Genetik

In der DNA (Desoxyribonukleinsäure) sind alle Informationen, wie unser Geschlecht, unsere Haar- oder Augenfarbe gespeichert. Doch wie ist die DNA aufgebaut und was ist ihre genaue Funktion? Das alles lernst du hier. Schaue dir auch gerne unser anschauliches Video an, um den Aufbau und die Organisation der DNA noch schneller zu verstehen.

Inhaltsübersicht

Was ist DNA (Desoxyribonukleinsäure)?

Du kannst den Träger unserer Erbinformationen entweder als DNS ( deutsch für „DesoxyriboNucleinSäure“) oder DNA (englisch für „DeoxyriboNucleic Acid“) bezeichnen. Beide Begriffe stehen aber für ein und dasselbe Molekül, allerdings ist der Begriff DNA gebräuchlicher. 

Sie kommt in allen Lebewesen und bei vielen Viren vor. Anhand dieser Erbinformation können Proteine (z.B. Enzyme) hergestellt werden, die für unsere Entwicklung (Körpergröße, Haarfarbe) und den Zellstoffwechsel von enormer Bedeutung sind.

Du kannst dir die Desoxyribonukleinsäure als einen spiralförmigen Doppelstrang (DNA Doppelhelix%Verweis) vorstellen, der mit dem Aufbau einer Strickleiter vergleichbar ist. Sie besteht aus speziellen Bausteinen – den Nukleotiden%Verweis -, die miteinander verknüpft sind (= Polynukleotidkette). Ein DNA-Nukleotid setzt sich wiederum aus einem Zuckermolekül, einer Phosphatgruppe und einer organischen Base zusammen. 

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DNA Aufbau

Insgesamt können 4 verschiedene Basen in der DNA auftauchen, in deren Abfolge die genetischen Informationen festgelegt sind. Es handelt sich hier quasi um eine Art Geheimsprache (Genetischer Code ), der über viele Schritte (Proteinbiosynthese ) entschlüsselt werden muss.

Bei eukaryotischen Lebewesen (Tiere , Pflanzen , Pilze) befindet sich die DNA im Zellkern jeder Zelle.
Bei den Prokaryoten (Bakterien und Archaeen ), also den Lebewesen ohne Zellkern, liegt die DNA hingegen im Cytoplasma vor. 

Definition

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) (engl. deoxyribonucleic acid) stellt das grundlegende Erbmaterial aller lebenden Organismen dar. Sie besteht aus einer Kette von vielen Nukleotiden (Desoxyribose, Phosphatgruppe und organische Base), die eine schraubenförmige Doppelhelix ergibt. 

DNA Aufbau

Die DNA besteht aus mehreren Bestandteilen, die über chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Nachfolgend erklären wir dir die wichtigsten Bestandteile der DNA.

Schau dir gerne unseren Beitrag DNA Aufbau an, wenn du genauer wissen willst, wie sie aufgebaut ist. 

DNA Bestandteile 

Bei der DNA (Desoxyribonukleinsäure) handelt es sich um eine sogenannte Nukleinsäure. Das sind chemische Moleküle, die aus lediglich drei Grundbausteinen aufgebaut sind: organischen Basen, Zuckermolekülen und Phosphatgruppen.

Beginnen wir mit dem ersten Bestandteil der DNA: dem Zuckermolekül. Du kannst es auch als Desoxyribose bezeichnen. Es handelt sich hier um eine Pentose, also einen Zucker bestehend aus fünf Kohlenstoffatomen.  

Die Kohlenstoffatome am Zuckermolekül werden übrigens mit den Zahlen 1-5 im Uhrzeigersinn durchnummeriert. Das ist deshalb wichtig, damit wir sofort wissen, an welcher Stelle des Moleküls eine Verknüpfung erfolgt. 

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Chemische Struktur der Desoxyribose

Nun benötigen wir den nächsten Baustein: 4 organische, stickstoffhaltige Basen. 

