Allgemeines über die DNA

DNA (deoxyribonucleic acid) = DNS (Desoxyribonukleinsäure)

Aufbau und Aussehen der DNA

Unser Körper besteht aus Zellen. In (fast) jeder dieser Zellen befindet sich ein Zellkern, der unsere DNA beherbergt. Die DNA ist ein doppelsträngiges, helixförmiges Molekül, das sich aus bestimmten Bausteinen zusammensetzt.  

 

Quelle: [1]

Diese Bausteine werden Nucleotide genannt. Nucleotide wiederum setzen sich jeweils aus einer Base, einem Zucker und einer Phosphatgruppe zusammen. Die über die Phosphatgruppen miteinander verbundenen Zucker bilden das Rückgrat des Moleküls. Die Basen stellen die Verbindung zwischen den beiden DNA Einzelsträngen her und verlaufen somit in der Mitte des Moleküls. Jeweils eine Base ist an jeweils einem Zucker des Rückgrats gebunden.  

Die Sequenz der Basen, d.h. die Reihenfolge der Basen entlang des Stranges, trägt die genetische Information. Das Rückgrat des Moleküls hat eine strukturgebende Funktion.

Quelle: [2]

Nucleosid: eine Einheit aus einem Zucker und einer Base.
Nucleotid: ist ein Nucleosid, das mit mind. einer Phosphatgruppe verbunden ist. 

Quelle: [3]

Desoxyribose wird der Zucker genannt, an dem die Base in der DNA (Desoxyribonucleinsäure) gebunden ist. 

Die Ribose ist der Zucker, an dem die Base in der RNA (Ribonucleinsäure) gebunden ist.

Der Unterschied der beiden Zucker befindet sich am 2' Kohlenstoffatom (C-Atom): bei der Ribose ist hier ein OH, bei der Desoxyribose nur ein H (desoxy --> der Sauerstoff fehlt) gebunden.

Die Rolle der beiden Zucker innerhalb eines Nucleotids: 
Am 1' C-Atom des Zuckers wird die Base, am 5' C-Atom der Phosphatrest angehängt.

Die Basen der DNA

Quelle: [4]

Die Basen der DNA sind: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. 
Adenin und Guanin sind Purinbasen, d.h. ihr Grundgerüst entspricht der Struktur eines Moleküls namens Purin.

Cytosin und Thymin sind Pyrimidinbasen, d.h. ihr Grundgerüst entspricht der Struktur eines Moleküls namens Pyrimidin.

Die Basen der jeweiligen DNA Einzelstränge sind zueinander komplementär. Das bedeutet, dass die Basenpaarung nur nach folgenden Regeln verläuft (=spezifische Basenpaarung):

Adenin kann nur mit Thymin und umgekehrt paaren. d.h.:  A-T oder T-A

Guanin kann nur mit Cytosin und umgekehrt paaren. d.h.: G-C oder C-G

Quelle: [5]

Die Basenpaare werden über Wasserstoffbrücken zusammengehalten. Adenin und Thymin paart sich unter Ausbildung von zwei Wasserstoffbrücken, Guanin und Cytosin unter der Ausbildung von drei Wasserstoffbrücken.

Aufgrund der spezifischen Basenpaarung kann, wenn die beiden Stränge der DNA voneinander getrennt werden, jeder Strang als Vorlage für den komplementären zweiten Strang dienen.  

Beispiel: Sequenz des 1. Einzelstrangs:  5'---ATCGAGCT---3'    
daraus folgt Sequenz des 2. Einzelstrangs: 3'---TAGCTCGA---5'

DNA Verpackung

Innerhalb des Zellkerns (=Nucleus) kann die DNA in unterschiedlichen Organisationsstufen vorliegen. Die Organisationsstufen zeichnen sich durch verschiedene Verpackungsdichten der DNA aus. 

Quelle: [6]

Quelle: [7]

•  2nm: DNA  
• 11nm: DNA + Nucleosomen (aus Histonen gebildet); "beads on a string" (Perlschnur) Struktur 
• 30nm: "solenoid" Struktur 
• 120-300nm: Schlaufen werden gebildet 
• zwei 700nm breite Chromatiden ergeben ein 1700nm breites Chromosom. 

