Struktur, Funktion und Replikation der DNA: Ein umfassender Leitfaden

Struktur und Charakter der DNA

1. Die DNA wird von zwei Ketten gebildet, die sich umeinander winden und eine Doppelhelix bilden.
2. Jede Kette besteht aus Einheiten, die Nukleotide genannt werden. In der DNA gibt es vier Arten von Nukleotiden: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Jedes Nukleotid besteht aus einem Phosphat, einem Desoxyribosezucker und einer Stickstoffbase.
3. Die beiden Ketten sind durch ihre Nukleotide auf komplementäre Weise miteinander verbunden: Adenin bindet an Thymin (A-T) und Guanin an Cytosin (G-C). Die Menge an Adenin ist gleich der Menge an Thymin und die Menge an Guanin ist gleich der Menge an Cytosin.

Funktionen der DNA

1. Träger der genetischen Information: Die Reihenfolge der DNA-Basen enthält die genetische Information des Organismus. Mit dieser Sprache aus vier Buchstaben kann eine sehr große Anzahl von Sequenzen gebildet werden, die die Merkmale jeder Art und jedes Organismus bestimmen.
2. Übertragung von Informationen von einer Zelle auf ihre Tochterzellen: Vor der Zellteilung repliziert sich die DNA basierend auf der Komplementarität der beiden Ketten.
3. Steuerung der Zellfunktionen: Die Expression der DNA bestimmt die genetischen Merkmale.

Der genetische Code

Eine Sprache, die die Reihenfolge der Stickstoffbasen der DNA in Aminosäuren umwandelt, um ein Protein zu bilden. In der DNA sind die Anweisungen zur Bildung der Proteine geschrieben, die die Eigenschaften der Zelle und damit des Organismus bestimmen. Die DNA steuert die Synthese der wichtigsten zellulären Moleküle: Proteine, die:

1. strukturelle Funktionen haben.
2. enzymatische Funktionen haben. Enzyme sind Proteine, die an allen biochemischen Reaktionen der Zelle beteiligt sind.

Der DNA-Code besteht aus vier Buchstaben, die die Stickstoffbasen darstellen. Alle drei Basen oder Tripletts kodieren für eine Aminosäure, die in die Proteinkette eingebaut wird. Die Reihenfolge der Basen bestimmt, welche Aminosäure eingebaut wird.

DNA-Replikation

1. Trennung der beiden Ketten der DNA-Doppelhelix.
2. Synthese neuer Ketten. Jede der ursprünglichen Ketten dient als Vorlage für einen neuen komplementären Strang: A gegenüber T, G gegenüber C und umgekehrt.
3. Der Prozess ist abgeschlossen, wenn zwei neue DNA-Moleküle entstehen, die jeweils aus einem ursprünglichen und einem neuen DNA-Strang bestehen.

Proteinbiosynthese: Transkription (DNA -> RNA)

In diesem Schritt werden die in der DNA kodierten Informationen in RNA kopiert. Die RNA wird durch ein Enzym namens RNA-Polymerase gebildet. Wenn sich die beiden DNA-Stränge trennen, dient einer von ihnen als Vorlage für die RNA-Synthese, indem komplementäre RNA-Nukleotide hinzugefügt werden: G gegenüber C, C gegenüber G, A gegenüber T und U gegenüber A (RNA hat kein T). Die RNA, die die Anweisungen für die Synthese eines Proteins trägt, ist die Messenger-RNA (mRNA).

Es gibt drei Arten von RNA, die durch Transkription eines DNA-Fragments gebildet werden:

1. mRNA: Trägt die Anweisungen, die Botschaft, von der DNA im Zellkern zu den Ribosomen für die Proteinsynthese.
2. tRNA: Trägt Aminosäuren zu den Ribosomen und fügt sie gemäß der mRNA ein.
3. rRNA: Bildet die Ribosomen, in denen Proteine synthetisiert werden.