  • Adenin (A)
  • Thymin (T)
  • Guanin (G)
  • Cytosin (C)

Du kannst dir hier merken, dass die Base Thymin nur in der DNA vorkommt.

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DNA Basen

Jeweils eine der vier organischen Basen verbindet sich nun mit der Desoxyribose – und zwar immer über das 1. Kohlenstoff-Atom (1′) des Zuckermoleküls. Jetzt weißt du auch, wieso die Nummerierung der C-Atome hier sinnvoll ist. 

Du kannst die entstehende Verbindung als Nukleosid ( Base + Zucker) bezeichnen.

Nun kommt der letzte Baustein ins Spiel: die Phosphatgruppe. Diese ist mit dem 5. C-Atom (5′) des Zuckers verbunden.  Jetzt erhalten wir das Nukleotid, also eine Verbindung bestehend aus einem Zucker, einer Base und Phosphatgruppe(n). 

DNA Struktur als Doppelstrang 

Die kleinere Einheit der DNA hast du jetzt kennen gelernt: Das Nukleotid. Ein Nukleotid ist über seinen Phosphatrest mit dem C3-Atom (3′) des Zuckers eines weiteren Nukleotid verknüpft. Dadurch entsteht eine lange Kette, bei der sich Zucker- und Phosphatmoleküle abwechseln (=DNA Strang). Diese Kette kannst du auch als Polynukleotid („poly“ = viele) bezeichnen. 

Die Forscher Watson und Crick ermittelten mittels Röntgenstrahlung den genauen molekularen Bau der DNA und bekamen 1962 für ihr DNA Modell ( „Watson Crick Modell„) den Nobelpreis.

Wie du bereits gelernt hast, ist die Desoxyribonukleinsäure als Doppelstrang aufgebaut, den du mit einer Strickleiter vergleichen kannst. Die rechte und linke Seite der Leiter stellen hier zwei parallel verlaufende Molekülfäden, abwechselnd aus Zucker und Phosphat, dar. Sie sind über die jeweiligen Basen über zwischenmolekulare Kräfte (Wasserstoffbrückenbindungen ) verknüpft. Diese Querverbindung entspricht den Sprossen der Strickleiter.  

Wichtig: Es paart sich immer nur Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin. Das kannst du auch als komplementäre Basenpaarung bezeichnen.

Aufgrund dieser Bindungsverhältnisse, sind die beiden Stränge der Helix gegenläufig (antiparallel) angeordnet. Die eine Zucker-Phosphat-Kette verläuft von 5′ -> 3′, während die andere von 3′ -> 5′ verläuft.                                                                  

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DNA Aufbau

Die DNA-Strickleiter kannst du dir außerdem als schraubig gewundenen Doppelstrang (DNA Doppelhelix), der sich nach je 10 Basenpaaren einmal um die Achse der Schraube windet, vorstellen.

Verpackung der DNA als Chromosomen

Wie du bereits gelernt hast, befindet sich die DNA bei Eukaryoten im Zellkern und bei Prokaryoten im Cytoplasma. Würde man alle DNA-Fäden aus einem Zellkern bei den Eukaryoten aneinander reihen, wären sie ungefähr 2 m lang.
Um die DNA dennoch im Zellkern zu platzieren liegt sie dort extrem komprimiert in Form von sogenannten Chromosomen vor. 

Die Grundbausteine jedes Chromosoms sind ein einzelner langer DNA Strang und spezielle Proteine (u.a. Histone%Verweis). Die Gesamtheit aus Desoxyribonukleinsäure und Proteinen kannst du auch als Chromatin%evtl Verweis bezeichnen. 

Der lange DNA Faden windet sich nun immer zweimal um jeweils acht Histone, wobei die Desoxyribonukleinsäure einiges an Platz einsparen kann. Das kannst du dir wie bei meinem Lockenwickler vorstellen, bei dem die Haare die Desoxyribonukleinsäure darstellen. Es entsteht jetzt quasi eine Art Perlenkette zusammengesetzt aus DNA-Faden und Histonkomplexen. Einen einzelnen Histonkomplex mit DNA kannst du übrigens auch Nukleosom (Perle = Nukleosom) nennen. 

