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Bau der DNA

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • dass DNA die Abkürzung für "Deoxyribonucleic acid" ist,
  • dass die DNA aus zwei Einzelsträngen besteht, die sich umeinander winden, und dass man diese Anordnung als "Doppelhelix" bezeichnet.
  • wie jeder Einzelstrang chemisch aufgebaut ist, nämlich aus den drei Bausteinen Desoxyribose, Phosphorsäure und einer von vier DNA-Basen,
  • wie die Strukturformeln von Phosphorsäure und Desoxyribose (ungefähr) aussehen,
  • wie die vier DNA-Basen ungefähr aufgebaut sind
  • was man unter dem 3'-Ende und dem 5'-Ende der Einzelstränge versteht,
  • wie das Prinzip der Basenpaarung funktioniert,
  • dass zwischen A und T zwei H-Brücken existieren, zwischen G und C dagegen drei,
  • welche Bedeutung die Basenpaarung für den Aufbau der DNA hat.

Diese Lernziele beziehen sich auch auf die Folgeseiten "DNA-Basen" und "Basenpaarung".

Die DNA-Doppelhelix

Animation der DNA-Doppelhelix

Quelle: Wikipedia, Artikel "Desoxyribonucleinsäure"
This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.
Author: Zephyris.

Diese Animation aus der Wikipedia zeigt sehr schön den Bau der DNA-Doppelhelix. Eine Doppelhelix kann man sich auch leicht selbst herstellen. Nehmen Sie dazu ein Lautsprecherkabel und verdrillen Sie es:

Ein Modell der DNA-Doppelhelix

Ein Lautsprecherkabel als Modell der DNA-Doppelhelix

Das Lautsprecherkabel besteht aus zwei einzelnen Kabeln, die durch Klebstoff zusammengehalten werden. Die DNA-Doppelhelix besteht aus zwei einzelnen DNA-Strängen, die durch Basenpaare zusammengehalten werden.

Chemische Struktur der DNA

Schauen wir uns den chemischen Aufbau der DNA etwas näher an.

Chemische Struktur der DNA-Doppelhelix

Quelle: Wikipedia
This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic2.0 Generic and 1.0 Generic license.
Author: DNA_chemical_structure.svg: Madeleine Price Ball, User:Madprime. Derivative work: Matt (talk)

Jeder DNA-Einzelstrang setzt sich aus drei verschiedenen Komponenten zusammen:

  1. Phosphorsäure
  2. Desoxyribose, eine Pentose (d.h. ein Zucker mit 5 C-Atomen)
  3. Einer von vier möglichen DNA-Basen

Im Folgenden wollen wir diese drei Bausteine näher kennenlernen.

Baustein 1: Phosphorsäure

Frühe chemische Analysen ergaben, dass die DNA sehr viel Phosphorsäure-Reste enthält. Schauen wir uns mal ein Molekül der Phosphorsäure H3PO4an.

Ein Molekül der Phosphorsäure H3PO4

Ein Phosphorsäure-Molekül

Die Phosphorsäure ist eine dreiprotonige Säure. Wird nur ein Proton abgegeben, entsteht das Dihydrogenphosphat-Ion H2PO4-. Nach Abgabe des zweiten Protons bildet sich das Hydrogenphosphat-Ion HPO42-. Wenn dann das dritte Proton abgegeben wurde, liegt die Phosphorsäure als Phosphat-Ion PO43- vor.

Die drei OH-Gruppen können aber noch mehr; sie können sich nämlich mit anderen OH-Gruppen verbinden. Dabei wird jeweils ein Wasser-Molekül abgegeben. Man nennt eine solche chemische Reaktion auch eine Kondensation.

In der DNA liegen aber keine Phosphorsäure-Moleküle mehr vor, denn die Phosphorsäure hat sich mit zwei Desoxyribose-Molekülen verbunden und dabei zwei H-Atome abgegeben:

Ein Molekül der Phosphorsäure H3PO4

Ein Phosphorsäure-Molekül

Die dritte OH-Gruppe der Phosphorsäure hat ein Proton abgegeben, daher ist der Rest des Phosphorsäure-Moleküls jetzt negativ geladen. "Phosphorsäure-Rest" ist übrigens auch die korrekte Bezeichnung für das, was in der DNA von der ursprünglichen Phosphorsäure übrig geblieben ist.

