DNA Abiwissen
Hier erfährst du alles über den Aufbau (Bestandteile und die Struktur) der DNA, ihre Funktion, die wichtigsten Prozesse (DNA Replikation, Transkription und Translation) und die verschiedenen Arten von Mutationen. Schau dir auch unser Video dazu an!
Inhaltsübersicht
Was ist die DNA?
Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist ein großes Molekül und trägt die Erbinformationen der Zellen. Bei Eukaryoten befindet sie sich im Zellkern und besteht aus Zucker (Desoxyribose), Phosphatgruppen und Basen (Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin). Die Bestandteile sind über chemische Verbindungen zu einer sogenannten Doppelhelix verbunden.
Die DNA kommt in allen Lebewesen und auch bei vielen Viren vor. Sie enthält die Informationen, die die Zellen zur Herstellung von Proteinen (z. B. Enzyme) benötigen und bestimmt dadurch deine Entwicklung und auch dein Erscheinungsbild.
Die DNA oder auch Desoxyribonukleinsäure (engl. deoxyribonucleic acid) bezeichnet das Erbmaterial aller Lebewesen. Sie setzt sich aus vielen Nukleotiden (Desoxyribose, Phosphatgruppe und organische Base) in Form einer Doppelhelix zusammen.
DNA Aufbau
Die DNA ist aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt:
- Zucker (Desoxyribose)
- Phosphatgruppen
- Basen (Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin)
Je ein Zucker, eine Phosphatgruppe und eine Base sind über chemische Bindungen miteinander verbunden und bilden ein sogenanntes Nukleotid. Mehrere Nukleotide sind wiederum zu einem DNA-Strang und zwei Stränge zu einem Doppelstrang verbunden. Der Doppelstrang liegt in der Regel als schraubenförmigen DNA-Doppelhelix vor.
Aber aufgepasst: Es können sich nur bestimmte Basen miteinander verbinden — und zwar Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin. Zwei DNA-Stränge können sich also nur dann zu einem Doppelstrang verbinden, wenn die Basen zusammenpassen, also komplementär sind.
DNA Bestandteile
Bei der DNA (Desoxyribonukleinsäure) handelt es sich um eine sogenannte Nukleinsäure. Das sind chemische Moleküle, die aus lediglich drei Grundbausteinen aufgebaut sind: Zuckermolekülen, organischen Basen und Phosphatgruppen. Bei der DNA sind das die Desoxyribose, die Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin sowie die Phosphatgruppen.
Ein Zuckermolekül und eine der organischen Basen bezeichnest du zusammen als Nukleosid. Ein Nukleosid zusammen mit dem Phosphatrest nennst du Nukleotid.
Desoxyribose
Bei der Desoxyribose handelt es sich um das Zuckermolekül der DNA. Es besteht aus fünf Kohlenstoffatomen und wird deshalb auch als Pentose bezeichnet.
Die Kohlenstoffatome am Zuckermolekül werden im Uhrzeigersinn mit den Zahlen 1–5 nummeriert. Das ist wichtig, um nachvollziehen zu können, an welcher Stelle sich das Molekül mit den Basen und dem Phosphatrest verbindet.
Merke: Die organische Base ist in der Regel an das 1. C-Atom (Kohlenstoffatom) gebunden, der Phosphatrest am 5. C-Atom.
Organische Basen
Bei den organischen Basen handelt es sich um stickstoffhaltige Verbindungen. Bei der DNA unterscheidest du 4 verschiedene Basen:
- Adenin (A)
- Thymin (T)
- Cytosin (C)
- Guanin (G)
Merke: Die Base Thymin kommt dabei nur in der DNA vor, in der RNA wird sie durch Uracil (U) ersetzt.
Jeweils eine der vier organischen Basen verbindet sich nun über eine sogenannte glykosidische Bindung mit der Desoxyribose — und zwar immer über das 1. Kohlenstoff-Atom (1′) des Zuckermoleküls. Die entstehende Verbindung aus Desoxyribose und Base bezeichnest du als Nukleosid.
