Was ist DNA?

DNA – Definition

In Krimis, aber auch in der Realität überführen die Kriminalisten der Polizei mit ihrer Hilfe oft die Täter. Sie ist eines der faszinierendsten Moleküle der Biologie. Die Entschlüsselung ihres Aufbaus wurde sogar mit dem Nobelpreis prämiert. Wir reden von der DNA.

DNA – Aufbau

1953 entwickelten Watson und Crick ein DNA-Modell für die räumliche DNA-Struktur des DNA-Moleküls und erhielten dafür den Nobelpreis.

Durch ihre Entdeckungen wurde die Grundlage für weitere Genforschung und die Entwicklung von Gentechniken geschaffen. Die Aufklärung zahlreicher Verbrechen wäre ohne dieses Wissen außerdem nicht denkbar. Kommen wir zum Aufbau der DNA. Die DNA-Stränge kann man sich als gewundene Strickleiter vorstellen. Daher werden die DNA-Stränge auch als DNA-Doppelhelix bezeichnet. Schauen wir einmal genauer auf die einzelnen Bestandteile der DNA.

DNA – Bestandteile

Warum nennt man DNA eigentlich DNA? Das ist die englische Abkürzung für deoxyribonucleic acid, zu Deutsch Desoxyribonukleinsäure (DNS). Der Name verrät uns auch schon die einzelnen Bausteine der DNA. Diese sind:

• Zucker/Ribose
• Basen
• Phosphat

Zucker/Ribose

Die DNA enthält einen bestimmten Zucker, bestehend aus fünf Kohlenstoffatomen. Man nennt diese Form von Zucker auch Ribose. Weil der Ribose in der DNA aber eine OH-Gruppe am zweiten Kohlenstoffatom fehlt, ist es eine Desoxyribose. In der DNA ist die cyclische Form der Desoxyribose enthalten.

DNA-Basen

Vielleicht hast du schon einmal von den Basen der DNA gehört – Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Jeweils eine dieser organischen Basen ist an eine Desoxyribose gebunden. Dabei handelt es sich um eine kovalente Bindung zwischen einem Stickstoffatom der jeweiligen Base und dem ersten Kohlenstoffatom der Desoxyribose. Eine solche Einheit aus Desoxyribose und Base definiert man in der Biologie als Nukleosid.

Die vier Basen der DNA kann man weiterhin in Purinbasen und Pyrimidinbasen unterteilen.

• Die Struktur des Adenins und des Guanins leitet sich von dem des Purins, einem bicyclischen Amin, ab. Daher zählen sie zu den Purinbasen.

• Die Struktur des Cytosins und des Thymins leitet sich von dem des Pyrimidins, einem monocyclischen Amin, ab. Daher zählen sie zu den Pyrimidinbasen.

Aufgabe der Basen Über Wasserstoffbrückenbindungen verbinden sich zwei Basen miteinander, wobei nur die Paarungen Adenin/Thymin und Cytosin/Guanin möglich sind. Diese Basen sind komplementär. Eine Purinbase verbindet sich folglich mit einer Pyrimidinbase. Die Hauptaufgabe der Basen ist die Bildung des genetischen Codes. Dieser entsteht durch die spezifische Abfolge der Basen. Im genetischen Code sind die Baupläne des gesamten Organismus gespeichert.

DNA-Phosphat

Wir haben bereits geklärt, für welchen Bestandteil die ersten Silben in Desoxyribonukleinsäure stehen. Aber warum handelt es sich bei der DNA um eine Nukleinsäure? Damit kommen wir zum dritten und letzten Baustein – dem Phosphatrest. Während am ersten Kohlenstoffatom der Desoxyribose die DNA-Base bindet, ist am fünften Kohlenstoffatom ein Phosphatrest kovalent gebunden. Die Einheit aus Phosphatrest, Desoxyribose und Base nennt man Nukleotid.

Die Phosphatreste der Nukleotide wirken als Säure. Ebenso wie Säuren geben sie Protonen in Form von positiv geladenen Wasserstoffatomen ab. Das verbleibende Nukleotid in der DNA ist demzufolge negativ geladen.

Nun weißt du, warum die DNA eine Nukleinsäure ist: Sie besteht aus Nukleotiden, deren Phosphatreste als Säuren wirken.

Beschrifteter DNA-Aufbau

Im Bild siehst du den Aufbau der DNA, ausgeschrieben deoxyribonucleic acid.

