Molekularbiologie

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Einleitung

Molekularbiologie, Wissenschaftsgebiet, das sich mit den molekularen Grundlagen des Lebens beschäftigt. Insbesondere versucht man in der Molekularbiologie, die Zusammenhänge zwischen der Struktur biologisch wichtiger Moleküle und ihrer Funktion in lebenden Zellen oder Organismen aufzuklären.

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Die Struktur der DNA

Den Grundstein für die Molekularbiologie legten Francis Crick und James Watson, die 1953 die Struktur der DNA (Desoxyribonucleinsäure) aufklärten. Diese Entdeckung war nicht nur deshalb von Bedeutung, weil die Moleküle der DNA die Erbinformation von einer Generation zur nächsten weitergeben (siehe Genetik), sondern auch weil ihre Struktur sofort erkennen ließ, wie sie diese Leistung vollbringt. Die DNA-Moleküle haben die Form einer Doppelhelix, in der zwei spiralförmige Stränge umeinander gewunden sind und durch Bindungen zwischen den Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) zusammengehalten werden. Dabei paart ein A im einen Strang sich immer mit T im anderen, und G verbindet sich immer mit C. Wenn die DNA sich verdoppelt, trennen sich die Stränge, und die Information wird genau kopiert: Gegenüber eines jeden T eines alten Stranges wird im neuen ein A eingebaut, ein G paart sich mit einem C und so weiter. Auf diese Weise wird die Erbinformation, in der die Eigenschaften der Zelle und des ganzen Organismus gespeichert sind, bei der Zellteilung auf die Tochterzellen und bei der Fortpflanzung auf die Nachkommen weitergegeben.

2.1

DNA macht RNA, und RNA macht Protein

Nachdem man nun wusste, wie die Erbinformation in der DNA sich genau verdoppelt, stellte sich als Nächstes die Frage, wie diese Information die Abläufe in der Zelle lenkt. Ein wichtiger Schritt zu ihrer Beantwortung war die Erkenntnis, dass die DNA in einem Vorgang namens Transkription in ein einzelsträngiges Molekül der Ribonucleinsäure (RNA) umgeschrieben wird, die chemisch sehr eng mit der DNA verwandt ist. Die Information wird dabei wie bei der DNA-Verdoppelung durch Basenpaarung genau kopiert. Nach weiteren chemischen Veränderungen wandert die so entstandene Boten- oder Messenger-RNA (mRNA) zu den Ribosomen, kleinen Körperchen in den Zellen, wo die Information in Protein „übersetzt” wird. Dieser Vorgang, Translation genannt, wird durch den genetischen Code gesteuert: Jede Basen-Dreiergruppe (Triplett) sorgt für den Einbau einer ganz bestimmten Aminosäure in die Proteinkette: Bei ACC wird Threonin angefügt, bei CCC Prolin usw. Die genetische Information in der linearen Abfolge (Sequenz) der DNA-Basen steuert also die Entstehung einer ebenfalls linearen Sequenz von Aminosäuren im Protein. Genetische Veränderungen der Basen in der DNA führen demnach zu Abwandlungen des zugehörigen Proteins. Tritt beispielsweise in dem ACC-Triplett ein C an die Stelle des A, wird nicht mehr Threonin, sondern Prolin in das Protein eingebaut. Und da die einzelnen Proteine ganz bestimmte biologische Wirkungen haben, führen Veränderungen, die diese Funktion beeinflussen, auch zu Abwandlungen in Aussehen oder Funktion eines Lebewesens. Deshalb kann man Unterschiede im Informationsgehalt der DNA als Erbunterschiede zwischen den Lebewesen beobachten; sie können beispielsweise die Augenfarbe oder auch das Auftreten genetisch bedingter Krankheiten wie der Hämophilie beeinflussen. Die Erkenntnis, dass DNA die RNA entstehen lässt, die ihrerseits für die Bildung der Proteine sorgt, wurde als „zentrales Dogma der Molekularbiologie” bezeichnet. Der deutsche Zell- und Molekularbiologe Günter Blobel, Mitarbeiter der Rockefeller University in New York, fand heraus, wie Proteine am richtigen Ort in der Zelle eingesetzt werden: Neugebildete Proteine erhalten von den Ribosomen so genannte Signalpeptide, die sie an den Einsatzort dirigieren. Blobel erhielt 1999 für seine Entdeckung den Nobelpreis für Medizin.

2.2

Klonierung und Hybridisierung

Die bisher beschriebenen wichtigen Entdeckungen machte man in den fünfziger und sechziger Jahren. Der große Aufschwung der Molekularbiologie begann aber erst nach 1970 mit der Entwicklung von Methoden zur Genklonierung, mit denen man gezielt einzelne DNA-Abschnitte in großen Mengen und getrennt von allen anderen Sequenzen im Genom eines Lebewesens isolieren konnte. Nun konnte man solche DNA-Fragmente (die vielleicht ein bestimmtes Gen beinhalteten) genauer charakterisieren. Gleichzeitig entwickelte man auch Hybridisierungsverfahren, bei denen man ein kloniertes DNA-Fragment radioaktiv markiert und dann einzelsträngig macht. Ein solches Molekül kann man als Sonde benutzen: Es bindet durch Basenpaarung an jede DNA oder RNA, welche die entsprechende lineare Abfolge der vier Basen enthält. Deshalb kann man mit dieser Methode die Struktur eines Gens untersuchen: Man lässt eine Sonde, die von demselben Gen stammt, mit DNA-Fragmenten hybridisieren, die nach der Größe getrennt und auf einem Filter „befestigt” wurden. Das ganze Verfahren wird nach seinem Erfinder Ed Southern als Southern Blotting bezeichnet. Beim Northern Blotting, einem ganz ähnlichen Verfahren, lässt man die fragliche DNA mit RNA hybridisieren, die man aus verschiedenen Geweben isoliert hat; damit weist man die zu dem Gen gehörige RNA nach, die man nun in den einzelnen Geweben quantitativ erfassen kann. Mit beiden Methoden konnte man viele neue Erkenntnisse über Struktur und Expression der Gene gewinnen.