Ging dir das etwas zu schnell? Eine kleinschrittigere Erklärung zum Aufbau der DNA und den Basen findest du in unserem Beitrag DNA einfach erklärt !
Phosphatgruppe
Der letzte Baustein der DNA ist der Phosphatrest. Er besteht aus einer oder mehreren Phosphatgruppen. Die Desoxyribose, also das Zuckermolekül, bindet sich über sein 5. C-Atom (5′) mit dem Phosphatrest.
Verbindet sich ein Nukleosid (Zuckermolekül und Base) mit der Phosphatgruppe, erhältst du ein Nukleotid.
Was bedeutet 5′ → 3′- und 3′ → 5′?
Aufgrund der Bindungsverhältnisse der Nukleotide sind die beiden Stränge der Helix gegenläufig (antiparallel) angeordnet.
Die Zucker-Phosphat-Kette verläuft dabei auf der einen Seite in 5′ → 3′ Richtung, auf der anderen Seite von 3′ → 5′-Richtung. Das bedeutet, dass das 5. C-Atom des einen Strangs in eine Richtung zeigt, das 5. C-Atom des anderen Strang allerdings in die entgegengesetzte Richtung.
DNA Struktur
Die Nukleotide, also die kleinen Einheiten der DNA, sind miteinander verbunden. Dabei besteht jeweils eine Verbindung zwischen dem C3-Atom (3′) des Zuckers und einem Phosphatrest. Es entsteht eine lange Kette namens DNA-Strang, bei der sich die Zucker- und Phosphatmoleküle abwechseln.
Zwei dieser DNA-Stränge lagern sich zu einem sogenannten Doppelstrang zusammen. Du kannst ihn mit einer Strickleiter vergleichen:
- Holme: Die rechte und linke Seite der Leiter sind hier die zwei parallel verlaufende Molekülfäden aus Zucker und Phosphat.
- Sprossen: Die Holme sind über die Basen und die zwischen ihnen herrschenden zwischenmolekulare Kräfte (Wasserstoffbrückenbindungen ) verknüpft. Die miteinander verbundenen Basen sind also die Querverbindung der Strickleiter.
Zusätzlich ist die DNA-Strickleiter schraubig gewunden — etwa alle 10 Basenpaaren hat sie sich einmal um ihre eigene Achse gewunden. Du sprichst hierbei dann von einer Doppelhelix.
Merke: Die Struktur der DNA wurde 1962 von den Forschern Watson und Crick entdeckt. Du bezeichnest sie deshalb auch als Watson Crick Modell.
Verpackung der DNA als Chromosomen
In deinem Körper befindet sich sehr viel DNA. Würdest du alle DNA-Fäden aus nur einem Zellkern aneinander reihen, wären sie ungefähr 2 m lang. Damit die gesamte DNA in deinen Zellkernen Platz findet, liegt sie deshalb in der Regel komprimiert vor — und zwar in Form von sogenannten Chromosomen .
Jedes Chromosom besteht dabei aus einem einzelnen langen DNA-Doppelstrang und speziellen Proteinen (u. a. Histone). Der lange DNA-Faden windet sich dabei immer zweimal um jeweils acht Histone. Es entsteht jetzt quasi eine Art Perlenkette, die sich aus dem DNA-Faden und den Histonkomplexen zusammensetzt. Dadurch kann die Desoxyribonukleinsäure Platz einsparen.
Einen einzelnen Histonkomplex mit DNA kannst du auch Nukleosom nennen. Die Gesamtheit der Desoxyribonukleinsäure und aller Proteine bezeichnest du als Chromatin .
DNA Funktion
Die DNA hat in deinem Körper eine Hauptfunktion , denn sie trägt das Erbgut und damit alle Informationen, die dein Körper zum Entwickeln, Wachsen und Überleben braucht. Die ist für deinen Körper also eine Art Bauplan.
