DNA Aufbau
Was ist die DNA und wie ist sie aufgebaut? Hier und im Video erklären wir dir alles über den DNA Aufbau, ihre Struktur und ihre Organisation.
Inhaltsübersicht
DNA Aufbau — einfach erklärt
Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) enthält die Geninformationen, die dein Aussehen und deinen Stoffwechsel beeinflussen. Sie ist in jeder Zelle deines Körpers vorhanden und befindet sich in Form von Chromosomen im Zellkern.
Der Aufbau der DNA sieht aus wie eine doppelsträngige, schraubenförmige Helix, auch Doppelhelix genannt.
Der Grund dafür sind die kleinen Teile, die sich wie an einer Perlenkette aneinanderreihen und Wasserstoffbrückenbindungen zueinander bilden. Die kleinen Teile nennst du Nukleotide. Sie bestehen aus Zucker, einer Phospatguppe und einer Base. Dabei gibt es vier Arten von Basen:
- Adenin (A)
- Cytosin (C)
- Guanin (G)
- Thymin (T)
DNA Aufbau Zellkern
Beim „Heranzoomen“ in den Zellkern kannst du zunächst die menschlichen Chromosome entdecken. Sie sehen aus wie ein X. In Den Chromosomen ist ein langer DNA Faden wie eine Art Wollknäuel angeordnet.
Um die DNA im Zellkern unterzubekommen, ist sie in den Chromosomen um bestimmte Proteine — die Histone — aufgewickelt. Die Kombination aus DNA und Proteinen bezeichnest du auch als Chromatin.
Der DNA Faden ist wiederum aus zwei Doppelsträngen aufgebaut. Die Doppelstränge verbinden sich mithilfe von Wasserstoffbrückenbindungen. Dadurch bekommt die DNA die Form einer Leiter. Diese hat eine eingedrehte Form und erhält so die Gestalt einer Doppelhelix.
Nukleotid als kleinster Baustein der DNA
Der molekulare Grundbaustein der DNA ist das sogenannte Nukleotid. In einem DNA Molekül sind viele dieser Nukleotide aneinandergereiht. Zunächst betrachtest du aber die Bestandteile, die du für ein Nukleotid benötigst:
- Zucker
- Phosphatgruppe
- Base
Zucker
Du beginnst mit dem Zuckermolekül — der sogenannten Desoxyribose. Das ist ein Zuckermolekül, das aus fünf Kohlenstoffatomen besteht. Du nennst das auch Pentose. „Desoxy“ bedeutet „ohne Sauerstoff“, denn dieser fehlt am 2. Kohlenstoffatom.
Übrigens: Die Kohlenstoffatome am Zuckermolekül werden mit den Zahlen 1 bis 5 im Uhrzeigersinn durchnummeriert. Das ist wichtig zur Orientierung, damit du immer weißt, an welchem Kohlenstoffatom eine Verknüpfung erfolgt.
Bei der Ribose hingegen — dem Grundbaustein der RNA — ist der Sauerstoff am 2. Kohlenstoffatom vorhanden.
Phosphatgruppe
Der nächste Bestandteil 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 Wasserstoffionen (H+) abgibt. So liegt sie auch in deinen Zellen vor.
DNA Basen
Der letzte Bestandteil der DNA sind vier organische, stickstoffhaltige Basen:
- Adenin (A)
- Thymin (T)
- Guanin (G)
- Cytosin (C)
Sie werden je nach chemischem Aufbau in die Stoffgruppen der Purine (Adenin und Guanin) und der Pyrimidine (Thymin und Cytosin) eingeteilt.
Immer eine Base bindet sich schließlich an den Zucker.
Nukleotid Aufbau
Der Zucker, die Phosphatgruppe und eine Base verbinden sich miteinander und bilden ein Nukleotid. Für den Aufbau ist die Nummerierung der Kohlenstoffatome im Zuckermolekül wichtig. Der Zucker verbindet sich mit seinem C1-Kohlenstoffatom (1′) mit einer der 4 Basen. Diese Bindung bezeichnest du als sogenannte N-glykosidische Bindung. Das Kohlenstoffatom des Zuckers verknüpft sich dabei mit der Aminogruppe (-NH-) der Base.
Du nennst diese Verbindung aus einem Zucker und einer Base auch Nukleosid.
Das entstehende Nukleosid verbindet sich nun über das 5. Kohlenstoffatom (5′) mit einer Phosphatgruppe. Dadurch bildet sich eine Esterbindung. Sie verbindet das Kohlenstoffatom (C) des Zuckers mit dem Sauerstoffatom (O) des Phosphatrestes.
Nun liegt ein vollständiges Nukleotid vor.
Übrigens: Ein sehr bekanntes Nukleotid ist auch das ATP-Molekül — der Energieträger unserer Zellen.
DNA Strang Aufbau
Machen wir 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) bezeichnest.
