Nukleinsäuren und die molekulare Grundlage der Vererbung

Nukleinsäuren und Biomoleküle

Die Biomoleküle sind Stoffe, die eng mit den Prozessen des Lebens verbunden sind. Als Beispiele können wir Zellbestandteile nennen. Zu den bekannten Gruppen gehören Kohlenhydrate, Lipide und Proteine, die Energie liefern, abgebaut werden und neue Materialien aufbauen. Ein viertes Biomolekül sind die Nukleinsäuren, die nicht primär Energie liefern, sondern an der Synthese und Übertragung von Erbanlagen und an der Proteinbiosynthese beteiligt sind. Die sogenannten Nukleinsäuren gibt es in zwei Arten: DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure).

Vorkommen der DNA

Die DNA befindet sich vor allem im Zellkern; eine kleine Menge findet sich in den Mitochondrien und Chloroplasten. Etwa 80 % der RNA sind in den Ribosomen lokalisiert. Während der Zellteilung durchläuft die DNA eine Kondensation und bildet immer kürzere Strukturen, die als Chromatin bezeichnet werden und sich weiter zu Chromosomen kondensieren (Abb. 2). Chromosomen sind doppelt angelegt. Menschliche Zellen besitzen 23 Chromosomenpaare. Jedes Chromosom besteht aus zwei Strängen, den sogenannten Chromatiden, die in einer Region zusammentreten, dem Kinetochor. Innerhalb dieser Strukturen ist die DNA organisiert und bildet funktionelle Einheiten, die Gene genannt werden. Unsere genetischen Informationen sind in Genen gespeichert; die geschätzte Anzahl der Gene liegt laut den Ergebnissen des Human Genome Project von Francis Collins und der Sequenzierung durch Celera Genomics unter Craig Venter zwischen etwa 26.383 und 39.114 Genen.

Die Frage: Welche Substanz ist das Erbmaterial?

Eine der großen Herausforderungen der Molekularbiologie war es, die Struktur der DNA zu entschlüsseln und zu verstehen, wie sie als Träger genetischer Informationen fungiert. Nachdem die Doppelhelixstruktur bekannt wurde, konnten Erklärungen entwickelt werden, wie genetische Information gespeichert, erhalten und vererbt wird. Die historische Frage lautete: Wie wurde entdeckt, dass DNA das Material der Erbanlagen ist? Um diese Frage zu beantworten, folgen wir der historischen Forschung, die zur Erkenntnis der molekularen Basis der Vererbung geführt hat.

Frühe Entdeckungen: Miescher und der Begriff Nuclein

Der Ausgangspunkt war die Entdeckung des sogenannten Nucleins durch Friedrich Miescher, einen Schweizer Arzt, der 1869 bei der Isolierung der Zellkerne aus weißen Blutkörperchen und aus Lachs-Sperma eine neue Substanz fand. Miescher konnte anfänglich die chemische Zusammensetzung und die mögliche Bedeutung dieser Substanz nicht vollständig klären. Später erkannte man, dass es sich nicht um ein Protein, sondern um eine saure Substanz handelt, die Nukleinsäure genannt wurde. Anschließend identifizierte man zwei Typen von Nukleinsäuren: die Desoxyribonukleinsäure (DNA) und die Ribonukleinsäure (RNA).

Chromosomen und erste Hypothesen

Im Jahr 1880 schlug Wilhelm Roux vor, dass genetische Informationen auf Chromosomen gespeichert sind. Oscar Hertwig (1884) stellte die Hypothese auf, dass das Chromatin der Chromosomen das Material der Vererbung sei. Bis 1914 zeigte Robert Feulgen mit einer spezifischen Färbung (Feulgen-Reaktion), dass DNA in Zellkernen eukaryotischer Zellen vorhanden ist und besonders in Chromosomen konzentriert vorkommt. In Tieren und höheren Pflanzen ist das Chromosom eine sehr komplexe Struktur; seine Komponenten wurden in etwa folgendermaßen angegeben: circa 27 % DNA, 66 % Protein und 6 % RNA. Der hohe Proteinanteil ließ zunächst vermuten, dass Proteine für die Vererbung verantwortlich sein könnten.

Wichtige Beiträge zur Aufklärung des Erbmaterials

Übersicht beteiligter Forscher

Die Verbindung zwischen dem DNA-Molekül und der Vererbung wurde durch Beiträge zahlreicher Forscher etabliert, darunter: Fred Griffith, Oswald Avery, Colin MacLeod, Maclyn McCarty, Phoebus Levene, Erwin Chargaff, Alfred D. Hershey, Martha Chase, James Watson, Francis Crick sowie Matthew Meselson und Franklin W. Stahl, unter anderen.

