Aufbau der DNA

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist der Träger der Erbinformation in allen Lebewesen. Sie enthält die genetischen Anweisungen für die Herstellung von Proteinen, die in Form von Genen codiert sind.

Highlight: Bei Eukaryoten befindet sich die fadenförmige DNA im Zellkern, während sie bei Prokaryoten als ringförmige Struktur im Cytoplasma vorliegt.

Die chemischen Bestandteile der DNA umfassen:

1. Phosphatgruppe: Bindet an C5 und C3 Atome des Zuckers und bildet das Phosphat-Desoxyribose-Rückgrat.
2. Desoxyribose: Ein C5-Zucker, dessen C-Atome 1, 3 und 5 mit anderen Molekülen binden können.
3. Vier organische Basen:
   • Purinbasen: Adenin (A) und Guanin (G)
   • Pyrimidinbasen: Thymin (T) und Cytosin (C)

Vocabulary: Nukleotide sind die Grundbausteine der DNA und bestehen aus einem Molekül Desoxyribose, einer Phosphatgruppe und einer Base.

Die DNA-Struktur zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

• Millionen von Nukleotiden bilden lange Ketten
• Zucker sind über C3 und C5 durch Phosphate verbunden
• Zwei antiparallele Einzelstränge mit definierten Enden:
  • 3'-Ende: freie Hydroxylgruppe
  • 5'-Ende: freie Phosphatgruppe

Definition: Der DNA-Doppelstrang besteht aus zwei komplementären Einzelsträngen, die in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.

Chargaff-Regeln und Watson-Crick-Modell

Die Chargaff-Regeln und das Watson-Crick-Modell sind grundlegende Konzepte zum Verständnis der DNA-Struktur und -Komposition.

Chargaff-Regeln:

1. Die Menge an Adenin ist gleich der Menge an Thymin; die Menge an Cytosin ist gleich der Menge an Guanin.
2. Das Verhältnis von (A+T) zu (C+G) ist artspezifisch.
3. Die Summe der Purine (A,G) ist gleich der Summe der Pyrimidine (T,C).

Definition: Die Chargaff-Regeln beschreiben die Basenpaarung und -verteilung in der DNA.

Watson-Crick-Modell:

• Die DNA bildet eine Doppelhelix, die sich alle 3,4 nm umeinander windet.
• Das Grundgerüst besteht aus abwechselnd verknüpften Phosphat- und Zuckergruppen.
• Komplementäre Basen sind nach innen gerichtet und können aufgrund der Antiparallelität binden.
• Ladungsverteilungen sorgen für Anziehung zwischen komplementären Basen.

Highlight: Die DNA-Struktur weist zwei charakteristische Vertiefungen auf: die kleine und die große Furche, an denen Histone binden können.

Vocabulary: Antiparallelität bezeichnet die entgegengesetzte Ausrichtung der beiden DNA-Stränge (5' zu 3' und 3' zu 5').

Das Watson-Crick-Modell erklärt die dreidimensionale Struktur der DNA und bildet die Grundlage für das Verständnis der DNA-Replikation und anderer genetischer Prozesse.

Mechanismen der DNA-Replikation

Die DNA-Replikation ist ein essentieller Prozess für die Weitergabe genetischer Information. Es gibt drei theoretische Modelle der Replikation:

1. Semikonservativ
2. Konservativ
3. Dispersiv

Highlight: Das Meselson-Stahl-Experiment bestätigte die semikonservative Replikation als den tatsächlichen Mechanismus.

Der molekulare Mechanismus der DNA-Replikation bei Prokaryoten mit ringförmigem Chromosom umfasst folgende Phasen:

Initiationsphase:

• Beginn am Replikationsursprung (Origin)
• Topoisomerase entspiralisiert die DNA
• Helicase spaltet Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen
• Bildung der Replikationsblase mit zwei Replikationsgabeln
• SSB-Proteine stabilisieren Einzelstränge
• RNA-Polymerase/Primase synthetisiert RNA-Primer

Elongationsphase:

• Kontinuierliche Replikation des Leitstrangs (5'-3')
• Diskontinuierliche Replikation des Folgestrangs mit Okazaki-Fragmenten

Vocabulary: Okazaki-Fragmente sind kurze DNA-Abschnitte, die während der diskontinuierlichen Replikation entstehen.

Terminationsphase:

• RNase baut Primer ab
• DNA-Polymerase I ersetzt RNA-Nukleotide durch DNA-Nukleotide
• Ligase verknüpft Okazaki-Fragmente

Example: Die DNA-Polymerase kann nur in 5'-3'-Richtung synthetisieren, was die Notwendigkeit der diskontinuierlichen Replikation des Folgestrangs erklärt.

Die Proteinbiosynthese: Transkription

Die Proteinbiosynthese beginnt mit der Transkription, bei der die Information eines DNA-Abschnitts in einen Botenstoff (mRNA) umgeschrieben wird.

Vocabulary: Transkription ist der Prozess der RNA-Synthese anhand einer DNA-Vorlage.

Ort der Transkription:

• Bei Prokaryoten: im Cytoplasma
• Bei Eukaryoten: im Zellkern

Initiationsphase:

1. RNA-Polymerase erkennt und bindet an den Promotor
2. DNA wird durch Topoisomerase und Helicase geöffnet
3. Bildung des Transkriptionsauges

Elongationsphase:

1. Nur der Matrizenstrang (codogener Strang) enthält die relevante genetische Information
2. RNA-Polymerase synthetisiert mRNA in 5'-3'-Richtung
3. Nukleosid-Triphosphate liefern die nötige Energie durch Abspaltung von Bisphosphaten

Example: Die RNA-Polymerase liest den DNA-Matrizenstrang und fügt komplementäre RNA-Nukleotide hinzu, wobei Uracil statt Thymin verwendet wird.

Die Transkription ist der erste Schritt der Genexpression und bildet die Grundlage für die anschließende Translation, bei der die mRNA-Sequenz in ein Protein übersetzt wird.

Highlight: Der Unterschied zwischen Prokaryoten und Eukaryoten in Bezug auf den Ort der Transkription spiegelt die unterschiedliche Zellorganisation dieser Organismengruppen wider.