DNA und das Genom

Der Zellkern unterscheidet sich vom Rest einer Zelle

Bereits frühe Untersuchungen zeigten,das sich im Zellkern besondere, sichvom restlichen Zytoplasma unter-scheidbare Stoffe befinden.

Affinität für bestimmte Farbstoffe „Chromatin“

Die „Eiterzelle“ als Objekt großer Entdeckungen ...

1869 entdeckte Friedrich Miescher (1844-1895) die Nukleinsäure in einem Extrakt aus Eiterzellen und nannte sie „Nuclein“ - abgeleitet von lateinisch nucleus, Kern. Er arbeitete damals im Labor von Felix Hoppe-Seyler im Tübinger Schloß.

„Über die chemische Zusammensetzung der Eiterzellen“

Besorgte sich große Mengen Eiter aus dem Städtischen Krankenhaus in Tübingen

Wusch Schweinemägen mit Salzsäure aus, um Pepsin zu gewinnen

Entfernte chemisch Lipide und Proteine aus den Zellen

Übrig blieb ein Stoff, den er „Nuklein“ nannte und der in großen Mengen Phosphor enthielt

Auf diese Weise wurde die Nukleinsäure, die es in zwei Varianten gibt, entdeckt.

„Sofern wir (...) annehmen wollten, daß eine einzelne Substanz (...) auf irgendeine Art (...) die spezifische Ursache der Befruchtung sei, so müßte man ohne Zweifel vor allem an das Nucleindenken.“ F. Miescher, 1874

Das Nuklein wurde in der Folgezeit in chemischer Hinsicht eingehend untersucht:

1889 fand man den säureähnlichen Charakter des Nukleins Nukleinsäure

1929 entdeckte man, daß die Grundbausteine der Nukleinsäure ein speziellerZucker (Pentose) sowie vier verschiedenen organischen Basen sind. Derschon von Miescher gefundene Phosphor liegt als Phosphorsäureester vor.

die monomere Grundeinheit des Moleküls wurde als Nukleotid bezeichnet

die Mengenverhältnisse von Adenin zu Thymin und Cytosin zu Guanin warenjeweils gleich 1

1944 Oswald Avery, Colin McLeod und Maclyn McCarthy konnten zweifelsfrei zeigen,daß die DNA die seit langem gesuchte „Erbsubstanz“, d.h. Träger der Erbinformationen ist.

1953 James Watson und Francis Crick erkannten (nach röntgenkristallographischen Vorarbeiten von Rosalind Franklin die Doppelhelixstruktur des Moleküls.

1961 Entschlüsselung des Genetischen Codes durch Heinrich Matthaei und Marshall Nirenberg

Francis Crick (1916-2004) und James Watson

„It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.“

Nobelpreis für Medizin 1961 zusammen mit Maurice Wilkins

Die DNA - Anatomie eines Makromoleküls

Die Strukturaufklärung gelang 1953 anhand dereines Molekülmodells, welches Watson und Crickunter Nutzung von Röntgenbeugungsbildern entwickelt hatten.

- helikal umschwungenes Zucker-Phosphat-Rückrat- dazwischen „Leitersprossen“ aus Purin- und

Pyrimidinbasen

Die Doppelhelix ist meist rechtsgängig (Rechtsgewinde)

Hier fehlt ein Sauerstoffatom

2‘- Desoxyribose

Zucker-Phosphat-Rückrat

Der Phosphatanteil einer DNA-Monostrukturist mit der 5‘ – Hydroxylgruppe OH der Pentoseverbunden, dessen Kohlenstoff 1‘ C wiederummit einer organischen Base verbunden ist.

Sowohl die DNA als auch die RNA bestehen jeweilsaus nur vier verschiedenen Nukleotiden

Phosphorsäureester-Bindung, Zucker fungiert als Alkohol

DNA-Polymere entstehen durch Kondensations-reaktionen und können aus mehreren Millionen Monomeren aufgebaut sein.

Organische Basen: Purine (Voll- und Halbring) und Pyrimidine (Vollring)

Die Bindung der komplimentärenStränge erfolgt über zwei bzw.drei Wasserstoffbrücken

Die Anbindung an die Pentose desDNA-Gerüstes erfolgt über einekovalente Bindung an das 1‘-CAtom der Desoxyribose.

Eine Purinbase muß sich immer mit einer Pyrimidinbase koppeln, wobei

Adenin – Thymin und Guanin – Cytosin (A-T und G-C)

gilt.

Struktur des DNA-Moleküls

Jeder Strang enthält diegleiche Information injeweils komplimentärerForm

Die Basen sind durch energiearme Wasserstoff-brücken verbunden

durch Erhitzen lassen sich beide Strängetrennen (Denaturierung)

DNA-Moleküle besitzeneine definierte Richtung

5‘-Ende Phosphatgruppe3‘-Ende Hydroxylgruppe

Ableserichtung

Größenverhältnisse im DNA-Molekül

3‘ 5‘Das größte menschliche Chromosomenthält 247 Millionen Basenpaare

Moleküllänge: 8.4 cm

Die „Länge“ des gesamten diploidenGenoms des Menschen beträgt 2.18 m

Aufgrund der Wechselwirkung desDNA-Moleküls mit speziellen Proteinen,den Histonen, kann es soweit aufge-wickelt werden, daß es bequem in einenZellkern paßt.

