Genetik

DNA Aufbau

Was ist DNA und wie ist sie aufgebaut? Hier erklären wir dir alles über den DNA Aufbau, Struktur und Organisation der Desoxyribonukleinsäure. %Du lernst lieber audio-visuell? Kein Problem! Wir haben auch ein anschauliches Video für dich vorbereitet. 

Inhaltsübersicht

DNA Aufbau einfach erklärt

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure)%Verweis kannst du auch als „Träger unserer Erbinformation“ bezeichnen. Sie beeinflusst unser Aussehen (=Phänotyp%Verweis) und Stoffwechsel, da sie den Bauplan für uns Lebewesen enthält.

Aufgebaut ist die DNA als Makromolekül, was bedeutet, dass sie aus sehr vielen zusammengesetzten Einzelbausteinen – den sogenannten Nukleotiden (Zucker +Phosphatgruppen + organische Base)- besteht. Daraus ergibt sich der genaue DNA Aufbau: Sie liegt als doppelsträngiges Molekül, dass sich um seine eigene Achse wie eine Schraube windet (= Doppelhelix%evtl. Verweis) vor.

Die DNA kommt in jeder Zelle deines Körper vor und ist das Kennzeichen aller Lebewesen. Bei den Eukaryoten (Tiere , Pflanzen , Pilze) befindet sie sich hauptsächlich in den Chromosomen im Zellkern . Bei den Prokaryoten hingegen „schwimmt“ sie frei im Cytoplasma herum. 

Definition DNA Aufbau

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure; engl. deoxyribonuclein acid) liegt als doppelsträngige, schraubförmige Helix (Doppelhelix) vor. Ihre kleinste molekulare Einheit ist das Nukleotid (Zucker +Phosphatgruppe + organische Base). 

DNA Aufbau Überblick

In diesem Artikel soll vor allem die Struktur und der DNA Aufbau der Eukaryoten im Vordergrund stehen. Bevor wir ins Detail gehen, bekommst du hier zunächst einen Überblick über den Aufbau der DNA und ihre Organisation im Zellkern. 

Beim „Heranzoomen“ in unseren Zellkern können wir zunächst die 46 menschlichen Chromosomen entdecken. Sie besitzen meist ein X-artiges Erscheinungsbild und in ihnen ist ein langer DNA Faden wie eine Art Wollknäuel angeordnet.

Um die DNA komprimiert verpackt im Zellkern unterzubekommen, ist sie in den Chromosomen um bestimmte Proteine – den Histonen– wie eine Art Lockenwickler aufgewickelt. Die Gesamtheit aus DNA und Proteine kannst du auch als Chromatin bezeichnen.

Der DNA Faden ist wiederum aus zwei Doppelsträngen aufgebaut, bei dem sich die jeweiligen Einzelstränge über zwischenmolekulare Kräfte – den Wasserstoffbrückenbindungen – verbinden. Der DNA Doppelstrang nimmt die Form einer Helix an, die sich schraubenförmig um ihre eigene Achse windet. 

%<img class="" src="https://us-static.z-dn.net/files/d7b/ea1701554b302bbc397cc97c8837fe64.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="348" height="261" />%Verpackungsstufen der DNA, alt. Text: Chromosom, Histon, Nukleosom, DNA, Doppelhelix, supercoils, Centromer

Schauen wir uns den DNA bzw. DNS Aufbau aber noch einmal Schritt für Schritt an: 

Nukleotid als kleinster Baustein der DNA

Der molekulare Grundbaustein der DNA ist das sogenannte Nukleotid. In einem DNA Molekül sind viele dieser Nukleotide aneinandergereiht. Betrachten wir zunächst aber die Zutaten, die wir für ein Nukleotid benötigen: 

Zucker

Beginnen wir mit dem Zuckermolekül – der sogenannten Desoxyribose. Es handelt sich um eine Pentose, also ein Zuckermolekül bestehend aus fünf Kohlenstoffatomen.  „Desoxy“ bedeutet ohne Sauerstoff, denn wie du in der Abbildung erkennen kannst, fehlt dieser am 2. Kohlenstoffatom. 

Bei der Ribose hingegen – dem Grundbaustein der RNA – ist der Sauerstoff dort vorhanden. 

Die Kohlenstoffatome am Zuckermolekül werden mit den Zahlen 1-5 im Uhrzeigersinn durchnummeriert. Das ist wichtig zur Orientierung, damit wir immer wissen, an welchem Kohlenstoffatom eine Verknüpfung erfolgt. 