Baustein 2: Desoxyribose

Man fand schnell heraus, dass die DNA nicht nur viel Phosphorsäure-Reste enthält, sondern auch genau so viel Desoxyribose-Reste. Desoxyribose ist ein Monosaccharid mit fünf C-Atomen. Hier eine Zeichnung dieses Zuckers.

Ein Desoxyribose-Molekül bildet einen Ring aus 4 C-Atomen und einem O-Atom, und am 4. C-Atom hängt noch eine CH2OH-Gruppe

Ein Desoxyribose-Molekül

Dieses Desoxyribose-Molekül hat OH-Gruppen an den Kohlenstoff-Atomen 1, 3 und 5, und mit diesen drei OH-Gruppen kann sich die Desoxyribose mit anderen Molekülen verbinden:

Ein Desoxyribose-Molekül in der DNA ist mit drei weiteren Molekülen verbunden

Damit haben wir die beiden Komponenten des DNA-Rückgrats zusammen. Jeder Phosporsäure-Rest ist mit zwei Desoxyribose-Resten verbunden, und jeder Desoxyribose-Rest mit zwei Phosphorsäure-Resten:

Ein Miniatur-DNA-Rückgrat aus drei Phosphaten und drei Zuckermolekülen

Das DNA-Rückgrat (ohne Basen)

Die Abbildung oben stellt das DNA-Rückgrat ohne angehängte Basen dar. Der blaue Kasten umrahmt die sich stets wiederholende Einheit aus einem Phosphorsäure-Rest und einem Desoxyribose-Rest.

Am sogenannten 5'-Ende (lies: "fünf-Strich-Ende") des Einzelstrangs befindet sich ein Phosphorsäure-Rest, am 3'-Ende ein Desoxyribose-Rest.

Das 5'-Ende heißt deswegen so, weil der Phosphorsäure-Rest der letzten Baueinheit am 5. C-Atom der Desoxyribose sitzt. Entsprechend heißt des 3'-Ende so, weil sich am 3. C-Atom der Desoxyribose kein Phosphorsäure-Rest mehr befindet, sondern stattdessen eine OH-Gruppe.

Baustein 3: Die Basen

Kommen wir nun zu der entscheidenden Frage, was die beiden Einzelstränge der DNA eigentlich zusammenhält. Watson und Crick, die beiden berühmten Entdecker der DNA-Struktur, hatten damit am Anfang ziemliche Probleme. Das Rückgrat beider Einzelstränge ist stark negativ geladen, jeder Phosphorsäure-Rest trägt ja eine negative Ladung. An sich müssten sich die beiden DNA-Stränge daher gegenseitig abstoßen.

Für Chemie-Experten

Das ist natürlich nur dann der Fall, wenn in dem umgebenden Medium ein Protonenmangel herrscht. Würde man eine Säure zu einer DNA-Aufbereitung dazugegeben, würden sich Protonen von den Säure-Molekülen abspalten und an die negativ geladenen Phosphat-Reste setzen. Daher ist die exakte Struktur der DNA abhängig vom pH-Wert. Und weil die DNA-Struktur vom pH-Wert abhängig ist, darf sich in den Zellen der Lebewesen dieser pH-Wert auch nicht merklich verändern. Dafür sorgen dann verschiedene Puffersysteme in den Zellen und in der Körperflüssigkeit.

Wie sieht nun der "Kleber" aus, der die beiden negativ geladenen DNA-Einzelstränge zusammenhält?

DNA-Einzelstrang mit den vier Basen

DNA-Einzelstrang mit den vier Basen

Zunächst schauen wir uns einen DNA-Einzelstrang an, bei dem die Basen mit eingezeichnet sind. Der Übersicht halber besteht unser Einzelstrang aus nur vier Einheiten. So können alle vier Basen dargestellt werden, ohne dass die Abbildung zehn Meter lang wird.

