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Bau der DNA

Genetik
DNA - Grundlage der Vererbung / DNA und Regulation der Genexpression / DNA als Erbsubstanz

Bestandteile der DNA

  • Zucker Desoxyribose
  • Phosphorsäure
  • vier organische Basen (Guanin, Adenin, Cytosin, Thymin)

Grundbaustein der DNA ist das Nukleotid. Hier finden sich alle Bestandteile der DNA in folgender Struktur:

Abbildung: Nukleotidtriphosphat – Baustein der DNA: aus Phosphorsäure, Zucker und eine der vier möglichen organischen Basen gebildet. Das zentrale Zuckermolekül gibt die Nummerierung vor!
Nukleotidtriphosphat – Baustein der DNA: aus Phosphorsäure, Zucker und eine der vier möglichen organischen Basen gebildet. Das zentrale Zuckermolekül gibt die Nummerierung vor!

Merke

Nukleotid = Ribose (oder Desoxyribose), Phosphorsäure und eine der Basen.

Video: Bau der DNA

Die Grundbausteine der DNA sind Nukleotide, gebildet aus den vier organischen Basen, dem Phosphosäurerest und dem Zucker Desoxyribose.

(Hinweis zum Video: Bei 0:31 Min. muss es natürlich Adenin bei den vier organischen Basen heißen).

Die Phosphorsäure ist an das 5`-Ende des Zuckers gebunden, die Base am C1. Am C3 der Desoxyribose sitzt eine Alkoholgruppe. Nur diese Alkoholgruppe kann mit der Phosphorsäure des nächsten Nukleotids eine Esterbindung eingehen und die DNA-Kette dadurch verlängern.

Aufgrund dieser chemischen Gegebenheit ergibt sich eine Leserichtung der DNA. Man spricht von 5`- und 3`-Ende der DNA.

Die organischen Basen können über Wasserstoff-Brückenbindungen miteinander in Verbindung treten. So bilden sich H-Brücken zwischen der Kombination der Purinbase Adenin und der Pyrimidinbase Thymin sowie zwischen Guanin (ebenfalls Purinbase) und Cytosin (Pyrimidinbase) aus. A und T bilden zwei Wasserstoffbrücken aus, G und C jeweils drei. Die Ausbildung der Wasserstoffbrücken führt zur Bildung des DNA-Doppelstrangs.

Die gegenüberliegenden oder komplementären Stränge der DNA zeigen unterschiedliche Leserichtungen. Dies nennt man antiparallel.

Merke

komplementäre Basenpaarung:           Adenin = Thymin                  Guanin = Cytosin

Die komplementäre Basenpaarung wurde zuerst von Chargaff (indirekt) beschrieben. Der Chemiker Chargaff untersuchte DNA und analysierte dabei die Anzahl und Verteilung der vier organischen Basen. Dabei stellte er fest, dass Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin immer in einem Verhältnis von 1:1 zueinander stehen. Watson und Crick erkannten den tieferen Sinn der Chargaff-Regel in der komplementären Basenpaarung.

Abbildung: 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 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.
Abbildung: 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 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 komplementären DNA-Stränge im Doppelstrang verlaufen antiparallel.

Watson & Crick: DNA-Struktur

Letztendlich konnten die Forscher James Watson und Francis Crick die strukturelle Organisation der DNA durch Kombination verschiedenster bereits durchgeführter Experimente bzw. aufgrund der von Rosalind Franklin erzeugten Röntgenstrukturaufnahme eines DNA-Kristalls auflösen.

Dabei war eine Veröffentlichung von Chargaff über die Basenzusammensetzung von DNA besonders wichtig. Aus diesen Ergebnissen entwickelten Watson und Crick das Prinzip der kompementären Basenpaarung.

So kann der DNA-Doppelstrang sehr gut mit dem Modell einer Strickleiter verglichen werden. So werden die Holme aus der Verbindung von Phosphorsäureresten und Desoxyribosezuckern gebildet, die Sprossen durch die komplentäre Basenpaarung erzeugt.

Strickleitermodell des DNA-Doppelstranges
Strickleitermodell des DNA-Doppelstranges

Die Röntgenstrukturanalyse von Rosalind Franklin gab einen guten Anhaltspunkt zur Breite der DNA an. Die Paarung von Purin- und Pyrimidinbase passt genau in diese Abmessung und bestätigt die DNA-Doppelhelix.

In Eukaryoten (dies sind in der Regel höhere mehrzellige Organismen deren Zellen in jedem Fall einen Zellkern enthalten) ist die DNA in einzelne lineare Abschnitte unterteilt, den Chromosomen (Drosphila 4, Mensch 23). Da die genetische Information sehr umfangreich ist (beim Mensch fast 1 Meter DNA-Material!!), ist diese in einer hoch geordneten Form im Zellkern gelagert.

Bild von Autor Dr. Martina Henn-Sax

Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Bau der DNA ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Molekularbiologie.

Dr. Martina Henn-Sax verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.

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