DNA – Einzelstrang

Nachdem wir alle Bestandteile der DNA kennengelernt haben, schauen wir uns nun die Struktur eines DNA-Strangs an. Ein DNA-Strang setzt sich aus zahlreichen aneinandergereihten Nukleotiden zusammen. Das sogenannte Rückgrat der DNA wird dabei von den Desoxyribose- und den Phosphateinheiten gebildet. Die Verknüpfung der Nukleotide findet abermals kovalent über eine weitere Bindungsstelle an der Desoxyribose statt. Das dritte Kohlenstoffatom der Desoxyribose des einen Nukleotids ist mit dem Phosphatrest des nachfolgenden Nukleotids verknüpft. So endet der DNA-Strang auf der einen Seite mit der OH-Gruppe am dritten Kohlenstoffatom der Desoxyribose und am anderen Ende mit einer Phosphatgruppe am fünften Kohlenstoffatom der Desoxyribose. Daher spricht man auch von einem 5’-Ende und einem 3’-Ende des DNA-Strangs. Die DNA „wächst“ immer nur in eine bestimmte Richtung – vom 5’-Ende zum 3’-Ende. Das kannst du auch in der oben stehenden Abbildung sehen.

Die Reihenfolge der Basen ist für jeden Organismus einzigartig. Sie definiert den genetischen Code jedes einzelnen Organismus. Während der Transkription wird diese Information, die Reihenfolge der Basen, in die RNA umgeschrieben. Die RNA ist somit, bis auf kleine Besonderheiten, eine exakte Kopie der DNA. Die RNA enthält die genetische Information für die Proteinsynthese an den Ribosomen.

Die einzelsträngige DNA ist aber keineswegs stabil. Daher lagern sich zwei Einzelstränge zusammen. Dabei kommt es zu ganz bestimmten Paarungen von Pyridin- und Pyrimidinbasen:

DNA – Doppelhelix

Infolgedessen wird die berühmte Doppelhelix‑Struktur ausgebildet. Du kannst dir die DNA wie eine Wendeltreppe vorstellen: Der Handlauf der Wendeltreppe ist das Desoxyribose‑Phosphat‑Rückgrat und die Stufen sind die Basen der DNA. Betrachten wir noch einmal kurz, was es mit der Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur der DNA auf sich hat.

Primärstruktur der DNA-Doppelhelix

Der sogenannte Polynukleotidstrang – das ist der DNA-Strang, der sich aus zahlreichen aneinandergereihten Nukleotiden zusammensetzt – bildet die Primärstruktur der DNA-Doppelhelix.

Sekundärstruktur der DNA-Doppelhelix

Wie du bereits weißt, besteht die DNA aus zwei gegenläufig zueinander verlaufenden Polynukleotidsträngen, die durch die komplementäre Basenpaarung über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft sind. Hierbei spricht man von der Sekundärstruktur der DNA-Doppelhelix.

Tertiärstruktur der DNA-Doppelhelix

Die schraubig umeinander gewundenen DNA-Stränge bilden die Doppelhelix aus, die durch die Tertiärstruktur beschrieben wird.

Chromosomen – DNA-Verpackung

Später wirst du darauf aufbauend die Verpackungsstufen der DNA kennenlernen. Die höchste und bekannteste Verpackungsstufe stellen die Chromosomen dar. Sie sind die am höchsten aufgewickelte (kondensierte) Form der DNA in der Zelle. Jeder Mensch besitzt in der Regel einen Chromosomensatz von 46 Chromosomen in jeder Körperzelle. Die Gesamtheit der zellulären DNA wird als Genom bezeichnet.

DNA – Funktion

Die DNA dient der Speicherung aller Erbinformationen, die ein Organismus zum Leben braucht. Vor einer Zellteilung repliziert sich die DNA, das heißt, sie verdoppelt sich. Somit werden identische Kopien der DNA weitergegeben. Während der Zellteilung verdichtet sich die DNA und Chromosomen werden unter dem Mikroskop sichtbar. Außerdem bestimmt die DNA, wann welche Proteine von der Zelle hergestellt werden. Eine spezifische Abfolge von drei DNA-Basen codiert für eine spezifische Aminosäure, der Grundbaustein der Proteine. Daher nennt man diese Abfolge auch Codon. So wird zum Beispiel die Aminosäure Methionin durch das Codon ATG codiert.

DNA – Bedeutung für die Forensik

Die DNA von Mensch, Tier oder Pflanze ist einzigartig für jeden Organismus, genauso wie die Länge der verschiedenen DNA-Abschnitte. Das Muster der variablen DNA-Abschnitte wird auch als genetischer Fingerabdruck bezeichnet. Die Forensik nutzt die DNA-Analyse, um Tatortspuren und Vergleichsproben auszuwerten. Dazu erfolgt im Labor unter anderem die DNA-Extraktion aus Zellen, zum Beispiel aus einer Speichel- oder Gewebeprobe.

Ausblick – das lernst du nach DNA-Aufbau

Vertiefe dein Wissen über die DNA und ihre Funktionen. Spannende Informationen über die Replikation der DNA und den Zellkern bringen dir die faszinierenden Mechanismen der Vervielfältigung und Verpackung der DNA näher.

Häufig gestellte Fragen zum Thema DNA-Aufbau