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Genetik, X-Chromosom mit Desoxyribonukleinsäure DNS, Desoxiribo Nucleic Acid DNA
X-Chromosom mit DNA

Genetik, Doppelhelix-Strang mit Desoxyribonukleinsäure DNS, Desoxiribo Nucleic Acid DNA
DNA-Strang

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Genetik, Replikation Reduplikation der Doppelhelix, Basenpaare der DNA, Desoxyribonukleinsäure DNS Thymin, Adenin, Cytosin und Guanin

Replikation (Reduplikation) der Doppelhelix (links), Basenpaare der DNA - DNS, Desoxyribonukleinsäure - (rechts). In der S-Phase wird der DNS-Gehalt der Zelle in Vorbereitung auf die anstehende Zellteilung verdoppelt. Für die Replikation entspiralisiert die DNS, so dass eine Replikationsgabel entsteht derer beider Stränge als Matrize für die Synthese dienen. Mit Hilfe des Enzyms Primase werden kleine RNA-Sequenzen synthetisiert, welche später enzymatisch durch die Ligase miteinander verbunden werden. Da sie neu enstandenen Doppelstränge sowohl aus einem alten als auch aus einem neu synthetisierten Strang bestehen spricht man auch von semikonservativer Replikation. In der Abfolge der Basen ist die Erbinformation gespeichert. Die Basen sind in der DNA an einen Zucker gebunden und bilden untereinander Wasserstoffbrückenbindungen aus Adenin und Thymin, Cytosin und Guanin. (Grafiken © Frank Geisler)

Physiologie Zellen
Genetik, DNS, DNA-Basenpaare und Reduplikation

Als Träger des genetischen Codes wurde die Desoxyribonukleinsäure (DNS), englisch: Desoxiribo Nucleic Acid (DNA), identifiziert. Wie bei allen Nukleinsäuren handelt es sich dabei um eine hochpolymere organische Verbindung.
Die Desoxyribonukleinsäure ist eine Nukleinsäure in Form einer Doppelhelix, diese kann man sich als verdrillte Strickleiter vorstellen, deren Sprossen aus je zwei Basenpaaren (Nukleotidbasen) – Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin – zusammengesetzt sind. Ein DNA-Molekül kann aus mehreren Millionen solcher „Sprossen“ bestehen. Ähnlich wie bei der binären Maschinensprache digitaler Computer stellt die Reihenfolge der vier verschiedenen Nukleotidbasen einen Code dar. Mit Hilfe des genetischen Codes (Triplett-Codes) wird in dem langen Polymer aus Nukleotiden die Aminosäuresequenz in Proteinen kodiert. Die DNA enthält die genetische Information für die biologische Entwicklung in Zellen.
Thymin (C5H6N2O2) gehört zu den Pyrimidin-Basen der DNA, es kommt selten in RNA vor.
Adenin (C5H5N5) kommt hauptsächlich in seiner gebundenen Form als Teil des Nucleosids Adenosin vor, als Teil der DNA und RNA, aber auch als Monomer im zentralen Energieüberträger Adenosintriphosphat (ATP).
Cytosin (C4H5N3O) ist ein Pyrimidin-Derivat und eine der Nukleinbasen.
Guanin (C5H5N5O) kommt als Base in DNA und auch in RNA vor. Daneben ist das Guanosin-triphosphat GTP ein wichtiger Energielieferant im Muskel und bei der Proteinbiosynthese.
Uracil (C4H4N2O2) ist eine der vier Nukleinbasen der Ribonukleinsäure (RNA). In der Basenpaarung tritt Uracil an die Stelle des Thymin und wird durch zwei Wasserstoffbrücken an Adenin gebunden. Aus Cytosin wird Uracil, dieser Prozess läuft in der DNA spontan ab.

Zum Aufbau der DNA: Es handelt sich um zwei lange Molekülketten welche schraubenförmig um eine gemeinsame gedachte Achse gewunden sind (Doppelhelix-Struktur). Die beiden Ketten (DNA-Einzelstränge) sind rechtsgewunden und antiparallel. Die Sprossen der „Strickleiter“ bestehen aus je zwei organischen Basen (einem so genannten Basenpaar).

