Bau der DNA: DNA-Moleküle sind unverzweigte Riesenmoleküle aus Nukleotid-Bausteinen
 ->Desoxyribonukleinsäure
 (engl. deoxyribonucleic acid)

1869 entdeckte Friedrich Miescher in Tübingen die Nukleinsäure in einem Extrakt aus Eiterzellen und nannte sie „Nuclein“ - abgeleitet von lateinisch nucleus=Kern.

1) Bausteine der DNA:  Nukleotide
Nukleotide bestehen ihrerseits aus 3 Untereinheiten
- Desoxyribose = Zucker (Z)   ->           ringförmiger  Einfachzucker aus 5 C-Atomen
- Phosphorsäure  (p)              ->                                                                      anorganische schwache Säure, die in wässriger Lösung durch Abspaltung von H+-Ionen zum negativ geladenen Phosphat-Ion reagiert -> DNA hat negative Molekülladung!
- organische Base (4 Varianten):
 A , T , G , C ;                                   -
>   
durch Aminogruppen basische Ringmoleküle
Ribose = Zucker mit 5 C-Atomen (C5H10O5)
-> siehe RNA
Desoxyribose = Ribose mit einem O-Atom weniger (am C-Atom 2') --> (C5H10O4) Phosphorsäure = H3PO4
(verestert an 3' und 5' mit den OH-Gruppen des Zuckers)

Adenin = A



Thymin = T

 

Cytosin = C

Guanin =G

Zusammenfassung: (schematisch ohne Formeln verlangt!)
Es gibt  4 verschiedene Nukleotide, d. h. 4 verschiedene Bausteine der DNA.

Formel-Beispiel:
nicht verlangt, aber: Analyse der Formel, wenn sie im Aufgabenmaterial vorgelegt wird (siehe ABI 06)

(Nukleosid: Zuckermolekül + Base z.B. Adenosin-triphosphat ATP)  
2) Die Einzelstrang - DNA:
Die Nukleotide werden zu einem Molekülstrang verknüpft. (Esterbindung zwischen Phosphorsäure und  Zucker) 

Merke:
Der genetische Code beruht auf 4 verschiedenen Basen, die dadurch Informationen verschlüsseln, dass sie in langen Kettenmolekülen in einer ganz bestimmten Abfolge  = Basensequenz vorliegen. Die genetische Information ist also ein Basencode.
 
3)       Die Doppelstrang - DNA:
Die DNA liegt nicht als Einzelstrang vor, sondern als Doppelstrang. Die beiden Stränge sind  zueinander komplementär und antiparallel (---> Leserichtung entgegengesetzt).
Befunde: In der DNA ist der Anteil an A immer gleich groß wie der Anteil an T. Das gleiche gilt für G und C.   ---->   Die beiden Stränge bilden über sog. komplementäre Basenpaare A - T und C - G „Sprossen einer Leiter“.
Gesetz der spezifischen Basenpaarung    

Bindungskräfte zwischen den Basenpaaren: Wasserstoffbrücken-Bindungen (=„H-Brücken“)
ABI - Skizze: Ausschnitt aus einem DNA-Molekül

Ergänzungen: (zur Vertiefung und Übung)

1) „Verpackung“ der DNA:
-> Interphase: Im Chromatin ist die DNA um kugelförmige Proteine (Histone) gewickelt. (Im LiMi nicht
sichtbar).

ElMi-Bild eines DNA-Strangs mit Histon-Molekülen

Modellvorstellung eines Nukleosoms

-> Mitose: Extreme Aufspiralisierung  zur Transportform in der Metaphase. (Im LiMi sichtbare Chromosomen)

 2) Man schätzt, dass ein menschlicher Zellkern in 23 Chromosomenpaaren ca. 30 000 Gene enthält. 
Diese enthalten ca. 3 Milliarden Basenpaare. 
Eines der kleinsten Chromosomen (Nr.22) des Menschen besteht aus über 1000 Genen mit 33,4 Millionen Basenpaaren ! 
Länge eines DNA-Moleküls ca. 5cm ----> Alle 46 DNA-Moleküle eines menschlichen Zellkerns: ----> 2m !
Bei ca. 1012 Zellen eines Menschen --> 109  km !!!
Zum Vergleich: Abstand: Erde-Sonne = 150Mill. km

 3) Man kann eine Lebewesenart daran erkennen, wie groß der
Basenquotient  A + T / G + C   ist.