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Verpackung der DNA

DNA Funktion

Die Funktionen der DNA zeigen wir dir in unserem nächsten Video – schaue gerne vorbei um den vollen Durchblick zur DNA zu bekommen.

Die DNA trägt den Bauplan für die Herstellung von Proteinen bzw. Enzymen. Den gesamten Prozess der Proteinherstellung kannst du als Proteinbiosynthese bezeichnen.

Sie erfolgt in zwei Phasen: die Transkription (lat. „transcribere = umschreiben) und die Translation (engl. translation = Übersetzung).

Unter der Transkription kannst du einen durch Enzyme vermittelten Prozess verstehen, der zur Umschreibung der in der DNA enthaltenden Informationen dient. Es werden quasi transportfähige Kopien (mRNAs ) der DNA-Stränge angefertigt. 

Die Translation sorgt dann für die Übersetzung der in der Boten-RNA gespeicherten Informationen in eine Aminosäuresäuresequenz. Eine Kette aus aneinander gereihten Aminosäuren ergibt dann schließlich das Protein. 

Den Abschnitt auf der Desoxyribonukleinsäure, der für ein Protein (z.B. Enzym) codiert, kannst du als Gen  bezeichnen. Es handelt sich hierbei um eine Art Verschlüsselung (Genetischer Code ), bei der immer drei aufeinanderfolgenden Basen der DNA (Basentriplett) eine Aminosäure ergeben.

Das aus mehreren Aminosäuren hergestellte Protein wirkt meist als Enzym und stellt aus bestimmten Substraten ein Endprodukt (z.B. Farbstoff oder Wachstumshormon) her, das sich dann auf den Phänotyp, also das äußere Erscheinungsbild auswirkt. Diese Enzyme können dann nämlich zum Beispiel Farbstoffe herstellen, die die Farbe unserer Augen bestimmen.

Den Ablauf der Proteinbiosynthese kannst du in etwa wie mit unserem Alphabet vergleichen, bei dem eine bestimmte Kombination an Buchstaben ein bestimmtes Wort ergibt. Die Kombination aus drei Basen („Buchstaben“) entspricht einem Basentriplett („Wort“). Aus mehreren Tripletts („Wörter“) entsteht hintereinander gereiht ein Gen („Satz“). Das Gen wiederum enthält die Bauanleitung für ein bestimmtes Protein (z.B. Enzym), was du mit der Aussage/Bedeutung eines Satzes vergleichen kannst.

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Übersicht Proteinbiosynthese

DNA Sequenzierung

Unter der DNA Sequenzierung  kannst du verstehen, dass die Anordnung der jeweiligen Nukleotide in der DNA bestimmt wird. So kann die Basensequenz, die die genetischen Informationen enthält, ermittelt werden.

Hierfür eignen sich verschiedene Verfahren, wie die sogenannte Sanger Sequenzierung . Die DNA Sequenzierung bereitet der Gentechnik viele neue Möglichkeiten, wie das Erkennen von bestimmten Erbkrankheiten oder um Klonierungen des Erbguts vorzunehmen. 

Verdopplung der DNA

Sowohl in unseren Zellen (DNA Replikation ), als auch im Labor (PCR Methode ) können Kopien der DNA angefertigt werden.

DNA Replikation

Die Desoxyribonukleinsäure kann sich sowohl bei Eukaryoten als auch Prokaryoten selbst verdoppeln, indem sie mithilfe von Enzymen (u.a. DNA-Polymerase ) eine identische Kopie von sich anfertigen lässt. Das kannst du als DNA Replikation bezeichnen, die vor jeder Kernteilung (Mitose ) notwendig ist.

Hierfür trennt zunächst ein spezielles Enzym (Helicase) die Wasserstoffbrückenbindungen, die sich zwischen den jeweiligen Basenpaaren befinden, auf. Das kannst du dir wie bei der Öffnung eines Reißverschluss vorstellen. Die beiden offen gelegenen Einzelstränge stellen eine Vorlage (Matrize) für einen neu herzustellenden Strang dar.

