Dna Rna

Hier werden u. a. die Begriffe DNA sowie RNA erklärt.

DNA

Die genetische Information liegt auf den Chromosomen im Zellkern. Die wichtigsten chemischen Bestandteile der Chromosomen sind Proteine und Nukleinsäuren, vor allem die DNA.

Bau der DNA:

Die DNA (Deoxyribonucleic acid = Desoxyribonukleinsäure) ist der Träger der Erbinformation und ein Polynukleotid (besteht aus mehreren Mio. Nukleotiden). Sie besteht aus einem C5-Zucker (Desoxyribose; die OH-Gruppen an den C-Atomen 1, 3 und 5 können Sauerstoffbrücken an anderen Molekülen bilden), einem anorganischen Phosphorsäurerest (geht gut Bindungen zu OH-Gruppen, wie Zucker sie haben) und einer Nukleobase.

Es gibt vier verschiedene Nukleobasen: Purinbasen (Adenin und Guanin) und Pyrimidinbasen (Thymin und Cytosin). Durch diese Basen wird die Erbinformation codiert. Die Basenabfolge oder Nucleotidsequenz verschlüsselt die Erbinformation. Die Anzahl der Adeninmoleküle entspricht der der Thyminmoleküle und die der Guanin- der der Cytosinmoleküle (E. Chargaff).

Die Phosphatgruppe befindet sich am C5 des Zuckers, die organische Base am C1 des Zuckers. Die Phosphatgruppe des einen Nukleotids ist mit dem C3 des nächsten Desoxyribosemoleküls verknüpft. So ergibt sich ein Einzelstrang mit einer bestimmten Richtung. Die Enden eines DNA- oder RNA-Stranges sind nicht gleich. Das eine Ende wird mit 3'-Ende (dort liegt eine freie Hydroxylgruppe) bezeichnet, das andere Ende ist das 5'-Ende (dort liegt eine freie Phosphatgruppe) des Moleküls. Die Bezeichnungen beruhen auf den Positionsnummern in einem Baustein der Nukleinsäure, nämlich im Zuckermolekül Desoxyribose in der DNA oder Ribose in der RNA, an dem jeweils eine Base hängt.

Chromosome enthalten 2 Chromatid-Arme, jedes hat ein aufgewickeltes DNA-Doppelmolekül. Das DNA-Doppelmolekül hat die Form einer Leiter. Die Sprossen bestehen aus zwei Teilen (Nukleobasen) Es liegen sich immer Adenin und Thymin bzw. Guanin und Cytosin gegenüber. Die sich gegenüberliegenden Basen sind komplementäre Basen und ziehen sich aufgrund ihrer Ladungsverteilung an. Sie können nur dann miteinander paaren, wenn die beiden Einzelstränge entgegengesetzt gerichtet sind, der eine also von 3’ nach 5’, der andere von 5’ nach 3’ läuft. Die beiden Einzelstücke der Sprossen sind durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden (2 bei Ad – Th, 3 bei Gu – Cy). Wegen der vielen Wasserstoffbrücken sind die beiden Einzelstränge der Doppelhelix nicht leicht voneinander zu trennen. Die Holme bestehen aus einzelnen Kugeln (abwechselnd Zucker- und Phosphatgruppen), die miteinander verbunden sind. Die Leiter ist verdreht. Man spricht auch von einer Doppelhelix. Jede vollständige Windung besteht aus 8 Sprossen.

Versuche zur DNA:

Die chemische Natur der Erbsubstanz wurde erstmals an Bakterien erforscht. F. Griffith experimentierte mit dem Bakterium Diplococcus pneumoniae, das in zwei Varianten vorkommt. S-Zellen können Schleimkapseln bilden, ihre Kolonien erscheinen glatt (smooth). Sie sind virulent, d. h. sie rufen bei Mäusen eine tödliche Form der Lungenentzündung hervor. Wenn sie durch Hitze abgetötet werden, verlieren sie ihre Virulenz. R-Zellen haben durch Mutation ihre Fähigkeit zur Kapselbildung verloren, ihre Kolonien erscheinen rau (rough), auch lebend sind sie nicht virulent. Wenn Griffith abgetötete S- und lebende R-Zellen mischte, rief das Gemisch bei Mäusen die Krankheit hervor. Im Blut konnte er lebende S-Zellen nachweisen. Es hatte eine Transformation stattgefunden. Die Fähigkeit zur Kapselbildung war von den toten S- auf die lebenden R-Zellen übertragen worden und wurde auch an die Nachkommen weitergegeben. Selbst der Zellextrakt der toten S-Zellen konnte R-Zellen transformieren.

Avery wollte die transformierende Substanz experimentell nachweisen. Er trennte aus abgetöteten S-Zellen die DNA von den Proteinen ab. Dann wurden lebende R-Zellen mit den Proteinen bzw. getrennt davon mit der DNA der S-Zellen gemischt, um zu beobachten, welcher Stoff die Transformation bewirkt. Die Proteine der S-Zellen waren dazu nicht in der Lage; die Bakterien blieben ohne Schleimkapsel. Dagegen übertrug die DNA der S-Zellen die Fähigkeit zur Kapselbildung. Sie ist das „transformierende Prinzip“. Damit war die Rolle der DNA als Erbsubstanz erkannt.

