DNA - Aufbau und Funktion

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist ein langkettiges Biomolekül, das in codierter Form die Erbinformationen eines jeden Lebewesens trägt. Sie besteht aus Basenpaaren (Adenin und Thymin, Cytosin und Guanin), die zusammen mit zwei Strängen (Phosphat-Desoxyribose-Rückgrat) zu einer Doppelhelix verschlungen sind.

Aufbau

Zerlegt man die DNA (Desoxyribonukleinsäure) durch Hydrolyse in ihre Einzelteile, so findet sich im Wesentlichen die folgendes: Der Zucker Desoxyribose, Phosphorsäure und vier verschiedene organische Basen, die man wiederum in zwei Gruppen aufteilen kann. Zu den Pyrimidin-Basen (Einfacher Ring aus sechs Atomen) zählen Cytosin und Thymin, zu den Purin-Basen (Doppelatomring, daher etwas größer) gehören Adenin und Guanin. Eine übliche Abkürzung für diese vier Basen sind ihre Anfangsbuchstaben C, T, A und G. Die DNA an sich lässt sich grundsätzlich als kettenförmiges Molekül beschreiben, dessen Glieder die Nucleotide bilden. Ein Nucleotid besteht aus einem einer der vier Basen, angeheftet an einen Desoxyribose-Ring, angeheftet an eine Phosphatgruppe. Die Nucleotide sind so aneinandergereiht, dass die Phosphatgruppe die jeweiligen Zuckerringe miteinander verbindet. Es entsteht dabei ein so genanntes Zucker-Phosphat-Rückgrat. Um diese Verbindungsstellen genauer beschreiben zu können, werden die Kohlenstoffatome der Zuckerringe mit 1‘ bis 5‘ beziffert. Die Verbindungsstellen des Zuckermoleküls mit den Phosphatgruppen sind jeweils am 3‘- und am 5‘– Atom, (die Verknüpfung zur Base am 1‘-Atom). Beim Bezeichnen der Richtungsverläufe der Nucleotidketten spricht man deshalb im Allgemeinen von der 5‘  3‘ - bzw. der 3‘  5‘ – Richtung.

Für die weiteren Vorgehensweisen ist es wichtig, das Verhältnis der Basen eines DNA-Moleküls zueinander zu verstehen. Der Biochemiker Chargaff stellte nach Untersuchungen dazu folgende Regeln auf:

Die Gesamtmenge der Purinbasen entspricht jener der Pyrimidinbasen.

Die Mengen von Adenin und Thymin sind identisch, ebenso wie die von Guanin und Cytosin.

Das Verhältnis von Adenin und Thymin, zu Guanin und Cytosin variiert von Organismus zu Organismus.

 

DNA als Träger der Erbinformation

Wie wir bereits wissen, besteht die DNA aus den aneinandergereihten Nucleotidbasen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Jeweils ein Dreierpaket (Codon) dieser vier Basen codiert eine bestimmte Aminosäure und eine Kette von Aminosäuren bildet wiederum ein Protein, welches in seinen verschiedenen Ausprägungen und Anzahlen letztlich die unterschiedlichen Merkmale der Lebewesen ausmacht. Kurz und knapp: Die Basen unserer DNA übersetzten durch ihre Anordnung unsere Erbinformation.Es gibt zwanzig mögliche Aminosäuren, die es zu codieren gilt. Würde jede Base einer Aminosäure entsprechen, könnten nur vier Aminosäuren gebildet werden und in Zweierpaarung gäbe es wiederum nur 4² = 16 Möglichkeiten. Da 4³ = 64, ist die Dreierkombination unbedingt notwendig. Damit geht einher, dass die gleiche Aminosäure von verschiedenen Basentripletts hergestellt werden kann, das soll an dieser Stelle aber nicht weiter verwirren. Zusammengefasst heißt das, ein bestimmtes Gen (kleiner Ausschnitt der DNA) dient als Vorlage zur Proteinherstellung. Bei der Biosynthese der Proteine, müssen die Informationen, die in den Basensequenzen der DNA gespeichert sind aber zunächst einmal entschlüsselt werden. Allgemein wird dies in zwei Schritten benannt: Der Transkription und der Translation.

 

Das Watson-Crick Modell 

Das Watson-Crick-Modell ist ein Strukturmodell, logischerweise von Watson und Crick, welches erstmals alle bis 1953 gesammelten Informationen über die DNA zusammen führte. Anhand von Röntgenbildern erkannten die beiden Wissenschaftler die räumliche Struktur eines DNA-Moleküls: Zwei sich ähnelnde Stränge, die sich schraubenförmig oder helical („helix“ = Wendel) umeinanderwinden, also eine Doppelhelix bilden. Mit Hilfe von Molekülmodellen und den Forschungen von Chargaff, fanden Watson und Crick heraus, dass die Basen innerhalb der Doppelhelix nach Innen zeigen und sich in einer bestimmten Art und Weise paaren. Nach diesem Prinzip der komplementären Basenpaarung sind das Adenin mit Thymin (über zwei Wasserstoffbrückenbindungen) und Guanin mit Cytosin (über drei Wasserstoffbrücken). Die Basensequenz, also die Reihenfolge der Basen in einem Strang, bestimmt damit die Basenreihenfolge im anderen, komplementären Strang. Die Folge dieser Paarungen ist ein antiparalleler Aufbau der beiden Stränge. Das heißt, die Zucker-Phosphat-Rückgrate des einen Stranges sind quasi „kopfüber“ angeordnet. Die 5‘  3‘ – Richtungen verlaufen damit entgegengesetzt.