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Geschichte und Struktur der DNA - Referat



1. Geschichte der Entschlüsselung der DNA
Anfänge der Molekulargenetik
Dem beispiellosen Rennen um die Entdeckung und Entschlüsselung der DNA in den 1950er Jahren gingen viele Entdeckungen voraus.
Mit Gregor Mendel, dem „Vater der Genetik“, begann die Geschichte der Genforschung. Durch seine Beobachtungen an Experimenten mit Pflanzen stellte er die 1866 publizierten Mendelschen Gesetze über die Vererbungslehre auf. Mendel geht in seiner Forschung davon aus, dass „Informationseinheiten“ oder „Faktoren“ innerhalb des Zelle von einer Generation zu nächsten vererbt werden.
Der Schweizer Arzt Friedrich Miescher entdeckte 1869 zum ersten Mal die DNA und ließ somit die Entdeckung der DNA anfangen. Er isolierte eine Substanz, welche aus den Zellkernen der Lymphozyten in einem Extrakt aus Eiter kam. Da er die Substanz aus Zellkernen gewann, nannte Miescher sie Nuklein und begann damit einen Umbruch, der nicht nur die wissenschaftliche Welt grundlegend verändern würde. Ursprünglich untersuchte Miescher in den eitrigen Verbänden, die er von einem Krankenhaus bezog, die Bestandteile des Zellkörpers und ging dabei verstärkt auf die Proteine ein. Er wollte die Proteine klassifizieren, doch die noch sehr einfachen Geräte und Methoden seiner Zeit waren der Vielfalt an Proteinen nicht gewachsen. Schließlich wand sich Miescher dem zu jener Zeit fast komplett unerforschtem Zellkern zu und merkte, dass unter bestimmten Umständen (Fällen mit Säure) ein anderes Verhalten bei der Substanz festzustellen war, als bei Proteinen. Damit hatte er ohne es zu wissen zum ersten Mal DNA isoliert.
Der Deutsche Richard Altmann verwendete 1889 erstmals den Begriff „Nukleinsäure“ nachdem er aus dem Nuklein Proteine und die Nukleinsäure isolierte und diese sauer reagierte.

Entschlüsselung der Zusammensetzung und DNA als Informationsträger

Sieben Jahre später, 1896, entdeckte der ebenfalls Deutsche Albrecht Kossel die vier Basen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) in der Nukleinsäure.
Weitergehend identifizierte Phoebus Levene 1919 die Bestandteile der DNA, welche da wären die vier Basen, der Zucker und der Phosphatrest. Levene zeigte zusätzlich in welcher Reihenfolge die Bestandteile angebracht waren. Ihm zufolge ist eine Einheit Phosphat-Zucker-Base ein Nukleotid und sein Vorschlag besagte, dass in einem DNA-Molekül diese Nukleotiden durch Phosphatgruppen verbunden sind. Allerdings hatte er einen falschen Ansatz in seiner Annahme: Levene dachte die Kette der Nukleotiden sei kurz und die Grundlagen würden sich in einer gleichen Reihenfolge widerholen. Erst 1934 konnten Torbjörn Caspersson und Einar Hammarsten zeigen, dass die DNA ein Polymer ist und somit „aus vielen gleichen Teilen aufgebaut“ (à Bedeutung des Adjektiv polymer) und nicht wie angenommen aus einer festen Reihenfolge von wiederkehrenden Grundsteinen.
William Astbury veröffentlichte 1937 erstmals Röntgenbeugungsmuster, die den Hinweis auf eine repetitive (=sich wiederholende) Struktur der DNA gibt.

1943 war man noch immer der Überzeugung, dass Proteine die Träger der Erbinformation seinen. Doch als Oswald Avery durch ein Experiment mit Bakterien, bei dem er die Transformation, also die Übertragung von Erbinformationen von einem Bakterien-Stamm auf den nächsten, untersuchte, herausfand, dass die DNA die Träger der Erbinformation sind, konnte er beweisen, dass die DNA das wirkliche genetische Material ist.