Mithilfe der sogenannten Proteinbiosynthese wird in deinem Körper DNA abgelesen und es werden die benötigten Proteine hergestellt. Der Prozess erfolgt in zwei Phasen, der Transkription und der Translation .
Schau dir unsere separaten Videos zu den Themen an und finde alles heraus, was du über die Proteinherstellung wissen musst!
DNA Sequenzierung
Unter der DNA Sequenzierung verstehst du die Ermittlung der Basensequenz, also Basenabfolge, in der DNA. Einfach gesagt, wird die Anordnung der jeweiligen Nukleotide in der DNA bestimmt.
Hierfür eignen sich verschiedene Verfahren, beispielsweise die sogenannte Sanger-Sequenzierung .
Die DNA Sequenzierung bereitet der Gentechnik viele neue Möglichkeiten. So können zum Beispiel bestimmte Erbkrankheiten erkannt werden. Außerdem handelt es sich dabei um die Grundlage für die Klonierung des Erbguts.
Mutationen in der DNA
Bei Mutationen handelt es sich um Veränderungen in der Desoxyribonukleinsäure. Sie können sowohl positive als auch negative Einflüsse auf den Organismus haben und können sehr unterschiedliche Ursachen haben, z. B. UV-Strahlung.
Mutationen treten entweder spontan, unter natürlichen Bedingungen auf (Spontanmutationen) oder können experimentell verursacht werden (induzierte Mutationen). Insgesamt unterscheidest du dabei folgende Arten von Mutationen:
- Genommutationen : Sie führt zu einer veränderten Chromosomenzahl. Das kann den gesamten Chromosomensatz (Polyploidie) oder einzelne Chromosomen (Aneuploidie) betreffen, wie es bei Trisomie 21 (Down-Syndom) der Fall ist.
- Chromosomenmutationen : Bei der Art von Mutationen handelt es sich um eine starke Veränderung der Struktur eines oder mehrerer Chromosomen.
- Genmutationen : Hierbei kann sich die Basenabfolge der Desoxyribonukleinsäure entweder durch Verlust, Hinzufügen oder Austausch von Nukleotiden ändern.
Schau gerne bei unserem Video zu den Mutationen vorbei, um mehr über die einzelnen Arten der Mutationen und ihre Ursachen zu erfahren!
Verdopplung der DNA
Um DNA zu verdoppeln, gibt es unterschiedliche Wege:
- DNA-Replikation : Durch die sogenannte DNA-Replikation vermehrt sich die DNA in deinen Zellen.
- Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR): Mithilfe der PCR können im Labor Kopien der DNA angefertigt werden.
DNA Replikation
Die Desoxyribonukleinsäure kann sich sowohl bei Eukaryoten als auch Prokaryoten selbst verdoppeln, indem sie mithilfe von Enzymen (u. a. DNA-Polymerase ) eine identische Kopie von sich anfertigen lässt. Das kannst du als DNA Replikation bezeichnen.
So funktioniert die DNA-Replikation:
- Zunächst trennt ein spezielles Enzym (Helicase) die Wasserstoffbrückenbindungen, die sich zwischen den jeweiligen Basenpaaren befinden. Das kannst du dir wie bei der Öffnung eines Reißverschlusses vorstellen.
- Die beiden offen gelegenen Einzelstränge stellen eine Vorlage (Matrize) für einen neu herzustellenden Strang dar.
- Die beiden einzelnen Stränge werden jeweils mit freien Nukleotiden zu einem Doppelstrang ergänzt.
- Es entstehen zwei identische Doppelstränge, bei denen jeweils eine Hälfte von der ursprünglichen Desoxyribonukleinsäure stammt und eine Hälfte neu hergestellt wurde (semikonservative Replikation).
Um die Replikation im Detail nachzuvollziehen, schaue jetzt bei unserem Video dazu vorbei!