Die DNA assoziiert mit Nucleosomen wird Chromatin genannt.



Der menschliche Zellkern enthält 46 Chromosomen (=23 Chromosomenpaare). Jedes Chromosom besteht aus einem DNA Molekül. Somit ist eine enorme Leistung erforderlich alle DNA Moleküle in einem Zellkern unterzubringen.  

Metaphasenchromosom: Hierbei handelt es sich um die allseits bekannten Chromosomen. Diese Verpackungsstufe der DNA ist für den Verlauf der Mitose und der Meiose besonders wichtig. 

Zusatzinfos

• Die DNA dient des Weiteren als Vorlage für die Replikation und die Transkription. Als Folge der Transkription entsteht eine mRNA, die als Vorlage für die Translation dient.

Quelle: [8]

  

• Das DNA Molekül ist aufgrund ihrer Phosphatgruppen negativ geladen. 

• Jeder DNA Einzelstrang besitzt ein 5' und ein 3' Ende (sprich: fünf Strich und drei Strich Ende). Das 5' Ende des Strangs endet mit einem Phosphatrest. Das 3' Ende des Strangs endet mit der 3' OH Gruppe des Zuckers Desoxyribose. Während einer DNA Synthese durch DNA Polymerasen können neue Nucleotide nur an das 3' OH Ende angehängt werden. Eine DNA wächst somit immer vom 5' Ende Richtung 3' Ende  (5' --> 3').

 

Quelle: [9]

•  A, T, G und C sind Stickstoffbasen.

• DNA absorbiert UV-Licht aufgrund ihrer aromatischen Basen. UV-Licht kann zu Veränderungen (Mutationen) der DNA führen.

[1]: http://www.tgg-leer.de/projekte/genetik/dna2/dna2.html
[2]: http://de.wikipedia.org/wiki/Nukleotide
[3]: Stryer Biochemie. 6. Auflage 2007, Spektrum Akademischer Verlag. S.118, Abb.4.2
[4]: Stryer Biochemie. 6. Auflage 2007, Spektrum Akademischer Verlag. S.119, Abb.4.4
[5]: Stryer Biochemie. 6. Auflage 2007, Spektrum Akademischer Verlag. S.123, Abb.4.12
[6]: Linder Biologie. 2. Auflage 2009, Verlag E. Dorner. S.15, Abb.15.1
[7]: Introduction to Genetic Analysis. 10th edition, W.H. Freeman and Company. p.7, Fig.1-9
[8]: Lehninger Biochemie. 4. Auflage 2011, Springer-Verlag. S.1388, Abb.26-32
[9]: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_chemical_structure.svg

Die Fotosynthese

Man spricht von Fotosynthese, wenn Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird. (chemische Energie ist z.B. Zucker)

Orte der Fotosynthese sind die Chloroplasten, die sich in allen grünen Teilen einer Pflanze befinden. Hauptsächlich jedoch findet die Fotosynthese in den Chloroplasten der Blätter einer Pflanze statt. 

 

Chloroplasten sind Zellorganellen einer pflanzlichen Zelle mit zwei Membranen. In ihnen findet die Fotosynthese statt.

Zwischen der oberen und der unteren Epidermis des Blattes (vereinfacht gesagt zwischen der oberen und unteren sichtbaren Haut des Blattes) befindet sich das Mesophyll, in deren Zellen die Chloroplasten eingelagert sind. 

Querschnitt eines Blattes

Stomata: sind kleine Spaltöffnungen des Blattes, durch die Kohlenstoffdioxid in das Blattinnere und Sauerstoff aus dem Blatt treten kann;

Eine Mesophyllzelle, also eine Zelle der Mesophyll-Schicht eines Blattes, enthält mehrere Chloroplasten. Innerhalb der Chloroplasten befindet sich das Chlorophyll.