Genaueres über die Zusammensetzung der DNA fand Erwin Chargaff 1951 heraus. Dafür untersuchte er die Basenzusammensetzung der DNA bei unterschiedlichen Arten. Das Ergebnis seiner Untersuchung war, dass die Mengenverhältnisse von Art zu Art unterschiedliche waren. Zusätzliche stieß er auf eine Besonderheit: Die Basen Thymin und Adenin bzw. Guanin und Cytosin kamen in annähernd gleichen Mengen vor. Das Verhältnis der Basen bei menschlichen Zellen lag zum Beispiel folgendermaßen:

Adenin = 30,9%
Thymin = 29,4%
Guanin = 19,9%
Cytosin = 19,8%
Zusammenfassend könnte man sagen: A = T und G = C. Später entstand aus diesem Verhältnis die Chargaff-Regel.
Wettrennen um die DNA-Struktur
Nun waren schon viele Einzelheiten, meist den Aufbau und Zusammensetzung betreffend, über die DNA bekannt. In der nächsten Zeit, in den 1950er Jahren, schaukelten sich die Entschlüsselung der DNA und die Entdeckung der Doppelhelix zu einem Wettrennen zwischen verschiedenen Wissenschaftlern und Forschungsinstituten hinauf.
Material zur Entschlüsselung der Struktur brachten 1951 Röntgenstrukturanalysen der DNA von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins. Die Röntgenstrukturanalyse führt dazu, dass man die dreidimensionale Struktur von Molekülen errechnen kann. Bei der Durchführung einer solchen Analyse richtet man Röntgenstrahlen auf ein Kristall der zu untersuchenden Substanz. Klar ist, dass die Atome in Kristallen geordnet vorliegen und wenn Röntgenstrahlen auf sie treffen auch geordnet abgelenkt werden. Die erhaltenen gebeugten Strahlen treffen auf einen Fotofilm, auf dem sie schwarze Punkte hinterlassen. Anhand dieses entstandenen Beugungsmusters kann man die Errechnung von dreidimensionalen Molekülstrukturen vornehmen, denn sie bilden die Grundlage dafür.
Franklins Aufnahmen der DNA waren die besten ihrer Zeit mit der meisten Qualität. Anhand der Bilder konnte sie feststellen, dass an der Außenseite des Moleküls, das sogenannte Rückgrat, die Zucker- und Phosphatteile der DNA lagen. Außerdem musste die DNA, ausgehend von ihren Untersuchungen, die Form einer Helix haben und aus zwei, drei oder vier Spiralketten bestehen.
Nun entstand eine regelrechte Jagd nach der Entschlüsselung der DNA. Viele Wissenschaftler versuchten die Struktur zu entschlüsseln. Die Allgemeinheit war der Meinung, dass man diese Entschlüsselung am ehesten Linus Pauling, einem anerkannten Forscher auf diesem Gebiet, zutraute. Schon 1951 stellte Pauling sein Modell der Alpha-Helix-Struktur vor. Sein Fehler bestand darin, dass er annahm, dass es drei DNA-Fäden gäbe. Dieser Fehler klärte sich auf, als Rosalind Franklin unmittelbar nach der Veröffentlichung von Paulings Ergebnissen ihm eine begründete Analyse schickte, in der sie erklärte warum seine Theorie nicht stimmen kann.
1951 kommen zwei zu diesem Zeitpunkt unbekannte junge Wissenschaftler der Universität Cambridge ins Spiel. James Watson und Francis Crick erkannten, dass sich in diesen Gebiet eine Möglichkeit eröffnet wissenschaftlichen Ruhm zu erlangen. Sie waren sich allerdings bewusst, dass Ergebnisse und eine schnelle Veröffentlichung nötig sind um Pauling
zuvorzukommen.
Um dies zu erreichen bauten Watsons und Cricks Überlegungen auf den Forschungsergebnissen anderer Wissenschaftler auf. Die beiden verstanden sich darin, wissenschaftliche Ergebnisse miteinander zu verknüpfen.
Watson und Crick kannten sich beiden in Chemie nicht allzu gut aus. Watsons Anspruch war es, dass er „das Erbgut entschlüsseln [wolle] ohne dafür Chemie lernen zu müssen.“ Die Unwissenheit der beiden auf dem Gebiet der Chemie wurde auf peinliche Weise deutlich, als die beiden im Gespräch mit dem berühmten Chemiker Erwin Chargaff unpassende, naive Bemerkungen machten. Deshalb nannte Chargaff die jungen Forscher später „wissenschaftliche Clowns.”
Ende 1952 bekamen Watson und Crick DNA-Röntgenaufnahmen von Rosalind Franklin zu sehen und zwar durch Franklins Kollege Maurice Wilkins. Diese Weitereichung von Informationen geschah gegen den Willen von Franklin.
