DNA-Definition

Desoxyribonukleinsäure oder DNA ist ein biologisches Makromolekül, das in vielen Organismen Erbinformationen enthält. DNA ist notwendig für die Produktion von Proteinen, die Regulation, den Stoffwechsel und die Reproduktion der Zelle. Große komprimierte DNA-Moleküle mit assoziierten Proteinen, Chromatin genannt, sind meist im Kern vorhanden. Einige zytoplasmatische Organellen wie die Mitochondrien enthalten auch DNA-Moleküle.,

DNA ist üblicherweise ein doppelsträngiges Polymer von Nukleotiden, obwohl auch einzelsträngige DNA bekannt ist. Nukleotide in DNA sind Moleküle aus Desoxyribosezucker, einem Phosphat und einer stickstoffhaltigen Base. Die stickstoffhaltigen Basen in der DNA sind von vier Arten – Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin. Das Phosphat und der Desoxyribosezucker bilden eine rückgratartige Struktur, wobei sich die stickstoffhaltigen Basen wie Sprossen einer Leiter erstrecken. Jedes Zuckermolekül ist durch sein drittes und fünftes Kohlenstoffatom mit jeweils einem Phosphatmolekül verbunden.,

Funktionen der DNA

DNA wurde isoliert und chemisch entdeckt, bevor ihre Funktionen klar wurden. DNA und ihr verwandtes Molekül, Ribonukleinsäure (RNA), wurden zunächst einfach als saure Moleküle identifiziert, die im Kern vorhanden waren. Als Mendels Experimente zur Genetik wiederentdeckt wurden, wurde klar, dass Vererbung wahrscheinlich durch diskrete Teilchen übertragen wurde und dass es eine biochemische Grundlage für die Vererbung gab., Eine Reihe von Experimenten zeigte, dass unter den vier Arten von Makromolekülen innerhalb der Zelle (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren) die einzigen Chemikalien, die konsequent von einer Generation zur nächsten übertragen wurden, Nukleinsäuren waren.

Als klar wurde, dass DNA das Material war, das von einer Generation zur nächsten übertragen wurde, begannen seine Funktionen untersucht zu werden.

Replikation und Vererbung

Jedes DNA-Molekül zeichnet sich durch seine Nukleotidsequenz aus., Das heißt, die Reihenfolge, in der stickstoffhaltige Basen innerhalb des Makromoleküls auftreten, identifiziert ein DNA-Molekül. Wenn zum Beispiel das menschliche Genom sequenziert wurde, wurden die Nukleotide, die jedes der 23 Chromosomenpaare ausmachten, wie eine Reihe von Wörtern auf einer Seite ausgelegt. Es gibt individuelle Unterschiede in diesen Nukleotidsequenzen, aber insgesamt sind für jeden Organismus große Strecken erhalten. Das Zuckerphosphat-Rückgrat hingegen ist allen DNA-Molekülen aller Arten gemeinsam, sei es in Bakterien, Pflanzen, wirbellosen Tieren oder beim Menschen.,

Wenn ein doppelsträngiges DNA-Molekül repliziert werden muss, ist das erste, was passiert, dass sich die beiden Stränge entlang einer kurzen Strecke trennen und eine blasenartige Struktur erzeugen. In dieser transienten einzelsträngigen Region arbeiten eine Reihe von Enzymen und anderen Proteinen, einschließlich DNA-Polymerase, um den komplementären Strang zu erzeugen, wobei das richtige Nukleotid durch die Bildung von Wasserstoffbindungen ausgewählt wird. Diese Enzyme setzen sich entlang jedes Strangs fort und bilden ein neues Polynukleotidmolekül, bis die gesamte DNA repliziert ist.,

Das Leben beginnt in einer einzigen Zelle. Für den Menschen ist dies die Zygote, die durch die Befruchtung eines Eies durch ein Sperma gebildet wird. Danach wird das gesamte blendende Array von Zellen und Gewebetypen durch Zellteilung produziert. Selbst die Aufrechterhaltung normaler Funktionen bei einem Erwachsenen erfordert eine ständige Mitose. Jedes Mal, wenn sich eine Zelle teilt, wird kerngenetisches Material dupliziert. Dies bedeutet, dass fast 3 Milliarden Nukleotide genau gelesen und kopiert werden., High-Fidelity-DNA-Polymerasen und eine Vielzahl von Fehlerreparaturmechanismen sorgen dafür, dass es nur ein falsch eingearbeitetes Nukleotid pro 10 Milliarden Basenpaare gibt.

