Bau der DNA

Kurzfassung

Chemische Struktur der DNA

Bereits Friedrich Miescher (1844 - 1895) entdeckte in den Jahren 1869 bis 1871 Stoffe aus Zellkernen, die man heute als Nucleinsäuren bezeichnet. Die von ihm aus Eiterzellen auf altem Verbandsmaterial isolierte Substanz nannte er Nuklein. Später wies er solche Stoffe auch in Lachsspermien nach. Auffällig war dabei vor allem der hohe Gehalt an Phosphat. Welche große biologische Bedeutung diese Stoffgruppe tatsächlich hat, war damals allerdings noch nicht absehbar; viele Forscher hielten zunächst die Proteine für die wichtigeren Moleküle der Vererbung.

Der Begriff "Nucleinsäure" wurde übrigens erst 1889 von Richard Altmann eingeführt. Miescher hatte aber bereits erkannt, dass sein "Nuklein" saure Eigenschaften besitzt.

Schauen wir uns nun den chemischen Aufbau der DNA etwas genauer an. Die DNA liegt in Form einer Doppelhelix vor, die aus zwei gegenläufigen Strängen besteht. Jeder DNA-Einzelstrang setzt sich aus drei Bausteinen zusammen:

1. Phosphat
2. Desoxyribose, ein Zucker mit fünf C-Atomen
3. eine von vier möglichen Basen

Im Folgenden lernen wir diese drei Bausteine näher kennen.

Baustein 1: Phosphat

Schon frühe chemische Analysen zeigten, dass die DNA besonders viel Phosphat enthält. Ausgangspunkt ist die Phosphorsäure H₃PO₄. In der DNA liegt sie jedoch nicht als freie Phosphorsäure vor, sondern als Bestandteil von Phosphat-Gruppen, die mit Zucker-Bausteinen verknüpft sind.

Ein Phosphorsäure-Molekül (links) und eine Phosphatgruppe, die mit zwei Desoxyribose-Molekülen verbunden ist.
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.

Die Phosphorsäure ist eine dreiprotonige Säure. Sie kann also nacheinander drei Protonen abgeben. Dabei entstehen nacheinander das Dihydrogenphosphat-Ion H₂PO₄^-, das Hydrogenphosphat-Ion HPO₄^2- und schließlich das Phosphat-Ion PO₄^3-.

Für den Aufbau der DNA ist vor allem wichtig, dass Phosphat-Gruppen mit OH-Gruppen von Zucker-Molekülen reagieren können. In der DNA verbindet sich jede Phosphat-Gruppe mit zwei Desoxyribose-Bausteinen. Auf diese Weise entsteht zusammen mit den Zucker-Molekülen das regelmäßige Zucker-Phosphat-Rückgrat des DNA-Strangs.

Baustein 2: Desoxyribose

Man fand früh heraus, dass die DNA nicht nur viel Phosphat enthält, sondern auch den Zucker Desoxyribose. Desoxyribose ist ein Zucker mit fünf C-Atomen und gehört damit zu den Pentosen.

Ein β-Ribose- und ein Desoxyribose-Molekül
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.

Die Desoxyribose ist eng mit der Ribose verwandt, die in der RNA vorkommt. Bei der Desoxyribose wurde gegenüber der Ribose am C2'-Atom eine OH-Gruppe durch ein H-Atom ersetzt. Daher spricht man von einer Desoxy-Ribose. Chemisch ist sie also ein veränderter Zucker, genauer gesagt ein Desoxy-Zucker.

Wichtig für die DNA-Struktur sind vor allem drei Stellen des Zuckers: das C1'-Atom, das C3'-Atom und das C5'-Atom. Am C1'-Atom wird eine Base gebunden, und über das C3'-Atom sowie das C5'-Atom kann die Desoxyribose mit Phosphat-Gruppen verknüpft werden.

Eine Phosphatgruppe verbindet zwei Desoxyribose-Moleküle unter Wasser-Abspaltung.
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.

Auf diesem Bild sieht man, wie eine Phosphat-Gruppe zwei Desoxyribose-Moleküle miteinander verbindet. Dabei entsteht eine Phosphodiester-Bindung. Das Phosphat ist mit dem C3'-Atom des einen Zuckers und mit dem C5'-Atom des nächsten Zuckers verknüpft. Genau diese 3'-5'-Verknüpfung ist typisch für einen DNA-Strang.

Ein DNA-Strang besitzt daher auch eine feste Richtung. An einem Ende befindet sich ein freies C5'-Atom mit einer daran gebundenen Phosphat-Gruppe; dieses Ende nennt man 5'-Ende. Am anderen Ende befindet sich ein freies C3'-Atom mit einer OH-Gruppe; dieses Ende heißt 3'-Ende.

Ein einzelnes Phosphat zusammen mit zwei Zucker-Bausteinen ist natürlich noch kein DNA-Einzelstrang. Werden jedoch viele solcher Bausteine hintereinander verknüpft, entsteht ein längeres Zucker-Phosphat-Rückgrat.

Schauen wir uns dazu das nächste Bild an:

Ein Trinucleotid sowie ein Nucleotid und ein Nucleosid
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.

Im linken Bereich der Abbildung sehen wir bereits ein etwas längeres Molekül aus mehreren Zucker- und Phosphat-Bausteinen. Auch dieser Strang hat ein 5'-Ende und ein 3'-Ende. Er kann also prinzipiell an einem Ende weiter verlängert werden, solange weitere passende Bausteine angelagert und verknüpft werden.