Als Watson und Crick Franklins Aufnahmen sahen, erkannten sie bald, dass es sich bei dem Molekül um eine Doppelhelix handeln muss. Mit dieser Erkenntnis gelang es den beiden ein Modell für die DNA und deren Molekularstruktur herzuleiten. Ihr Doppelhelix-Modell mit den Basenpaaren in der Mitte wurde am 25. April 1953 in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Ihr berühmter Artikel „Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid“ beschreibt nicht nur die Struktur der DNA, sondern gab auch Hinweise auf das was mit dem Erbmaterial passiert, wenn sich die Zelle teilt.
Für diese Leistung bekamen James Watson, Francis Crick und Maurice Wilkins 1962 den Nobelpreis für Medizin. Rosalind Franklins Röntgenbeugungsaufnahmen haben maßgeblich zur Entschlüsselung der DNA beigetragen, doch sie war zum Zeitpunkt der Nominierung bereits verstorben. Sie bekam keinen Nobelpreis.
2. Struktur der DNA
In folgendem Text möchte ich die Forschungsergebnisse, welche die DNA betreffen und die sich in einem knappen Jahrhundert zusammengetragen haben, zusammenfassen und die Struktur der DNA nochmals erläutern.
Die DNA ist ein Polymer, welches aus Nukleotiden zusammengesetzt ist. Jedes Nukleotid besteht aus einer Phosphatgruppe, dem Zucker Desoxyribose und einer von vier Basen (Nukleinbasen). Die vier Basen werden in die Familien der Pyrimidine und Purine unterteilt. Adenin und Guanin gehören zu den Purinbasen, während Cytosin und Thymin zu den Pyrimidinbasen gehören. Somit besteht die DNA aus nur vier unterschiedlichen informationstragenden Bausteinen. Wie schon oben beschrieben ordnen sich die Basen in einer bestimmen Weise an. Immer jeweils ein Pyrimidin und ein Purin bilden ein Basenpaar. Die Basenpaare sind immer mit einem Zucker, einer Pentose, verbunden. Diese Verbindung nennt man Nukleosid. Je nachdem welche Base mit dem Zucker verbunden ist, heißt die Verbindung Adenosin, Guanosin, Cytidin oder Thymidin.
Damit man ein Polymer erhält, müssen die Nukleotiden miteinander verbunden werden und dies geschieht über die Phosphatgruppe. In der Struktur wechseln sich Zucker und Phosphat immer ab und dadurch wird eine Kette gebildet. Diese Kette aus den Bausteinen der DNA wird als Primärstruktur bezeichnet.
Zusätzlich entsteht einen Polarität der DNA. Denn je nachdem ob eine Phosphatgruppe (5‘-Ende) oder eine OH-Gruppe eines Zuckers (3‘-Ende) den Abschluss der Kette bilden, enthält die DNA eine andere Richtung. Dadurch unterscheiden sich die Ketten.
Durch die Erkenntnisse, die durch die Primärstruktur der DNA gewonnen werden, weiß man, dass die beiden DNA-Ketten eine leiterähnliche Struktur bilden. Dabei sind die Holme die Zucker-Phosphatketten und die Sprossen bestehen aus den zwei Basen, die mit Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind. Der Abstand der beiden Ketten ist immer identisch. Die Struktur der „Leiter“ wird als Sekundärstruktur bezeichnet.
Es gibt eine unterschiedliche Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen und dadurch lässt sich nun auch erklären, warum die Basen komplementär sind, also nur als Adenin- und Thymin-Paarungen oder Guanin- und Cytosin-Paarungen auftreten. Wasserstoffbrückenbindungen können wegen der Basenstruktur nur ausgebildet werden, wenn die komplementären Stränge gegenläufig (= sich in ihrer Polarität unterscheiden) sind. Dadurch kann aufgrund der einen Basensequenz vorhergesagt werden, welche Sequenz die Basenpaarung des komplementären Strangs hat.
Durch z.B. Franklins Röntgenstrukturanalysen kann ermittelt werden, dass die DNA nicht nur aus einer „Leiter“ besteht. Die Stränge bilden eine Spirale, welche Doppelhelix genannt wird. Die Stränge verlaufen weiterhin parallel und die hydrophilen Zucker-Phosphat-Ketten bilden das „Rückgrat“, zeigen also nach außen. Die relativ hydrophoben Nukleinbasen richten sich nach innen aus.