Es entstehen zwei identische Doppelstränge, bei denen jeweils eine Hälfte von der ursprünglichen Desoxyribonukleinsäure stammt und eine Hälfte neu hergestellt wurde. Deshalb kannst du auch von einer semikonservativen ( „zur Hälfte enthalten“) Replikation sprechen. 

Um die Replikation im Detail nachzuvollziehen, schaue jetzt bei unserem Video dazu vorbei!

Zum Video: DNA Replikation
Zum Video: DNA Replikation

PCR (Polymerase Kettenreaktion)

Es können aber auch künstlich im Labor Kopien der Desoxyribonukleinsäure erstellt werden. Dieses molekulargenetisches Verfahren kannst du auch als PCR  (Polymerase Ketten Reaktion oder polymerase chain reaction) bezeichnen.

Damit gelingt es, ausgewählte DNA-Abschnitte zu vervielfältigen und unbegrenzt viele Kopien einer vorliegenden DNA-Sequenz zu generieren. Die Methode der PCR ist in vielen Schritten ähnlich zur natürlichen Replikation.
Bei der PCR werden immer 3 Arbeitsschritte wiederholt: Zunächst werden die Basenpaare durch Hitze voneinander getrennt (= Denaturierung). Daraufhin lagern sich sogenannte Starter (Primer) an die Einzelstränge an. Nun kann das Enzym DNA-Polymerase für die Herstellung eines komplementären DNA Doppelstrangs sorgen.

Diese Vervielfältigung ist wichtig, da häufig nur eine eine kleine Menge an Desoxyribonukleinsäure vorliegt, mit der weiter gearbeitet oder geforscht werden soll. Das Verfahren wird häufig in der in der Medizin zum Nachweis von Virus- oder Bakterieninfektionen (z.B. bei HIV) oder auch in der Kriminalistik angewendet. In der Kriminalistik kann aufgrund winziger Spuren (z.B. Blut, Haare), die der Täter am Tatort hinterlässt, mittels der PCR-Methode sein genetischer Fingerabdruck ermittelt werden.  

In unserem Video zur Polymerase Kettenreaktion, lernst du Schritt für Schritt, wie diese abläuft! Schau gerne vorbei!

Zum Video: Polymerase Kettenreaktion
Zum Video: Polymerase Kettenreaktion

Schäden der DNA durch Mutationen

Schäden oder Veränderungen in der Desoxyribonukleinsäure und damit in unserem Erbguts können durchaus vorkommen. Es handelt es sich dabei um sogenannte Mutationen . Sie können zum Teil tödlich für den jeweiligen Organismus sein. 

Mutationen können entweder spontan, also unter natürlichen Bedingungen auftreten (Spontanmutationen) oder experimentell verursacht werden (induzierte Mutationen). Energiereiche (ionisierende) Strahlung, also auch der UV-Anteil im Sonnenlicht, kann Ursache einer Mutation sein. 

Du kannst zwischen Genommutationen , Chromosomenmutationen und Genmutationen  unterscheiden. Die Genommutation führt zu einer veränderten Chromosomenzahl. Das kann den gesamten Chromosomensatz (Polyploidie) oder einzelne Chromosomen (Aneuploidie) betreffen, wie es bei Trisomie 21 (Down-Syndom) der Fall ist.

Bei der Chromosomenmutation handelt es sich um eine starke Veränderung der Struktur eines oder mehrerer Chromosomen.

Mit einer Genmutation kann sich die Basenabfolge der Desoxyribonukleinsäure entweder durch Verlust, Hinzufügen oder Austausch von Nukleotiden ändern. 

Schau gerne bei unserem Video zu den Mutationen vorbei, um noch mehr darüber zu erfahren!