%<img class="" src="https://www.biologielessen.nl/Afbeeldingen/Begrippen_illustraties/D/Deoxyribose.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="509" height="205" />%Desoxyribose und Ribose ; alt Text: DNA, RNA, Nukleotid, Pentose, Nukleosid, Zucker%Nummerierung der Kohlenstoffatome bitte unbedingt mit ins Bild;

Phosphatgruppe

Die nächste Zutat für den Aufbau der DNA stellt eine Phosphatgruppe dar. Zucker und Phosphat kommen hier immer im selben Verhältnis (1:1) vor. Jedes Zuckermolekül ist also mit je einem Phosphatrest verbunden. 

Die Phosphatgruppe besitzt die chemische Zusammensetzung (PO43- ). Sie entsteht, wenn Phosphorsäure (H3PO4) in wässriger Umgebung, wie sie in unseren Zellen vorliegt, Wasserstoffprotonen (H+) abgibt.

DNA Basen

Außerdem benötigen wir jetzt noch 4 organische, stickstoffhaltige Basen:

  • Adenin (A)
  • Thymin (T)
  • Guanin (G)
  • Cytosin (C)

Sie können je nach chemischem Aufbau in die Stoffgruppen der Purine (Adenin und Guanin) und der Pyrimidine (Thymin und Cytosin) eingeteilt werden. Die Base Thymin ist hier einzigartig für die DNA.

%<img class="" src="https://www.hoffmeister.it/biologie/08vererbung_(genetik)_und_entwicklung/08.12molekulare_grundlagen_der_vererbung_(molekulargenetik)/basen.png" alt="Quellbild anzeigen" width="232" height="241" />%Beschriftung: DNA Basen , alt Text: Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin, Purinbase, DNA, Pyrimidinbase%Uracil hier weglassen

Nukleotid Aufbau

Schauen wir uns nun an, wie die einzelnen Puzzleteile („Base, Zucker und Phosphatgruppe“) in einem Nukleotid miteinander verknüpft sind. Damit kommen wir den exakten DNA Aufbau schon ein Stück näher. 

Hierfür ist die Nummerierung der Kohlenstoffatome im Zuckermolekül – der Desoxyribose – wichtig. Der Zucker verbindet sich mit seinem C1-Kohlenstoffatom (1′) mit einer der 4 stickstoffhaltigen Basen. Diese Bindung kannst du als sogenannte N-glykosidische Bindung bezeichnen.  Darunter kannst du verstehen, dass sich das besagte Kohlenstoffatom des Zuckers mit der Aminogruppe (-NH-) der Base verknüpft. 

Du kannst die Verbindung aus einem Zucker und einer Base auch als Nukleosid bezeichnen. 

Das entstehende Nukleosid verbindet sich nun über über das 5. Kohlenstoffatom (5′)  mit einer Phosphatgruppe. Hierbei entsteht eine Ester bindung zwischen dem besagten Kohlenstoffatom (C) der Desoxyribose und dem Sauerstoffatom (O) des Phosphatrestes. 

Das jetzt entstehende Molekül aus Zucker, Base und Phosphatgruppe kannst du auch als Nukleotid bezeichnen. Wie du bereits gelernt hast, handelt es sich hierbei um die kleinste Baueinheit der DNA. 

%<img class="" src="https://d3uigcfkiiww0g.cloudfront.net/wordpress/blog/pics-de/uploads/2015/03/Nukleotide-1.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="536" height="250" />

%<img class="" src="https://s3.amazonaws.com/classconnection/988/flashcards/4830988/jpg/dna-nucleotide-151510A5D3270051BD6.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="273" height="190" />%Aufbau Nukleotid, alt Text: Nukleosid, Nukleotid, N-glykosidsiche Bindung, Base, Esterbindung, Phosphat, Zucker, DNA, RNA%Hier unbedingt die Kohlenstoffatome durchnummerieren, auf einer Seite das Schema (oben) darstellen und auf der anderen Seite die genauen chemischen Strukturen: hier mit Base Thymin

Ein sehr bekanntes Nukleotid ist übrigens auch das ATP-Molekül – der Energieträger unserer Zellen. 

DNA Strang Aufbau

Machen wir nun auf der nächsten Ebene des DNA Aufbaus weiter: In der DNA bilden nun viele aneinander gereihte Nukleotide einen Strang, den du auch als Polynukleotid („poly“ = viele) bezeichnen kannst. 

Doch wie lautet der genaue DNA Strang Aufbau? 

Wichtig ist, dass du dir merkst, dass der DNA Strang immer nur an seinem 3′ Ende wachsen kann. An ihm befindet sich nämlich eine Hydroxygruppe (-OH), die sich mit einer weiteren Phosphatgruppe eines neuen Nukleotids verbinden kann. 