3. Quellen

3.1 Abbildungen (passend zur Thematik):
Abbildung 1: http://www.astrochem.org/sci_img/dna.jpg (5.12.2013)
Abbildung 2: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/Gregor_Mendel_Monk.jpg (8.12.2013)
Abbildung 3: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Averyversuch.jpg (12.12.2013)
Abbildung 4: http://post.queensu.ca/~forsdyke/bioinfo2.htm (8.12.2013)
Abbildung 5: http://www.nkfu.com/maurice-wilkins-resimleri/ (8.12.2013)
Abbildung 6: http://osulibrary.oregonstate.edu/specialcollections/coll/pauling/dna/pictures/portrait-franklin-large.html (8.12.2013)
Abbildung 7: http://www.spiegel.de/fotostrecke/entdecker-der-doppelhelix-helden-der-forschung-fotostrecke-95841.html (8.12.2013)
Abbildung 8: http://lebbeuswoods.wordpress.com/2010/08/30/structure-of-life/ (8.12.2013)
Abbildung 9: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/bilder/dolhelix.gif (8.12.2013)
Abbildung 10: http://www.kindernetzwerk.de/images/glossar/Doppelhelix-DNA--2a.jpg (8.12.2013)

3.2 Bücher:
Krampf, M.; Mathias, E.; Philipp, Dr. E.; Starke, A., WPU Biologie Genetik, Schroedel Verlag, 2003; S.16
Junker, T., Geschichte der Biologie, C. H. Beck oHG, München 2004, S.94
Sonnleitner, V.; Rojacher, J., Elsevier GmbH, München, 2009, S.37
Bayrhuber, H.; Hauber, W.; Kull, U.; Linder Biologie, Westermann Schroedel Diesterweg, 2010; S.81
Sonnleitner, V.; Rojacher, J., Biologie, Elsevier GmbH, München, 2009; S.36

3.3 Internetseiten:

http://dna-struktur.de.tl/Die-Entdeckungsgeschichte.htm (7.12.2013)

http://www.news-medical.net/health/History-of-DNA-Research-%28German%29.aspx (29.10.13)
http://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribonukleins%C3%A4ure#Entdeckungsgeschichte (29.10.13)
http://www.biospektrum.de/blatt/d_bs_pdf&_id=973645 (5.12.2013)
http://www.berufskolleg-bonn-duisdorf.de/Projekte/projekte_gentechnik/images/DieGeschichtederGentechnik.pdf (5.12.2013)

http://de.wikipedia.org/wiki/Torbj%C3%B6rn_Caspersson (5.12.2013)

http://de.wikipedia.org/wiki/Polymer (5.12.2013)

http://de.wikipedia.org/wiki/Mendelsche_Regeln (5.12.2013)
http://de.wikipedia.org/wiki/Rosalind_Franklin#Die_Jagd_nach_der_Entschl.C3.BCsselung_der_DNA (6.12.2013)
http://www.chemie.de/lexikon/Desoxyribonukleins%C3%A4ure.html (7.12.2013)
http://dns.redaktion-und-wissen.de/geschichte.html (7.12.2013)
http://www.wdr.de/tv/quarks/sendungsbeitraege/2003/0325/003_erbsubstanz.jsp (7.12.2013)



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