Zum Video: Mutation
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DNA Formen

Neben der DNA im Zellkern eukaryotischer Lebewesen gibt es noch weitere DNA Formen: die mitochondriale DNA (mtDNA), die bakterielle und die virale DNA

Mitochondriale DNA (mtDNA)

Die mitochondriale DNA (mtDNA) kommt bei eukaryotischen Zellen in den Mitochondrien – den „Kraftwerken unserer Zellen“ – vor. Pflanzenzellen besitzen außerdem auch in ihren Plastiden (cpDNA) wie den Chloroplasten (ctDNA )DNA. 

Das Vorhandensein der Desoxyribonukleinsäure kannst du dir über die Endosymbiontentheorie erklären, in der davon ausgegangen wird, dass Mitochondrien und Plastiden ursprünglich eigenständige prokaryotischer Vorläuferorganismen mit eigener Erbinformation waren. 

Bakterielle DNA 

In Bakterien- oder Archaeenzellen liegt die Desoxyribonukleinsäure nicht als Faden, sonders als meist ringförmiges geschlossenes Molekül im Zellplasma vor. Das 5′ -Ende ist also jeweils mit dem 3′ -Ende des DNA-Strangs verknüpft. Du kannst diesen Ring auch als Nucleoid bezeichnen. Zusätzlich können noch weitere kleinere DNA-Ringe – die Plasmide im Zellplasma vorkommen.

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DNA Prokaryoten Eukaryoten Unterschied

Virale DNA

Viren hingegen können als Erbinformation entweder Desoxyribonukleinsäure oder Ribonukleinsäure (RNA) enthalten, die meist von einer Proteinhülle (Kapsid) geschützt werden.

Bei den DNA-Viren kann die Desoxyribonukleinsäure entweder als Doppelstrang (ds) oder auch als Einzelstrang (ss) vorliegen. Zudem kann dieser Strang segmentiert in verschiedene Stücke aufgeteilt, als geschlossener Ring oder als linearer Strang vorkommen. 

Das Genom der DNA-Viren ist aufgrund der höheren Stabilität der Desoxyribonukleinsäure weniger anfälliger für Mutationen als das der RNA-Viren. 

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DNA Virus

Unterschied DNA RNA

Die DNA und RNA sind sich in ihrem Aufbau sehr ähnlich. Dennoch gibt es ein paar wichtige Unterschiede, die du dir merken solltest. 

Der offensichtlichste ist, dass die RNA im Gegensatz zum DNA-Doppelstrang als meist deutlich kürzerer Einzelstrang vorliegt. 

Einen weiteren Unterschied kannst du bereits den jeweiligen Namen entnehmen: Das beteiligte Zuckermolekül bei der Desoxyribonukleinsäure ist, wie du bereits gelernt hast, die Desoxyribose, bei der RNA hingegen die Ribose. Bei der Desoxyribose handelt es sich um eine Ribose mit einem fehlenden Sauerstoffatom

Wenn du noch mehr Gemeinsamkeiten und Unterschieden von RNA und DNA erfahren möchtest, dann schau dir gerne unseren separaten Beitrag  dazu an.

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Unterschied RNA DNA

Zusammenfassung

  • Die DNA ist der Träger der Erbinformationen und Kennzeichen eines jeden Lebewesens 
  • Bei Eukaryoten ist die DNA im Zellkern in Form von Chromosomen angeordnet, bei Prokaryoten hingegen frei im Zellplasma. 
  • Ein Desoxyribonukleinsäure-Molekül besteht aus zwei komplementären, antiparallelen gewundenen Polynukleotidsträngen, die über Wasserstoffbrückenbindungen querverbunden sind (=Doppelhelix)
  • Der kleinste Baustein der Desoxyribonukleinsäure ist das Nukleotid (Zucker + Phosphatgruppe + organische Basen)
  • Bei der DNA Replikation werden die DNA-Moleküle vor der Mitose identisch verdoppelt 
  • Ein Gen ist ein Abschnitt auf der Desoxyribonukleinsäure, der für ein Protein (z.B. Enzym) codiert

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