Wo ist die Erbinformation in der DNA gespeichert

Eine Strickleiter aus vier Bausteinen

Du kannst dir die DNA als eine unglaublich lange, dünne Strickleiter vorstellen, die wie eine Spirale um die eigene Achse verdreht ist (Wissenschaftler nennen diese Form „Doppelhelix“). Chemisch gesehen besteht diese Strickleiter aus vier verschiedenen Bausteinen, die Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin heissen. Um es einfacher zu machen, nennt man die Bausteine nach ihren Anfangsbuchstaben: A, C, G und T. Diese vier Buchstaben sind das „Gen-Alphabet“ – ihre Reihenfolge ist ein Code, der jeder Zelle und somit jedem Lebewesen Informationen über Aussehen und Eigenschaften gibt.

Baustein-Paare bilden die Gen-Geheimschrift

Von den vier Bausteinen passen immer zwei wie Schlüssel und Schloss zusammen: A und T bilden das eine Paar, C und G das andere. Die Verbindung der Paare ist die „Strickleitersprosse“, die Seiten der Leiter werden „Stränge“ genannt. Steht also zum Beispiel auf dem einen Strang der DNA „ACGCCCTTATA“, dann lautet der andere Strang „TGCGGGAATAT“. Die Reihenfolge dieser Buchstaben beschreibt einzelne Gene, die je nach Abfolge und Länge der Bausteinkette bestimmte Informationen enthalten. In unseren Zellen gibt es nämlich kleine Maschinen, die diese Gen-Geheimschrift lesen können und nach ihrer Anleitung verschiedene Proteine (Eiweisse) herstellen – so entstehen die „Baustoffe“ unseres Körpers.

Bei der DNA (Desoxyribonukleinsäure) handelt es sich um eine sogenannte Nukleinsäure. Das sind chemische Moleküle, die aus lediglich drei Grundbausteinen aufgebaut sind: organischen Basen, Zuckermolekülen und Phosphatgruppen.

Beginnen wir mit dem ersten Bestandteil der DNA: dem Zuckermolekül. Du kannst es auch als Desoxyribose bezeichnen. Es handelt sich hier um eine Pentose, also einen Zucker bestehend aus fünf Kohlenstoffatomen.  

Die Kohlenstoffatome am Zuckermolekül werden übrigens mit den Zahlen 1-5 im Uhrzeigersinn durchnummeriert. Das ist deshalb wichtig, damit wir sofort wissen, an welcher Stelle des Moleküls eine Verknüpfung erfolgt. 

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Nun benötigen wir den nächsten Baustein: 4 organische, stickstoffhaltige Basen. 

• Adenin (A)
• Thymin (T)
• Guanin (G)
• Cytosin (C)

Du kannst dir hier merken, dass die Base Thymin nur in der DNA vorkommt.

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Jeweils eine der vier organischen Basen verbindet sich nun mit der Desoxyribose – und zwar immer über das 1. Kohlenstoff-Atom (1′) des Zuckermoleküls. Jetzt weißt du auch, wieso die Nummerierung der C-Atome hier sinnvoll ist. 

Du kannst die entstehende Verbindung als Nukleosid (Base + Zucker) bezeichnen.

Nun kommt der letzte Baustein ins Spiel: die Phosphatgruppe. Diese ist mit dem 5. C-Atom (5′) des Zuckers verbunden.  Jetzt erhalten wir das Nukleotid, also eine Verbindung bestehend aus einem Zucker, einer Base und Phosphatgruppe(n).

Ging dir das etwas zu schnell? Eine kleinschrittigere Erklärung zum Aufbau der DNA findest du in unserem Beitrag DNA einfach erklärt !

Alle Arten von Organismen speichern ihre Erbinformation in einem Genom. Jedoch kann der Aufbau sehr unterschiedlich sein. Bei Eukaryoten  ist die genetische Information im Zellkern in Form von vielen Chromosomen gespeichert. Zusätzliche enthalten die Mitochondrien  und die Plastiden der Pflanzen eigene DNA. Um mehr über den Aufbau eukaryotischer Zellen zu lernen, schaue dir jetzt unser Video an!

Die DNA ist organisiert wie in Prokaryoten . Das bedeutet, dass die chromosomale DNA als ein langes, in sich geschlossenes Molekül frei im Zellplasma vorliegt. Zusätzlich können noch weitere kürzere Ringe aus DNA vorhanden sein. Die bezeichnest du als Plasmide .

Viren sind sehr kleine Organismen und müssen ihre Erbinformation möglichst kompakt speichern. Dazu kann das virale Genom sehr unterschiedlich aufgebaut sein: aus DNA oder RNA, als Einzel- oder Doppelstrang, ein langes Stück oder ringförmig geschlossen. 

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Die spiralförmige DNA ist die Trägerin der Erbinformationen. Die Gesamtheit der vererbbaren Informationen einer Zelle bezeichnet man als Genom oder Erbgut.

Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Information zur Herstellung einer RNA enthält. Die meisten RNAs dienen als Bauplan für Eiweisse. Die Gene bestimmen die Merkmale eines Lebewesens. Meistens ist es nicht ein einzelnes Gen sondern eine Kombination verschiedener Gene, die ein Merkmal festlegen. So wird zum Beispiel die Haarfarbe beim Menschen von etwa 10 Genen beeinflusst.

Ein Grossteil der DNA ist in Chromosomen organisiert. Ihre Anzahl ist je nach Lebewesen unterschiedlich, beim Menschen sind es 46, davon stammen 23 Chromosomen von der Mutter und 23 vom Vater. Die Chromosomen befinden sich im Zellkern. Menschliche Zellen besitzen in der Regel einen einzelnen Zellkern.

DNA steht für Desoxyribonukleinsäure, RNA für Ribonukleinsäure. Nukleinsäuren sind Makromoleküle und dienen den Zellen vor allem als Informationsspeicher. Nukleinsäuren bestehen aus einzelnen Bausteinen, den Nukleotiden. Die Nukleotide setzen sich aus verschiedenen Bestandteilen zusammen: einer Purin-Base (Adenin = A , Guanin = G) oder einer Pyrimidin-Base (Cytosin = C, Thymin = T, Uracil = U), einem Zuckermolekül (Desoxyribose in der DNA oder Ribose in der RNA) und einer Phosphatgruppe. Die zweisträngige DNA entsteht durch das Aneinanderreihen von vier Arten von Nukleotiden, die sich durch ihre Basen unterscheiden: A, G, C und T. Auch die einsträngige RNA enthält eine Abfolge von vier Nukleotiden: A, G, C und U (anstatt T).

Die DNA-Sequenz ist die Abfolge der Nukleotide einer Nukleinsäure. Der genetische Code bestimmt, wie eine Abfolge von Nukleinsäure in ein Eiweiss übersetzt wird.

Ein gesunder Lebensstil beinhaltet Sport, ausgewogene Ernährung und einen bedachten Umgang mit dem eigenen Körper. Auf biologischer Ebene bilden gesunde und intakte Zellen die Voraussetzung dafür. Der menschliche Körper besteht aus einer Vielzahl an Zellen. Menschliche Zellen besitzen über Fähigkeiten, sich auch bei Verletzungen, Infektionen mit Erregern sowie Veränderungen der genetischen Information, selbst zu reparieren. Zudem können diese, umliegende Zellen warnen und sich selbst in einen kontrollierten Zelltod schicken. Beim Erhalt und der Förderung lebensfähiger und gesunder Zellen spielt insbesondere die intakte Genetik jeder einzelnen Zelle eine bedeutende Rolle. Die Genetik stellt den Dreh- und Angelpunkt jeder Zelle dar und ist wesentlich an der Entstehung von Krankheiten beteiligt. Doch was ist unsere Erbinformation und wie ist diese überhaupt aufgebaut?

Unsere Facts-to-go kurz und knapp für dich zusammengefasst !

Unser Genom setzt sich aus der Gesamtheit der Chromosomen zusammen

Jede Zelle unseres Körpers, bis auf wenige Ausnahmen wie Erythrozyten, verfügt über einen Zellkern mit Erbinformationen, welche aus fadenförmigen (linearen) DNA-Molekülen aufgebaut ist. Diese Moleküle werden als Chromosomen bezeichnet. Der Begriff Genom umfasst die Gesamtheit der genetischen Informationen eines Organismus – also die Gesamtheit all dieser Chromosomen, die in jeder Zelle zu finden sind.

Jede Zelle verfügt über 46 Chromosomen (DNA-Moleküle)

Menschliche Zellen sind mit einem generellen Chromosomensatz ausgestattet. Das bedeutet, dass jede Zelle eines Individuums stets die gleichen Chromosomen und somit die gleiche Erbinformation aufweist. In der Gesamtheit unterscheidet man 23 Chromosomen in jedem Zellkern. Allerdings liegt jedes Chromosom in doppelter Ausführung vor. Folglich findet man in jeder Zelle 46 Chromosomen, wobei 23 von der Mutter und 23 vom Vater vererbt werden.

Ein Genom ist einzigartig

Die Chromosomen 1 bis 23 unterscheiden sich innerhalb eines Individuums nicht nur im Aufbau, sondern auch in der Größe. Ganz zu schweigen davon, dass sich die Chromosomen aller Menschen im molekularen Aufbau erheblich differenzieren. Der individuelle Aufbau und die einzigartige Zusammensetzung der spezifischen Chromosomen stellen den genetischen Fingerabdruck jedes einzelnen Menschen dar. Jeder von uns besitzt sein eigenes Genom, welches in dieser Form in keinem anderen Lebewesen zu finden ist.

