Wie ist die DNA aufgebaut?
Beschreibung Wie ist die DNA aufgebaut?
Der Aufbau der DNA einfach erklärt
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.
Die DNA stellt das Erbmaterial aller Lebewesen dar. Sie enthält die Gene, welche Aussehen und Eigenschaften eines Lebewesens bestimmen. Doch wie genau sieht der Aufbau und die Struktur der DNA eigentlich aus? Diese Frage beantworten wir im Folgenden.
Der Aufbau eines Nukleotids
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 Bestandteile der DNA.
Der Zucker Desoxyribose
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.
Die Basen der DNA
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 unterscheiden.
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.
Der Phosphatrest
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, dessen Phosphatreste als Säuren wirken.
Merke:
- Nukleosid = Desoxyribose + Base
- Nukleotid = Desoxyribose + Base + Phosphatrest
Struktur der DNA
Nachdem wir nun alle Bestandteile der DNA kennengelernt haben, schauen wir uns nun die Struktur eines DNA-Stranges 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-Stranges. Die DNA „wächst“ immer nur in eine bestimmte Richtung – vom 5’-Ende zum 3’-Ende.
Die Reihenfolge der Basen ist für jeden Organismus einzigartig. Sie definiert den genetischen Code jedes einzelnen Organimus. 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:
- Adenin paart sich mit Thymin und bildet zwei Wasserstoffbrückenbindungen aus,
- Guanin paart sich mit Cytosin und bildet drei Wasserstoffbrückenbindungen aus.
In Folge dessen 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.
Dieses Video
Wie ist die DNA aufgebaut? In diesem Video wird dir der DNA-Aufbau einfach erklärt. Du lernst die Bestandteile der DNA kennen und wie du sie aus dem Namen Desoxyribonukleinsäure ganz leicht herleiten kannst. Später wirst du darauf aufbauend die Verpackungsstufen der DNA kennenlernen. Die höchste und bekannteste Verpackungsstufe stellen die Chromosomen dar. Zum DNA‑Aufbau findest du auch Übungsaufgaben und ein Arbeitsblatt samt Lösungen. Teste sogleich dein neu gewonnenes Wissen.
Transkript Wie ist die DNA aufgebaut?
Die DNA stellt das Erbmaterial aller Lebewesen dar und in ihr sind alle Informationen für einen Organismus gespeichert.In Krimis und auch in der Relalität werden Täter häufig überführt, weil sie am Tatort DNA-Spuren hinterlassen haben. Das hast du bestimmt schon oft gelesen oder im Fernsehen gesehen, oder? Aber wie macht die Polizei das eigentlich?
Damit du das verstehen kannst, musst du den Aufbau der DNA genau kennen. Ich werde ihn dir in diesem Viedeo genau erklären.
Name DNA
Warum nennt man DNA eigentlich DNA? Das ist die englische Bezeichnung für DNS und das steht für Desoxyribonukleinsäure. Und dieser Name setzt sich einfach aus den einzelnen Bestandteilen der DNA zusammen. Und die möchte ich dir im Folgenden zeigen.
Desoxyribose - Zucker
Zunächst ist in der DNA Desoxyribose enthalten. Das ist ein Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen, nämlich die Ribose. Dieser fehlt am zweiten Kohlenstoffatom die OH-Gruppe. Daher der Name Desoxyribose. In der DNA ist die cyklische Form der Desoxyribose enthalten, die du hier siehst.
Nukleosid - Basen
An diese Desoxyribose ist eine organische Base gebunden. Es gibt vier verschiedene Basen, die in der DNA vorkommen können: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Dabei sind Adenin und Guanin ähnlich aufgebaut und werden als Purinbasen bezeichnet. Cytosin und Thymin sind ebenfalls ähnlich aufgebaut und werden als Pyrimidinbasen bezeichnet.
Über ein Stickstoffatom sind die Basen mit dem ersten Kohlenstoffatom der Desoxyribose verknüpft. Dabei handelt es sich um eine kovalente Bindung. Eine solche Einheit aus dem Zucker Desoxyribose und der Base heißt Nukleosid.
Phosphat - Nukleotid - Säure
Die Desoxyribose hat aber noch eine weitere Bindungstelle, nämlich am fünften Kohlenstoffatom. Wenn daran ein Phosphatrest bindet, erhält man eine Einheit aus Phosphat, Desoxyribose und Base. Diese Einheit nennt man Nukleotid. Und in verkürzter Form als NUKLEIN kommt dieses auch im Begriff der Desoxyribonukleinsäure vor.
