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Genetik und Reproduktionsbiologie


3.1

Bau und Funktion der DNA

123.1.1

Geschichte, Chromosomen, Bau der DNA ,

123.1.2

Replikation

3.2

Mitose, Meiose

3.3

Genetischer Code

123.3.1

modellhafter Ablauf von Transkription und Translation

3.4 Mutation , Punkt- Rastermutation,Triplettexpansion
3.4.1
mutagene Faktoren
3.5 Glossar Genetik
3.6 Reproduktionsbiologie
3.6.1
Embryonalentwicklung des Menschen; Embryonale Phase, Fötale Phase
3.6.2
Embryonale Stammzellen
3.6.3
Insemination, Fertilisation, Präimplantationsdiagnostik
3.7 Glossar Reproduktionsbiologie

Biomoleküle in

 

 

3.1 Bau und Funktion der DNA
3.1.1 Geschichte

 

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.
Dies war der Beginn der Genetik als Wissenschaft. Beiden Entdeckungen wurde mehrere Jahrzehnte wenig Beachtung geschenkt, bis 1900 Correns, Tschermak und deVries die Mendelschen Regeln wiederentdeckten.

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).

F.H.C.Crick -------- J.D. Watson 1962 -------- J. Lederberg

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.

Organismus

Chromosom(en) /Zelle

Bakterien

1 + einige kleine DNA-Ringe (= Plasmide)

Drosophila

8

Plasmodium falciparum,
Malaria-Erreger (Einzeller)

14, ca. 6500 Gene

Reis

24

Maus

40

Mensch

46

Schimpanse

48

Rind

60

Pferd

66

Hund

78

Aufbau der DNA

Die DNA ist wie alle Makromoleküle aus Bausteinen aufgebaut. Sie übertrifft allerdings in der Kettenlänge und Bausteinanzahl alle bisher besprochenen Riesenmoleküle.

Makromolekül

Anzahl der Bausteine/Molekül

Proteine z. B. das Enzym Katalase

z.B. 753 Aminosäuren

Kohlenhydrate wie Stärke (Amylopektin/Amylose)

- 4000 Glucose-Einheiten

DNA Chromosom1 (Mensch)

250 Millionen Nukleotide

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:

  • einer organischen Base (B)
  • einem Monosaccharid (Pentose) (Z)
  • Phosphorsäure (P)

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:

Organismus

Bausteine

Hefe Chromosom 3

350 Tausend

Escherichia coli (Bakterium) 1 DNA-Ring

4.6 Millionen

größtes bekanntes Hefe-Chromosom (1/99)

5.8 Millionen

gesamtes Hefe-Genom

15 Millionen

kleinstes menschliches Chromosom (Y)

50 Millionen

größtes menschliches Chromosom (1)

250 Millionen

gesamtes menschliches Genom

3 Milliarden

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.

Das DNA-Molekül liegt räumlich als Helix vor. Da die beiden Stränge umeinandergewunden sind, bezeichnet man die Konformation der DNA als Doppelhelix. Die Eigenschaft der umeinander gewundenen Einzelstränge wird als plektonemisch bezeichnet. Die DNA-Helix ist rechtsgewunden.

Sekundärstruktur und Stabilisierung

Abb. 10 zeigt einen Ausschnitt eines DNA-Doppelstrangs von der Seite als Drahtmodell.

Dabei fällt auf, daß die gepaarten Basen eine Ebene bilden, also gestapelt übereinander liegen. Dadurch entsteht ein sogenannter Stacking-Effekt, der wegen der gestapelten aromatischen Ringe der Doppelhelix eine höhere Festigkeit verleiht.

Weiterhin wird die Doppelhelix durch Wasserstoffbrücken zwischen den Windungen der Helices stabilisiert.

Die Basenpaarung im Drahtmodell links zeigt die Ebene der sich gegenüberliegenden Basen mit den beiden H-Brücken zwischen Adenin und Thymin, die zwischen den funktionellen Gruppen der Basen und den N-Atome sich ausbilden.

Wer sich genauer über DNA informieren möchte siehe Klasse 13 Genetik!

 

 

Abb. 1

Friedrich Miescher
(1844-1895)

Endecker der Nukleinsäure

 

Abb. 2

Oswald T. Avery
(1877-1955)

DNA ist Träger der Erbinformation

 

Abb. 3

Chromosomen

 

Abb. 4

DNA in Zellen und Viren

 

 

Abb. 5

Chromosomensatz

 

Abb. 6

DNA eines Phagen (Virus)

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 7

Nukleotid


Alle Nukleotide sind Verwandte der Energieträger wie AMP/ADP/ATP oder GMP/GDP/GTP. ATP und GTP sind aus dem Energiestoffwechsel bekannt.


Abb. 8

DNA-Modell


 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 9

DNA-Doppelhelix


De beiden Stränge der DNA bilden eine Doppelschraube (Doppelhelix)

In der Abbildung links ist die bisher besprochene Primärstruktur und die Sekundärstruktur zu sehen. Dabei bilden die gepaarten Basen die Sprossen der DNA-Leiter.

 

 

 

 

 

Abb. 10

Ausschnitt der 3-D-Molekülstruktur der DNA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 11

Basenpaarung

 

 

 

Weiterführende Quellen:

Genetik- Onlinekurs

http://vector.cshl.org/dnaftb/asp/splashtable.asp

Einführung in die DNA-Struktur
DNA-Animationen

http://www.blc.arizona.edu/Molecular_Graphics/DNA_Structure/
DNA_Tutorial.HTML
http://www.kadets.d20.co.edu/