Einführung DNA und Molekulargenetik

Die Desoxyribonukleinsäure (DNS) dient als Träger der Erbinformation, die in Form des sogenannten genetischen Codes in die DNS eingeschrieben ist. Der genetische Code dient als Bauplan für die Produktion von Proteinen (z.B. Enzyme oder Membranproteine). Auch im deutschen Sprach- und Schriftgebrauch wird heutzutage die englische Abkürzung DNA (deoxyribonucleic acid) verwendet.

Die Molekulargenetik, oft auch als Molekularbiologie bezeichnet, ist ein Teilgebiet der Biologie, das sich mit der molekularen Eigenschaften der Gene und ihrer Vererbung befasst.

DNA-Aufbau: zwei gegenläufige Einzelstränge

Die DNA ist ein großes, phosphor- und stickstoffhaltiges Molekül, das im Jahre 1953 von dem Molekularbiologen James Watson sowie dem Biochemiker und Physiker Francis Crick entschlüsselt wurde. Beide Wissenschaftler erhielten für Ihre Entdeckung 1962 den Nobelpreis. Die DNA ist aus zwei gegenläufigen Einzelsträngen aufgebaut. Jeder Einzelstrang hat ein 5'- und ein 3'-Ende. Das 5'-Ende schließt mit einem Phosphatrest ab, während das 3'-Ende eine OH-Gruppe trägt.

Doppelhelix – Die dreidimensionale Struktur der DNA

Das DNA-Molekül ist in einer Art Strickleiterstruktur aufgebaut, bei der sich die zwei Holme der Strickleiter schraubenförmig um eine gedachte Achse winden (Doppelhelixstruktur). Die Strickleiterholme sind aus sich abwechselnden Zucker- (Desoxyribose-) und Phosphatresten aufgebaut, die über sogenannte Phosphodiesterbindungen stabil miteinander verknüpft sind: Die mit dem C3'-Atom eines Desoxyribosemoleküls veresterte Phosphatgruppe geht eine weitere Esterbindung mit der OH-Gruppe am C5'-Atom eines anderen Desoxyribosemoleküls ein. So kommen die spezifischen 5'- und 3'-Enden der DNA zustande.

Komplementäre Basenpaarung: A –T und G – C

Die einzelnen Sprossen der Strickleiter bauen sich aus je zwei organischen Basen auf, die als Basenpaar bezeichnet werden. Sie sind über Wasserstoffbrücken verknüpft. Sie sorgen dafür, dass die beiden Holme auch im verschraubten Zustand im gleichen Abstand miteinander verbunden bleiben.

Die DNA ist aus vier verschiedenen organischen Basen aufgebaut. Ihre Abfolge und Gruppierung legt den genetischen Code fest: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Die innerhalb einer Sprosse liegenden Basenpaare lassen sich nicht beliebig kombinieren: Nur Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin können ein Basenpaar bilden. Adenin und Thymin bilden dabei zwei Wasserstoffbrücken aus, während Cytosin und Guanin über drei Wasserstoffbrücken verbunden sind.

Aufbau der DNA Abbildung: Doppelhelix, Aufbau / Basenpaarung der DNA

Basenabfolge in der DNA legt genetischen Code fest

Betrachtet man nun die beiden Stränge der DNA getrennt voneinander, so sind diese aus den vier verschiedenen Nukleotiden „zusammengesteckt“. Jedes Nukleotid besteht vereinfacht gesprochen aus einer der vier Basen und einem Desoxyribosemolekül. Die unzähligen Nukleotide sind in beliebiger Reihenfolge aneinander gebunden, wobei je drei solcher Basen, die in einem DNA-Einzelstrang aufeinander folgen ein so genanntes Basentriplett oder Codon bilden. Jedes Basentriplett enthält die Informationen für eine der insgesamt 20 Aminosäuren. Die Aminosäuren sind ihrerseits die Bausteine der Proteine, die für Aufbau und Funktion aller Zellen lebensnotwendig sind.

Die Basenabfolge, genauer gesagt die der Basentripletts, legt also die Reihenfolge der Aminosäuren in den Proteinen fest. Sie ist die Grundlage für die Proteinbiosynthese, die über verschiedene Zwischenschritte erfolgt: Zunächst wird eine transportfähige Kopie des betreffenden DNA-Strangs erzeugt, eine messengerRNA (mRNA). Die Abkürzung RNA steht für ribonucleic acid, zu Deutsch „Ribonukleinsäure“. Die mRNA wandert ins Zytoplasma und vereinigt sich mit den Ribosomen, an denen das Protein gebildet wird. Die Ribosomen bauen also unter Anleitung der mRNA das gewünschte Protein zusammen: Dazu gleiten sie an der mRNA entlang und übersetzen die genetische Information in die Aminosäureabfolge des geplanten Proteinmoleküls. Proteine haben im Körper unterschiedliche, lebenswichtige Funktionen. Sie ermöglichen zum Beispiel als Enzyme unzählige chemische Reaktionen, ohne die ein Überleben nicht möglich wäre.

DNA-Replikation: Voraussetzung für die Zellteilung

Die Proteinbiosynthese ist auch eine wichtige Voraussetzung für die Zellteilung. In deren Vorfeld findet an der DNA aber noch ein weiterer Prozess statt – die DNA-Replikation: Die DNA-Doppelhelix wird hierbei in die beiden Einzelstränge aufgeteilt und durch verschiedene Enzyme verdoppelt. Als Endergebnis liegen zwei identische DNA-Doppelstränge vor, die auf die beiden entstehenden Tochterzellen verteilt werden.