Kleine Rechenaufgabe für Mathe-Experten

Wie lang ist eigentlich ein DNA-Molekül? Eine schnelle Recherche ergibt, dass ein eukaryotisches Gen durchaus 80.000, 200.000 oder sogar 500.000 Basenpaare umfasst. Gehen wir mal von der recht bescheidenen Zahl 100.000 Basenpaare aus. Ein DNA-Einzelstrang besteht dann also aus 100.000 Einheiten, wie wir sie in der Abbildung 9 sehen, in der nur vier Einheiten zu erkennen sind. Würden wir ein solches Gen in dem gleichen Maßstab zeichnen wollen wie in der Abbildung 9, dann müsste das Bild 25.000 mal so hoch sein wie Sie gerade auf Ihrem Monitor oder Smartphone sehen.

Auf meinem PC-Monitor ist das Bild ca. 25 cm hoch, also 1/4 Meter. Das Bild des kompletten Gens wäre dann 6.250 Meter hoch oder gut 6 km. Und das ist nur ein einziges Gen. Der Mensch besitzt aber ca. 25.000 solcher Gene, manche haben weniger Basenpaare als 100.000, manche auch mehr. Die Zeichnung müsste dann 156.250 km hoch sein. Das wäre die halbe Strecke zum Mond. Oder man könnte das Bild knapp viermal um den Äquator wickeln!

Bevor wie zu den Basen und der Basenpaarung kommen, noch ein sehr wichtiger Fachbegriff: Nucleotid.

Nucleotid

Ein Nucleotid ist die kleinste Baueinheit der DNA. Ein DNA-Nucleotid besteht aus einem Desoxyribose-Rest, der mit einem Phosphorsäure-Rest (am C-Atom Nr. 5) und einer der vier DNA-Basen (am C-Atom Nr. 1) verbunden ist.

Das C-Atom Nr. 3 trägt eine OH-Gruppe, so dass sich das Nucleotid mit dem Phosphorsäure-Rest eines weiteren Nucleotids verbinden kann.

Kommen wir nun zu den einzelnen Basen. Jede Base hier einzeln zu beschreiben wäre doch recht aufwendig und würde den Rahmen dieser Seite sprengen, die eigentlich jetzt schon viel zu lang ist. Für die vier (eigentlich fünf) DNA-Basen habe ich daher eine eigene Seite angelegt.

Basenpaarung

Was die beiden Einzelstränge zusammenhält, haben wir aber immer noch nicht geklärt, und damit treten wir in die Fußstapfen von Watson und Crick. Auch sie haben die Basenpaarung erst ganz am Ende erkannt, nachdem sie zunächst ein föllig valsches Modell der DNA gebaut und sich damit heftig vor konkurrierenden Wissenschaftlern blamiert hatten.

Auch dieses Thema ist recht komplex und wurde daher auf eine eigene Seite ausgelagert.

Bedeutung der Basenpaarung

Die vier Basen sind die vier Buchstaben des genetischen Codes. Die Reihenfolge der Basen auf dem einen DNA-Strang, dem so genannten codogenen Strang, stellt die eigentliche Erbinformation dar. Näheres dazu finden Sie beim Thema "Genetischer Code". Der andere Strang, der nicht-codogene Strang, ist quasi eine komplementäre Kopie des codogenen Strangs.

Dieses Prinzip der Komplementarität macht erst dann so richtig Sinn, wenn die DNA-Doppelhelix verdoppelt werden soll. Dann teilt sich nämlich die Doppelhelix in zwei einzelne Stränge, die Basenpaare lösen sich voneinander, und anschließend sorgen bestimmte Enzyme dafür, dass die "einsamen" Basen der beiden Einzelstränge komplementär wieder ergänzt werden. An jedes "einsame" Adenin setzt sich also ein Thymin-Rest, an jedes "einsame" Guanin dockt ein Cytosin-Rest an - vereinfacht gesprochen. Auf diese Weise entstehen aus den beiden DNA-Einzelsträngen zwei neue DNA-Doppelhelices. Aber dazu kommen wir noch beim Thema "DNA-Replikation".