Transkription

Die zweite wichtige Funktion des genetischen Materials besteht darin, die physiologischen Aktivitäten der Zelle zu lenken. Die meisten katalytischen und funktionellen Rollen im Körper werden von Peptiden, Proteinen und RNA ausgeführt. Die Struktur und Funktion dieser Moleküle wird durch Nukleotidsequenzen in DNA bestimmt.

Wenn ein Protein oder RNA-Molekül produziert werden muss, ist der erste Schritt die Transkription., Wie die DNA-Replikation beginnt dies mit der vorübergehenden Bildung einer einzelsträngigen Region. Die einzelsträngige Region fungiert dann als Vorlage für die Polymerisation eines komplementären Polynukleotid-RNA-Moleküls. Nur einer der beiden DNA-Stränge ist an der Transkription beteiligt. Dies wird als Vorlagenstrang und der andere Strang als Codierstrang bezeichnet. Da die Transkription auch von komplementärer Basenpaarung abhängig ist, ist die RNA-Sequenz fast die gleiche wie der kodierende Strang.,


Im Bild sind die Codierstränge und die Vorlagenstränge jeweils in orange und lila dargestellt. RNA wird in der 5′ bis 3′ Richtung transkribiert.

Mutation und Evolution

Eine der Hauptfunktionen eines Erbmaterials besteht darin, repliziert und vererbt zu werden. Um eine neue Generation zu schaffen, müssen genetische Informationen genau dupliziert und dann übertragen werden. Die Struktur der DNA stellt sicher, dass die in jedem Polynukleotidstrang codierten Informationen mit erstaunlicher Genauigkeit repliziert werden.,

Obwohl es wichtig ist, dass DNA mit einem sehr hohen Maß an Genauigkeit dupliziert wird, erfordert der gesamte Evolutionsprozess das Vorhandensein genetischer Variabilität innerhalb jeder Spezies. Dies geschieht unter anderem durch Mutationen in DNA-Molekülen.

Änderungen der Nukleotidsequenz im genetischen Material ermöglichen die Bildung eines neuen Allels. Allele sind verschiedene, meist funktionelle Sorten jedes Gens. Zum Beispiel haben Menschen mit einer B-Blutgruppe ein bestimmtes Gen, das zu einem bestimmten Oberflächenprotein auf roten Blutkörperchen führt., Dieses Protein unterscheidet sich von den Oberflächenantigenen bei Personen mit Blutgruppe A. In ähnlicher Weise haben Menschen mit Sichelzellenanämie ein anderes Hämoglobin-Allel als Menschen, die nicht an der Krankheit leiden.

Das Vorhandensein dieser Variabilität ermöglicht es zumindest einigen Populationen zu überleben, wenn sich die Umwelt plötzlich und drastisch verändert. Zum Beispiel sind Personen, die ein mutiertes Allel für Hämoglobin tragen, einem Risiko für Sichelzellenanämie ausgesetzt. Sie haben jedoch auch eine höhere Überlebenschance in Regionen, in denen Malaria endemisch ist.,

Diese Mutationen und das Vorhandensein von Variabilität ermöglichen es Populationen, sich zu entwickeln und sich an sich ändernde Umstände anzupassen.

Gentechnik

Auf einer anderen Ebene ermöglicht uns die Rolle der DNA als genetisches Material und das Verständnis ihrer Chemie, sie zu manipulieren und zur Verbesserung der Lebensqualität zu nutzen. Zum Beispiel wurden gentechnisch veränderte Pflanzen, die schädlings-oder dürreresistent sind, aus Wildtypensorten durch Gentechnik erzeugt. Eine Menge Molekularbiologie ist abhängig von der Isolierung und Manipulation von DNA, für die Untersuchung von lebenden Prozessen.,

Struktur der DNA

Als ihre definitive Rolle in der Vererbung festgestellt wurde, wurde das Verständnis der DNA-Struktur wichtig. Frühere Arbeiten an Proteinkristallen leiteten die Interpretation der Kristallisation und Röntgenkontraktion von DNA. Die korrekte Interpretation von Beugungsdaten begann eine neue Ära beim Verständnis und der Manipulation von genetischem Material. Während Wissenschaftler wie Linus Pauling anfangs vorschlugen, dass DNA vielleicht aus drei Strängen besteht, unterstützten Rosalind Franklins Daten das Vorhandensein einer Doppelhelix.,

Die Struktur der DNA wurde daher schrittweise durch eine Reihe von Experimenten aufgeklärt, angefangen von der chemischen Isolierung von Desoxyribonukleinsäure durch Frederich Miescher bis zur Röntgenkristallographie dieses Makromoleküls durch Rosalind Franklin.