Chlorophyll: ist ein grüner Farbstoff der daher für die Farbe der Blätter verantwortlich ist; Chlorophyll befindet sich in den Chloroplasten und ist für die Absorption der Lichtenergie verantwortlich;

Ein kurzer Überblick über die Abfolge des oben genannten Aufbaus einer Mesophyllzelle:

• Mesophyllzelle

• innerhalb der Mesophyllzellen:  Chloroplasten als Organellen

• innerhalb der Chloroplasten: mehrere Thylakoide (Membransäckchen innerhalb eines Chloroplasten); das Chlorophyll ist in den Thylakoid-Membranen eingelagert. 

Reaktionsgleichung der Fotosynthese:

6 CO₂ + 12 H₂O + Lichtenergie --> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + H₂O

 

CO₂ (Kohlenstoffdioxid)          H₂O (Wasser)

C₆H₁₂O₆ (Glucose)                  O₂ (Sauerstoff)

Die Reaktionsgleichung kann gekürzt werden, wenn der Wasserverbrauch genauer betrachtet wird. Auf der linken Seite werden 12 Moleküle Wasser benötigt, auf der rechten Seite entstehen jedoch wieder 6 Moleküle Wasser. Es wird so gekürzt, dass diese Gleichung entsteht: 

6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie --> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Wissenswertes zur Reaktion der Fotosynthese:

Produkt der Fotosynthese ist ein Kohlenhydrat (Zucker) mit drei C-Atomen, der von der Pflanze herangezogen wird um Glucose herzustellen.

Der Sauerstoff (O₂) der während der Fotosynthese frei wird, entstammt nicht dem Kohlenstoffdioxid (CO₂) sondern dem Wasser (H₂O).

Die Stadien der Fotosynthese:

Die Fotosynthese: wie Licht- und Dunkelreaktion zusammenhängen

1. Lichtreaktion 

   
   Ort der Lichtreaktion sind die Thylakoide  in den Chloroplasten.
   Licht und Wasser werden als Quelle herangezogen, Sauerstoff entsteht dabei als Nebenprodukt.
   Die chemische Energie, die aus Lichtenergie gewonnen wurde wird hier als ATP und NADPH gespeichert. (keine Umsetzung zu Zuckermoleküle!! diese findet erst bei der Dunkelreaktion statt) 
   
   
   Die Lichtreaktion beinhaltet zwei Arten von Photosystemen:
   Photosystem II (PSII) und Photosystem I (PSI). Zu beachten: Die Benennung der beiden Systeme erfolgte nach der Reihenfolge ihrer Entdeckung nicht aber nach der photosynthetisch aktiven Reihenfolge. Demnach erfolgt das PSII vor dem PSI.
   
   
   Aufbau eines Photosystems:
   Ein Photosystem besteht aus einem Reaktionszentrum, das von sogenannten Lichtsammelkomplexen umgeben ist. Die Lichtsammelkomplexe sind jene Orte, in denen sich die verschiedenen Farbstoffmoleküle (Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotinoide) befinden. Eine größere Anzahl der Farbstoffmoleküle erlauben einem Photosystem ein größeres Spektrum an Licht für die Fotosynthese verwenden zu können. 
   
   

2. Dunkelreaktion = Calvin Zyklus

   
   Entdecker: Melvin Calvin;
   Der Calvin-Zyklus läuft im Stroma (Innenraum des Chloroplasten) der Chloroplasten ab.
   Bei diesem Schritt entstehen Zuckermoleküle als Endprodukt.
   Bei diesem Zyklus wird CO₂ aus der Luft als Quelle herangezogen.
   ATP und NADPH aus der Lichtreaktion sind wichtige Energieträger, die notwendig sind um Kohlenstoffdioxid in Kohlenhydrate einzubauen.
   
   
   Für die Synthese eines Moleküls Glucose (ein C₆-Kohlenhydrat) verbraucht der Calvin Zyklus 6 Moleküle CO₂, 18 Moleküle ATP und 12 Moleküle NADPH.
   
   
   Allgemein: Die Dunkelreaktion kommt zu ihrem Namen aus dem Grund, da keiner ihrer Schritte auf Lichtenergie angewiesen ist, sondern nur auf das Vorhandensein von zuvor in der Lichtreaktion hergestelltem ATP und NADPH. Da aber nur genug ATP und NADPH hergestellt werden kann, wenn genug Licht vorhanden ist, läuft auch der Calvin Zyklus nur tagsüber ab.