Pflanzenleben

DNA in Pflanzen

DNA ist das erbliche oder genetische Material, das in allen Zellen vorhanden ist und Informationen für die Struktur und Funktion von Lebewesen enthält.Im Pflanzenreich ist DNA oder Desoxyribonukleinsäure in den membrangebundenen Zellstrukturen des Zellkerns, der Mitochondrien und der Chloroplasten enthalten. DNA hat mehrere Eigenschaften, die unter chemischen Molekülen einzigartig sind.
Es ist universell für alle lebenden Organismen, mit der gleichen Struktur und Funktion in jedem. Es ist in der Lage, sich in einem Prozess zu reproduzieren, der als Selbstreplikation bekannt ist. Diese Eigenschaft ermöglicht die Zellteilung und damit Kontinuität, Wachstum und Reparatur.

Es trägt in seiner Struktur den genetischen Code oder eine Reihe von Anweisungen für die zelluläre Entwicklung und Wartung. Schließlich unterliegt es Veränderungen in der chemischen Struktur, sowohl aus umweltbedingten als auch aus inneren Ursachen, die als Mutationen bezeichnet werden und zur Evolution, Vielfalt und Krankheit beitragen.
Chemische Struktur
DNA ist ein einfaches Molekül, bestehend aus vier Nukleotiden. Jedes Nukleotid hat einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen (Desoxyribose), ein Phosphat und eine von vier möglichen stickstoffhaltigen Basen: die Doppelring-Purine von Adenin (A) und Guanin (G) und die Einzelring-Pyrimidine von Thymin (T) und Cytosin (C). Die meisten Eigenschaften der DNA beziehen sich auf die einzigartigen Bindungen, die sich zwischen den Nukleotiden bilden: Die Zuckerphosphatkomponenten richten sich linear aus, während die Stickstoffringe senkrecht binden.

Chemische Struktur

Die Stickstoffringe binden weiter auf eine sehr spezifische Weise: A paart sich immer mit T und Galways paart sich mit C. Das Dnamolekül erscheint somit als Leiter, wobei die Seiten Zucker-Phosphat sind; die Sprossen, die A-T- und G-C-Paare.
Weitere Bindung und Faltung erzeugt eine Struktur wie eine Spiralleiter geformt, als Doppelhelix bekannt. Diese Doppelhelix ist kompakt in seilartige Strukturen, sogenannte Chromosomen, verpackt, die vor und während der Zellteilung unter dem Lichtmikroskop sichtbar sind. Während des täglichen Lebens der Zelle erscheint die DNA als eine ununterscheidbare dunkle Masse namens Chromatin (ein inklusiver Begriff, der sich auf DNA und die Proteine bezieht, die daran binden und sich in den Kernen eukaryotischer Zellen befinden).
Das Watson- und Crick-Modell
Mitte der 1800er Jahre postulierte Gregor Mendel, ein österreichischer Mönch, dass genetisches Material existierte. Er entdeckte die Gesetze der Vererbung anhand der Erbse und anderer Pflanzen in seinem Garten, um die Vererbung von Merkmalen wie der Blütenfarbe zu untersuchen.

