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| 1.1 Nukleinsäuren, DNA = Desoxyribonukleinsäure Teil I | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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1.1.1 DNA als Erbsubstanz Die Geschichte der DNA geht bis auf das Jahr 1868
zurück, als der junge schweizer Wissenschaftler Friedrich
Miescher
(1844-1895) aus Zellkernen eine neue Substanz isolierte, die er
Nukleinsäuren nannte. 2 Jahre zuvor hatte eine tschechischer
Mönch namens Gregor Mendel in Brünn durch Experimente
mit Erbsen die Regeln der Vererbung gefunden. Aus der Zellbiologie wissen wir, daß in den Zellkernen, Mitochondrien und Chloroplasten der eukaryontischen Zellen, in Bakterien und einigen Viren der Stoff DNA (=Desoxy-Ribonuklein-Säure) enthalten ist. (frühere Bezeichnung: DNS, heute international DNA wegen -acid (= Säure); englisch: DeoxyriboNucleic Acid). Darin ist die Erbinformation der Zelle gespeichert. Diese Erkenntnis verdanken wir Oswald T. Avery (1877-1955), einem in Kanada geborenen amerikanischen Bakteriologen und Physiker, der 1944 nachwies, daß die genetische Information einer Zelle aus DNA besteht. Bis dahin vermuteten die Biologen, daß die Erbinformation in Proteinen verborgen liegt. Um 1920 wurde nachgewiesen, daß die stark färbbaren Chromosomen des Zellkerns DNA enthielten. (siehe Abb. 3) Die molekulare Genetik begann eigentlich erst mit der Entdeckung Averys 1944. Seit damals entstand auch eine neuer Zweig der Biologie, die Molekularbiologie. 1958 gab es auch den ersten Nobelpreis in diesem Bereich für Tatum, Beadle und Lederberg u.a für Erforschung der Erbinformation bei Bakterien. Die molekulare Struktur der DNA erkannte zunächst P.A. Levene, 1920, der die grundlegende Zusammensetzung aus organischen Basen, Zucker und Phosphorsäure nachwies, die räumliche Struktur der DNA wurde 1953 von Watson und Crick aufgeklärt (Nobelpreis 1962).
Hier eine Zusammenstellung der wichtigsten Stationen der Genetikgeschichte. Chromosomen und Chromosomensatz Die Erbinformation der Eukaryonten ist in den Chromosomen der Zellkerne enthalten, die genetische Information der Bakterien liegt in einem ringförmigen Chromosom vor, die der Viren frei als Strang vor.
Chromosomen bestehen aus extrem aufspiralisierter DNA.
Die Information für die Merkmale eines Organismus ist in Genen gespeichert. Gene sind Abschnitte auf der DNA. In Abb. 5 sind die 46 menschlichen Chromosomen einer Zelle zu sehen. Die kurze, relativ dicke Stäbchenform der Chromosomen ist nur während der Metaphase der Zellteilung zu sehen, ansonsten sind die Chromosomen lange Fäden; man nennt Sie dann Chromatinfäden. Die nach Größe geordneten Chromosomen einer Zelle nennt man Karyogramm. In Abb. 6 ist der DNA-Faden eines Virus zu sehen (Phage P2; Phagen sind Viren, die Bakterienzellen befallen). Lebewesen haben je nach Komplexität ( Einzeller/Vielzeller) Hunderte bis Tausende von Merkmalen. Deshalb muß das Speichermolekül DNA riesige Ausmaße haben, also ein Makromolekül sein. Nachfolgend ist die DNA-Menge (Chromosomen) von Zellen einiger Organismen aufgelistet.
Man bezeichnet alle Chromosomen einer Zelle als Genom.
Die DNA ist wie alle Makromoleküle aus Bausteinen
aufgebaut. Sie übertrifft allerdings in der Kettenlänge
und Bausteinanzahl alle bisher besprochenen Riesenmoleküle.
Man nennt die Bausteine der DNA Nukleotide. In der DNA findet man wie bei den Proteinen eine grundlegende Struktur (=Primärstruktur) und eine spezielle räumliche Struktur (= Sekundärstruktur). Zunächst wollen wir die Primärstruktur besprechen. Jedes Nukleotid besteht seinerseits aus 3 Bestandteilen:
Man hat 4 verschiedene Basen in der DNA gefunden: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Die Nukleotide sind in 2 Ketten (Strängen) angeordnet, die sich einander gegenüberliegen und gegenläufig sind. Dabei paaren sich immer die gleichen Basen (= Basenpaarung Die Sequenz der Nukleotide (und damit der Basen) ist aperiodisch. Es stehen sich immer Adenin und Thymin - und Guanin und Cytosin gegenüber.
Die Kettenlängen der DNA verschiedener Organismen
sind nachstehender Tabelle zu entnehmen:
Die beiden Stränge sind gegenläufig. Adenin paart sich immer mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Bei der A-T-Paarung findet man 2 Wasserstoffbrücken, bei der C-G-Paarung 3 H-Brücken. Die gepaarten Basen liegen in einer Ebene. DNA enthält also gleichviel Cytosin wie Guanin und gleichviel Adenin wie Thymin. Die Basensequenz ist aperiodisch.
Als Rückgrat des DNA-Stranges fungiert die abwechselnde Kette von Phosphat-Zucker-Phosphat-Zucker usw. Diese Merkmale zeigen sich auch in der Sekundärstruktur der DNA. Da es 4 verschiedene Basen gibt, kennt man 4 unterschiedliche Strukturformeln der Nukleotide:
In Abb. 11 ist das Nukleotid dAMP zu sehen, mit dem vollen Namen 2 - Desoxy-Adenosin-Monophosphat. Die Phosphorsäure ist in 5´-Stellung mit der 2-Desoxy-Ribose verbunden. Die in der DNA vorkommende Pentose ist eine Ribose, der der Sauerstoff in Position 2 fehlt. Die organische Base in der Abbildung links ist Adenin, ein Abkömmling des Purins. Die Base ist in 1´-Stellung mit der 2-Desoxy-Ribose verbunden. Eine Verbindung von Base und Zucker bezeichnet man als Nukleosid, also hier Adenosin. Diese Basen sind alle aromatische Heterozyklen, also Aromaten,die im Ring statt C noch andere Atome, in diesem Fall N haben. Die freien Elektronenpaare der N-Atome sorgen für die Basizität dieser Stoffe. Die anderen Nukleotide unterscheiden sich demnach nur durch das Vorkommen anderer Basen. In Abb. 10 sind alle Basen der DNA abgebildet. Das Nukleotid mit Guanin nennt man 2-Desoxy-Guanosin-Monophosphat (dGMP).
Auch Guanin leitet sich vom Purin ab. Die restlichen Nukleotide mit den Basen Thymin heißen
und mit Cytosin
Die Basen Cytosin und Thymin leiten sich vom aromatischen Heterozyklus Pyrimidin ab, deshalb werden sie auch Pyrimdinbasen genannt im Unterschied zu Adenin und Guanin als Purinbasen.
Alle Nukleotide sind Verwandte der Energieträger wie AMP/ADP/ATP oder GMP/GDP/GTP. ATP und GTP sind aus der Dissimilation bekannt. |
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