Jetzt weißt du schon fast, woher der Name Desoxyribonukleinsäure stammt. Warum es Säure heißt, werde ich dir jetzt zeigen. Die Phosphatreste der Nukleotide wirken nämlich als Säure, da sie Protonen, also positiv geladene Wasserstoffatome, abgeben. Das übrigbleibende Nukleotid in der DNA ist negativ geladen.
Jetzt hast du alle Bestandteile der DNA zusammen und weißt, woher der Name Desoxyribonukleinsäure kommt. Damit können wir uns nun den genauen Aufbau der DNA ansehen.
DNA-Strang
Mehrere Nukleotide sind über kovalente Bindungen zu einem DNA-Strang verknüpft. Das geschieht über eine weitere Bindungsstelle in der Desoxyriboseeinheit, nämlich über das dritte Kohlenstoffatom. Ein DNA-Strang endet dann auf der einen Seite also mit der OH-Gruppe am 3.Kohlenstoffatom der Desoxyribose und wird als 3’-Ende bezeichnet.
Am anderen Ende findest du eine Phosphatgruppe am 5.Kohlenstoffatom der Desoxyribose und man bezeichnet es als 5’-Ende. Solche DNA-Stränge können aus vielen Millionen oder noch mehr Nukleotiden zusammengesetzt sein. In der Reihenfolge der Basen ist die Information gespeichert, die später in eine RNA umgeschrieben und in ein Protein übersetzt wird. Würde die DNA als Einzelstrang vorliegen, wäre sie nicht stabil.
Doppelstrang
Daher sind zwei DNA-Einzeltränge zu einem DNA-Doppelstrang zusammengelagert. Dabei bilden die Desoxyribose- und Phosphateinheiten das Rückgrat der DNA und die Basen der beiden Einzelstränge lagern sich zusammen und werden über Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten.
Du kannst dir die DNA also wie eine Treppe oder Leiter vorstellen: Die Die Leiterseiten sind das Desoxyribose-Phosphat-Rückgrat und die Stufen sind die Basen der DNA. Dabei lagern sich aber immer nur bestimmte Basen im Inneren des DNA-Doppelstrangs aneinander: Adenin paart sich mit Thymin und bildet zwei Wasserstoffbrücken aus, Guanin paart sich mit Cytosin und bildet drei Wasserstoffbrücken aus.
Ein DNA-Doppelstrang ist dann noch zu einer Helix gedreht, so dass aus der ursprünglich beschriebenen Treppe oder Leiter eine Wendeltreppe wird und wir von einer DNA-Doppelhelix sprechen.
Zusammenfassung
Du hast in diesem Video die Bestandteile der DNA kennengelernt und gesehen, dass du dir aus diesen Bestandteilen den Namen Desoxyribonukleinsäure ganz leicht herleiten kannst. DNA besteht nämlich aus Nukleotiden, die aus einer Desoxyriboseeinheit, einem Phosphatrest und einer Base bestehen und bildet eine DNA-Doppelstrang.
Dieser Doppelstrang ist in sich etwas gedreht, so dass eine DNA-Doppelhelix entsteht. Die Abfolge der Basen der DNA sind von Mensch zu Mensch verschieden. Gelingt es, Substanzen mit dem Erbmaterial an einem Tatort zu finden, kann diese Abfolge untersucht und mit der DNA verdächtiger Leute verglichen werden. Tschüss und bis zum nächsten Mal!
Wie ist die DNA aufgebaut? Übung
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Benenne die Elemente der DNA.
TippsAdenin und Thymin bilden ein Basenpaar.
„Desoxy“ in Desoxyribose bedeutet, dass am C-2 die OH-Gruppe fehlt.
LösungDie DNA-Doppelhelix kann mit einer in sich gedrehten Strickleiter oder einer Wendeltreppe verglichen werden. Dabei bilden Phosphatgruppen und Zucker (hier: Desoxyribose) das Geländer der Treppe und die organischen Basen, welche durch Wasserstoffbrücken verbunden sind, die Treppenstufen. Es paaren sich stets Guanin und Cytosin durch drei Wasserstoffbrücken und Adenin und Thymin durch zwei Wasserstoffbrücken. Sie sind jeweils komplementär, also zueinander passend. Ein Nucleotid besteht aus der Phosphatgruppe und der Desoxyribose, welche durch Diesterbindungen verbunden sind, sowie einer organischen Base (Guanin, Cytosin, Thymin und Adenin). Ohne eine Phosphatgruppe, also nur Base und Desoxyribose, stellt es ein Nucleosid dar. Beide Stränge der DNA verlaufen antiparallel, d.h., sie verlaufen in entgegengesetzter Richtung.