Doppelhelix-und Antiparallelstränge


Das Bild ist eine vereinfachte Darstellung eines kurzen DNA-Moleküls mit Desoxyribose-Zuckermolekülen in Orange, das durch eine spezielle Art kovalenter Verknüpfung, die Phosphodiesterbindung, mit Phosphatmolekülen verbunden ist., Jede stickstoffhaltige base wird durch eine andere Farbe dargestellt – Thymin in lila, Adenin in grün, Cytosin in rot und Guanin in blau. Die Basen von jedem Strang bilden Wasserstoffbrücken miteinander und stabilisieren die doppelsträngige Struktur.

Die Struktur des Zuckerphosphat-Rückgrats in einem DNA-Molekül führt zu einer chemischen Polarität. Jeder Desoxyribosezucker hat fünf Kohlenstoffatome. Von diesen können das dritte und das fünfte Kohlenstoffatom kovalente Bindungen mit Phosphatmoieties durch Phosphodiester-Bindungen bilden., Eine Phosphodiesterverbindung weist im Wesentlichen ein Phosphatmolekül auf, das zwei kovalente Bindungen bildet, und eine Reihe dieser Bindungen erzeugt die beiden Stacheln eines doppelsträngigen DNA-Moleküls.

Der Wechsel von Zucker – und Phosphatrückständen führt dazu, dass an einem Ende jedes DNA-Strangs eine freie Phosphatgruppe an den fünften Kohlenstoff eines Desoxyribosezuckers gebunden ist. Dies wird das 5′ Ende genannt. Das andere Ende hat eine reaktive Hydroxylgruppe, die an das dritte Kohlenstoffatom des Zuckermoleküls gebunden ist, und macht das 3′ Ende.

Die beiden Stränge jedes DNA-Moleküls haben entgegengesetzte chemische Polaritäten., Das heißt, am Ende jedes doppelsträngigen DNA-Moleküls hat ein Strang eine reaktive 3′ Hydroxylgruppe und der andere Strang die reaktive Phosphatgruppe, die an den fünften Kohlenstoff von Desoxyribose gebunden ist. Aus diesem Grund soll ein DNA-Molekül aus Antiparallelsträngen bestehen.

Ein DNA-Molekül kann wie eine Leiter aussehen, mit einem Zuckerphosphat-Rückgrat und Nukleotid-Sprossen. Ein DNA-Molekül bildet jedoch eine dreidimensionale helikale Struktur, wobei die Basen in der Doppelhelix versteckt sind., Durch die Wasserstoffbindung zwischen Nukleotiden bleibt der intermolekulare Abstand zwischen zwei Strängen mit zehn Basenpaaren in jeder Umdrehung der Doppelhelix ziemlich konstant.

Komplementarität und Replikation

Nukleotidbasen auf einem Strang interagieren mit denen auf dem anderen Strang durch zwei oder drei Wasserstoffbrücken. Dieses Muster ist vorhersehbar (obwohl Ausnahmen existieren), wobei jede Thyminbasis mit einer Adeninbasis paart und die Guanin-und Cytosin-Nukleotide Wasserstoffbrücken miteinander bilden., Aus diesem Grund werden, wenn die Sequenz eines einzelnen Strangs bekannt ist, die im komplementären DNA-Strang vorhandenen Nukleotide automatisch aufgedeckt. Wenn beispielsweise ein Strang eines DNA-Moleküls die Sequenz 5′ CAGCAGCAG 3′ hat, sind die Basen auf dem anderen Antiparallelstrang, der mit dieser Strecke paart, 5′ CTGCTGCTG 3′. Diese Eigenschaft von DNA-Doppelsträngen wird als Komplementarität bezeichnet.

Zunächst gab es Diskussionen über die Art und Weise, wie DNA-Moleküle dupliziert werden. Es gab drei Haupthypothesen über den Mechanismus der DNA-Replikation., Die beiden komplementären DNA-Stränge könnten sich auf kurze Strecken abwickeln und die Schablone für die Bildung eines neuen DNA-Moleküls liefern, das vollständig aus freien Nukleotiden gebildet wird. Diese Methode wurde als konservative Hypothese bezeichnet.