Die Basen (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) sind über Wasserstoffbrücken (schwächere Bindungskräfte) miteinander verbunden und sorgen dafür, dass die beiden Holme auch im schraubenförmigen Zustand der Strickleiter verknüpft bleiben und im gleichen Abstand nebeneinander liegen. Die Desoxyribosemoleküle stehen senkrecht zu den Basen und die Ebenen der Basen stehen senkrecht zur gemeinsamen gedachten Achse.

Die Basenabfolge in einer Kette ist zwar beliebig, aber für ein bestimmtes DNA-Molekül meist charakteristisch. Nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarungen bestimmt die Reihenfolge der Basen in der einen Kette die Abfolge der Basen in der zweiten Kette.
Bestimmte Abschnitte der DNA, die so genannten Gene, kodieren genetische Informationen. Gene enthalten „Baupläne“ für Proteine oder Moleküle, welche bei der Proteinsynthese oder Regulation des Stoffwechsels einer Zelle beteiligt sind. Die Reihenfolge der Basen bestimmt dabei die genetische Information.
Die Basenabfolge (Basensequenz) eines Genabschnitts der DNA wird zunächst durch die Transkription in die komplementäre Basensequenz eines so genannten Ribonukleinsäure-Moleküls überschrieben (RNA, RNS).
RNA enthält im Unterschied zu DNA den Zuckerribose anstelle von Desoxyribose und die Base Uracil anstelle von Thymin. Als Kopie eines Teils der Information eines DNA-Einzelstrangs dient die RNA dann im Cytoplasma als Bauanleitung für die Herstellung eines Proteins.

Die Reduplikation (Replikation) beschreibt die Vervielfältigung des Erbinformationsträgers DNA einer Zelle. Es handelt es sich um die genaue Verdoppelung der DNA. Die Replikation wird in der Regel nur in einer bestimmten Phase des Zellzyklus angestoßen: Bei den Eukaryoten während der Synthese-Phase, auch S-Phase, und vor einer Zellteilung (Mitose). Die Vervielfältigung erfolgt „semikonservativ“, das heißt der ursprüngliche DNA-Doppelstrang wird in seine Einzelstränge getrennt. An diesen werden komplementäre Stränge neu gebildet. So liegen als Ergebnis zwei identische Doppelstränge vor. Die Natur hat sich also ein raffiniertes System ausgedacht, mit dem aus zwei Einzelsträngen zwei Doppelstränge entstehen. Die verdoppelten DNA-Moleküle bestehen je zur Hälfte aus einem alten und einem neuen Strang.

Die DNA-Polymerase ist das Kopierwerkzeug, weil es aus vielen DNA-Gen-Buchstaben eine genaue Kopie des früheren Strangpartners zusammenknüpft. Welcher Gen-Buchstabe in der richtigen Reihenfolge anzuknüpfen ist, fällt der DNA-Polymerase sehr leicht. Zu einem bestimmten Gen-Buchstaben passt immer nur einer von vier möglichen Partnern. So passt der Gen-Buchstabe Adenin immer nur zum Thymin, Thymin verbindet sich immer nur mit Adenin. Auch Cytosin und Guanin bilden zusammen ein Basen-Paar.

Die Telomerase ist eine zelluläre reverse Transkriptase bestehend aus RNA und Proteinen. Die RNA enthält einen Sequenzabschnitt, der mit den Telomer-Wiederholungen am Ende des DNA-Stranges Basenpaare ausbilden kann und zugleich als wandernde Matrize für die Synthese von Telomer-Sequenzen am Ende der Chromosomen dient. Dank dieses Mechanismus wird die während der DNA-Replikation unvermeidliche Verkürzung der Telomere verlangsamt, was die Alterungsprozesse der Zelle hinauszögert und sie vor DNA-Schäden bewahrt, welche wiederum eine große Rolle bei der Kanzerogenese spielen.

(nach oben)
Medical Art Frank Geisler

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Genetik, Schema Doppelhelix, Strang aus Desoxyribonukleinsäure DNS, Desoxiribo Nucleic Acid DNA
Schema Doppelhelix eines DNA-Stranges

Genetik, Telomerase im Telomer, Telomere sind Enden der Chromosomen - DNA Strukturelemente
Telomerase im Telomer, Telomere sind Enden der Chromosomen - DNA Strukturelemente

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03.10.2013 © Frank Geisler