Die international übliche Abkürzung für die englische Bezeichnung deoxyribonucleic acid ist DNA. Diese setzt sich zusammen aus „de-oxy“ (ohne Sauerstoff), „ribo“ (Zuckerart Ribose) und „nucleic acid“ (Nukleinsäure). Der im deutschsprachigen Raum früher gebräuchliche Begriff DNS (Desoxyribonukleinsäure) wird heute kaum mehr verwendet, um eine Verwechslung mit dem Domain Name System (ebenfalls DNS) des Internets zu vermeiden. 

Entschlüsselung der DNA

Die Struktur der DNA wurde im Jahre 1953 von den Biologen James Watson (1928-2025) und Francis Crick (1916-2004) aufgeklärt. Sie erhielten dafür im Jahre 1962 gemeinsam mit Maurice Wilkins (1916-2004) den Nobelpreis für Medizin.

Die erste Entschlüsselung der menschlichen DNA erfolgte im Rahmen des Human Genome Project (HGP) 1990 bis 2003. Eine vollständig lückenlose Sequenz liegt jedoch erst seit 2022 vor, nachdem zuvor schwer zugängliche Bereiche wie Zentromere und Telomere mithilfe neuer Technologien entschlüsselt werden konnten.

Mensch & Weinrebe

Die DNA des Menschen stimmt zu etwa 98 bis 99% mit der des Schimpansen und zu rund 99,9% mit der anderer Menschen überein. Der genetische Unterschied zwischen Schimpanse und Orang-Utan ist größer als der zwischen Schimpanse und Mensch. Ein Europäer und ein Schwarzafrikaner können sich genetisch ähnlicher sein als zwei Europäer (z. B. ein Sizilianer und ein Norweger). Die Hautfarbe ist nur ein unwesentliches Detail. Deshalb ist der in der Wissenschaft nicht mehr relevante Begriff „Rasse“ obsolet. Das gilt auch für die Beerenfarbe von Rebsorten, die kein Artenmerkmal darstellt. Pinot Noir, Pinot Gris und Pinot Blanc sind genau genommen eine Sorte (siehe unter Pinot). 

Etwa die Hälfte der Gene des menschlichen Genoms (siehe dann weiter unten) besitzt funktionale Entsprechungen in Tieren und auch in Pflanzen, wobei die entsprechenden DNA-Sequenzen nicht identisch sind. Viele grundlegende Zellprozesse wie Stoffwechsel, Zellteilung, DNA-Reparatur und Proteinbiosynthese sind bei Mensch, Tier und Pflanze sehr ähnlich. Die Prozentangaben in der Graphik beruhen auf Vergleichen ausgewählter DNA-Marker; Ähnlichkeit bedeutet jedoch nicht, identisch zu sein. Bei Pflanzen ist der Anteil funktionell ähnlicher Gene gemeint.

Aufbau der DNA

Die DNA besteht aus drei chemischen Grundbausteinen. Das sind Desoxyribose (ein Derivat der aus fünf Kohlenstoffatomen bestehenden Zuckerart Ribose), Phosphorsäure und vier organische Basen, die gemeinsam die Nukleinsäure bilden. Sie ist ein Kettenmolekül, das in den Zellkernen aller pflanzlichen, pilzlichen und tierischen Organismen einschließlich des Menschen vorkommt. Sie dient als Träger der Erbinformation sozusagen als Bauplan zur Steuerung und Aufrechterhaltung sämtlicher biologischer Lebensvorgänge und wird von den Eltern vererbt.

Umfang & Speicherort

Die Länge der DNA beträgt knapp zwei Meter. Dabei handelt es sich jedoch nicht um einen einzigen durchgehenden Strang, denn die DNA ist in einzelne, klar abgegrenzte Chromosomen unterteilt. Da ein Mensch aus rund 100 Billionen Zellen besteht, ergibt das eine Gesamtlänge der darin enthaltenen DNA von etwa 150 Milliarden km. Das entspricht rund tausend Mal der Entfernung von der Erde zur Sonne mit 150 Millionen km. In jeder einzelnen Zelle befindet sich im Zellkern die gesamte DNA. Bei Pflanzen ist der Zellkern in der untenstehenden Graphik als Nr. 5 dargestellt.

Doppel-Helix

Die einzelnen DNA-Abschnitte sind in einer schraubig verdrehten Form aufgebaut, die auch Doppelhelix (hélix = Windung) genannt wird. Man kann sich das als eine extrem lange, dünne Strickleiter vorstellen. Diese Struktur bildet in spiraliger und stark verdichteter Form die Grundlage aller Chromosomen, in denen die Erbinformationen gespeichert sind. Die Graphik zeigt einen sehr kleinen Abschnitt eines DNA-Stranges mit relativ wenigen Genen.

