Genetik
DNA (Desoxyribonukleinsäure)
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Du weißt jetzt bereits, wie die DNA aufgebaut und organisiert ist. Doch was genau ist ihre Funktion, wie kann sie ihre Informationen weitergeben und wie können wir die DNA in der Biotechnologie nutzen? Das alles lernst du hier!

Um das Thema noch besser zu verstehen, schaue dir gerne unser Video dazu an!

Welche Funktion hat die DNA?

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

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 aufeinanderfolgende 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.

Funktion der DNA – Proteinbiosynthese

Die Proteinbiosynthese 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 aneinandergereihten Aminosäuren ergibt dann schließlich das Protein. 

Den Ablauf der Proteinbiosynthese kannst du in etwa 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.

Übersicht Proteinbiosynthese
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DNA, Protein, mRNA, Transkription, Translation, genetischer Code, Zellkern, Ribosomen

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. 

Zum Video: DNA Replikation
Zum Video: DNA Replikation

PCR (Polymerase Kettenreaktion)

Es können aber auch künstlich im Labor Kopien der Desoxyribonukleinsäure erstellt werden. Dieses molekulargenetische 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.  

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 einzelnen Chromosoms.

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

Chromosomen, Mutation, Down Syndrom, Aneuploidie
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Karyogramm Trisomie 21

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 prokaryotische Vorläuferorganismen mit eigener Erbinformation waren. 

Bakterielle DNA 

In Bakterien- oder Archaeenzellen liegt die Desoxyribonukleinsäure nicht als Faden, sonders als 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 Bakterienchromosom bezeichnen. Zusätzlich können noch weitere kleinere DNA-Ringe – die Plasmide im Zellplasma vorkommen.

Bakterienchromosom, Plasmid, ringförmig, Doppelstrang, Cytoplasma, Zellplasma, Zellkern, Chromosom, Histone
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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. 

DNA, Kapsid, Nukleinsäure, Bakteriophage, Virushülle
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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.

DNA, RNA, Einzelstrang, Doppelstrang, Thymin, Uracil, Desoxyribose, Ribose, Nukleinsäure
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Unterschied DNA RNA

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
  • In der Proteinbiosynthese (Transkription und Translation) wird die genetische Information auf der DNA zu Proteinen übersetzt, die dann den Phänotyp  beeinflussen können. 

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