DNA
Die DNA ist Bestandteil aller Zellen eines Lebewesens. Die DNA ist ein Makromolekül, welches zum Speichern von Informationen, genauer den Erbinformationen, eines Organismus dient. Das DNA-Molekül findet sich in allen Lebewesen und ist stets nach dem gleichen Prinzip aufgebaut und funktioniert nach einem eindeutigen Mechanismus.
Die Abkürzung DNA kommt aus dem Englischen und steht für deoxyribonucleic acid, zu Deutsch Desoxyribonukleinsäure, dem Name des Biomoleküls.
Aufbau und Eigenschaften
Aufbau
Die DNA ist aus zwei parallel verlaufenden Strängen aufgebaut, den Nukleotidketten. Jede Kette besteht aus einer langen Reihe von Bausteinen, den Nukleotiden.
Von diesen Nukleotid-Bausteinen tauchen in der DNA vier verschiedenen Varianten auf. Alle vier Varianten bestehen jeweils aus einem Phosphormolekül und einer Zuckerart namens Desoxyribose sowie einer Base. Die in der DNA vorkommenden Basen heißen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Sie machen die vier Varianten an Nukleotiden aus.
Dabei bilden Nukleotide mit den Basen Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin jeweils ein komplementäres Basenpaar (gegensätzliches Basenpaar). Das heißt, dass sich diese beiden Nukleotide immer im DNA-Strang gegenüberliegen. Keinesfalls liegt zum Beispiel ein Nukleotid mit Adenin einem Nikleotid mit der Base Cytosin gegenüber. Es gibt ausschließlich die zwei erwähnten Kombinationen.
Ein Unterschied zwischen den beiden Paaren besteht darin, dass Adenin mit Thymin über zwei Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind, wohingegen Cytosin mit Guanin über drei Wasserstoffbrücken in Verbindung steht.
Innerhalb des Doppelstranges liegen die gegenüberliegenden Basen immer in der Paarung Adenin/Thymin sowie Cytosin/Guanin vor.
Geometrie
Über diese Wasserstoffbrückenbindungen sind die beiden einzelnen, parallel verlaufenden Nukleotidstränge zu einem Doppelstrang verbunden. Dieser Strang liegt jedoch nicht linear vor, sondern ist in sich verdreht. Einen einzelnen in sich verdrehten Strang bezeichnet man im Allgemeinen als Helix oder auch Schraubenlinie. Da die DNS aus zwei Strängen besteht, bezeichnet man die Form der DNS als Doppelhelix. Immer nach zehn Nukleotidpaaren beginnt eine neue Windung der Doppelhelix.
Die Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin gehören zu der Gruppe der Nukleobasen. Zu dieser Gruppe gehört noch eine weitere Base namens Uracil, welche in RNA-Molekülen vorkommt und dort anstelle von Thymin gebunden ist.
Genetischer Code
In einem DNA-Molekül sind sämtliche Merkmale eines Lebewesens gespeichert. Das DNA-Molekül verschlüsselt durch die Verkettung unzähliger Nukleotide die Merkmale eines Lebewesens.
Zunächst bilden immer drei aufeinanderfolgende Nukleotide eine Sequenz. Ein solches Triplett wird als Codon bezeichnet. Durch ein einzelnes Codon wird dann eine Aminosäure verschlüsselt.
Für welche Aminosäue ein bestimmtes Codon steht kann man als Mensch ganz einfach mit der Code-Sonne oder einer Tabelle herausfinden. Ein Organismus hat natürlich keine Code-Sonne zur Hand. Hier gibt es die Vorgänge der Transkription und Translation um die in der DNA gespeicherten Informationen zu entschlüssen und für die weitere Verwendung bereit zu stellen.
Durch das sequenzielle Auslesen eines DNA-Abschnitts, also wenn man für eine Abfolge von Codons jeweils die entsprechende Aminosäure bestimmt, kann somit eine Abfolge an Aminosäuren dargestellt werden.
Aus diesen Aminosäuren kann dann ein Protein (Eiweiß-Molekül) aufgebaut werden, das dann Teil einer funktionalen Einheit, z.B. eines Gewebes ist.
Einen Abschnitt der DNA, der den Bauplan für ein Protein enthält, bezeichnet man als Gen.
Merkmale
Damit dieses Verschlüsselungssystem jedoch funktioniert, weist der Code bestimmte Eigenschaften auf:
Für fast alle Organismen, also egal ob Schildkröte, Mensch, Eiche oder Salamander, kann der gleiche Schlüssel verwendet werden. Dies bedeutet, dass ein Basen-Triplett immer in die gleiche Aminosäure übersetzt wird, unabhägig davon, welchem Organismus man die DNA entnimmt.
Jedes Codon darf nur zur Verschlüsselung einer bestimmten Information genutzt werden. Dies bedeutet, dass ein Codon stets in eine ganz bestimmte Aminosäure übersetzt wird. Es gibt keine Außnahmefälle.
Degeneration meint, dass verschiedene Codons zu derselben Aminosäure führen können. Es gibt also grundsätzlich eine höhere Anzahl an verschiedenen Codons als an Aminosäuren. Die Degeneration beruht auf der Tatsache, dass es nur 4 verschiedene Nukleotide gibt, aber 20 verschiedene Aminosäuren, die verschlüsselt werden müssen.
Angenommen ein Nukleotid würde immer eine Aminosäure verschlüsseln, ginge dies offensichtlich nicht auf, da für 16 Aminosäuren kein Schlüssel übrig wäre. Nimmt man immer 2 Nukleotide zusammen, kommt man auf 4² = 16 Schlüssel. Auch dies ist zu wenig. Es müssen also immer 3 Nukleotide zu einem Codon zusammengefasst werden. Da nun aber 4³ = 64 Schlüssel verfügbar sind, aber nur 20 Aminosäuren verschlüsselt werden müssen, können die übrigen Codons dann zusätzlich auf die Aminosäuren verteilt werden. Hinzu kommt noch ein Codon, dass als Stop-Indikator fungiert.
Es entsteht also eine Mehrfachzuordnung. Man kann also nicht von einer Aminosäure auf ein bestimmtes Codon schließen, sondern nur umgekehrt.
Unter Kommafreiheit, bzw. einem kommafreien Code, versteht man, dass zwischen einzelnen Sequenzen der DNA (z.B. Codons) keine Leerstellen oder andersartige Moleküle zu finden sind. Die DNS besteht also wirklich nur aus aneinandergereihten Nukleotiden. Durch Start- und Stopp-Codons können Abschnitte gekennzeichnet werden, jedoch nicht durch fremdartige Bausteine.
Alle Codons sind in einer Reihe geschrieben und überlappen sich nicht. Eine Base taucht also immer nur in einem Codon auf. Außnahmen sind bei Viren aufgrund von Platzmangel möglich.
Natürlich gibt es einige wenige Ausnahmen, auf die nicht alle Eigenschaften vollständig zutreffen. Für den Großteil der gespeicherten Informationen sind diese 5 Merkmale jedoch zutreffend.