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Beschreibe zentrale Elemente der DNA.
TippsVerdeutliche dir die räumliche Struktur der DNA-Doppelhelix. Welche Strukturen findet man nur außen und welche nur innerhalb der Helix?
Die DNA-Doppelhelix könnte man auch mit einer gezwirbelten Strickleiter vergleichen.
Eine „Treppenstufe“ besteht aus zwei über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbundenen Nucleinbasen.
LösungDas DNA-Molekül wird ganz oft mit einer Wendeltreppe verglichen. Diese Art von Vergleichen hilft uns manchmal, die Zusammensetzung und den Aufbau des Moleküls zu verstehen.
Bei diesem Vergleich wird das Geländer der DNA-Doppelhelix durch das Zucker-Phosphat-Rückrat gebildet. Die Treppenstufen bilden die organischen Basen, wobei sich stets Guanin und Cytosin sowie Adenin und Thymin paaren. Dabei werden entweder drei oder zwei Wasserstoffbrücken ausgebildet, die die beiden Einzelstränge wie Holzleim zusammenhalten.
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Ordne den Kurven im Diagramm den richtigen DNA-Strang zu.
TippsDie Zusammensetzung der DNA-Doppelhelix bestimmt die Absorptionseigenschaften.
Beim Erhitzen wird der DNA-Doppelstrang in seine Einzelstränge aufgespalten. Je stabiler die beiden Teilstränge zusammenhalten, desto mehr Energie muss in Form von Wärme zugeführt werden, um diese zu trennen.
Guanin paart sich nur mit Cytosin und Thymin nur mit Adenin.
Die Gesamtmenge der Basen einer DNA entspricht 100% (z.B. Typ A: 35+65=100).
Eine Absorption bei 260 nm erhält man erst, wenn die DNA als Einzelstrang vorliegt.
LösungUm eine Absorption bei 260 nm aufnehmen zu können, muss die DNA als Einzelstrang vorliegen. Durch Erhitzen der DNA-Doppelhelix kann man bewirken, dass sich die DNA in zwei Einzelstränge auftrennt. Es gilt: Je größer der Anteil an Guanin-Cytosin-Paarungen im DNA-Doppelstrang ist, desto stabiler ist der Doppelstrang gegen Temperatur. Man benötigt dadurch mehr Energie, also höhere Temperaturen zum Aufspalten in Einzelstränge als bei DNA-Doppelsträngen mit einem großen Anteil von Adenin-Thymin-Basenpaaren. Der Grund dafür ist die Anzahl der ausgebildeten Wasserstoffbrücken. AT-Basenpaare bilden nur zwei Wasserstoffbrücken aus, während GC-Basenpaare drei Wasserstoffbrücken ausbilden.
Typ B enthält den größten Anteil an GC-Paarungen. Deshalb benötigt man für diese DNA die höchste Temperatur, um sie in ihre Einzelstränge aufzutrennen und sie bei 260 nm messen zu können. Typ B ist die Kurve ganz rechts auf der Temperatur-Achse.
Typ C besitzt den geringsten Anteil an GC-Paarungen und ist deshalb schon bei geringen Temperaturen in seine Einzelstränge aufgetrennt und bei 260 nm messbar. Typ C ist die Kurve ganz links auf der Temperatur-Achse.
Von links nach rechts lautet die Abfolge also:
Typ C - Typ D - Typ A - Typ B.
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Interpretiere das Diagramm bezüglich des Basengehalts der DNA-Moleküle der verschiedenen Organismen.
TippsGuanin und Cytosin bilden aufgrund ihrer räumlichen Struktur drei Wasserstoffbrücken aus. Adenin und Thymin können nur zwei Wasserstoffbrücken ausbilden.
Je mehr Wasserstoffbrückenbindungen in der DNA vorhanden sind, desto stabiler ist dieses Molekül.
Je stabiler das DNA-Molekül ist, desto mehr Energie muss in Form von Wärme aufgewendet werden, um sie zu schmelzen.
LösungDer prozentuale Anteil an Guanin-Cytosin-Paarungen im DNA-Molekül bestimmt seine Stabilität maßgeblich, denn so steigt auch der Anteil an Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Einzelsträngen der DNA-Doppelhelix.
