Biologie für Nicht-Majors I

Was Sie lernen werden zu tun: Erklären, wie die DNA genetische Informationen speichert

Die einzigartige Struktur der DNA ist der Schlüssel zu ihrer Fähigkeit, genetische Informationen zu speichern und zu replizieren:

Abbildung 1

In diesem Ergebnis werden Sie lernen, die Doppelhelixstruktur der DNA zu beschreiben: ihre Zucker-Phosphat-Rückgratleiter mit stickstoffhaltigen Basen-„Sprossen“ der Leiter.

Struktur der DNA

Die Bausteine der DNA sind Nukleotide. Die wichtigsten Bestandteile eines jeden Nukleotids sind eine stickstoffhaltige Base, Desoxyribose (5-Kohlenstoff-Zucker) und eine Phosphatgruppe (siehe Abbildung 2). Jedes Nukleotid wird nach seiner Stickstoffbase benannt. Die Stickstoffbase kann ein Purin sein, wie Adenin (A) und Guanin (G), oder ein Pyrimidin, wie Cytosin (C) und Thymin (T). Uracil (U) ist ebenfalls ein Pyrimidin (siehe Abbildung 2), kommt aber nur in der RNA vor, über die wir später noch sprechen werden.

Abbildung 2. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Base. Der Zucker ist Desoxyribose in der DNA und Ribose in der RNA.

Die Nukleotide verbinden sich miteinander durch kovalente Bindungen, die als Phosphodiesterbindungen oder Verknüpfungen bekannt sind. Der Phosphatrest ist an die Hydroxylgruppe des 5′-Kohlenstoffs eines Zuckers eines Nukleotids und an die Hydroxylgruppe des 3′-Kohlenstoffs des Zuckers des nächsten Nukleotids gebunden, wodurch eine 5′-3′-Phosphodiesterbindung entsteht.

In den 1950er Jahren arbeiteten Francis Crick und James Watson an der Universität Cambridge, England, zusammen, um die Struktur der DNA zu bestimmen. Andere Wissenschaftler wie Linus Pauling und Maurice Wilkins forschten ebenfalls auf diesem Gebiet. Pauling hatte mit Hilfe der Röntgenkristallographie die Sekundärstruktur von Proteinen entdeckt. In Wilkins‘ Labor setzte die Forscherin Rosalind Franklin Röntgenbeugungsmethoden ein, um die Struktur der DNA zu verstehen. Watson und Crick waren in der Lage, das Puzzle des DNA-Moleküls auf der Grundlage von Franklins Daten zusammenzusetzen, da Crick ebenfalls Röntgenbeugung studiert hatte (Abbildung 3). Im Jahr 1962 erhielten James Watson, Francis Crick und Maurice Wilkins den Nobelpreis für Medizin. Leider war Franklin zu diesem Zeitpunkt bereits verstorben, und Nobelpreise werden nicht posthum verliehen.

Abbildung 3. Die Arbeit der bahnbrechenden Wissenschaftler (a) James Watson, Francis Crick und Maclyn McCarty führte zu unserem heutigen Verständnis der DNA. Die Wissenschaftlerin Rosalind Franklin entdeckte (b) das Röntgenbeugungsmuster der DNA, das zur Aufklärung ihrer Doppelhelixstruktur beitrug. (credit a: Modifikation einer Arbeit von Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson und Crick schlugen vor, dass die DNA aus zwei Strängen besteht, die umeinander gedreht sind und eine rechtshändige Helix bilden. Die Basenpaarung findet zwischen einem Purin und einem Pyrimidin statt, d.h. A paart sich mit T und G paart sich mit C. Adenin und Thymin sind komplementäre Basenpaare, und Cytosin und Guanin sind ebenfalls komplementäre Basenpaare. Die Basenpaare werden durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert; Adenin und Thymin bilden zwei Wasserstoffbrückenbindungen und Cytosin und Guanin drei Wasserstoffbrückenbindungen. Die beiden Stränge sind von Natur aus antiparallel, d. h. das 3′-Ende des einen Strangs steht dem 5′-Ende des anderen Strangs gegenüber. Die Zucker und Phosphate der Nukleotide bilden das Rückgrat der Struktur, während die stickstoffhaltigen Basen im Inneren gestapelt sind. Jedes Basenpaar ist vom anderen Basenpaar durch einen Abstand von 0,34 nm getrennt, und jede Windung der Helix misst 3,4 nm. Somit sind zehn Basenpaare pro Windung der Helix vorhanden. Der Durchmesser der DNA-Doppelhelix beträgt 2 nm und ist überall gleich. Nur die Paarung zwischen einem Purin und einem Pyrimidin kann diesen einheitlichen Durchmesser erklären. Die Verdrehung der beiden Stränge umeinander führt zur Bildung von gleichmäßig verteilten Haupt- und Nebenfurchen (Abbildung 4).

Abbildung 4. Die DNA hat (a) eine Doppelhelixstruktur und (b) Phosphodiesterbindungen. Die (c) Haupt- und Nebenfurchen sind Bindungsstellen für DNA-Bindungsproteine während Prozessen wie der Transkription (dem Kopieren von RNA von der DNA) und der Replikation.

