Einzelstränge der DNA

Das Erbmaterial besteht aus zwei langen, fadenförmigen Molekülen, die umeinander verdrillt sind. Bildlich kommt diese Form einer Strickleiter nahe, die aus zwei Holmen und den verbindenden Sprossen besteht und zu einer Helix gedreht ist. Beide Stränge weisen Querverbindungen über die organischen Basen auf.

Diese auf Wasserstoffbrücken beruhende Interaktion wird als Basenpaarung bezeichnet. Die Holme (oder das Rückgrat) bestehen aus sich miteinander abwechselnden Zucker- (Desoxyribose) und Phosphatmolekülen. Die vier unterschiedlichen organischen Basen sind die eigentlichen Informationsträger. Jede Information, die sich im späteren Lebewesen ausprägt (= Phänotyp), wird in dieser Basenabfolge festgelegt.

Erwin Chargaff zeigte Anfang der 1950er-Jahre, dass A:T und G:C jeweils in einem Verhältnis von 1:1 vorliegen. So binden jeweils Paare aus Purin- und Pyrimidinbasen. Nur A und T sowie G und C können über Wasserstoffbrücken interagieren, wobei Adenin und Thymin zwei gemeinsame Wasserstoffbrücken, Guanin und Cytosin drei gemeinsame Wasserstoffbrücken ausbilden. Hohe Temperaturen zerstören diese schwachen chemischen Wechselwirkungen der Wasserstoffbrücken (vgl. PCR: Schritt der Denaturierung!).

Hier taucht ein interessantes Prinzip in der Biologie auf: Eine einzelne Wasserstoffbrücke ist sehr schwach im Vergleich zu kovalenten Bindungen (z. B. zwischen Kohlenstoffatomen). Die extrem hohe Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen z. B. in einem bakteriellen Erbgut macht die DNA aber wiederum extrem stabil.

Die Basenpaarung im chemischen Detail: Adenin (A) und Thymin (T) sind über zwei Wasserstoffbrücken verbunden, Guanin (G) und Cytosin (C) über drei. Die Doppelhelix der DNA ergibt sich durch die intramolekulare Wechselwirkung der organischen Basen. 

Strang ist nicht gleich Strang – oder doch?

Die DNA ist ein Doppelstrang und liegt als sogenannte Doppelhelix vor. Aufgrund der Basenpaarung sind die organischen Basen in den beiden Partnersträngen nicht identisch, sondern komplementär –sie ergänzen sich! Wo Adenin im einen Strang vorliegt, kann nur Thymin auf der gegenüberliegenden Seite sein, bei Guanin nur Cytosin! Gewissermaßen ist die auf beiden Strängen gespeicherte Information identisch, nur eben unterschiedlich „formuliert“.

Orientierung der DNA-Stränge.

Das 5'-Ende ist immer das Phosphatende, das 3'-Ende das OH-Gruppen-Ende.

Die Orientierung der Zuckerreste steht in einem der Stränge „auf dem Kopf“. Biologisch formuliert: Die komplementären Stränge der DNA verlaufen antiparallel. Dies ist besonders gut an der Orientierung der Desoxyribose zu erkennen. So beruht die Benennung der DNA-Stränge ebenso auf der Nomenklatur der C-Atome der Desoxyribose. Der 5'-3'-Strang beginnt mit dem Phosphatrest am C5 oder 5'C-Atom der Desoxyribose. Endpunkt dieses Stranges ist das 3'-Ende mit der noch ungebundenen OH-Gruppe.

Die Orientierung der Stränge wird als antiparallel bezeichnet. Dies beschreibt die gegenläufige Ausrichtung der Stränge, ausgehend von der Position des 5’-Phosphats relativ zur Lage des 3’-OHs. Neben dieser sehr chemischen Nomenklatur gibt es für beide Stränge auch Bezeichnungen, die ihre biologische Funktion besser beschreiben:

Eine kleine Merkhilfe gibt die Natur selbst (und erklärt bereits einen wesentlichen Aspekt der Replikation der DNA bzw. der Transkription):

Enzyme, die mit DNA arbeiten (Bsp.: DNA-Polymerase; RNA-Polymerase), gehen immer in 5’-3’-Richtung vor. Das heißt: Der Strang, der in 5’-3’-Richtung produziert wird, ist der kontinuierliche Strang bei der DNA-Verdopplung bzw. der codierende Strang bei der RNA-Synthese.