Gene und DNA

Ein menschlicher Chromosomensatz enthält etwa 3 Milliarden DNA-Basenpaare; rund 1 Prozent seiner Sequenz codiert Proteine.

Anleitungen von den Eltern an die Kinder

Kinder haben oft die Augenfarbe eines Elternteils oder die Nasenform eines Großelternteils. Irgendetwas muss diese Information von einer Generation zur nächsten tragen, und es muss bei jeder Zellteilung kopiert werden. Dieses Etwas ist die Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA. Das NHGRI, das Genominstitut der US-amerikanischen National Institutes of Health, beschreibt die DNA als das Molekül, das die biologischen Anleitungen enthält, die jede Art einzigartig machen. Diese Anleitungen werden bei der Fortpflanzung von den Erwachsenen an ihre Nachkommen weitergegeben.

Bei Pflanzen, Tieren und Pilzen (den Eukaryoten) liegt der größte Teil der DNA im Zellkern. Eine Zelle ist winzig und enthält viele lange DNA-Moleküle, deshalb ist jedes Molekül eng zu einem Gebilde verpackt, das man Chromosom nennt. Die DNA im Zellkern ist das Kerngenom; das vollständige Genom umfasst auch DNA außerhalb des Zellkerns. Ein wenig DNA steckt außerdem in den Mitochondrien, den Zellteilen, die Energie freisetzen. Diese DNA erbt man nur von der Mutter, weil bei der Befruchtung nur die Eizelle ihre Mitochondrien behält.

Vier Buchstaben an einer Kette aus Zucker und Phosphat

DNA ist eine Kette aus Bausteinen, den Nukleotiden. Jedes Nukleotid besteht aus drei Teilen: einer Phosphatgruppe, einem Zucker namens Desoxyribose und einer von vier stickstoffhaltigen Basen. Die Basen sind Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Zucker und Phosphat wechseln sich ab und bilden das lange Rückgrat, und die Basen ragen davon ab wie die Zähne eines Kamms. Die Reihenfolge der Basen entlang der Kette, die Sequenz, ist die Information. Im 3D-Modell sind die beigen Kugeln Zucker, die orangen Kugeln Phosphate und die farbigen Platten Basen.

Nach Angaben des NHGRI enthält ein menschlicher Chromosomensatz etwa 3 Milliarden Basenpaare und etwa 20 000 proteincodierende Gene auf 23 Chromosomen. Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt mit der Anleitung für ein Protein oder eine funktionelle RNA. Proteincodierende Bereiche machen etwa 1 Prozent der DNA-Sequenz aus. Einige nichtcodierende Bereiche bestimmen mit, wann, wo und wie viel von jedem Protein gebildet wird.

Vom Gen zum Protein in zwei Schritten

Proteine erledigen den Großteil der Arbeit im Körper: Sie bauen Haare und Muskeln auf, transportieren Sauerstoff und beschleunigen chemische Reaktionen. Eine Zelle macht in zwei Schritten aus einem Gen ein Protein. Zuerst liest bei der Transkription ein Enzym einen Strang der DNA und baut ein passendes Molekül Boten-RNA (mRNA). Die RNA verwendet die Base Uracil (U), wo die DNA Thymin hat. Danach liest bei der Translation die Proteinbaumaschinerie der Zelle die mRNA in Dreierschritten. Jede Dreiergruppe, ein Codon, steht für eine von 20 Arten von Aminosäuren oder für „Stopp“. Die Aminosäuren werden in dieser Reihenfolge zum Protein verknüpft.

Warum drei Buchstaben nötig sind, kannst du nachzählen. Mit zwei Basen pro Codon gäbe es nur 4 × 4 = 16 Kombinationen, zu wenige für 20 Aminosäuren. Mit drei sind es 4 × 4 × 4 = 64, mehr als genug. Deshalb bedeuten oft mehrere Codons dieselbe Aminosäure. Das Modell auf dieser Seite beginnt mit ATG, dem Startcodon, das für Methionin steht. Wähl im Menü Ansicht die Option Transkription und drück auf Abspielen, dann siehst du, wie eine mRNA-Kopie am Gen entlang wächst.