Wie du bereits gelernt hast ist die Desoxyribonukleinsäure als Doppelstrang aufgebaut, den du mit dem Aufbau einer Strickleiter vergleichen kannst. Die Holmen stellen hier zwei parallel verlaufende Molekülfäden, abwechselnd aus Zucker und Phosphat, dar. Sie sind über die jeweiligen Basen über Wasserstoffbrückenbindungen verknüpft. Diese Querverbindung entspricht den Sprossen der Strickleiter.   

%<img class="" src="https://i.stack.imgur.com/bhdSt.jpg" width="361" height="247" />

%<img class="" src="https://th.bing.com/th/id/OIP.kW_KFF6w6ABx0YOqmHR_sgAAAA?pid=Api&rs=1" alt="Quellbild anzeigen" width="183" height="235" />

%DNA Aufbau vom Polynukleotid zur DNA Strickleiter, alt Text: DNA, Doppelstrang, Nukleotid, Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin, komplementäre Basen

%Hier zunächst die chemische Struktur der Polynukleotide zeigen (Ribose und uracil links in der Ecke kann weg) und daneben dann das Strickleiter Modell (unteres Bild links) die Helix hier noch weglassen

Komplementäre DNA Basen

Es kommt hier aber immer nur zu einer Basenpaarung zwischen einer Purinbase und einer Pyrimidinbase. Genauer gesagt verbinden sich nur die Basen  Adenin-Thymin (2 Wasserstoffbrückenbindungen) und Cytosin-Guanin (3 Wasserstoffbrückenbindungen) miteinander.

%<img class="" src="https://schule.johanneskroening.de/wp-content/uploads/2012/11/DNA-Basen.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="373" height="207" />

%<img class="" src="http://www.si-journal.de/jg17/heft1/img/sij171-2-1a.gif" alt="Quellbild anzeigen" width="229" height="326" />

%komplementäre Basenpaarung; alt Text: Adenin, Thymin, Guanin Cytosin, Wasserstoffbrückenbindungen, Nukleotid, DNA, Doppelstrang

%im Bild bitte auf einer Seite Schematische Darstellung der WBB zwischen den Basen und einfach die genauen Moleküle; wasserstoffbrückenbindungen bitte beschriften

Das kannst du auch als komplementäre Basen bzw. Basenpaarung bezeichnen. Wenn du also einen Strang der DNA kennst, kannst du den anderen ergänzen. Aus der Basenpaarung ergibt sich außerdem, dass Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin immer im selben Mengenverhältnis vorkommen (Chargaff Regel)

Aufgrund dieser Bindungsverhältnisse ergibt sich eine sogenannte Antiparallelität der beiden Einzelstränge. Darunter kannst du verstehen, dass die beiden Stränge der DNA  gegenläufig (antiparallel) angeordnet sind. Die eine Zucker-Phosphat-Kette verläuft vom 5′ Ende zum 3′ Ende ( 5′ -> 3′) während die andere „verkehrtherum“ vom 3′ Ende zum 5′ Ende (3′ -> 5′)verläuft. 

%<img class="" src="https://www.hoffmeister.it/biologie/08vererbung_(genetik)_und_entwicklung/08.12molekulare_grundlagen_der_vererbung_(molekulargenetik)/DNA-Strang.png" alt="Quellbild anzeigen" width="354" height="504" />

%antiparalleler DNA Doppelstrang, alt Text: DNA, Doppelstrang, Nukleotid, Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin, komplementäre Basen

%Hier unbedingt die Enden und die Nummerierung mitreinbringen; Basenpaarung gerne so schematisch wie hier

Gen

Unter einem Gen kannst du einen Abschnitt auf der DNA verstehen, der einen Code für die Synthese eines Protein (z.B. Enzym) darstellt. Es handelt sich hierbei um eine Art Verschlüsselung (Genetischer Code)%Verweis, bei der immer drei aufeinanderfolgenden Basen der DNA (=Basentriplett) eine Aminosäure ergeben. Ein Mensch besitzt bis zu 50.000 Gene. Beeindruckend oder? 

Unter der Proteinbiosynthese mit ihren Teilschritten Transkription und Translation kannst du den Mechanismus zur Entschlüsselung des genetischen Codes bis zur Herstellung eines Proteins verstehen. 

Doppelhelix

Mittels Röntgenstrahlung konnte noch eine weitere wichtige Erkenntnis hinsichtlich der räumlichen Struktur der DNA gewonnen werden. Sie kommt nämlich nicht in Form einer linearen Strickleiter, sondern als schraubig gewundener Doppelstrang vor. Nach seinen Entdeckern handelt es sich um das „Watson Crick Modell„. 

Der DNA Strang windet sich nach je zehn Basenpaaren um die (imaginäre) Achse der Schraube. Die „DNA-Schraube“ kannst du auch als DNA Doppelhelix oder DNA Helix bezeichnen, da das Wort „Helix“ im griechischen „gewunden oder gebogen“ bedeutet. 

