| Jahr | Entdeckung |
|---|---|
| 1856 | Johann Gregor Mendel begann mit der Kreuzung von Erbsenpflanzen, um die Vererbung sichtbarer Merkmale zu untersuchen. |
| 1900 | Carl Correns, Hugo de Vries und Erich Tschermak bestätigten Mendels Entdeckungen und führten numerische Regeln der Merkmalsvererbung ein. |
| 1903 | Der dänische Wissenschaftler Wilhelm Johannsen führte die Begriffe “Gen” und “Genotyp” in der Genetik ein. |
| 1928 | Frederick Griffith führte das erste Experiment zur genetischen Transformation in Bakterien durch und zeigte den Transfer von Genen. |
| 1944 | Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty bewiesen, dass die DNA die genetische Information trägt. |
| 1953 | James D. Watson und Francis Crick entdeckten die Doppelhelix-Struktur der DNA. |
Heute wissen wir, dass Gene als Vorlagen für Proteine dienen. Sie sind die grundlegenden Teile der Erbinformation. Sie enthalten die Infos, die für Zellen und Organismen nötig sind.
Verpackung der DNA
Die DNA-Doppelhelix ist etwa drei Meter lang. Sie enthält das gesamte Erbgut des Menschen. Um sie in den Zellkernen zu unterbringen, wird sie komprimiert.
Zuerst wird die DNA um Histonproteine gewickelt. So entstehen Nukleosomen. Diese bilden den Chromatinfaden, der sich weiter verdichtet.
Schließlich entstehen die Chromosomen. Diese sind nur während der Zellteilung sichtbar.
Durch diesen Prozess wird die DNA um das 10.000-fache komprimiert. So passen die rund 3 Milliarden Basenpaare im Zellkern.
| Verpackungsstufe | Durchmesser | Kompressionsfaktor |
|---|---|---|
| Nukleosom | 10 nm | 40x |
| Chromatinfaden | 30 nm | 200x |
| Chromatid | 700 nm | 10.000x |
Die Verpackung in Chromosomen, Chromatin und Nukleosomen speichert viel genetische Information. Sie reguliert auch die Genaktivität.
“Die Histone umwickeln die DNA, regulieren die Genexpression und beeinflussen die Genaktivität je nach Verpackungsdichte.”
DNA
Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist wichtig für alle Lebewesen. Sie hält den Bauplan des Körpers fest. Die DNA-Sequenz wird in Proteine übersetzt, die Zellen funktionieren lassen.
Fehler in der DNA-Replikation können zu Mutationen führen, die an nachfolgende Generationen weitergegeben werden. Das menschliche Genom besteht aus etwa 3 Milliarden Basenpaaren. Es ist in 22.500 Genen organisiert.
Die DNA repliziert sich nach dem semi-konservativen Prinzip. Dabei entstehen zwei identische Kopien aus einem DNA-Molekül. Ein alter und ein neu synthetisierter komplementärer Einzelstrang werden gebildet.
Die Verknüpfung der Nukleotide erfolgt in 5’→3′ Richtung. Sie benötigt Desoxyribonukleosidtriphosphate als Bausteine.
Eine DNA-Polymerase kann bis zu 1.000 Nukleotide verknüpfen. Danach ist ein neuer RNA-Primer nötig. Die DNA-Ligase verbindet die nicht verbundenen DNA-Abschnitte.
Ein normales menschliches Zellkern hat 23 Chromosomenpaare. Das macht insgesamt 46 Chromosomen. Der Mensch hat etwa 20.000 bis 23.000 Gene. Diese enthalten Anweisungen für etwa 30.000 verschiedene Proteine.
“DNA was first examined by x-ray diffraction analysis in the early 1950s, revealing that it consisted of two strands of a polymer wound into a helix.”
Fazit
Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist das Herzstück des Lebens. Sie kann sich selbst vervielfältigen. Das ist wichtig für die Entwicklung und Funktion jeder Zelle.
Die DNA-Sequenz zeigt uns, wie der Körper aufgebaut ist. Das ist sehr wichtig für Genetik, Medizin und Biotechnologie.
Es ist interessant zu wissen, dass wir mit anderen Lebewesen genetisch ähnlich sind. Zum Beispiel teilen wir 50% unserer DNA mit Bananen. Aber wir sind als Spezies auch sehr unterschiedlich.
Die Entschlüsselung der menschlichen DNA hat viel über uns gelernt. Wir verstehen jetzt unsere Herkunft und Entwicklung besser.
Die Welt der DNA zeigt uns, dass wir Teil eines großen Ganzen sind. Unser Verständnis der DNA ist für viele Bereiche sehr wichtig. Medizin, Genetik und Biotechnologie werden von der DNA beeinflusst.