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GENETIK

Anwendung der Gentechnik in der Kriminalistik (2)

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DNA und Zellsteuerung

Die Steuerung der Vorgänge in einer Zelle

Proteine (Eiweiße, Polypeptide) werden aus Aminosäuren aufgebaut. Die Natur verwendet zum Aufbau der Proteine insgesamt zwanzig Aminosäuren, die in verschiedener Zahl und Reihenfolge aneinandergereiht werden. Aus welchen und wie vielen Aminosäuren ein Protein aufgebaut ist, bestimmt ein Gen.

In einer Zelle spielen sich in jeder Minute des Lebens Tausende von biochemischen Prozessen ab: Stoffe werden chemisch umgewandelt, Substanzen werden transportiert, am Zellskelett wird gebaut, Erbsubstanz wird verdoppelt etc.; all das kann nur mit Hilfe von Eiweißen ablaufen.

Die Eiweißbildung (Proteinsynthese) beginnt damit, dass ein "Kopier-Enzym" (ein Enzym ist ein Protein, das eine Aufgabe ausführt ohne dabei selber verändert zu werden), auch Polymerase genannt, die Botschaft des Gens in eine "Abklatsch-Kopie" überträgt, man nennt diesen Vorgang Transkription. Diese Kopie nun ist die einsträngige Ribonukleinsäure (RNA, RNS), welche die Anweisung des Gens als Bote in die Eiweiß - Synthesemaschine, das Ribosom ("Eiweißproduktionsstätte") bringt.

Nach ihrer Botenfunktion heißt diese Ribonukleinsäure "messenger - RNA", kurz m-RNA. Die RNA hat einen ähnlichen Aufbau wie die DNA, nur ist in der RNA die Nukleobase Thymin der DNA in Uracil ausgetauscht, außerdem ist die RNA im Gegensatz zur DNA einsträngig.

Am Ribosom findet dann die Translation statt, d.h. die "Übersetzung" der genetischen Information in Proteine, indem das Ribosom "Buchstabe für Buchstabe" die chemische Botschaft von der m-RNA "abliest". Jeweils drei von den abgelesenen RNA-Basen, Codon genannt, signalisieren den Einbau einer bestimmten Aminosäure. Nun stellt sich die Frage, woher diese Aminosäuren stammen. Sie werden herangeschafft, und zwar von der dafür spezialisierten transfer-RNA (t-RNA). Wenn die Proteinsynthese beendet ist, das Ende genauso wie der Anfang werden von einem Codon signalisiert, ist ein Kettenmolekül aus oft vielen hundert Aminosäuren entstanden. Die Bindungskräfte zwischen den Aminosäuren falten diese Aminosäurekette zu einem dreidimensionalen Körper: ein funktionsfähiges Eiweißmolekül, ein Protein, ist fertig.

Wie "weiß" ein Gen, wann es aktiv werden muss, um ein Protein synthetisieren (bilden) zu lassen? Allein um das Überleben der Zelle zu gewährleisten, gehen sehr viele Prozesse vor sich. Die meisten Zellen haben aber noch dazu bestimmte Aufgaben innerhalb des Organismus, zum Beispiel die Produktion eines Hormons oder mechanische Arbeit (in Muskelzellen). Diese Arbeiten müssen nun ebenso exakt koordiniert werden, wie die für das Überleben der Zelle notwendigen Prozesse. Deshalb ist eine absolute Kontrolle über alle Vorgänge erforderlich. Die Zelle erreicht dies durch das gezielte Ein- und Ausschalten von Genen, die so genannte Kontrolle der Genexpression. Fast alle Zellen spezialisieren sich im Verlauf ihres Lebens. Bei dieser Spezialisierung werden viele Gene, die von einer bestimmten Zelle für ihr Überleben nicht gebraucht werden, inaktiviert. Die Gene, die die Zelle aber öfters benötigt, die also oft aktiv sind, werden von Enzymen, man bezeichnet sie dann als Transkriptionsfaktoren, "kontrolliert". Wird nun ein Protein gebraucht, machen sich diese Transkriptionsfaktoren an die Arbeit, das entsprechende Gen zu aktivieren; indem sie sich an bestimmten Stellen, sog. Kontrollregionen, an die DNA binden und so das Gen "erwecken".

Struktur der DNA:Modell einer DNA

Die DNA ist eine "Nukleinsäure", weil sie im Zellkern vorkommt.
Nukleinsäuren sind fadenförmige Polymere, die aus einem Zucker-Phosphat-Rückgrat und daran gebundenen Stickstoffbasen bestehen. Ein Monomer, bestehend aus einem Zucker, einem Phosphorsäurerest und einer Stickstoffbase wird als "Base" bezeichnet.
Die DNA ist ein Molekül, das von sich selbst eine Kopie anfertigen kann.
Die DNA ist die Trägerin der Erbinformation.