PCR (Polymerase Kettenreaktion)
Die DNA kann auch künstlich im Labor verdoppelt werden — nämlich mit der sogenannten PCR (Polymerase-Ketten-Reaktion oder polymerase chain reaction). Damit gelingt es, ausgewählte DNA-Abschnitte zu vervielfältigen und unbegrenzt viele Kopien einer vorliegenden DNA-Sequenz zu generieren.
Die Vervielfältigung ist wichtig, da häufig nur eine kleine Menge an DNA vorliegt. In der Kriminalistik ist die PCR beispielsweise häufig zur Ermittlung des genetischen Fingerabdrucks eines Täters notwendig.
Die Methode der PCR ist in vielen Schritten ähnlich zur natürlichen Replikation. Bei der PCR werden immer 3 Arbeitsschritte wiederholt:
- Denaturierung: Dabei werden die Basenpaare durch Hitze voneinander getrennt.
- Primerhybridisierung: Dann lagern sich sogenannte Starter (Primer) an die Einzelstränge an.
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Amplifikation/Elongation: Nun kann das Enzym DNA-Polymerase für die Herstellung eines komplementären DNA Doppelstrangs sorgen.
In unserem Video zur Polymerase Kettenreaktion , lernst du Schritt für Schritt, wie der Vorgang genau abläuft! Schau gerne vorbei!
DNA Formen
Neben der DNA im Zellkern eukaryotischer Lebewesen gibt es noch weitere DNA Formen:
- mitochondriale DNA (mtDNA): Sie kommt beispielsweise in unseren Mitochondrien , also den Kraftwerken der Zellen, vor. Dass die Mitochondrien eigene DNA besitzen, lässt sich durch die Endosymbiontentheorie begründen.
- Chloroplasten DNA (ctDNA)/Plastiden-DNA (cpDNA): Sie kommt in den Chloroplasten bzw. Plastiden von Pflanzen vor.
- bakterielle DNA: Du findest sie in Bakterienzellen und Archaeen . Die Desoxyribonukleinsäure liegt hier meist nicht als Faden, sondern in Ringform vor. Zusätzlich sind oft noch kleinere DNA-Ringe (Plasmide ) vorhanden.
- virale DNA: Viren besitzen diese Art der DNA. Es handelt sich dabei entweder um Desoxyribonukleinsäure oder Ribonukleinsäure (RNA). Das Erbgut kann hier in unterschiedlichen Formen vorliegen (segmentiert, ringförmig oder linearer Strang)
Unterschied DNA und RNA
Die DNA und RNA sind sich in ihrem Aufbau sehr ähnlich. Dennoch gibt es ein paar wichtige Unterschiede, die du dir merken solltest:
- Die RNA hat im Gegensatz zur DNA keinen Doppelstrang, sondern einen Einzelstrang.
- Das Zuckermolekül zwischen den beiden Nukleinsäuren unterscheidet sich. Bei der Desoxyribonukleinsäure ist es die Desoxyribose, bei der RNA hingegen die Ribose. Bei der Desoxyribose handelt es sich um eine Ribose mit einem fehlenden Sauerstoffatom.
- Anstelle der Base Thymin findest du bei der RNA die Base Uracil.
Hier findest du einen ausführlichen Vergleich von DNA und RNA!
Zusammenfassung
- Die DNA ist der Träger der Erbinformationen.
- Ein Desoxyribonukleinsäure-Molekül besteht aus zwei komplementären, antiparallelen gewundenen Polynukleotidsträngen, die über Wasserstoffbrückenbindungen querverbunden sind (Doppelhelix).
- Der kleinste Baustein der Desoxyribonukleinsäure ist das Nukleotid (Zucker + Phosphatgruppe + organische Basen).
- Ein Gen ist ein Abschnitt auf der Desoxyribonukleinsäure, der für ein Protein (z. B. Enzym) codiert.
- In der Proteinbiosynthese (Transkription und Translation ) wird die genetische Information auf der DNA zu Proteinen übersetzt, die dann den Phänotyp beeinflussen können.