Kann man DNA wirklich schneiden?

Eigentlich sollte sich mein nächster Blogbeitrag um den Chemie-Nobelpreis und die DNA-Reparaturmechanismen drehen. Da jedoch auch in anderen Beiträgen, wie im Blog des Lindau Nobel Laureate Meetings zur Genchirurgie bzw. hier zu Mini-Schweinen, fleißig an der DNA „herumgeschnippelt“ wird/wurde, gibt es zuerst einen allgemeinen Beitrag zur Erbsubstanz und ihrer Funktion.

Ich fange natürlich mit ein wenig chemischem Basiswissen an. 🙂 Papier ist nur 2-dimensional und so fehlt bei gezeichneten Molekülen die Räumlichkeit. Kohlenstoff (wie hier im Methan) kann 4 Bindungen eingehen und bildet räumlich gesehen eine Pyramide mit dreieckiger Grundfläche – einen Tetraeder. Als Beispiel für die räumliche Struktur habe ich mit der Software ChemSketch von ACDlabs (mein Tipp für alle, die im Chemieunterricht beeindrucken wollen 😉 ) Vitamin C gezeichnet. Ihr seht unten die 3D-Animation.

Für die Anordnung der Moleküle im Raum spielt neben der festen kovalenten Bindung (Elektronenpaarbindung) die Wasserstoffbrückenbindung eine wesentliche Rolle. Das einfachste Beispiel ist das Wasser H2O. Der Sauerstoff zieht die negativ geladenen Elektronen der Bindung mehr zu sich, so dass eine leichte Verschiebung der Ladung erfolgt. Das wird in der Summenformel mit einem „delta minus“ beim Sauerstoff bzw. „delta plus“ beim Wasserstoff gekennzeichnet. Da sich unterschiedliche Ladungen anziehen, bilden sich die Wasserstoffbrückenbindungen aus. Man sieht die Kraft der Bindungen, dass Wasser trotz des geringen Molekulargewichtes einen recht hohen Siedepunkt hat. Das bedeutet, dass man zusätzlich Energie aufwenden muss, um ein Wasser-Molekül von den anderen zu lösen und in den gasförmigen Zustand (Dampf) zu überführen.

Ich habe hier ein Youtube Video zur chemischen Bindung von snuggliepuppy für euch gefunden. Hier werden ionische Bindung, kovalente Bindung und die polare kovalente Bindung (wie z. B. im Wasser) sehr anschaulich erklärt. 🙂

Nach der Betrachtung der kleinen Moleküle kommen wir jetzt zu einem richtig großen Molekül: der Desoxyribonukleinsäure (DNS) bzw. deoxyribonucleic acid (DNA) – unserer Erbsubstanz. Ich verwende als Abkürzung DNA.

Ein DNA-Baustein setzt sich aus Zucker, Phosphatrest und Nukleinbase zusammen. Der Zucker die Desoxyribose und die Nukleinbase kann Adenin, Thymin, Cytosin oder Guanin sein. Im Bild seht ihr die Einzelbausteine direkt gegenüber angeordnet, da Adenin nur mit Thymin ein Paar bilden kann und Cytosin mit Guanin. Den Zucker habe ich durchnummeriert.

DNAstruktur

DNA-Aufbau: Zucker, Phosphat, Basen

Mein Modell unten sieht aus wie eine Leiter (ich habe die Weihnachtsdeko-Vorräte geplündert…). Zwei Einzelstränge bilden das Gesamtmolekül. An der Seite wechseln sich Zucker und Phosphatrest ab und in der Mitte liegen sich die Basen des jeweiligen Einzelstranges gegenüber. Zucker und Phosphatrest sind in den Strängen in gegenläufiger Richtung angeordnet (3′ > 5′ bzw. 5′ > 3′). Hier findet ihr die Nummerierung des Zuckers wieder. Da mein Modell nur ein kurzer Ausschnitt ist und sich so zum erklären besser eignet, habe ich es nicht „gedreht“, denn das Molekül liegt als schraubenförmige Doppelhelix vor. Bei Wikipedia findet ihr ein gedrehtes und animiertes Modell.

DNAmodell

DNA-Modell: 2 Einzelstränge bilden das Gesamtmolekül

Da jede Base nur mit einer bestimmten anderen Base ein Paar bildet, kann ein Fehler innerhalb eines Stranges korrigiert werden, wenn der gegenüberliegende Strang fehlerfrei ist.

Wie kommen wir von der DNA zu unseren Eiweißen (Proteinen)?

Eiweiße werden in Ribosomen hergestellt und die DNA befindet sich – zumindest bei den Zellen von Pflanzen, Tieren und Menschen – im Zellkern. In meinem Beitrag zu den Antibiotika findet ihr ein Bild der Zellen. Die Lösung ist einfach: 😉 Man schickt einen Boten. Die messenger oder Boten-RNA (mRNA) übernimmt diese Aufgabe. Sie weißt zur DNA zwei Unterschiede auf. Als Zucker wird Ribose eingebaut und anstelle der Base Thymin findet man Uracil, so dass Adenin mit Uracil kombiniert wird.

Ihr erinnert euch noch, dass ich die DNA-Richtungen nummeriert habe? Das ist wichtig für das Ablesen, die Transkription. Es erfolgt von 3′ nach 5′. Der Startpunkt für das Ablesen eines Gens (= einer Information für ein Protein) ist eine bestimmte DNA-Sequenz, der Promotor. Der DNA-Doppelstrang teilt sich zum Ablesen auf und die mRNA wird zusammengesetzt. Der Bote wandert zu den Ribosomen, wo die Eiweiße aus Aminosäuren gebildet werden (Translation). Da es 20 Aminosäuren, aber nur 4 Basen gibt, war die Frage, wie wird die Information, welche Aminosäure gebraucht wird, übergeben. Es hat sich gezeigt, dass jeweils eine Kombination von 3 Basen die Information für eine Aminosäure kodiert. Der Austausch einer Base würde also dazu führen, dass eine andere Aminosäure eingebaut wird. Was Fehlfunktionen des gebildeten Proteins zur Folge haben kann.

Ich habe hier ein Youtube-Video von O. Maarouf in dem der gesamte Transkriptions- und Translationsprozess schematisch dargestellt wird.

Das waren jetzt meine „Basics“ zur DNA. Da unsere Erbsubstanz ein riesiges Molekül ist, kann sie durch Licht, Strahlung oder Oxidation geschädigt werden. Für die Entdeckung der DNA-Reparaturmechanismen gab es den Chemie-Nobelpreis, der Thema des nächsten Beitrags sein wird.

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Veröffentlicht am November 17, 2015 in NATUR + WISSENSCHAFT und mit , , , , , getaggt. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink. 4 Kommentare.

  1. Hallo Ricarda,

    einfach toll erklärt. Warum können die Chemielehrer nur so schrecklich langweiligen Unterricht machen ? Deinen Blog liest sogar meine Tochter freiwillig:).

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  2. Hallo Karin,
    mein Beispiel ist meine Physik-Experimentalvorlesung. Da fanden sich alle wieder, die als Nicht-Physik-Studenten Physik belegen mussten. Der Prof hat immer mal ein paar witzige Versuche eingestreut. Mich hat das motiviert, die Vorlesung vom ersten bis zum letzten Tag zu besuchen und ein Teil der Versuche hat einen bleibenden Eindruck hinterlassen. 🙂

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