Alternativ könnte jeder Schablonenstrang die Bildung seines komplementären Strangs durch Nukleotidpolymerisation katalysieren. In diesem halbkonservativen Replikationsmodus würden alle duplizierten DNA-Moleküle einen Strang vom Elternteil und einen neu synthetisierten Strang tragen. In der Tat wären alle duplizierten DNA-Moleküle Hybride., Die dritte Hypothese besagt, dass jedes große DNA-Molekül wahrscheinlich in kleine Segmente zerlegt wurde, bevor es repliziert wurde. Dies wurde als dispersive Hypothese bezeichnet und würde zu Mosaikmolekülen führen.

Eine Reihe eleganter Experimente von Matthew Meselson und Franklin Stahl mit Hilfe von Mason MacDonald und Amandeep Sehmbi unterstützte die Idee, dass die DNA-Replikation tatsächlich halbkonservativ war. Am Ende jedes Duplikationsereignisses tragen alle DNA-Moleküle einen elterlichen Strang und einen Strang, der aus der Nukleotidpolymerisation neu erzeugt wurde.,

Entdeckung der DNA

Als Mikroskope immer ausgefeilter wurden und eine größere Vergrößerung ermöglichten, wurde die Rolle des Kerns bei der Zellteilung ziemlich klar. Andererseits gab es das gemeinsame Verständnis der Vererbung als „Vermischung“ von mütterlichen und väterlichen Merkmalen, da die Verschmelzung zweier Kerne während der Befruchtung beobachtet worden war.

Die Entdeckung der DNA als genetisches Material begann jedoch wahrscheinlich mit der Arbeit von Gregor Mendel. Als seine Experimente wiederentdeckt wurden, kam eine wichtige Implikation ans Licht., Seine Ergebnisse konnten nur durch die Vererbung diskreter Teilchen und nicht durch die diffuse Vermischung von Merkmalen erklärt werden. Während Mendel sie Faktoren nannte, begann mit dem Aufkommen der Chemie in die biologischen Wissenschaften die Jagd nach den molekularen Grundlagen der Vererbung.

Chemische Isolierung von DNA

DNA wurde zuerst von Johann Friedrich Miescher, der Immunologie studierte, chemisch isoliert und gereinigt. Insbesondere versuchte er, die Biochemie der weißen Blutkörperchen zu verstehen., Nachdem er die Kerne aus dem Zytoplasma isoliert hatte, entdeckte er, dass, wenn Säure zu diesen Extrakten hinzugefügt wurde, stringige weiße Klumpen, die wie ein Wollbüschel aussahen, von der Lösung getrennt wurden. Im Gegensatz zu Proteinen gingen diese Niederschläge bei Zugabe eines Alkalis wieder in Lösung über. Dies führte Miescher zu dem Schluss, dass das Makromolekül saurer Natur war. Als weitere Experimente zeigten, dass das Molekül weder ein Lipid noch ein Protein war, erkannte er, dass er eine neue Klasse von Molekülen isoliert hatte. Da es aus dem Kern abgeleitet wurde, nannte er diese Substanz Nuclein.,

Die Arbeit von Albrecht Kossel beleuchtete die chemische Natur dieser Substanz mehr, als er zeigte, dass Nuklein (oder Nukleinsäure, wie sie anfangs genannt wurde) aus Kohlenhydraten, Phosphaten und stickstoffhaltigen Basen bestand. Kossel machte auch die wichtige Entdeckung, die die biochemische Untersuchung von Nukleinsäuren mit der mikroskopischen Analyse von sich teilenden Zellen verband. Er verband diese saure Substanz mit Chromosomen, die visuell beobachtet werden konnten, und bestätigte, dass diese Molekülklasse nur im Kern fast vollständig vorhanden war., Die andere wichtige Entdeckung von Kossel war die Verbindung von Nukleinsäuren mit einer Zunahme des Protoplasmas und der Zellteilung, wodurch seine Verbindung mit Vererbung und Fortpflanzung gestärkt wurde.

Gene und DNA

Um die Jahrhundertwende erlebte die Molekularbiologie eine Reihe von bahnbrechenden Entdeckungen, die zu einem verbesserten Verständnis der chemischen Grundlagen des Lebens und der Zellteilung führten. Im Jahr 1944 lieferten Experimente von drei Wissenschaftlern (Avery, McCarty und McLeod) starke Beweise dafür, dass Nukleinsäuren, insbesondere DNA, wahrscheinlich das genetische Material waren., Einige Jahre später zeigten Chargaffs Experimente, dass die Anzahl der Purinbasen in jedem DNA-Molekül der Anzahl der Pyrimidinbasen entsprach. 1952 bestätigte ein elegantes Experiment von Alfred Hershey und Martha Chase DNA als genetisches Material.