Grund: Jede Art benutzt für ihr Erbgut die beiden verschiedenen Basenpaare in unterschiedlicher Häufigkeit.

z. B.: Mensch:  
Häufigkeit von Adenin  =30 %
  ---->         Thymin  =30 % Begründung: spez. Basenpaarung
 - --->         Cytosin  =20 %
  ---->         Guanin  =20 %
 Quotient:  60/40 = 1,5 ---->Basenquotient größer als 1 ---->   menschliches Erbgut bevorzugt das Basenpaar A-T
 z. B.: E-coli -  Bakterium:  Quotient = 0,9 ->  Die DNA von E-coli hat einen höheren Anteil von G-C - Paaren
 4) Schmelzpunkt“ von DNA:
Erhitzt man DNA-Lösung auf ca. 75 ° – 90 ° C, dann wird sie dünnflüssiger (bzw. Änderung der UV-Absorptionseigenschaften).
(Def. Schmelzpunkt: 50% Einzelstränge)  
Grund: 
Durch die Wärmeenergie werden die H-Brücken zwischen den Basenpaaren geöffnet.
--> Es entstehen Einzelstränge (reversibel) 
Jede Lebewesenart zeigt einen charakteristischen „Schmelzpunkt“.
Begründung:
Je größer der Anteil an G und C, desto höher ist der Schmelzpunkt, da 
zwischen G und C  3 H-Brücken und zwischen A und T nur 2 H-Brücken bestehen 
----> größere Hitzebeständigkeit !   --> siehe Aufgabe 6

  5)  negative Molekül-Ladung von DNA:
DNA-Moleküle sind wegen der Phosphat-Ionen negativ geladen und wandern deshalb im elektrischen Feld zum Pluspol! Bei der Gelelektrophorese wird dies ausgenützt, um DNA-Moleküle der Größe nach zu sortieren: Große negativ geladene Moleküle wandern (trotz größerer neg. Ladung) im elektrischen Feld  langsamer durch die "Maschen" des Gels als kleinere DNA-Fragmente.   ---> siehe Gentechnik

Wie wird die Basensequenz ermittelt?

