DNA-Struktur Mindmap

Das Thema verstehen

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) trägt die Erbinformation aller Lebewesen und vieler Viren. Sie besteht aus zwei antiparallelen Strängen, die eine Doppelhelix bilden und über komplementäre Basenpaarungen verbunden sind. Die Sequenz der Basen codiert Gene, die in Proteine oder funktionelle RNA umgeschrieben werden können. Diese Mindmap gliedert den chemischen Aufbau, die räumliche Struktur, die Basenpaarung nach Chargaff, die Replikation und die Verpackung in Chromatin übersichtlich in Zweige und Punkte.

Chemischer Aufbau im Detail
Jedes Nukleotid besteht aus drei Bestandteilen: einer Phosphatgruppe, dem Zucker Desoxyribose und einer der vier organischen Basen. Die Nukleotide sind über Phosphodiesterbindungen zwischen dem 3'-Kohlenstoffatom eines Zuckers und dem 5'-Phosphat des nächsten Nukleotids zu einem Strang verknüpft. Dadurch entsteht ein gerichtetes Molekül mit einem 5'-Ende und einem 3'-Ende. Die Basen unterscheidet man nach Ringstruktur: Adenin und Guanin sind Doppelringmoleküle (Purine), Cytosin und Thymin sind Einfachringmoleküle (Pyrimidine). In RNA tritt anstelle von Thymin die Base Uracil, und der Zucker ist Ribose statt Desoxyribose. Diese kleinen chemischen Unterschiede erklären, warum DNA deutlich stabiler ist als RNA und sich daher als Langzeitarchiv der Erbinformation eignet.

Die Entdeckung der Doppelhelix
Das Doppelhelixmodell wurde 1953 von James Watson und Francis Crick veröffentlicht. Entscheidende Grundlagen lieferten Rosalind Franklins Röntgenbeugungsaufnahmen, insbesondere das berühmte Foto 51, das auf die helikale Struktur und bestimmte Abmessungen hinwies, sowie die Chargaff-Regeln zur Basenverteilung. Watson und Crick erkannten, dass zwei antiparallele Stränge über komplementäre Basenpaarungen zusammengehalten werden und dass dieses Modell zugleich einen Mechanismus für die Verdopplung der Erbinformation nahelegte. Matthew Meselson und Franklin Stahl zeigten 1958 experimentell, dass die Replikation tatsächlich semikonservativ verläuft: Jede Tochter-DNA besteht aus einem ursprünglichen und einem neu synthetisierten Strang. Die Geschichte der Entdeckung zeigt, wie Modellbau, Chemie und Röntgenkristallographie zusammenwirkten.

Vom Gen zum Protein
Die Basensequenz der DNA ist in Abschnitte gegliedert, die als Gene bezeichnet werden. Bei der Transkription liest die RNA-Polymerase einen Genabschnitt aus und erzeugt eine mRNA-Kopie. Bei Eukaryoten enthält diese Vorläufer-mRNA zunächst Introns und Exons; nach dem Spleißen bleiben nur die Exons übrig. An den Ribosomen wird die mRNA bei der Translation in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Der genetische Code ist ein Triplettcode: Je drei Basen (ein Codon) stehen für eine Aminosäure oder ein Stoppsignal. Er ist weitgehend universell, zeigt aber bei manchen Organellen wie Mitochondrien leichte Abweichungen. Mutationen in der Basensequenz können die Proteinstruktur verändern und sind zugleich Quelle evolutionärer Variation.

Verpackung im Zellkern
Der menschliche Zellkern muss rund zwei Meter DNA aufnehmen, verteilt auf 23 Chromosomenpaare. Das gelingt durch mehrstufige Verpackung: DNA windet sich um Histonoctamere zu Nukleosomen, die wie Perlen auf einer Schnur angeordnet sind. Daraus faltet sich Chromatin, das in lockerer Form (Euchromatin) ablesbar und in dichter Form (Heterochromatin) weitgehend stillgelegt ist. Die Verpackung ist nicht statisch, sondern wird durch chemische Modifikationen der Histone und der DNA reguliert. Zu beachten ist, dass Mitochondrien eigene, kleine zirkuläre DNA-Moleküle besitzen, die unabhängig vom Zellkern vererbt werden und in der Abstammungsforschung genutzt werden.