Bau der DNA (Kurzfassung)

Chemische Struktur der DNA

Die DNA liegt in Form einer Doppelhelix vor, die aus zwei gegenläufigen Strängen besteht.

Ein Lautsprecherkabel als Doppelhelix-Modell
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: siehe Seitenende

Das obige Bild soll zeigen, was man genau unter "gegenläufigen Strängen" versteht.

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.

Das DNA-Grundgerüst

Der Baustein Phosphorsäure
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.

Auf diesem Bild wird gezeigt, wie sich das DNA-Grundgerüst eines Einzelstrangs bildet. Zu sehen sind zwei Moleküle Phosphorsäure H₃PO₄ und zwei Moleküle Desoxyribose, einem Monosaccharid. Unter Wasser-Austritt (Kondensation) vereinigen sich diese vier Moleküle zu einem winzigen DNA-Einzelstrang, allerdings ohne DNA-Basen.

Ein "richtiger" DNA-Einzelstrang besteht aus vielen Tausenden von Phosphorsäure- und Desoxyribose-Resten, die sich regelmäßig abwechseln, wie auf diesem Bild zu sehen.

Jeder DNA-Einzelstrang hat zwei Enden, das 5'-Ende und das 3'-Ende. Am 5'-Ende befindet sich eine Phosphatgruppe am 5'-C-Atom der Desoxyribose, und am 3'-Ende findet sich eine Desoxyribose mit einer freien OH-Gruppe am 3'-C-Atom.

Die DNA-Basen

Die DNA-Doppelhelix besteht aus zwei DNA-Einzelsträngen, die sich in umgekehrter Richtung umeinander winden. Zusammengehalten werden die beiden DNA-Einzelstränge durch die DNA-Basen. Schauen wir uns die vier Basen zunächst einmal an:

Die vier Basen der DNA, im Uhrzeigersinn: Thymin, Adenin, Guanin und Cytosin.
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Die beiden großen Basen Adenin und Guanin leiten sich von der Verbindung Purin ab, die beiden kleinen Basen Thymin und Cytosin von der Verbindung Pyrimidin.

Alle vier Basen der DNA sind mit dem C1-Atom der Desoxyribose verbunden. Achten Sie bitte auf die Tatsache, dass Adenin nahezu die gleiche Größe hat wie Guanin, und Thymin die gleiche Größe wie Cytosin. Das spielt eine wichtige Rolle bei der Struktur der DNA-Doppelhelix, wie wir gleich noch sehen werden.

Basenpaarung

Die Entdecker der DNA-Struktur, James Watson (1928 geb.) und Francis Crick (1916-2004) wussten zuerst auch, was die DNA-Einzelstränge zusammenhält. Mit Hilfe anderer Forscher kamen sie schließlich auf die entscheidende Idee. Die Basen Adenin und Thymin bilden untereinander zwei H-Brücken aus, die Basen Cytosin und Guanin sogar drei H-Brücken:

Das Basenpaar Adenin-Thymin
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Das Basenpaar Guanin-Cytosin
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Die Bindung zwischen Guanin und Cytosin ist deutlich stärker als die zwischen Adenin und Thymin, schließlich ist hier eine H-Brücke mehr am Werk.

Eine einzelne H-Brücke ist eine sehr schwache chemische Bindung. Da eine DNA-Doppelhelix aber durch viele Tausend solcher Basenpaare zusammengehalten wird, summieren sich die Anziehungskräfte, und daher ist die DNA ein recht stabiles Molekül, das auch hohe Temperaturen von über 70 ºC aushält, ohne auseinander zu fallen.

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. 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 an einer Stelle in zwei einzelne Stränge, die Basenpaare lösen sich voneinander, und anschließend sorgen spezielle Enzyme dafür, dass die ungepaarten Basen der beiden Einzelstränge wieder ergänzt werden. An jedes ungepaarte Adenin setzt sich also ein Thymin-Nucleotid, an jedes ungepaarte Guanin dockt ein Cytosin-Nucleotid an. Die so angedockten Nucleotide werden dann zu einem neuen Einzelstrang verknüpft.

Nucleotid = Grundbaustein der DNA. Ein Nucleotid besteht aus einer Desoxyribose-Einheit, die am 5'-Ende mit einer Phosphat-Einheit und am 1'-C-Atom mit einer DNA-Base verbunden ist. Die OH-Gruppe am 3'-C-Atom der Desoxyribose ist frei.

Auf diese Weise entstehen aus den beiden DNA-Einzelsträngen der ursprünglichen Doppelhelix zwei neue und identische DNA-Doppelhelices.