oder: DNA-Sequenzierung nach Sanger: siehe Biologie-Abitur 2006 BW

Geschichte der Genforschung

1866  Gregor Mendel entdeckt die Vererbungsregeln.
1869  Entdeckung der "Kernsäure" von Friedrich Miescher in Tübingen (ohne ihre Bedeutung zu erkennen).
1900  Wiederentdeckung der Mendelregeln.
1906  Der Begriff "Gen" wird eingeführt.
1920  T. H. Morgan erstellt erste Genkarten von Drosophila.
1928  F. Griffith entdeckt die Transformation.
1944  O. Avery beweist, dass DNA für die Transformation verantwortlich ist.
1951  Die erste Aminosäuresequenz eines Proteins (Insulin) wird entziffert.
1953  Entdeckung der DNA-Doppelhelix durch J. Watson und F. Crick
1961  Entzifferung des genetischen Codes.
1970  Entdeckung der "Restriktionsenzyme" = (Schneideenzyme).
1977  Erste DNA-Sequenzanalysen. ( Frederick Sanger u.a. Nobelpreis 1980).
1977  Erste Klonierung eines menschlichen Gens
1977  Erste gentechnische Herstellung eines menschlichen Proteins in einem Bakterium.
1978: Louise Brown kommt am 25. Juli als erstes Retortenbaby in England durch In-vitro-Fertilisation (IVF) auf die Welt.  
1979  Die ersten menschlichen Gene werden isoliert.
1982: Erstes gentechnisch hergestelltes Medikament (Insulin) am Markt (USA).
1983  Polymerasekettenreaktion (PCR) ermöglicht beliebige Vervielfältigung von DNA. (K. B. Mullis Nobelpreis 1993).
1983  Erstes Patent auf eine gentechnologisch veränderte Pflanze.
1984  Entwicklung des genetischen Fingerabdrucks durch Alec Jeffreys (Edinburgh)
1994  Gentechnisch veränderte Tomaten kommen auf den Markt (USA, Großbritannien).
1995  Erstes vollständiges Genom entschlüsselt (Bakterium)
1996  Das Genom der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae wird als erstes höheres Lebewesen komplett entziffert.
1997  Ian Wilmut (GB) klont mit Schaf Dolly als erster ein erwachsenes Säugetier.
1999  Das menschliche Chromosom 22 wird als erstes komplett entziffert.
1999  Der 18-jährige US-Amerikaner Jesse Gelsinger stirbt als erster Patient an den Folgen einer Gentherapie (mit Viren als Genvektor).
2000  Das erste Pflanzengenom wird entziffert. (Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana).
2001  Die DNA-Sequenz des menschlichen Erbguts (noch lückenhaft!) wird von zwei konkurrierenden Gruppen, dem öffentlichen Humangenomprojekt (HUGO) und der Firma Celera, veröffentlicht.
2003  Die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts wird offiziell für beendet erklärt. (Kosten für die Entschlüsselung der ca.
          3,2 Milliarden Basenpaare: rund 3,2 Milliarden Dollar!)
2003  Diverse Säugetiere werden geklont, z. B. Ratte, Wildkatze, Pferd, Maultier, "Copycat".
bis
2005  Das Genom vieler weiterer Lebewesen wurde sequenziert: z.B. Malariamücke, Honigbiene, Drosophila, Kugelfisch, Haushuhn, Hausmaus, Schimpanse, Wanderratte;

Übungsfragen:
1)  Nennen Sie die Bausteine der DNA. Skizzieren Sie mit Symbolen einen Molekülausschnitt, in dem alle Basenpaarungen vorkommen.
2)  Erläutern Sie, warum das Verhältnis (A+G):(T+C) in einer doppelsträngigen DNA immer gleich 1 sein muss, während das Verhältnis (A+T):(G+C)
    abhängig von der untersuchten Art verschiedene Werte annehmen kann.
3)  Berechnen Sie den Anteil der Basen in einer DNA, wenn der Thymin-Gehalt 18% beträgt. 
4) Der Anteil der Basenpaarung G-C in einer Doppelhelix sei 60%. Errechnen Sie daraus den jeweiligen Anteil der 4 Basen. 
5) Ordnen Sie die 2 DNA- Proben A bzw. B jeweils dem richtigen Lebewesen a bzw. b zu.
   a) DNA-Virus, einsträngig     
   b) Säugetier-DNA                               

                                            Cytosin   Adenin   Thymin Guanin
   Probe A  ........................    21,0 %   29,0 %   29,0 %  21,0 %
   Probe B .........................    27,0 %   24,0 %   26,0 %  23,0 %

6) In welcher Reihenfolge „schmelzen“ die folgenden drei DNA-Moleküle in einer Lösung, deren Temperatur man erhöht? Begründen Sie Ihre Antwort.
              a) 5’-GCGGGCCAGCCCGAGTGGGTAGCCCAGG-3’
                  3’-CGCCCGGTCGGGCTCACCCATCGGGTCC-5’

              b) 5’-ATTATAAAATATTTAGATACTATATTTACAA-3’
                  3’-TAATATTTTATAAATCTATGATATAAATGTT-5’

              c) 5’-AGAGCTAGATCGAT-3’
                  3’-TCTCGATCTAGCTA-5’

7) Welche der folgenden, in Organismen vorkommenden Elemente kommen nicht in DNA vor?
     a) Kohlenstoff b) Wasserstoff c) Sauerstoff d) Phosphor e) Schwefel f) Stickstoff

8. Welche der folgenden Verbindungen sind Bestandteile der DNA?
     a) Cytosin b) Arginin c) Glycerin d) Tyrosin e) Alanin
     Zu welchen Stoffklassen gehören die ausgeschlossenen Verbindungen?

 

Lösungsvorschlag:

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