Normalerweise handelt es sich um eine rechtsgängige DNA-Helix. Das kannst du dir veranschaulichen, indem du deine rechte Hand so hinhältst, dass der Daumen nach oben zeigt. Deine Finger stellen die Windung der Helix dar, die sich von unten nach oben windet. 

%<img class="" src="https://th.bing.com/th/id/OIP.kpf5iMXrYTOnTEOlb4Aq0QHaGv?pid=Api&rs=1" alt="Quellbild anzeigen" width="335" height="305" />

%Beschriftung: DNA Doppelhelix , alt Text: DNA, RNA, Nukleotide, DNA Basen, Proteinbiosynthese, Gen, Phosphat, Doppelhelix, Desoxyribose

Insgesamt besitzt die menschliche DNA übrigens einen Durchmesser von 2 nm und besteht aus aus circa 3,2 Milliarden Nukleinbasenpaaren.

Große und kleine Furche

Bei genauer Betrachtung der DNA Helix fällt auf, dass beim Umeinanderwinden der Stränge unterschiedlich große Abstände entstehen. Hier kannst du zwischen der großen Furche (Abstand: 2,2 nm) und der kleinen Furche (Abstand: 1,2 nm) unterscheiden. 

Daraus ergibt sich, dass die Basen der großen Furche besser von Proteinen erreicht werden können. Das spielt zum Beispiel bei der DNA Verdopplung (DNA Replikation%Verweis ) eine große Rolle, da daran viele Proteine beteiligt sind. 

%<img src="http://download.e-bookshelf.de/download/0003/9736/98/L-X-0003973698-0019230224.XHTML/images/fletcher_ch1_img_6_3.jpg" alt="Quellbild anzeigen" />

%Große und kleine Furche der DNA Helix; alt Text: Basen, DNA, Nukleotide, Doppelhelix, Wasserstoffbrückenbindungen, Zucker, Phosphat

%bitte farbig gestalten, Wasserstoffbrückenbindungen + Basenpaare und 3' , 5' Ende mit rein + jeweils die abstände miteintragen große Furche = 2,2 nm und kleine Furche :1,2 nm

DNA Verpackung (Chromosomen)

Da es sich bei der DNA um eine sehr lange Molekülkette handelt und unser Zellkern nur wenige Mikrometer groß ist, gibt es verschiedene Strategien, um die DNA dort unterzubekommen. 

Wie du bereits gelernt hast, ist die DNA im Zellkern in 46 Chromosomen ( 23 Chromosomenpaare) organisiert. Die komplette Erbsubstanz also alle 46 Chromosomen kannst du auch als Genom bezeichnen. 

Jedes Chromosomen besteht aus einem langen DNA Doppelstrang und verschiedenen Proteinen, wie den Histonen. Diese positiv geladenen Proteine verbinden sich mit negativen Phosphatgruppe der DNA, wobei der lange DNA Faden zweimal um jeweils acht Histone gewickelt wird. Das kannst du dir wie bei einem Lockenwickler vorstellen, bei dem die Haare den DNA-Faden darstellen. 

Es entsteht jetzt quasi eine Art Perlenkette, die aus DNA-Faden und Histonkomplexen zusammengesetzt ist. Einen einzelnen Histonkomplex mit DNA kannst du übrigens auch Nukleosom (Perle = Nukleosom) nennen.

Diese „Perlenkette“ ist außerdem zu einer Spirale gewunden, die zu einer noch größeren Spirale verdrillt vorliegt. Am Ende entsteht dann eine Art Wollknäul – das Chromosom. Durch dieses Aufwickeln  ist die DNA etwa 40.000-fach kompakter als unverpackte Desoxyribonukleinsäure.

%<img class="" src="https://us-static.z-dn.net/files/d7b/ea1701554b302bbc397cc97c8837fe64.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="348" height="261" />

%Verpackung der DNA in Form von Chromosomen, alt. Text: Chromosom, Histon, Nukleosom, DNA, Doppelhelix, supercoils, Centromer

Zusammenfassung

  • Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) kommt als doppelsträngige, schraubförmige Helix (Doppelhelix%Verweis) vor.
  • Die kleinste molekulare Einheit der DNA ist das Nukleotid%Verweis (Zucker +Phosphatgruppe + organische Base)
  • Der Doppelstrang ist über Wasserstoffbrückenbindungen der einzelnen DNA Basen%Verweis verbunden (Adenin + Thymin und Guanin +Cytosin = komplementäre Basenpaarung)
  • Im Zellkern der Eukaryoten liegt die DNA mit Proteinen verpackt als Chromosomen vor.

Für umfangreichere Informationen schaue dir hierfür gerne unsere Beiträge zu den Chromosomen und homologen Chromosomen%Verweis an! 

 

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