KI-Zusammenfassung
Die DNA besteht aus zwei gegenläufigen Einzelsträngen, die zusammen eine Doppelhelix bilden. Jeder Strang besitzt ein Zucker-Phosphat-Grundgerüst aus Desoxyribose und Phosphat-Gruppen. An dieses Grundgerüst sind die vier Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin gebunden. Dabei paart sich immer Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Durch diese feste Basenpaarung sind die beiden DNA-Stränge komplementär zueinander, was sowohl die stabile Struktur der DNA als auch ihre genaue Verdopplung ermöglicht.
Chemische Struktur der DNA
Für engagierte LK-Schüler(innen) sowie für Studienanfänger(innen) der Fächer Biologie oder Medizin gibt es auch eine deutlich ausführlichere Langfassung dieser Seite.
Die DNA liegt in Form einer Doppelhelix vor, die aus zwei gegenläufigen Strängen besteht. Gegenläufig bedeutet, dass die beiden Einzelstränge chemisch in entgegengesetzter Richtung verlaufen.
Ein Lautsprecherkabel als Doppelhelix-Modell
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: Public domain.
Das obige Bild soll veranschaulichen, was man unter zwei gegenläufigen Strängen versteht. Jeder DNA-Einzelstrang setzt sich aus drei verschiedenen Bestandteilen zusammen:
- Phosphat
- Desoxyribose, eine Pentose, also ein Zucker mit fünf C-Atomen
- eine von vier möglichen DNA-Basen
Im Folgenden wollen wir diese drei Bausteine näher kennenlernen.
Das DNA-Grundgerüst
Das Zucker-Phosphat-Grundgerüst der DNA
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.
Auf diesem Bild wird gezeigt, wie sich das Grundgerüst eines DNA-Einzelstrangs bildet. Zu sehen sind Moleküle der Phosphorsäure H3PO4 und der Desoxyribose, eines Zuckers aus der Gruppe der Monosaccharide. Bei der Verknüpfung dieser Bausteine wird Wasser abgespalten; man spricht von einer Kondensationsreaktion.
In der fertigen DNA liegt die Phosphorsäure dabei nicht als freies Molekül vor, sondern als Phosphat-Gruppe, die jeweils zwei Desoxyribose-Bausteine miteinander verbindet. Dadurch entsteht das regelmäßige Zucker-Phosphat-Rückgrat eines DNA-Einzelstrangs.
Ein echter DNA-Einzelstrang besteht aus sehr vielen solcher Zucker- und Phosphat-Bausteine, die sich regelmäßig abwechseln. An dieses Grundgerüst sind dann die Basen gebunden, die wir im nächsten Abschnitt betrachten.
Jeder DNA-Einzelstrang besitzt zwei verschiedene Enden, ein 5'-Ende und ein 3'-Ende. Am 5'-Ende befindet sich eine Phosphat-Gruppe am 5'-C-Atom der Desoxyribose, am 3'-Ende eine freie OH-Gruppe am 3'-C-Atom. Dadurch hat jeder DNA-Strang eine feste Richtung.
Die DNA-Basen
Die DNA-Doppelhelix besteht aus zwei Einzelsträngen, die sich in entgegengesetzter Richtung umeinander winden. Zusammengehalten werden diese beiden Stränge vor allem durch die Basen. Schauen wir uns die vier DNA-Basen zunächst einmal an:
Die vier Basen der DNA, im Uhrzeigersinn: Thymin, Adenin, Guanin und Cytosin.
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.
Die beiden größeren Basen Adenin und Guanin gehören chemisch zu den Purinen. Die beiden kleineren Basen Thymin und Cytosin gehören zu den Pyrimidinen.
Alle vier Basen sind mit dem 1'-C-Atom der Desoxyribose verbunden. Wichtig ist dabei, dass jeweils eine große Base mit einer kleinen Base gepaart wird. Nur so bleibt der Abstand zwischen den beiden DNA-Einzelsträngen überall ungefähr gleich, und nur so kann die typische Form der DNA-Doppelhelix entstehen.
Basenpaarung
Der entscheidende Schritt zum Verständnis der DNA-Struktur war die Erkenntnis, dass sich die Basen nicht beliebig miteinander verbinden. Vielmehr gibt es feste Paarungsregeln: Adenin paart sich mit Thymin, und Cytosin paart sich mit Guanin. Diese Paarung erfolgt über Wasserstoffbrücken.
Die Entdecker der DNA-Struktur, James Watson und Francis Crick, erkannten erst mit Hilfe experimenteller Befunde anderer Forscher, dass genau diese Basenpaarung der Schlüssel zum Bau der Doppelhelix ist.
Das Basenpaar Adenin-Thymin
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.
Das Basenpaar Guanin-Cytosin
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.
Zwischen Adenin und Thymin entstehen zwei Wasserstoffbrücken, zwischen Guanin und Cytosin dagegen drei. Daher ist ein G-C-Basenpaar im Mittel etwas stabiler als ein A-T-Basenpaar.
Eine einzelne Wasserstoffbrücke ist zwar nur relativ schwach, in einer DNA-Doppelhelix kommen aber sehr viele solcher Bindungen gleichzeitig vor. Dadurch wird das gesamte Molekül ausreichend stabil. Zur Stabilität der DNA tragen außerdem auch weitere Wechselwirkungen zwischen benachbarten Basen bei.
Bedeutung der Basenpaarung
Die Reihenfolge der vier Basen speichert die genetische Information. Da immer nur Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin zusammenpasst, ist die Basenfolge des einen Strangs durch die Basenfolge des anderen Strangs festgelegt. Man sagt: Die beiden Stränge sind komplementär.
Diese Komplementarität ist besonders wichtig bei der Verdopplung der DNA. Wenn sich die Doppelhelix in zwei Einzelstränge trennt, dient jeder dieser Stränge als Vorlage für einen neuen komplementären Strang. Zu einem freiliegenden Adenin wird also ein Thymin-Nucleotid eingebaut, zu einem Guanin ein Cytosin-Nucleotid und entsprechend auch umgekehrt.
Nucleotid = Grundbaustein der DNA. Ein Nucleotid besteht aus einer Desoxyribose, einer Phosphat-Gruppe und einer DNA-Base. Die Base ist mit dem 1'-C-Atom der Desoxyribose verbunden; über die Phosphat-Gruppe kann das Nucleotid mit weiteren Nucleotiden zu einem DNA-Strang verknüpft werden.
Auf diese Weise entstehen aus einer ursprünglichen DNA-Doppelhelix zwei neue DNA-Doppelhelices mit derselben Basensequenz.
Quellen:
- Oberstufen-Lehrbücher der Biologie