Basenpaare

Die zwei Seiten oder Stangen der Leiter (Stränge) bestehen aus Phosphat- und Zuckermolekülen (Desoxyribose), an denen die vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin angeheftet sind. Je zwei gegenüberliegende werden als Basenpaare bezeichnet. Ein Basenpaar ist die kleinste Informationseinheit der DNA. Die Verbindung der Paare ist die „Sprosse“ der Leiter, wobei es nur zwei verschiedene Paare gibt, die wie Schlüssel und Schloss zusammenpassen: A und T bilden das eine, sowie C und G das andere Paar. Wenn auf dem einen Strang die Moleküle einen DNA-Abschnitt „TAACGCCCTTA“ ergeben, dann ergibt dies auf dem gegenüberliegenden Strang die Folge „ATTGCGGGAAT“.

Die „DNA-Leiter“ wird auch als „Gen-Alphabet“ bezeichnet, wobei die Reihenfolge der Basenpaare eine wichtige Rolle spielt. Der Genetische Code wird von der Zelle gelesen (entschlüsselt) und auf Grund der enthaltenen Informationen die Eiweißstoffe (Proteine) aufgebaut. Die Proteine bestehen aus Aminosäuren, die in einer genau festgelegten Reihenfolge miteinander verknüpft werden. Die einzelnen Proteine haben jeweils bestimmte Aufgaben. Die Abfolge der Basenpaare gibt vor, wie sich Proteine zusammensetzen und wie der Organismus in all seinen Details beschaffen ist.

Nukleotide

Eine Phosphatgruppe und eine Zucker-Einheit bilden das Rückgrat eines Moleküls (Teil des blauen Bandes). Gemeinsam mit einer Base bilden diese ein Nukleotid (rote Ellipsen). Viele solcher Nukleotide verknüpfen sich zu einem Makromolekül der DNA. Neben ihrer Aufgabe als Informationsspeicher können die als „Schlüsselmoleküle des Lebens“ geltenden Nukleinsäuren auch als Signalüberträger dienen oder biochemische Reaktionen katalysieren (in Gang setzen).

Gene

Ein Gen ist der allgemeine Begriff für einen winzigen Abschnitt der DNA-Kette. Jedes ist alleine (monogen) oder in Kombination mit anderen (polygen) für bestimmte Funktionen in einem Organismus verantwortlich. Das sind  zum Beispiel Augenfarbe, Blutgruppe oder charakterliche Eigenschaften beim Menschen sowie Blütenbildung, Beerenfarbe, Wuchshöhe, Blattform oder Reifezeitpunkt bei der Weinrebe.

Neben der genetischen Ausstattung spielt auch die Umwelt beim Heranwachsen eines Organismus eine wichtige Rolle. Es ist nicht eindeutig geklärt, ob die Genetik oder Umweltfaktoren den größeren Einfluss haben. In den meisten Fällen besteht eine Wechselwirkung - mal überwiegt das eine, mal das andere, je nach Kontext und Entwicklungsphase.

RNA & mRNA

Ein Gen enthält die Information zur Bildung einer RNA (Ribonucleic Acid = Ribonukleinsäure) durch den Prozess der Transkription (lat. transcribere = umschreiben). Dabei wird ein einzelnes Gen aus der DNA abgeschrieben, damit die Zelle damit arbeiten kann. Dabei entsteht eine mRNA (messenger-RNA). Das ist eine Art Kopie des Gens, die den Zellkern verlassen und zur Eiweißfabrik der Zelle wandern kann. Dort wird dann nach diesem Bauplan ein Protein hergestellt. Im Gegensatz zur DNA liegt die RNA nicht als Doppelhelix, sondern nur als einzelner Strang vor. Sie enthält die Zuckerart Ribose statt Desoxyribose und die Base Uracil anstelle von Thymin (Nukleinbasen).

Die Aufgabe der RNA ist es, die in der DNA gespeicherte Information gewissermaßen „abzulesen“ und sie anschließend innerhalb der Zelle zu verschiedenen Orten zu transportieren. Eine wesentliche Funktion der RNA in der Zelle ist die Umsetzung von genetischer Information in Proteine (Eiweißstoffe). Beim Bau eines Hauses könnte man den Bauplan als DNA und die danach arbeitenden Handwerker als RNA bezeichnen. Der Mensch besitzt etwa 25.500 Gene, der Wasserfloh hingegen 30.000 und der westafrikanische Lungenfisch sogar 40.000. Es kommt also nicht auf die Anzahl der Gene an, sondern auf ihre Regulation, Verschaltung und die Wechselwirkungen zwischen ihnen.

Allel

Ein Allel (Genvariante) ist der Begriff für eine spezifische Variante eines Gens (kleiner DNA-Abschnitt), die an einem bestimmten Genlokus (Platz) eines Chromosoms zu finden ist. Allele sind für viele genetische Merkmale verantwortlich, etwa für die Ausprägung von Farbe, Wuchs, Blattform, Reifezeit oder Krankheitsresistenz. Viele sogenannte Biomarker beruhen auf solchen Allelunterschieden. Allele können identisch = homozygot oder unterschiedlich = heterozygot sein. Bei...