Genetische Information

Die genetische Information eines Organismus ist in DNA-Molekülen gespeichert. Wie kann eine Art von Molekül alle Anweisungen für die Herstellung komplizierter Lebewesen wie uns enthalten? Welcher Bestandteil oder welche Eigenschaft der DNS kann diese Informationen enthalten? Sie muss von den Stickstoffbasen stammen, denn wie Sie bereits wissen, ist das Grundgerüst aller DNS-Moleküle das gleiche. Es gibt aber nur vier Basen in der DNA: G, A, C und T. Die Abfolge dieser vier Basen kann alle Anweisungen liefern, die für den Aufbau eines jeden lebenden Organismus erforderlich sind. Es mag schwer vorstellbar sein, dass 4 verschiedene „Buchstaben“ so viele Informationen übermitteln können. Aber denken Sie an die englische Sprache, die mit nur 26 Buchstaben eine riesige Menge an Informationen darstellen kann. Noch tiefgründiger ist der Binärcode, der zum Schreiben von Computerprogrammen verwendet wird. Dieser Code enthält nur Einsen und Nullen, und stellen Sie sich vor, was Ihr Computer alles kann. Das DNA-Alphabet kann mit nur vier Buchstaben sehr komplexe Anweisungen kodieren, auch wenn die Nachrichten am Ende sehr lang sind. Das Bakterium E. coli zum Beispiel trägt seine genetischen Anweisungen in einem DNA-Molekül, das mehr als fünf Millionen Nukleotide enthält. Das menschliche Genom (die gesamte DNA eines Organismus) besteht aus etwa drei Milliarden Nukleotiden, die auf 23 gepaarte DNA-Moleküle, die Chromosomen, verteilt sind.

Die in der Basenfolge gespeicherte Information ist in Genen organisiert: Jedes Gen enthält die Information zur Herstellung eines funktionellen Produkts. Die genetische Information wird zunächst in ein anderes Nukleinsäurepolymer, die RNA (Ribonukleinsäure), kopiert, wobei die Reihenfolge der Nukleotidbasen beibehalten wird. Gene, die Anweisungen für die Herstellung von Proteinen enthalten, werden in Boten-RNA (mRNA) umgewandelt. Einige spezialisierte Gene enthalten Anweisungen für die Herstellung funktioneller RNA-Moleküle, aus denen keine Proteine gebildet werden. Diese RNA-Moleküle wirken sich direkt auf zelluläre Prozesse aus; einige dieser RNA-Moleküle regulieren zum Beispiel die Expression von mRNA. Andere Gene produzieren RNA-Moleküle, die für die Proteinsynthese, die Transfer-RNA (tRNA) und die ribosomale RNA (rRNA) benötigt werden.

Damit die DNA bei der Speicherung von Informationen effektiv funktionieren kann, sind zwei Schlüsselprozesse erforderlich. Erstens muss die im DNA-Molekül gespeicherte Information bei jeder Zellteilung mit minimalen Fehlern kopiert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Tochterzellen die gesamte genetische Information der Mutterzelle erben. Zweitens muss die im DNA-Molekül gespeicherte Information übersetzt oder ausgedrückt werden. Damit die gespeicherten Informationen nützlich sind, müssen die Zellen auf die Anweisungen zur Herstellung bestimmter Proteine zugreifen können, damit die richtigen Proteine zur richtigen Zeit am richtigen Ort hergestellt werden.

Abbildung 5. Die Doppelhelix der DNA. Graphic modified from „DNA chemical structure,“ by Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

Das Kopieren und Lesen der in der DNA gespeicherten Informationen beruht auf der Basenpaarung zwischen zwei Nukleinsäure-Polymersträngen. Erinnern Sie sich, dass die DNA-Struktur eine Doppelhelix ist (siehe Abbildung 5).

Der Zucker Desoxyribose mit der Phosphatgruppe bildet das Gerüst oder Rückgrat des Moleküls (in Abbildung 5 gelb hervorgehoben). Die Basen zeigen nach innen. Komplementäre Basen bilden innerhalb der Doppelhelix Wasserstoffbrückenbindungen miteinander. Sehen Sie, wie sich die größeren Basen (Purine) mit den kleineren (Pyrimidine) paaren. Dadurch bleibt die Breite der Doppelhelix konstant. Genauer gesagt, A paart sich mit T und C paart sich mit G. Wenn wir in den folgenden Abschnitten die Funktion der DNS erörtern, sollten Sie daran denken, dass es einen chemischen Grund für die spezifische Paarung von Basen gibt.

Um die Verbindung zwischen der Information in der DNS und einem beobachtbaren Merkmal eines Organismus zu veranschaulichen, betrachten wir ein Gen, das die Anweisungen für die Bildung des Hormons Insulin enthält. Insulin ist für die Regulierung des Blutzuckerspiegels verantwortlich. Das Insulin-Gen enthält Anweisungen für den Zusammenbau des Proteins Insulin aus einzelnen Aminosäuren. Eine Änderung der Nukleotidsequenz im DNA-Molekül kann die Aminosäuren im endgültigen Protein verändern, was zu einer Fehlfunktion des Proteins führt. Wenn das Insulin nicht richtig funktioniert, kann es möglicherweise nicht an ein anderes Protein (Insulinrezeptor) binden. Auf der Organisationsebene des Organismus kann dieses molekulare Ereignis (Änderung der DNA-Sequenz) zu einem Krankheitszustand führen – in diesem Fall zu Diabetes.

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