DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist eines der wichtigsten Moleküle in Ihrem Körper, und obwohl etwa 99,9 % Ihrer DNA die gleiche ist wie die jedes anderen Menschen, sind es die 0,1 %, die sich unterscheiden, die Sie genetisch einzigartig machen! Diese winzige biologische Struktur ist die ultimative Gebrauchsanweisung und enthält die „Rezepte“ für die Proteine, die Ihr Körper braucht, um sich zu entwickeln und zu funktionieren.

Heute geben wir Ihnen eine Einführung in die Grundlagen der DNA. Wir werden über ihre Struktur sprechen, wie sie sich repliziert und welche Rolle sie bei der Produktion von Proteinen spielt.

Die Struktur der DNA: Phänomenale biologische Kräfte… Winzig kleiner Lebensraum

Wussten Sie, dass die durchschnittliche menschliche Zelle etwa 2 m DNA enthält? Das ist ziemlich beeindruckend, wenn man bedenkt, dass selbst die größten Zellen nur einen Durchmesser von etwas mehr als 100µm haben. (Das ist übrigens wirklich winzig – 1µm ist ein Millionstel eines Meters.)

Wie kommt all das genetische Material auf einen Raum, der viel kleiner ist als ein Stecknadelkopf? Die kurze Antwort lautet, dass es sich dabei um eine ganze Reihe von Verdrehungen und Windungen handelt. Die DNA wickelt sich um Proteincluster, die Histone, und bildet Einheiten, die Nukleosomen. Diese Nukleosomen falten sich zu einer zick-zack-förmigen Faser, die dann Schleifen bildet.

Es gibt 46 getrennte DNA-Stränge in jeder Körperzelle des menschlichen Körpers. Jeder dieser Stränge wird als Chromosom bezeichnet. Die Wissenschaftler gruppieren sie in 23 homologe Paare, was bedeutet, dass die Chromosomen in jedem Paar in Struktur und Funktion ähnlich sind. Die einzige Ausnahme ist das 23. Paar – die Geschlechtschromosomen – bei biologisch männlichen Personen. X- und Y-Geschlechtschromosomen haben nur bestimmte Regionen (autosomale Regionen), die homolog sind.

Auf molekularer Ebene hat die DNA die charakteristische Form einer Doppelhelix, die zwar erst Mitte des 20. Jahrhunderts von Wissenschaftlern beobachtet wurde, aber schnell zu einer der bekanntesten Formen in der gesamten Wissenschaft wurde.

Bild aus A&P 6.

Die Seiten dieser verdrehten Leiter bestehen aus abwechselnd angeordneten Zuckermolekülen (Desoxyribose, um genau zu sein) und einer Phosphatgruppe. Jede Seite ist nach der Richtung benannt, in der sie verläuft (5′-3′ oder 3′-5′). Die „Stufen“ der Leiter bestehen aus zwei stickstoffhaltigen Basen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden.

Bildnachweis: Madeleine Price Ball (Wikimedia Commons).

Vier stickstoffhaltige Basen – Cytosin, Thymin, Adenin und Guanin – finden sich in den DNA-Strängen. Von ihrer chemischen Struktur her sind Cytosin und Thymin Pyrimidine, Adenin und Guanin sind Purine. Adenin und Thymin (A und T) bilden immer ein Paar, und Guanin und Cytosin (G und C) bilden immer ein Paar. Sie paaren sich auf diese Weise, weil A und T zwei Wasserstoffbrückenbindungen miteinander bilden und G und C drei bilden.

Auf der einfachsten Ebene liefern verschiedene Abschnitte von DNA-Strängen (Sequenzen von Stickstoffbasen) Anweisungen für die Synthese von Proteinen. Ein einziger DNA-Abschnitt kann sogar für mehrere Proteine kodieren!

Replikation: Die Verdoppelung der DNA

Bild aus A&P 6.

Die Replikation der DNA einer Zelle findet statt, bevor sich die Zelle auf die Teilung vorbereitet – entweder die Mitose oder die Meiose I.

Sie erfolgt in drei(en) Schritten.

1. Die DNA wickelt sich von den Histonen ab.
2. Ein Enzym namens DNA-Helikase öffnet die Helixstruktur eines DNA-Abschnitts und bricht die Bindungen zwischen den Stickstoffbasen auf. Es tut dies in einer reißverschlussartigen Weise und hinterlässt eine Replikationsgabel.
3. Hier werden die Dinge komisch.