Translation (RNA -> Protein)

Prozess, bei dem das mRNA-Fragment, das den Zellkern verlassen hat, an den Ribosomen gelesen oder translatiert wird und ein Protein synthetisiert wird. Die Translation findet an den Ribosomen statt. In der mRNA kodiert jedes Triplett aus drei Basen (oder Codon) für eine andere Aminosäure. Mit den vier Stickstoffbasen der RNA können 64 Tripletts gebildet werden, von denen 61 für die 20 Aminosäuren kodieren und 3 Stopcodons sind. Ein weiteres RNA-Molekül ist die tRNA.

1. Sie hat eine dreidimensionale Struktur wie ein Kleeblatt.
2. Das Anticodon ist die Gruppe von drei Basen, die mit dem mRNA-Codon interagieren. Jede tRNA hat ein einzigartiges Anticodon, das komplementär zum mRNA-Codon ist.
3. Jedes tRNA-Molekül besteht aus 75-80 Nukleotiden.
4. Für jede Aminosäure gibt es mindestens eine tRNA.

Schritte:

1. Die mRNA bindet an das Ribosom, wo sich das Startcodon AUG befindet.
2. Eine tRNA mit dem entsprechenden Anticodon, das komplementär zum AUG-Codon ist, bindet an das Ribosom. Die Aminosäure, die durch AUG kodiert wird, ist Methionin.
3. Das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA. Die zweite Aminosäure, die von der entsprechenden tRNA getragen wird, deren Anticodon komplementär zum zweiten mRNA-Codon ist, gelangt in das Ribosom, und die beiden Aminosäuren werden durch eine Peptidbindung miteinander verbunden.
4. Die tRNA, die ihre Aminosäure abgegeben hat, kehrt ins Zytoplasma zurück, um eine weitere Aminosäure zu holen.
5. Das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA-Kette, bis es ein Stopcodon (UAA, UAG oder UGA) erreicht.

Mutationen

Mutationen sind Veränderungen in der DNA. Genmutationen sind solche, die die Nukleotidsequenz eines Gens verändern. Diese Veränderungen können auch Veränderungen im Protein verursachen, das von diesem Gen kodiert wird. Es gibt zwei Arten von Mutationen:

1. Mutationen durch Substitution eines Nukleotids durch ein anderes: Betrifft nur die Aminosäure, die von dem Triplett kodiert wird. Da jedes Triplett mehr als eine Aminosäure kodieren kann, ist es möglich, dass das neue Triplett für dieselbe Aminosäure kodiert und das Protein nicht verändert wird. Dies ist eine stille Mutation. Wenn sich die Aminosäure ändert, können die Auswirkungen auf das Protein sehr unterschiedlich sein.
2. Mutationen durch Verschiebung des Leserasters: Entstehen durch Einfügen oder Verlust (Deletion) eines Nukleotids. In diesem Fall werden alle Tripletts ab dem Mutationspunkt verändert, was zu einem völlig anderen und möglicherweise inaktiven Proteinfragment führt.

Je nach den betroffenen Zellen gibt es:

1. Keimbahnmutationen: Betreffen die Keimzellen.
2. Somatische Mutationen: Betreffen jede andere Zelle.

Mutationen können spontan oder durch Mutagene wie Strahlung oder Röntgenstrahlen verursacht werden.

Begriffsbestimmungen

• DNA (Desoxyribonukleinsäure): Träger der genetischen Information, die die Eigenschaften eines Organismus bestimmt und von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben wird.
• Nukleotid: Einheit, die eine DNA-Kette bildet.
• Chromosom: Struktur, die aus DNA und Proteinen besteht.
• Genom: Die gesamte genetische Information in der DNA eines Organismus.
• Gen: DNA-Fragment, das die Information für die Synthese eines Proteins trägt.
• Transgener Organismus: Organismus, dessen Genom durch die Einführung eines fremden Gens verändert wurde.
• Klonen: Prozess, bei dem identische Kopien eines Organismus ungeschlechtlich erzeugt werden.
• rDNA: DNA-Moleküle, die außerhalb lebender Zellen manipuliert werden, indem DNA-Segmente verändert werden.