Deshalb muss mehr Wärmeenergie aufgewendet werden, um die DNA zu entspiralisieren und die Einzelstränge zu trennen. Somit kann aus dem Diagramm ermittelt werden, dass sich die Schmelztemperatur maßgeblich nach der Basenzusammensetzung richtet.
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Kennzeichne den komplementären Basenstrang.
TippsEs paaren sich nur Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin.
Die Stränge der DNA-Doppelhelix verlaufen antiparallel, also mit entgegengesetzter Orientierung.
Das 3'-Ende des einen Einzelstrangs steht dem 5'-Ende des komplementären Einzelstranges gegenüber.
LösungDa die Einzelstränge der DNA-Doppelhelix antiparallel laufen und zueinander komplementär sind, kann ein Thymin nur einem Adenin und ein Guanin nur einem Cytosin gegenüberstehen. Des Weiteren passt der komplementäre Strang nur dann, wenn dem 3'-Ende ein 5'-Ende gegenübersteht und umgekehrt.
Behalte immer im Kopf, dass es sich bei der DNA um ein Molekül handelt und versuche es dir räumlich vorzustellen. So wirst du dir vorstellen können, dass sowohl die Basenabfolge 3' -TATCGTTACGTT- 5' als auch das umgekehrte Molekül 5' -TTGCATTGCTAT- 3' der komplementäre Strang zum Ausgangsmolekül sind.
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Vergleiche ein DNA-Molekül und RNA-Molekül bezüglich ihres Aufbaus miteinander.
TippsLies noch einmal genau die Namen der Moleküle und versuche, daraus ihren chemischen Bau abzuleiten.
Die RNA spielt in sehr vielen Prozessen eine wichtige Rolle. Sie wird bei der Transkription synthetisiert. Die DNA dient dabei als Vorlage.
LösungEin wesentlicher Unterschied zwischen der DNA und der RNA besteht in dem Zucker. Bei der DNA wird dieser von Desoxyribose gebildet. Diesem Zucker-Molekül fehlt am zweiten Kohlenstoffatom eine OH-Gruppe. Ist diese OH-Gruppe jedoch vorhanden, so spricht man vom Zucker Ribose. Ribose ist in der RNA enthalten. Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht in der Basenzusammensetzung. Statt Thymin ist in der RNA die organische Base Uracil enthalten. Gemeinsam ist beiden Molekülen die Phosphat-Gruppe und die drei organischen Basen Adenin, Cytosin und Guanin. Die DNA liegt stets in der Doppelhelix-Struktur vor, während die RNAs als Einzelstränge gebaut werden. RNA-Moleküle sind auf Grund der noch vorhandenen OH-Gruppe am zweiten Kohlenstoffatom recht instabil. Dies ist jedoch kein Problem, da die RNA-Moleküle ohnehin nur temporäre Überträger von genetischen Informationen sind. Die DNA-Moleküle sind auf Grund der fehlenden OH-Gruppe am zweiten Kohlenstoffatom stabiler und das müssen sie auch sein. DNA-Moleküle übernehmen nämlich eine langfristige Speicherfunktion von genetischen Informationen.
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35 Kommentare
Hallo Tanja R.,
damit haben Sie streng genommen recht. Der Begriff „Säure“ in Desoxyribonukleinsäure bezieht sich auf den ungeladenen Zustand des Moleküls. In wässriger Lösung ist DNA daher keine Säure (mehr).
Beste Grüße aus der Redaktion
Sehr schön erklärt und es macht Spaß sich das anzuschauen :) Eine Kleinigkeit noch: Es wird gesagt, dass die Phosphatreste als Säure wirken, weil sie Protonen abgegeben haben...aber sobald sie alle Protonen abgegeben haben, sind sie keine Säure mehr ;) Und so wie DNA in fast allen Büchern dargestellt ist, komplett deprotoniert, ist sie eine Base und keine Säure, oder?
Das „Z“ steht für Zucker, gemeint ist hier die Desoxyribose!
Wofür genau steht das Z, auf dem Ding, was bei 1:47 ins Bild geschoben wird?
Hallo Eugster 1,
vielen Dank für deinen Kommentar.
Ich empfehle dir das Video „Was ist DNA?“. Hier der Link dazu:
https://www.sofatutor.com/biologie/videos/was-ist-dna
Beste Grüße aus der Redaktion