Die Chromosomen bestehen aus DNA, welche sich aus Nukleotiden zusammensetzt

Genauer genommen ist der Träger der Erbinformation nicht das Chromosom an sich, sondern die DNA. Diese Abkürzung steht für den englischen Ausdruck „deoxyribonucleid acid“. Der Begriff DNS bezeichnet lediglich das Kürzel für die deutsche Schreibweise „Deoxyribonucleinsäure“. Diese DNA / DNS setzt sich aus sog. Nukleotiden zusammen. Sie sind die Bausteine der Erbinformation und bestehen aus einer Purin– bzw. Pyrimidinbase (Cytosin, Thymin, Adenin, Guanin), einem Zucker und einem Phosphatrest. Aneinandergereihte Nukleotide stellen streng genommen unsere Genetik dar. Die einzelnen Nukleotide unterscheiden sich vereinfacht dargestellt nur in der unterschiedlichen Base, wovon es vier Stück gibt.

Die dabei entstehenden Ketten liegen immer paarweise vor. Das bedeutet, dass sich zwei solcher Aneinanderreihungen von Nukleotiden gegenüberliegen. Die Basen sind dabei zur Mitte gerichtet und verbinden sich über sog. Wasserstoffbrückenbindungen. Man spricht auch von der sog. Doppelhelix. Dabei paaren sich immer die Basen Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin.

Den genetischen Code bestimmt die Abfolge an Basen

Mit Sequenzierung oder dem „Entschlüsseln“ des genetischen Codes ist das Herausfinden der Abfolge der Basen gemeint. Reiht man tausende Nukleotide aneinander, die sich nur in der Base unterscheiden, entscheidet die Reihenfolge der Basen über die individuelle Zusammensetzung eines Genoms. Und genau in dieser Abfolge an Basen liegt der Schlüssel vieler erworbener und angeborener Erkrankungen. Über verschiedenste Einflüsse von innen und außen kann es zu einer Veränderung der Basenabfolge kommen und in der Konsequenz zu einer fehlerhaften Erbinformation.

Bestimmte Bereiche der aneinandergereihten Nukleotide bilden Gene

Die hintereinander folgenden Nukleotide stellen die funktionellen Einheiten der Genetik dar. Einzelne und auch Gruppen von Nukleotiden verfolgen unterschiedlichste Aufgaben. Dabei spielt das Wissen über unsere Gene die wichtigste Rolle um unsere Erbinformation als Gesamtheit zu begreifen. Gene sind Abschnitte auf der DNS (also Abfolgen von Nukleotiden), welche eine codierende Einheit eines spezifischen Proteins darstellen. Das bedeutet, dass dieser Abschnitt auf der DNS zur Bildung eines Proteins herangezogen wird (hierzu mehr im nächsten Artikel zur Genetik).

Auch Mitochondrien besitzen Erbinformation

Die Gesamtheit unserer Erbinformation ist jedoch nicht nur im Zellkern jeder einzelnen Zelle zu finden. Auch die „Kraftwerke“ unserer Zellen verfügen über eine eigene DNA. Diese sog. Mitochondrien gehören zu den Organellen menschlicher Zellen. Organellen sind quasi die Organe einer Zelle. Mitochondrien spielen eine wichtige Rolle in unserem Körper und dienen insbesondere der Energiebildung. Auch die dort zu findende DNA besteht aus Nukleotiden, welche über zwei gegenüberliegenden Ketten verbunden wird. Doch diese Ketten bilden kein lineares Chromosom, sondern einen ringförmigen Speicher an Genen. Die Erbinformation der Mitochondrien (mtDNA) unterscheidet sich im Detailaufbau von der genetischen Information unserer Zellkerne. In erster Linie werden damit Proteine erzeugt, die das Mitochondrium selbst benötigt. Streng genommen muss diese DNS folgerichtig auch dem menschlichen Genom zugerechnet werden. Vererbt wird die mtDNA stets durch die Mutter. Erblich bedingte Erkrankungen, die die mtDNA betreffen, stammen somit in der Regel von der Mutter.

Die Fakten zum Aufbau unserer Erbinformation auf einen Blick:

• Bis auf wenige Ausnahmen (z. B. Erythrozyten) besitzen alle menschlichen Zellen einen Zellkern mit 46 linearen Chromosomen. Jedes Chromosom liegt doppelt vor, wobei das eine von der Mutter und das andere vom Vater vererbt wird.
• Spricht man vom menschlichen Genom, umfasst dieser Begriff die Gesamtheit aller Chromosomen und ferner auch die mtDNA.
• Chromosomen bestehen aus DNA / DNS. Der Detailaufbau der DNA besteht aus mehreren aneinandergereihten Nukleotiden. Diese Moleküle bestehen wiederrum aus einem Zucker, einem Phosphatrest und einer von vier Basen (Cytosin, Thymin, Adenin, Guanin). Es liegen sich immer zwei „Nukleotidketten“ gegenüber und bilden eine Doppelhelix.
• Die Abfolge der einzelnen Basen bestimmt den genetischen Code und die individuelle Zusammensetzung eines Genoms.
• Gene sind Abschnitte auf der DNS, welche eine codierende Einheit eines spezifischen Proteins darstellen. Das bedeutet, dass dieser Abschnitt auf der DNS zur Bildung eines Proteins herangezogen wird.