Transformation, Transduktion, Konjugation

Bei der Transformation nehmen Bakterienzellen nackte DNA aus ihrer Umgebung auf und bauen sie in ihr eigenes Bakterienchromosom ein. Bei der Transduktion sind Viren für die DNA-Übertragung in Bakterienzellen verantwortlich. Bei der Konjugation erfolgt ein aktiver DNA-Austausch zwischen zwei Bakterienzellen durch eine Plasmabrücke.

Identische DNA-Replikation

Der DNA-Doppelstrang teilt sich an einer Stelle in zwei Einzelstränge auf. Nun kommen Enzyme und heften die passenden Nukleotide an die ungepaarten Basen der Einzelstränge. Anschließend werden die neuen Nukleotide untereinander verbunden, so daß neue Einzelstränge entstehen.

3-Schritte-Prozess:
Ein Enzym A lagert sich am Startpunkt der DNA-Doppelhelix an. Von dort aus entwindet es die DNA, aus der Doppelhelix werden zwei parallel nebeneinanderliegende Einzelstränge, die noch über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Dafür ist das Enzym Helicase zuständig. Proteine heften sich locker an die freien Basen an, damit sie sich nicht wieder zusammenlagern können.
Das Enzym DNA-Polymerase wandert hinter der vorrückenden Helicase her und heftet komplementäre Nucleotide an die Einzelstränge, und es entstehen zwei Tochter-Doppelstränge.
Es ergibt sich in dem neuen Doppelstrang dieselbe Basensequenz wie im ursprünglichen, die Identität der genetischen Information bleibt gewahrt.
Während die Schritte 1 und 2 in Wirklichkeit mehr oder weniger so ablaufen, wie hier kurz beschrieben, treten bei Schritt 3 Probleme auf. Das verantwortliche Enzym, die DNA-Polymerase, kann nämlich nur in einer Richtung arbeiten, und zwar in 5' --> 3' - Richtung.
Nun verläuft von den beiden Einzelsträngen der DNA der eine in 5' --> 3'-Richtung, der andere aber entgegengesetzt in 3' --> 5'-Richtung.
An jedem der beiden ungepaarten Teilstränge der DNA arbeitet sich nun ein eigenes DNA-Polymerasemolekül in die angegebene 5' --> 3' – Richtung.
Der untere Einzelstrang im Bild kann von der DNA-Polymerse kontinuierlich repliziert werden, sie bewegt sich in der "richtigen" Richtung. Es entsteht ein langer Tochterstrang.
Der obere Einzelstrang kann nicht "in einem Stück" repliziert werden. Wenn der Replikationsursprung ein Stück weiter nach links gewandert ist, dann setzt sich ein DNA-Polymerase-Molekül an den ungepaarten oberen Einzelstrang und synthetisiert in "Rückwärtsrichtung" ein ca. 200 Nucleotide langes Teilstück, ein sogenanntes "Okazaki-Fragment" (nach dem Japaner OKAZAKI benannt, der dies entdeckt hat).
Durch ein spezielles Enzym, eine Ligase, werden die einzelnen Okazaki-Fragmente schließlich miteinander verbunden.

RNA

RNA unterscheidet sich von der DNA durch das Vorhandensein einer anderen Zuckereinheit (=Pentose, Fünffachzucker) (Ribose statt Desoxyribose) und die Verwendung der Base Uracil anstelle von Thymin. RNA kommt fast immer einsträngig vor, trotzdem gibt es Basenpaarung, da sich das Molekül räumlich faltet.
RNA ist an den molekularen Prozessen um die Erbinformation beteiligt.

Es gibt 3 Arten von RNA:

5 % m-RNA (messenger-RNA oder Boten-RNA): transportiert als Kopie eines Gens die genetische Information vom Zellkern zur Proteinbiosynthese ins Zytoplasma. Dort wird die m-RNA an die Ribosomen angelagert und in eine Aminosäuresequenz übersetzt.

15 % t-RNA (transfer-RNA): transportiert Aminosäuren (=Bausteine von Eiweißen) zu den Ribosomen. Sie bindet im Zellplasma jeweils nur eine bestimmte Aminosäure. Sie hat als Rezeptor ein Basentriplett und eine angehängte Aminosäure. Bei der Eiweißsynthese an den Ribosomen dringt sie zur m-RNA vor und dockt triplettweise gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an die m-RNA an und ordnet so die Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge ein.

80 % r-RNA (ribosomale RNA): ist ein wichtiger Baustein der Ribosomen.

RNA kommt 5 bis 10 mal häufiger vor als DNA und macht somit den Großteil der Nucleinsäuren in allen Zellen aus.