Die DNA besteht aus einem Doppelstrang, der wie eine Strickleiter aufgebaut ist. Es befindet sich also sowohl rechts als auch links jeweils ein Faden. Diese Fäden setzen sich aus abwechselnd einem Zucker und einem Phosphat zusammen. Die Verknüpfungen zwischen den beiden Fäden sind die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen. Sie entsprechen den Sprossen der Strickleiter.
Komplementäre DNA Basen
Allerdings können sich nicht alle Basen miteinander verbinden. Es kommt hier nämlich immer nur zu einer Basenpaarung zwischen einer Purinbase und einer Pyrimidinbase. Genauer gesagt verbinden sich nur die Basen Adenin und Thymin (2 Wasserstoffbrückenbindungen) und Cytosin und Guanin (3 Wasserstoffbrückenbindungen) miteinander.
Das nennst du auch komplementäre Basen bzw. Basenpaarung. Wenn du die Basen eines Strangs der DNA kennst, kannst du somit die Basen des anderen Strangs 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 verstehst du, dass die beiden Stränge der DNA gegenläufig (antiparallel) angeordnet sind.
Der eine Strang der DNA verläuft vom 5′ Ende zum 3′ Ende (5′ → 3′), während der andere „verkehrtherum“ vom 3′ Ende zum 5′ Ende (3′ → 5′) verläuft.
Gen
Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA, der einen Code für die Herstellung (Synthese) eines Proteins (z. B. Enzym) besitzt. Es handelt sich hierbei um eine Art Verschlüsselung (Genetischer Code), bei der immer drei aufeinanderfolgende Basen der DNA (= Basentriplett) eine Aminosäure ergeben. Je nach Art der aneinandergereihten Aminosäuren, entsteht ein bestimmtes Protein.
Übrigens: Der Mechanismus zur Entschlüsselung des genetischen Codes bis hin zur Herstellung eines Proteins besteht aus zwei Teilschritte, der Transkription und der Translation. Den ganzen Prozess nennst du Proteinbiosynthese.
DNA Struktur — Doppelhelix
Durch Röntgenstrahlung wurde noch eine weiteres wichtiges Merkmal der DNA deutlich: 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“ bezeichnest du auch als DNA Doppelhelix oder DNA Helix, da das Wort „Helix“ im Griechischen „gewunden“ oder „gebogen“ bedeutet.
Normalerweise handelt es sich um eine rechtsgängige DNA-Helix. Im Strickleiter-Beispiel bedeutet das, dass du die Stränge der Strickleiter in die Hände nimmst und so drehst, dass sie die Seiten tauschen. Dabei drehst du mit der linken Hand zu dir und mit der rechten von dir weg.
Schon gewusst: Insgesamt besitzt die menschliche DNA einen Durchmesser von 2 Nanometern (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 unterscheidest du zwischen der großen Furche (Abstand: 2,2 nm) und der kleinen Furche (Abstand: 1,2 nm).
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) eine große Rolle, da daran viele Proteine beteiligt sind.
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.
Die DNA ist im Zellkern in 46 Chromosomen (23 Chromosomenpaare) organisiert.
Jedes Chromosom besteht aus einem langen DNA Doppelstrang und verschiedenen Proteinen, wie den Histonen. Diese positiv geladenen Proteine verbinden sich mit negativen Phosphatgruppen der DNA. Dabei wickelt sich der lange DNA Faden zweimal um jeweils acht Histone. 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 nennst du übrigens auch Nukleosom (Perle = Nukleosom).
Diese „Perlenkette“ ist außerdem zu einer Spirale gewunden, die zu einer noch größeren Spirale verdrillt vorliegt. Am Ende entsteht dann ein x-förmiges Wollknäuel — das Chromosom.
Schon gewusst: Durch dieses Aufwickeln ist die DNA etwa 40.000-fach kompakter als unverpackt.
DNA Aufbau — häufigste Fragen
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Wie ist die DNA aufgebaut?
Die DNA hat die Form einer Doppelhelix. Das sind zwei lange Stränge, die sich um eine unsichtbare Achse winden. Die Bestandteile der Stränge sind die Nukleobasen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Die Sprossen der Doppelhelix bestehen aus Wasserstoffbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren.
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Woraus besteht der DNA Doppelstrang?
Der Doppelstrang besteht aus zwei Strängen, die umeinander gewunden sind. Die beiden Stränge verfolgen dabei jedoch entgegengesetzte Richtungen. Einer beginnt bei 3′ und endet bei 5′, während der andere bei 5′ beginnt und bei 3′ endet. Damit liegen sich immer 3′ und 5′ gegenüber.
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Was sind die Bausteine der DNA?
Die wichtigsten Bausteine der DNA sind die Basenpaare Adenin (A) und Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Sie bilden die Sprossen der DNA-Leiter, während der Zucker (Desoxyribose) und die Phosphatgruppe das Rückgrat bilden.
DNA Funktion
Jetzt kennst du den Aufbau der DNA. Aber kennst du auch schon ihre Funktion? In diesem Video erklären wir sie dir!