• Auf dem 5′-3′-Strang der DNA gleitet ein Enzym namens DNA-Polymerase zur Replikationsgabel und verwendet die Sequenz der stickstoffhaltigen Basen auf diesem Strang, um einen neuen DNA-Strang zu bilden, der komplementär dazu ist (das bedeutet, dass seine Basen mit denen des alten Strangs zusammenpassen).
• Auf dem 3′-5′-Strang paaren mehrere DNA-Polymerasen Basenpaare in Teilsegmenten, die sich von der Replikationsgabel entfernen. Später verbindet die DNA-Ligase diese Teilstränge zu einem neuen kontinuierlichen DNA-Segment.

Wollen Sie etwas Tolles wissen? Wenn sich ein DNA-Molekül repliziert, enthält jedes der entstehenden neuen DNA-Moleküle einen Strang des ursprünglichen, so dass keines von beiden völlig „neu“ ist. Außerdem werden gleichzeitig mit der DNA-Replikation neue Histone gebildet, damit sich die neuen DNA-Stränge um sie wickeln können.

Zwischenspiel: RNA vs. DNA

Bevor wir über Transkription und Translation sprechen, die beiden Schlüsselprozesse der Proteinsynthese, müssen wir über eine andere Art von Molekül sprechen: RNA.

RNA ist der DNA sehr ähnlich – sie hat ein Zucker-Phosphat-Grundgerüst und enthält Sequenzen von Stickstoffbasen. Es gibt jedoch ein paar entscheidende Unterschiede zwischen RNA und DNA:

• RNA hat nur eine Nukleotidkette. Sie sieht nur wie eine Seite der DNA-Leiter aus.

• RNA hat Ribose als Zucker in ihrem Rückgrat.

• RNA hat Uracil (U) anstelle von Thymin.

• RNA ist kleiner als DNA. RNA hat eine Länge von etwa 10.000 Basen, während DNA im Durchschnitt etwa 100 Millionen Basen hat.
• RNA kann den Zellkern verlassen. Tatsächlich verrichtet sie den größten Teil ihrer Arbeit im Zytoplasma.

Es gibt mehrere verschiedene Arten von RNA, jede mit unterschiedlichen Funktionen, aber für die Zwecke dieses Artikels werden wir uns auf Boten-RNA (mRNA) und Transfer-RNA (tRNA) konzentrieren.

Herstellung eines Proteins, Teil 1: Transkription

Die Transkription ist die erste Phase des Proteinbildungsprozesses, auch wenn die eigentliche Proteinsynthese erst in der zweiten Phase stattfindet. Bei der Transkription „kopiert“ eine mRNA die Anweisungen für die Herstellung eines Proteins von der DNA.

Bild aus A&P 6.

Zunächst öffnet ein Enzym namens RNA-Polymerase einen Abschnitt der DNA und setzt einen mRNA-Strang zusammen, indem es die Basenfolge auf einem der DNA-Stränge „liest“. Befindet sich auf der DNA ein C, so befindet sich auf der RNA ein G (und umgekehrt). Steht auf der DNA ein T, so steht auf der RNA ein A. Steht aber auf der DNA ein A, so steht auf der RNA ein U (statt eines T). Wenn die RNA-Polymerase den DNA-Strang abwärts wandert, schließt sie die Helixstruktur wieder ab.

Bevor sich die neue mRNA auf den Weg machen kann, um ihre Anweisungen für die Proteinherstellung zu übermitteln, wird sie von Enzymen „aufgeräumt“. Sie entfernen Segmente, die Introns genannt werden, und spleißen dann die verbleibenden Segmente, die Exons, zusammen. Exons sind die Sequenzen, die tatsächlich für Proteine kodieren, also diejenigen, die in der mRNA erhalten bleiben müssen. Man kann sich die Introns wie Füllstücke zwischen den Exons vorstellen.

Erinnern Sie sich auch daran, dass ich erwähnt habe, dass eine einzige DNA-Sequenz für mehrere Proteine kodieren kann? Alternatives Spleißen ist der Grund dafür: Bevor die mRNA den Zellkern verlässt, können ihre Exons auf verschiedene Weise zusammengespleißt werden.

Ein Protein herstellen, Teil 2: Translation

Nachdem alles gesäubert und bereit ist, verlässt die mRNA den Zellkern und macht sich auf den Weg, um ihre Bestimmung zu erfüllen: Sie nimmt an der Translation teil, der zweiten Hälfte der Proteinherstellung.