Chromosom

Die DNA als Informationsträger lebender Systeme

Nochmals etwas Geschichte ...

1944 konnten Oswald Avery, Colin McLeod und Maclyn McCarthy durch Versuche mit der Bakterienart Diplococcus pneumoniae zweifelsfrei nachweisen, daß diegenetische Information nicht durch die strukturell artenreichen Proteine, sondern vonden eher strukturell langweiligen Nukleinsäuren übertragen wird.

Bakterienform S mit Polysaccharid-Kapsel führt zur Infektion und Tod der Maus

Bakterienform R ohne Polysaccharid-Kapselist harmlos für die Mäuse

Erhitzt man den S-Stamm, dann kommt eszu keiner tödlichen Infektion

Mischt man Form R mit abgetöteter Form S,dann wird ein Teil der Mäuse infiziert

R kann also irgendwie die Informationzur Kapsel-Bildung aus abgestorbenenS-Stämmen übernehmen

Versuche zeigten, daß die DNA- die ge-suchte Substanz war

Die Erkenntnis, daß die Nukleinsäuren für die Vererbung verantwortlich sind, konnte sichjedoch nicht sofort unter den Biologen durchsetzen. Erst die noch eindrucksvolleren, 1952mit T2-Phagen durchgeführten Experimente (Hershey, Chase) waren so überzeugend, daßdie DNA seitdem als Erbmolekül anerkannt ist.

35-S

32-P

Basenpaarung und genetische Information

3 Pyrimidinbasen (Vollring) - Cytosin / Thymin / Uracil (ersetzt T in RNA)

2 Purinbasen (Vollring+Halbring) – Adenin / Guanin

In der DNA ist jeweils eine Pyrimidinbase über entweder 2 (T-A) oder 3 Wasserstoff-brücken (C-G) miteinander verbunden:

T - AA - TC - GG - C

Mögliche Kombinationen

Information komplimentär

Das sind die 4 Buchstaben des Gen-Alphabets

Nun weiß man, daß die Proteine, die in Lebewesen gefunden werden (beim Menschenrund 30000 Verschiedene) , aus 20 unterschiedlichen Aminosäuren aufgebaut sind.

Frage: Wenn ich 4 verschiedene Buchstaben zur Verfügung habe (A, T, G, C), wie viele Buchstaben muß mindesten ein Wort haben, daß ich damit 20 verschiedene Aminosäuren benennen kann?

4 Nukleotide - 4^2 Zweiergruppen 16 Kombinationsmöglichzkeiten4 Nukleotide - 4^3 Dreiergruppen 64 Kombinationsmöglichkeiten

Um 20 verschiedene Aminosäuren zu verschlüsseln, benötige ich mindestens eineDreiergruppe von Nukleotidsequenzen

Triplet oder Codon

Die Codierung ist „entartet“, d.h. es gibt für bestimmte Aminosäuren mehrere unterschiedliche Codon (für Leucin, Arginin und Serin z.B. jeweils 6).

Spezial-Codons codieren darüber hinaus Anfang- und Ende eines Gens.

Die Entschlüsselung des Genetischen Codes

Wenn ein Codon (z.B. TGG ) eine bestimmte Aminosäure verschlüsselt, dann ist die Frage,welches Codon welche Aminosäure verschlüsselt:

Genetischer Code

Die Entschlüsselung des genetischen Codes gelang während der Jahre 1961 bis 1966in einem dramatischen Wettstreit mehrerer Laboratorien und führte 1968 zur Ver-leihung des Nobel-Preises an W.M. Nirenberg, R.W. Holley und H.G. Khorona.

Das „genetische Wörterbuch“ ist für alle Lebewesen auf der Erde identisch!

alles Leben muß einen gemeinsamen Ursprung haben

Wenn ein Codon eine Aminosäure codiert, was codiert dann eine Folge von Codonszwischen einem Start-Codon und einem End-Codon (d.h. ein Gen)?

Ein Gen codiert die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein

Die Code-Scheibe

(dafür gab es den Nobelpreis)

Der genetische Code wird oft über die RNA-Basenfolge festgelegt (statt Thymin -> Urazil)

Jede Gensequenz beginntmit dem Code fürMethionin

Es gibt drei unterschiedlicheStopcodierungen

Bis auf Methionin undTryptophan gibt es füralle Aminosäuren einemehrfache Codierung

Der Abschnitt zwischeneinem Start-Codon undeinem End-Codon wirdals Gen bezeichnet. DieseInformation wird im Zugeder Transkription auf einmRNA-Molekül übertragen.

Anzahl der Gene und typische Gengrößen verschiedener Lebewesen

Ein paar kurze Bemerkungen zum menschlichen Genom

Das menschliche Genom wurde als erstes Eukaryoten-Genom in den Jahren 1998-2005 vollständig analysiert. Bereits seit 100 Jahren ist bekannt, daß es aus einem doppelten Satz von 23 Chromosomen, sowie dem X- und Y-Chromosom besteht. Hinzu kommt die Mitochondriale DNA.

Insgesamt enthält das Genom

3,101,788,170 Basenpaare20,251 Gene.

Nächstes Mal: Aufbau der Gene und Chromosomen