Fast siebzig Jahre vergingen, bis die Wissenschaftler James Watson und Francis Crick 1953 die Doppelhelix als das plausibelste Modell für jede der einzigartigen Eigenschaften des Moleküls vorschlugen. Ihr Modell wurde bald darauf durch Röntgenbeugungstechniken verifiziert.Mehrere Forscher, die an der Columbia University und anderswo in den Vereinigten Staaten arbeiteten, hatten vor Watson und Crick den Weg geebnet, indem sie die chemische Zusammensetzung dieses genetischen Materials und die stickstoffhaltige Basenpaarung entdeckten: Die Menge an Adenin entsprach immer der von Thymin und wie-weise mit Guanin und Cytosin. Das Watson- und Crick-Modell schlug auch vor, dass die beiden Seiten oder Stränge der DNA in entgegengesetzte Richtungen verlaufen: Das heißt, der Phosphatzucker einer Seite zeigt nach oben, während der andere Strang nach unten zeigt.
Diese Eigenschaft wird als antiparallele Bindung bezeichnet. Das Watson- und Crick-Modell könnte leicht erklären, wie sich DNA während der Zellteilung repliziert und wie genetische Informationen in ihrer Struktur kodiert werden.
Selbstreplikation
Die Selbstreplikation, die die Kontinuität von Generationen und das Wachstum und die Reparatur einzelner Organismen ermöglicht, erfolgt während der Zellteilung. DNA muss in der Lage sein, exakte Kopien von sich selbst herzustellen. Das Molekül ist dafür einzigartig konzipiert: Eine Reihe von enzymvermittelten Schritten ermöglicht es der Doppelhelix, sich wie ein Reißverschluss abzuwickeln oder zu entpacken und die beiden Stränge zu trennen.Als nächstes gelangen Nukleotide aus verdauter Nahrung zuerst in die Zelle und dann in den Zellkern. Sie binden an ein entsprechendes Nukleotid: A mit T und G mit C. Der Prozess wird fortgesetzt, bis sich zwei neue doppelsträngige DNA-Moleküle gebildet haben, von denen jedes eine Kopie des anderen ist und die jeweils in die neuen Zellen gelangen, die sich aus der Zellteilung ergeben haben.
Proteinsynthese
Die in der DNA kodierte Information ermöglicht die gesamte Entwicklung und Erhaltung der Zelle und des Organismus. Die Sprache dieses Codes liegt in einem linearen Lesen benachbarter Nukleotide auf jedem Strang. Alle drei Nukleotide spezifizieren oder passen zu einer bestimmten Aminosäure, den einzelnen Einheiten von Proteinen. Ein zweites Molekül, Ribonukleinsäure (RNA), kopiert die molekulare Struktur der DNA und bringt die Informationen außerhalb des Zellkerns in das umgebende Zytoplasma der Zelle, wo die Aminosäuren in einer bestimmten Reihenfolge zu einem Protein zusammengesetzt werden.Post-Production-Modifikationen dieser Proteine, wie die Zugabe von Zuckern, Fetten oder Metallen, ermöglichen eine Vielzahl von funktionellen und strukturellen Vielfalt. Pflanzen-DNA kodiert für eine Vielzahl von Substanzen, die für Pflanzen einzigartig sind. Diese Produkte erhalten nicht nur die Pflanzen selbst, sondern auch ganze ökologische Nischen sowie die Menschheit.
Mitochondriale und chloroplastische DNA
Ein zweiter, unabhängig funktionierender DNA-Satz existiert in zwei Organellen außerhalb des Zellkerns, den Mitochondrien und dem Chloroplasten. In den Mitochondrien, den Energiequellen der Zellen, werden Kohlenhydrate, Fette und Proteine unter Freisetzung gespeicherter chemischer Bindungsenergie in Form von Wärme (Kalorien) in ihre Rohelemente zerlegt.Die zweite Region, in der sich die DNA außerhalb des Zellkerns befindet, befindet sich im Chloroplasten, einer Struktur, die für Pflanzenzellen einzigartig ist. In Chloroplasten findet die Photosynthese statt, bei der Pflanzen Kohlendioxid, Wasser und Sonnenenergie unter Freisetzung von Sauerstoff in Zucker und später in Fette und Proteine umwandeln können. Dieser kritische Prozess, der von Pflanzen durchgeführt wird, erhält das meiste Leben auf der Erde.
