Der heutige Beitrag geht in den Bereich der Biochemie über, Wir werfen einen Blick auf die chemische Struktur der DNA und ihre Rolle bei der Bildung von Proteinen in unseren Zellen. Natürlich ist die DNA nicht nur im Menschen zu finden – sie ist in den Zellen aller mehrzelligen Lebensformen auf der Erde vorhanden. Diese Grafik gibt einen Überblick über die gemeinsame Struktur dieser Lebensformen und eine kurze Erklärung, wie sie die Bildung von Proteinen ermöglicht.
Die DNA befindet sich im Zellkern von mehrzelligen Organismen und wurde erstmals 1869 von dem Schweizer Arzt Friedrich Miescher isoliert. Ihre Struktur wurde jedoch erst fast ein Jahrhundert später, im Jahr 1953, aufgeklärt. Die Autoren der Arbeit, in der diese Struktur vorgeschlagen wurde, James Watson & Francis Crick, sind heute allgemein bekannt und erhielten für ihre Arbeit einen Nobelpreis. Diese Arbeit war jedoch in hohem Maße von der Arbeit einer anderen Wissenschaftlerin, Rosalind Franklin, abhängig.
Franklin selbst untersuchte ebenfalls die Struktur der DNS, und ihre Röntgenaufnahme, auf der die Doppelhelixstruktur der DNS deutlich zu erkennen war, trug wesentlich zu deren Arbeit bei. Sie hatte ihre Ergebnisse noch nicht veröffentlicht, als Watson und Crick ohne ihr Wissen Zugang zu ihnen erhielten. Dass sie den Nobelpreis nicht erhielt, ist jedoch kein Versehen, sondern lediglich eine Folge der Politik des Komitees, dass Nobelpreise nicht posthum verliehen werden können.
Das Doppelhelix-Modell der DNA (Desoxyribonukleinsäure) besteht aus zwei ineinander verschlungenen Strängen. Diese Stränge sind aus Nukleotiden aufgebaut, die ihrerseits aus drei Bestandteilen bestehen: einer Zuckergruppe, einer Phosphatgruppe und einer Base. Die Zucker- und Phosphatgruppen bilden zusammen das sich wiederholende „Rückgrat“ der DNA-Stränge. Es gibt vier verschiedene Basen, die an die Zuckergruppe angehängt werden können: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin mit den Bezeichnungen A, T, G und C.
Die Basen sorgen dafür, dass die beiden DNA-Stränge zusammenhalten. Verantwortlich dafür sind starke intermolekulare Kräfte, sogenannte Wasserstoffbrücken zwischen den Basen auf benachbarten Strängen; aufgrund der Strukturen der verschiedenen Basen bildet Adenin (A) immer Wasserstoffbrücken mit Thymin (T), während Guanin (G) immer Wasserstoffbrücken mit Cytosin (C) bildet. In der menschlichen DNA gibt es im Durchschnitt 150 Millionen Basenpaare in einem einzigen Molekül – also viel mehr als hier gezeigt wird!
Die Zellen in Ihrem Körper teilen sich ständig, regenerieren sich und sterben, aber damit dieser Prozess stattfinden kann, muss die DNA innerhalb der Zelle in der Lage sein, sich selbst zu replizieren. Während der Zellteilung teilen sich die beiden DNA-Stränge, und die beiden Einzelstränge können dann als Vorlage verwendet werden, um eine neue Version des komplementären Strangs zu konstruieren. Da sich A immer mit T und G immer mit C paart, ist es möglich, die Basenabfolge des einen Strangs mit Hilfe des anderen Strangs zu berechnen, wodurch sich die DNA selbst replizieren kann. Dieser Prozess wird von einer Familie von Enzymen, den DNA-Polymerasen, durchgeführt.
Wenn die DNA zur Herstellung von Proteinen verwendet wird, müssen sich die beiden Stränge ebenfalls teilen. In diesem Fall wird jedoch der Code der DNA in mRNA (Boten-Ribonukleinsäure) kopiert, ein Vorgang, der als „Transkription“ bezeichnet wird. Die Struktur der RNA ist der der DNA sehr ähnlich, weist aber einige wichtige Unterschiede auf. Erstens enthält sie eine andere Zuckergruppe im Phosphatgerüst des Moleküls: Ribose anstelle von Desoxyribose. Zweitens verwendet sie immer noch die Basen A, G und C, aber anstelle der Base T verwendet sie Uracil, U. Die Struktur von Uracil ist der von Thymin sehr ähnlich, wobei das Fehlen einer Methylgruppe (CH3) der einzige Unterschied ist.
Nachdem die Nukleotide der DNA kopiert worden sind, kann die mRNA den Zellkern verlassen und macht sich auf den Weg zum Zytoplasma, wo die Proteinsynthese stattfindet. Hier lesen“ komplizierte Moleküle, die Ribosomen, die Basenfolge des mRNA-Moleküls ab. Die einzelnen Aminosäuren, aus denen sich die Proteine zusammensetzen, werden durch Abschnitte mit drei Buchstaben des mRNA-Strangs kodiert. Die verschiedenen möglichen Codes und die Aminosäuren, für die sie kodieren, wurden in einem früheren Beitrag über die Aminosäurenstrukturen zusammengefasst. Eine andere Art von RNA, die Transfer-RNA, ist für den Transport der Aminosäuren zur mRNA und ihre Verknüpfung verantwortlich.
Dieser Prozess ist jedoch nicht immer fehlerfrei. Beim Kopieren der DNA-Sequenz in die mRNA kann es zu Fehlern kommen, die als Mutationen bezeichnet werden. Diese Fehler können in Form einer veränderten Base oder sogar einer gelöschten oder hinzugefügten Base auftreten. Einige Chemikalien und Strahlung können diese Veränderungen hervorrufen, aber sie können auch ohne diese äußeren Einflüsse auftreten. Sie können dazu führen, dass der Code einer Aminosäure durch den einer anderen ersetzt oder sogar unlesbar gemacht wird. Eine Reihe von Krankheiten kann durch Mutationen während der DNA-Replikation entstehen, darunter Mukoviszidose und Sichelzellenanämie, aber es ist erwähnenswert, dass Mutationen auch positive Auswirkungen haben können.
Obwohl es nur 20 Aminosäuren gibt, kann der menschliche Körper sie kombinieren, um eine erstaunliche Zahl von etwa 100.000 Proteinen zu produzieren. Ihre Bildung ist ein kontinuierlicher Prozess, und einer einzigen Proteinkette können pro Sekunde 10-15 Aminosäuren durch den oben beschriebenen Prozess hinzugefügt werden. Da es in diesem Beitrag in erster Linie darum ging, die chemische Struktur der DNA zu untersuchen, wurde die Diskussion über die Replikation und die Proteinsynthese kurz und relativ vereinfacht gehalten.
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Der Dank geht an Liam Thompson für die Hilfe bei der Recherche für diesen Beitrag und die Bereitstellung eines unglaublich nützlichen einfachen Überblicks über den Prozess der Proteinsynthese aus der DNA.
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