Liegen die Nukleinsäuren als Doppelstrang vor, so ergeben zwei gegenüberliegende Monomere ein Basenpaar. Ein DNA-Molekül mit einer Länge von 1000 Basen ist dann eine Kilobase (kb) Nukleinsäuren. DNA und RNA sind unter physiologischen Bedingungen negativ geladen. Extrem hohe pH-Werte (basisches Milieu) spalten das Rückgrat der Nukleinsäuren. Ihre Ladung wird durch die Phosphorsäurereste des Rückgrats geprägt, wobei jeder Rest eine negative Ladung trägt.

Die DNA liegt im Zellkern jeder Zelle in Form einer Doppelhelix (Wendeltreppe) vor. Diese Doppelhelix hat eine Länge von ca. 1,40 Meter pro Zelle. Auf der DNA liegen etwa 100.000 Gene.

Auf der DNA befindet sich eine Abfolge von insgesamt etwa 3 Milliarden che-mischer Bausteine. In ihnen ist der genetische Bauplan festgelegt. Es handelt sich dabei um die Basen:
ADENOSIN (A) - THYMIN (T) sowie
GUANIN (G) - CYTOSIN (C)

A und T sowie C und G stehen sich immer gegenüber, die beiden DNA-Stränge sind also komplementär. Die Anzahl der Blöcke unterscheidet sich von Mensch zu Mensch. Sie sind hochvariabel. Jeder Mensch hat daher eine einzigartige Abfolge von Bausteinen auf seinem Doppelstrang (ausgenommen Zwillinge).

Untersucht werden im DNA-Verfahren 3 bis 5 solcher Blöcke (genetische Merkmale), die jeweils an einer bestimmten Region des DNA-Stranges lokalisiert sind.

Zerschneiden des DNA-Stranges:

Zunächst muss der DNA-Strang in kleine Teile zerschnitten werden, was mit einem Restriktionsenzym geschieht. Die eigentlichen DNA-Blöcke werden nicht zerschnitten. Es entstehen Millionen verschieden langer DNA-Stücke. Restriktionsenzyme schneiden die DNA an ganz bestimmten Stellen.

Ordnung der verschiedenen Längen mit Hilfe der Elektrophorese:

Das "Gewirr" verschieden langer Stücke wird mittels Elektrophorese geordnet. Sie werden in ein Gel eingebracht und einem elektrischen Feld ausgesetzt. Da die DNA-Stücke negativ geladen sind, wandern sie zum positiven Pol des Kraft-feldes. Kleinere Fragmente wandern schneller und weiter, größere Fragmente langsamer und weniger weit. Nach Beendigung der Elektrophorese liegen die Fragmente der Größe nach geordnet im Gel vor.

Übertragung auf Nylonmembran:

Der nächste Arbeitsvorgang besteht in der Trennung der doppelsträngigen DNA-Helix in ihre beiden zueinander komplementären Bausteine durch einen chemischen Vorgang. Die DNA wird vom Gel auf eine Nylonmembran übertragen und dort fixiert.

Hybridisierung:

Als Hybridisierung wird jener Vorgang bezeichnet, bei dem zwei komplementäre DNA-Fragmente zusammenfinden und sich fest aneinander binden. Um die verschieden langen Blöcke bei jedem Individuum identifizieren zu können, werden radioaktiv markierte DNA-Sonden eingesetzt.

Eine DNA-Sonde ist ein kleines, synthetisiertes DNA-Stück, das eine ganz spezifische Abfolge von Bausteinen aufweist. Diese sind genau komplementär zu den Bausteinen, welche in den Blöcken vorhanden sind.

Die verwendeten DNA-Sonden werden als Single-Locus Sonden bezeichnet, da sich jede Sonde hochspezifisch nur an ein einziges, genau definiertes Merkmal auf dem DNA-Strang bindet. Besitzt zum Beispiel die Sonde TTCT wird sie nur an ein DNA-Stück binden, das die Sequenz AAGA aufweist.

Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, wird die überschüssige DNA-Sonde von der Membran abgewaschen.

Exposition:

Anschließend wird die Membran auf einen Röntgenfilm aufgelegt. Durch den Zerfall der radioaktiven Sonden kommt es zu einer Schwärzung des Röntgenbildes. Es wird auf diese Weise die Position der DNA-Fragmente, die abhängig von der Fragmentlänge ist, auf einem Röntgenfilm sichtbar gemacht.

Die Auswertung der Bandenposition erfolgt computergestützt.

DNA-Polymorphismus/Bandenmuster:

Bei der Zeugung erhält jeder Mensch die Hälfte der DNA von der Mutter und die andere Hälfte vom Vater. Wir alle besitzen daher 2 Kopien jedes DNA-Stückes, je ein Stück vom Vater und von der Mutter.

Diese beiden DNA-Stücke sind meist unterschiedlich lang. Sie wandern daher im Röntgenbild an zwei unterschiedliche Positionen und stellen sich als zwei Banden dar.

 

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