Sowohl mitochondriale als auch chloroplastische DNA replizieren sich während der Zellteilung getrennt von der Kern-DNA. Es wird postuliert, dass diese Organellen vor Milliarden von Jahren unabhängig voneinander lebende Organismen gewesen sein könnten, die in andere Zellen eingebaut wurden, um die eukaryotischen Zellen zu bilden, aus denen nichtbakterielle Lebensformen wie Pilze, Protisten, Pflanzen und Tiere bestehen.
Pflanzenproteine
Eine große Anzahl von Proteinen, die für Pflanzen einzigartig sind, sind auf pflanzlicher DNA kodiert. Eine Gruppe, die viel Aufmerksamkeit erhalten hat, sind die sogenannten Phytochemikalien, Substanzen mit starken gesundheitlichen Vorteilen. Gut studierte Klassen sind wenige, einschließlich der Flavonoide, Phytosterole, Carotinoide, Indole, Cumarine, organosulfurs, Terpene, Saponine, Lignane und Isothiocyanate. Jede Gruppe enthält spezifische Proteine, die sowohl Antioxidantien als auch Antikarzinogene sind und tierische Zellen vor krebserregenden Substanzen schützen. Die Carotinoide wie Beta-Carotin, die in orangefarbenen und gelben Früchten und Gemüse vorkommen, und Lycopene, die in Tomaten vorkommen, scheinen Tiere vor Herzkrankheiten und Schlaganfällen sowie Krebs zu schützen.
Die Phytosterole, wie sie in Sojabohnen vorkommen, sind östrogenähnliche Verbindungen, die weibliche Hormone nachahmen. Diese scheinen weibliche Organe vor Krebs zu schützen und scheinen auch den Cholesterinspiegel zu senken.
Pflanzenhormone
Große Teile der Pflanzen-DNA widmen sich der Kodierung spezialisierter Pflanzenhormone. Hormone sind Substanzen, die von einer Gruppe von Zellen produziert werden, an eine andere Stelle zirkulieren und die DNA der Zielzellen beeinflussen. In Pflanzen steuern diese Hormone Zellteilung, Wachstum und Differenzierung.
Es gibt fünf gut beschriebene Klassen von Pflanzenhormonen: die Auxine, Gibberelline, Cytokinine, Ethylen und Abscisinsäure. Zu den Funktionen der Auxine gehört der Phototropismus, die Eigenschaft, die Pflanzen dazu bringt, sich dem Licht zuzuwenden.
Auxine werden in den Wurzeln produziert und wandern zu den Stängeln, wodurch sich die Zellen auf der dunklen Seite des Pflanzengewebes verlängern. Ethylen ist eine gasförmige Substanz, die Früchte reift und sie aus der Pflanze fallen lässt. Abscisinsäure trägt zur Alterung und zum Abfallen der Blätter bei.
Gentechnisch veränderte Pflanzen
Da Pflanzen leicht zu manipulieren sind, steht die Pflanzen-DNA nach der bakteriellen DNA an zweiter Stelle als primäres experimentelles Subjekt für Bioingenieure. Die direkte Modifikation der DNA durch Hinzufügen oder Entfernen eines bestimmten Segments von Genen, die für bestimmte Merkmale kodieren, steht im Mittelpunkt des Bioingenieurwesens und der Biotechnologie. Da Pflanzen die Hauptnahrungsquelle für Menschen und Nutztiere darstellen, wurden gentechnisch veränderte Lebensmittel entwickelt, die Insekten, Bakterien, Viren und anderen Schädlingen widerstehen und den Bedarf an externen Pestiziden verringern.Gentechnisch veränderte Pflanzenkulturen wurden entwickelt, um eine Vielzahl von Eigenschaften zu verbessern, von gut aussehend und schmeckend über schneller wachsend oder langsamer reifend bis hin zu samenfrei. Die Einführung von Genen aus anderen Königreichen, wie dem Tierreich, in die Pflanzen-DNA ermöglicht es Wissenschaftlern, zukünftige Kulturen zu entwickeln, die menschliche Impfstoffe, menschliche Hormone und andere pharmazeutische Produkte enthalten können. Eine Tomate war das erste staatlich zugelassene biotechnologische Lebensmittel, das in den Vereinigten Staaten verkauft wurde. Heute sind Dutzende von Produkten und Viehfutter in irgendeiner Weise gentechnisch verändert.