Phoebus Levene: Bausteine der Nukleinsäuren

Phoebus Levene fand in den 1920er Jahren heraus, dass die chemische Zusammensetzung der Nukleinsäuren aus drei Komponenten besteht: (a) einer stickstoffhaltigen Base (Purin- oder Pyrimidinbase), (b) einem Zucker (Desoxyribose in der DNA bzw. Ribose in der RNA) und (c) einer Phosphatgruppe. Levene stellte das Konzept des Nukleotids als strukturelle Einheit der Nukleinsäuren auf.

Fred Griffith: Der Transformationsversuch (1928)

Fred Griffith arbeitete mit Pneumokokken, dem Bakterium, das Lungenentzündung verursachen kann. Es gab zwei Formen: eine glatt gekapselte Form (S-Form), die virulent ist, und eine rauhe Form (R-Form), die nicht virulent ist. Griffith stellte fest, dass lebende R-Stämme, gemischt mit hitzegetöteten S-Stämmen, Mäuse töten konnten und dass in diesen Mäusen lebende S-Stämme nachweisbar waren. Er schloss daraus, dass ein "transformierender Faktor" von den toten S-Bakterien auf die lebenden R-Bakterien übertragen worden war.

Avery, MacLeod und McCarty: DNA als transformierender Faktor (1944)

Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty fraktionierten Zellinhalte toter S-Pneumokokken und fügten die einzelnen Komponenten zu Kulturen von R-Pneumokokken hinzu. Die Transformation von R zu S trat nur auf, wenn der DNA-Anteil hinzugefügt wurde. Sie schlossen daraus, dass DNA der "transformierende Faktor" ist und damit die DNA das Material der Vererbung sein muss. Dies war der erste experimentelle Nachweis, dass Vererbung mit einem chemischen Molekül, der Desoxyribonukleinsäure, zusammenhängt.

Erwin Chargaff: Basenhäufigkeiten

Zwischen 1949 und 1951 analysierte Erwin Chargaff die Zusammensetzung der stickstoffhaltigen Basen in der DNA verschiedener Organismen. Er stellte folgende Regeln auf: In jeder DNA entsprechen sich die Mengen von Adenin und Thymin (A = T) sowie von Guanin und Cytosin (G = C). Außerdem ist die Basenzusammensetzung innerhalb verschiedener Gewebe derselben Art gleich, variiert jedoch zwischen verschiedenen Arten und ändert sich nicht mit Alter oder Ernährung.

Watson und Crick: Das Doppelhelixmodell (1953)

James Watson und Francis Crick entwickelten 1953 ein dreidimensionales Modell der DNA, die sogenannte Doppelhelix. Sie stützten sich auf Röntgenstrukturanalysen, insbesondere die Arbeiten von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins, sowie auf Chargaffs Basenregel. Das Modell erklärte, wie die DNA repliziert werden kann und legte die Grundlage für das Verständnis des genetischen Codes.

Hershey und Chase: Bestätigung der Rolle der DNA (1952)

Alfred Hershey und Martha Chase führten 1952 Experimente mit dem T2-Bakteriophagen durch, einem Virus, das Escherichia coli infiziert. Sie markierten Proteine und DNA der Phagen radioaktiv unterschiedlich und zeigten, dass nach der Infektion die DNA, nicht die Proteine, in die Bakterienzellen gelangt und die Produktion neuer Phagen veranlasst. Dieses Experiment bestätigte die Rolle der DNA als genetisches Material.

Aufbau und Chemie der Nukleinsäuren

Das Nukleotid: Baustein der Nukleinsäuren

Ein Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen Base (Purine: Adenin, Guanin; Pyrimidine: Cytosin, Thymin oder Uracil), einem 5-Kohlenstoff-Zucker (Desoxyribose in der DNA, Ribose in der RNA) und einer Phosphatgruppe. Die Phosphatgruppe ist an das Zucker-Molekül gebunden (an Kohlenstoff C-5), während die stickstoffhaltige Base an C-1 des Zuckers gebunden ist.

Polynukleotide und Phosphodiesterbindung

Die Bindung zwischen Nukleotiden erfolgt zwischen der OH-Gruppe am Kohlenstoff C-3 eines Zuckerbausteins und der Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids, die an C-5 des nachfolgenden Zuckerbausteins gebunden ist. Diese Verknüpfung nennt man Phosphodiesterbindung. Die resultierende lange Kette aus vielen Nukleotiden nennt man Polynukleotid; sowohl DNA als auch RNA sind Polynukleotide.

Basen in DNA und RNA

Die in Nukleinsäuren vorkommenden Basen sind vornehmlich: Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin (nur in DNA) und Uracil (nur in RNA).

Zusammenfassung der chemischen Komponenten

Die obigen Abschnitte fassen die chemischen und historischen Grundlagen der Nukleinsäuren zusammen. Viele weitere Details, Abbildungen (z. B. Abb. 2, Abb. 3, Abb. 4, Abb. 6) und experimentelle Daten ergänzen dieses Thema in der Literatur der Molekularbiologie.