Ein paar Fachbegriffe, die man kennen sollte

Nucleosid

Ein Nucleosid besteht aus einer Base und einer Desoxyribose. Ein Phosphat-Rest ist noch nicht vorhanden.

Nucleotid

Ein Nucleotid besteht aus einer Base, einer Desoxyribose und einem Phosphat-Rest. Die Base sitzt am C1'-Atom der Desoxyribose, das Phosphat ist in DNA-Bausteinen mit dem Zucker-Rückgrat verknüpft.

Trinucleotid

Ein Trinucleotid besteht aus drei miteinander verknüpften Nucleotiden.

DNA-Einzelstrang

Ein DNA-Einzelstrang ist ein Polynucleotid, also eine Kette aus vielen miteinander verknüpften Nucleotiden.

Baustein 3: Die Basen

Kommen wir nun zu der Frage, wodurch die beiden DNA-Einzelstränge zusammengehalten werden. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat trägt viele negative Ladungen, weil die Phosphat-Gruppen negativ geladen sind. Eigentlich müssten sich zwei solche Stränge daher elektrostatisch abstoßen. Stabil wird die DNA-Doppelhelix erst durch die Wechselwirkungen zwischen den Basen sowie durch die besondere räumliche Anordnung des Moleküls.

Wie sehen nun die vier DNA-Basen aus?

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

Auf dem Bild sehen wir die vier DNA-Basen. Die beiden größeren Basen Adenin und Guanin sind Purine. Ihr Grundgerüst besteht aus zwei miteinander verbundenen Ringen. Die beiden kleineren Basen Thymin und Cytosin sind Pyrimidine. Ihr Grundgerüst besteht nur aus einem Ring.

Diese Ring-Systeme tragen zusätzliche funktionelle Gruppen, zum Beispiel Amino-Gruppen oder O-Atome mit Doppelbindung. Genau diese Gruppen sind entscheidend dafür, welche Basen miteinander passende Wasserstoffbrücken ausbilden können.

Alle vier Basen sind mit dem C1'-Atom der Desoxyribose verbunden. Wichtig ist nun, dass sich jeweils eine große Base mit einer kleinen Base paart. Nur so bleibt der Abstand zwischen den beiden Zucker-Phosphat-Rückgraten annähernd gleich. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die regelmäßige Form der DNA-Doppelhelix.

Basenpaarung

Der entscheidende Schritt zum Verständnis der DNA-Struktur war die Erkenntnis, dass sich die Basen nicht beliebig miteinander verbinden, sondern nach festen Regeln. Diese Basenpaarung ist eine der wichtigsten Grundlagen der Molekularbiologie.

Die A-T-Paarung

Das Basenpaar Adenin-Thymin
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.

Adenin und Thymin können sich über zwei Wasserstoffbrücken miteinander verbinden. In Strukturzeichnungen werden manche H-Atome der Übersichtlichkeit halber oft weggelassen; für das Verständnis der Wasserstoffbrücken sind sie jedoch wichtig.

Die G-C-Paarung

Das Basenpaar Guanin-Cytosin
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: Public domain.

Guanin und Cytosin können sich über drei Wasserstoffbrücken paaren. Deshalb ist eine G-C-Paarung im Mittel etwas stabiler als eine A-T-Paarung. Zur Stabilität der DNA tragen jedoch nicht nur die Wasserstoffbrücken bei, sondern auch weitere Wechselwirkungen zwischen benachbarten Basen.

Bedeutung der Basenpaarung

Die Reihenfolge der Basen in der DNA speichert die genetische Information. Weil stets nur Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin zusammenpasst, bestimmt die Basenfolge des einen Strangs automatisch die Basenfolge des anderen Strangs. Man sagt: Die beiden Stränge sind komplementär.

Diese Komplementarität ist besonders wichtig bei der Replikation, also der Verdopplung der DNA. Dabei werden die beiden Stränge voneinander getrennt. Jeder Einzelstrang dient dann als Vorlage für den Aufbau eines neuen komplementären Strangs. Zu jedem Adenin wird also ein Thymin-Nucleotid eingebaut, zu jedem Guanin ein Cytosin-Nucleotid und umgekehrt.

Auf diese Weise entstehen aus einer DNA-Doppelhelix zwei neue, in ihrer Basensequenz weitgehend identische DNA-Doppelhelices.

Zu guter Letzt schauen wir uns noch ein Bild an, das den Zusammenhang zwischen Zucker-Phosphat-Rückgrat, Basenpaarung und Gegenläufigkeit der Stränge gut erkennen lässt.

Ein kurzer DNA-Doppelstrang aus vier Basenpaaren A-T, C-G, T-A und G-C.
Quelle: Wikipedia, Artikel "Basenpaar", Autor: Madeleine Price Ball (Madprime), Lizenz: CC BY-SA.

Auf diesem Bild sieht man gut, dass die beiden DNA-Stränge gegenläufig verlaufen. Beim einen Strang liegt oben das 5'-Ende und unten das 3'-Ende, beim anderen Strang ist es genau umgekehrt. Diese Gegenläufigkeit ist ein wesentliches Merkmal der DNA-Doppelhelix.

Würden die beiden Stränge nicht gegenläufig, sondern gleichgerichtet verlaufen, wäre die räumliche Anordnung der Basen und des Zucker-Phosphat-Rückgrats deutlich ungünstiger. Die bekannte stabile Form der DNA-Doppelhelix könnte dann nicht in derselben Weise entstehen.