Zu diesem Zeitpunkt hatten Fortschritte in der Röntgenkristallographie die Kristallisation von DNA und die Untersuchung ihrer Beugungsmuster ermöglicht. Schließlich könnten diese Moleküle mit größerer Granularität visualisiert werden., Die von Rosalind Franklin generierten Daten ermöglichten es James Watson und Francis Crick, das doppelsträngige helikale Modell für DNA mit einem Zuckerphosphat-Rückgrat vorzuschlagen. Sie berücksichtigten Chargaffs Regeln für Purin-und Pyrimidinmengen, indem sie zeigten, dass jede Purinbasis spezifische Wasserstoffbindungsverbindungen mit einer anderen Pyrimidinbasis bildete. Sie verstanden, selbst als sie diese Struktur vorschlugen, dass sie einen Mechanismus für die DNA-Duplikation bereitgestellt hatten.,


Um dieses Molekül zu visualisieren, bauten sie ein dreidimensionales Modell einer doppelhelikalen DNA unter Verwendung von Aluminiumvorlagen. Das obige Bild zeigt die Schablone des Basisthymus mit genauen Verbindungswinkeln und-längen.


Das endgültige Modell von Watson und Crick (wie oben zu sehen) ist jetzt im National Science Museum in London ausgestellt.

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1. Welche dieser Aussagen über DNA ist NICHT wahr?
A. In Eukaryoten ist DNA ausschließlich im Kern vorhanden
B., DNA ist das genetische Material für einige Viren
C. Die DNA-Replikation ist halbkonservativ
D. Keine der obigen

Antwort auf Frage # 1
A ist korrekt. Sogar in Eukaryoten existiert DNA außerhalb des Kerns. Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten, tragen einige DNA-Moleküle.

2. Welcher dieser Wissenschaftler entwarf ein Experiment, um zu zeigen, dass die DNA-Replikation halbkonservativ war?
A. Meselson
James B. Watson
C. Linus Pauling
D. Alle oben

Antwort zu Frage #2
Eine richtig ist., Unter diesen drei Wissenschaftlern war nur Meselson an der Gestaltung des Experiments beteiligt, das zeigte, wie DNA repliziert wurde. Linus Pauling war an der Entwicklung der Röntgenkristallographie als Methode zum Verständnis der Struktur biologischer Makromoleküle beteiligt. James Watson verwendete die von Rosalind Franklin erzeugten Röntgenbeugungsdaten, um das doppelhelikale Modell für die dreidimensionale Struktur der DNA vorzuschlagen.

3. Warum war die Wiederentdeckung von Mendels Experimenten wichtig für die Entwicklung der Molekularbiologie?
A., Mendels Experimente deuteten darauf hin, dass DNA das Erbmaterial war
B. Mendels Vererbungsgesetze deuteten darauf hin, dass diskrete biochemische Partikel an der Vererbung beteiligt waren
C. Mendels Experimente mit Erbsenpflanzen gaben Molekularbiologen einen nützlichen Modellorganismus
D. Alle oben genannten

Antwort auf Frage #3
B ist richtig. Bis Mendel mit Erbsenpflanzen experimentierte, war nie klar, wie Vererbung erreicht wurde. Obwohl die groben Mechanismen immer bekannt waren, waren die Details nie klar., Allgemeinwissen schien darauf hinzudeuten, dass die Merkmale einen „Durchschnitt“ zwischen den Eltern erreichten. Zum Beispiel, mit einem großen Elternteil und einem kurzen Elternteil, Der Nachwuchs war in der Regel von mittlerer Höhe. Ähnlich für Hautfärbung und so weiter. Sobald Mendel jedoch seine Experimente mit echten Zuchtproben durchgeführt hatte, war ziemlich klar, dass diskrete Partikel vererbt wurden. Dies, zusammen mit Fortschritten in der Chemie, ermöglichte die Entwicklung der Molekularbiologie und Biochemie als Studiengebiete. Es gab nichts in Mendels Experimenten, was darauf hindeutet, dass DNA das genetische Material war., Darüber hinaus sind Mendels Erbsenpflanzen nicht wirklich bevorzugt als Modellorganismen wegen der großen Flächen braucht, um die Proben und ihre lange Generationszeit zu kultivieren.

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