Im Zytoplasma muss sich die mRNA mit Hilfe eines Ribosoms mit der tRNA verbinden. tRNA ist eine Art von RNA, die einen Platz zur Bindung an freie Aminosäuren und eine spezielle Sequenz von drei stickstoffhaltigen Basen (ein Anticodon) hat, die sich an das Ribosom bindet.

Ribosomen sind Organellen, die das Zusammentreffen von tRNA und mRNA erleichtern. Während der Translation folgen die Ribosomen und die tRNA den Anweisungen auf der mRNA und bauen Aminosäuren zu Proteinen zusammen.

Bild aus A&P 6.

Jedes Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten (groß und klein). Diese kommen zu Beginn der Translation zusammen. Ribosomale Untereinheiten befinden sich normalerweise im Zytoplasma, aber ein Ribosom dockt an das raue endoplasmatische Retikulum an, wenn das Protein, das es herstellt, in ein Transportvesikel gebracht werden muss. Ribosomen haben außerdem drei Bindungsstellen, an denen tRNA andocken kann: die A-Stelle (Aminoacyl, erste Position), die P-Stelle (Peptidyl, zweite Position) und die E-Stelle (die Ausgangsposition).

Im Endeffekt besteht die Translation aus drei Schritten: Initiation, Elongation und Terminierung.

Bei der Initiation bildet der mRNA-Strang eine Schleife, an der sich eine kleine ribosomale Untereinheit (der untere Teil des Ribosoms) festhält und eine Basenfolge findet, die ihr signalisiert, mit der Transkription zu beginnen. Dies wird als Startcodon (AUG) bezeichnet.

Dann paart sich eine tRNA mit UAC-Anticodon mit diesem Startcodon und nimmt die zweite Position (P) des Ribosoms ein. Diese tRNA trägt die Aminosäure Methionin (Met). Zu diesem Zeitpunkt nimmt auch die große ribosomale Untereinheit ihre Position ein (sie befindet sich oberhalb der mRNA und die kleine Untereinheit unterhalb).

In der Elongationsphase beginnt das vollständig zusammengebaute Ribosom, sich entlang der mRNA zu bewegen. Angenommen, die nächste Basenfolge, auf die es nach dem Startcodon trifft, ist GCU. Ein tRNA-Molekül mit dem Anticodon CGA wird an die erste Position (A) des Ribosoms gebunden. Die Aminosäure, die es trägt (Alanin), bildet eine Peptidbindung mit Met. Danach bewegt sich die CGA-tRNA (die die Met-Ala-Kette trägt) zur zweiten Position, und die UAC-tRNA gelangt in die E-Bindungsstelle. Die Stelle an der ersten Position ist dann bereit, eine neue tRNA aufzunehmen. Dieser Prozess läuft so lange ab, bis das Ribosom ein „Stopp“-Codon erreicht.

Videoaufnahmen von A&P 6.

Termination ist so ziemlich das, wonach es klingt. Beim Erreichen des „Stopp“-Codons trägt die tRNA, die an der ersten Position bindet, ein Protein, das als Release-Faktor bezeichnet wird. Die Aminosäurekette bricht dann vom Ribosom ab und geht entweder in das Zytosol oder in die Zisterne des rauen ER, und das Ribosom zerfällt. Es kann sich jedoch sehr wohl wieder zusammensetzen und die mRNA-Schleife erneut durchlaufen. Außerdem können mehrere Ribosomen gleichzeitig an der gleichen mRNA arbeiten!

Und das sind die Grundlagen der DNA!

Hier ist eine praktische Tabelle, die du dir ansehen kannst, wenn du dich an die Unterschiede zwischen Transkription, Translation und Replikation erinnern musst:

	Ort	Zweck	Haupt Teilnehmer	Produkt(e)
Replikation	Nukleus	Vervielfältigung eines vollständigen DNA-Strangs	DNA DNA-Helikase DNA-Polymerase DNA-Ligase	2 identische DNA-Stränge
Transkription	Kern	Verwendung eines DNA-Strangs zum Aufbau eines mRNA-Moleküls	DNA RNA-Polymerase (DNA Ligase)	mRNA
Translation	Zytoplasma	MRNA zum Aufbau einer Aminosäurekette verwenden	mRNA Ribosom tRNA (und Aminosäuren)	Aminosäurekette (Protein)

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