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DNA: Aufbau, Basenpaarung und Funktion
Die DNA speichert genetische Information in der Reihenfolge ihrer vier Basen. Zwei passende DNA-Stränge bilden eine Doppelhelix. Abschnitte der DNA heißen Gene und können unter anderem Informationen für Proteine enthalten.
Auf dieser Seite untersuchst du den Weg vom einzelnen DNA-Baustein bis zum verpackten Chromosom.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wo befindet sich die DNA?
DNA ist die englische Abkürzung für deoxyribonucleic acid. Auf Deutsch heißt derselbe Stoff Desoxyribonukleinsäure, abgekürzt DNS. Im Unterricht wird meistens die Abkürzung DNA verwendet.
Bei Menschen und anderen Eukaryoten, also Lebewesen mit Zellkern, befindet sich ein großer Teil der DNA im Zellkern. Prokaryoten wie Bakterien besitzen keinen Zellkern. Bei ihnen kann das Erbgut als ringförmiges DNA-Molekül frei in der Zelle liegen.
Die Begriffe lassen sich vom Großen zum Kleinen ordnen:
- Der Zellkern enthält Chromosomen.
- Ein Chromosom besteht aus stark verpackter DNA und Proteinen.
- Die DNA ist ein langes Molekül mit gespeicherter Information.
- Ein Gen ist ein funktioneller Abschnitt der DNA.
Ein Gen ist ein Teil der DNA. DNA wiederum ist ein wesentlicher Bestandteil eines Chromosoms.
Aus welchen Bausteinen besteht DNA?
Ein DNA-Strang ist eine lange Kette aus wiederkehrenden Bausteinen. Jeder dieser Bausteine heißt Nukleotid.
Nukleotid
Ein DNA-Nukleotid besteht aus dem Zucker Desoxyribose, einer Phosphatgruppe und genau einer der vier Basen Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin.
Zucker und Phosphat wechseln sich entlang des Strangs ab. Zusammen bilden sie das Zucker-Phosphat-Rückgrat. Die Basen ragen vom Rückgrat nach innen.
Der ähnliche Begriff Nukleosid bezeichnet nur die Verbindung aus Zucker und Base. Erst mit der Phosphatgruppe wird daraus ein Nukleotid.
Stell dir eine Leiter vor. Zucker und Phosphat bilden abwechselnd die beiden langen Seiten. Die Basen zeigen nach innen und bilden zusammen die Sprossen. Das Bild erklärt die Anordnung, ist aber nur ein Modell: Eine echte DNA ist ein Molekül und keine starre Leiter.
Wie entsteht die Doppelhelix?
Die DNA besitzt vier Basen:
- Adenin (A)
- Thymin (T)
- Guanin (G)
- Cytosin (C)
Zwischen zwei DNA-Strängen verbinden sich nur bestimmte Basen. Adenin paart sich mit Thymin, Guanin mit Cytosin. Solche zueinander passenden Basen heißen komplementär.
A und T werden durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, G und C durch drei. Die Basenpaare verbinden die beiden Zucker-Phosphat-Rückgrate. Die miteinander verbundenen Stränge winden sich zur Doppelhelix, ähnlich einer verdrehten Leiter.
Die Paarungsregel lautet: A–T und G–C. Kennst du einen Strang, kannst du deshalb die Basenfolge des anderen Strangs ergänzen.
Gegeben ist der DNA-Abschnitt:
A – C – G – T – T – A
Base für Base ergänzt du den passenden Partner:
- zu A gehört T,
- zu C gehört G,
- zu G gehört C,
- zu T gehört A.
Der komplementäre Abschnitt lautet daher:
T – G – C – A – A – T
Wie speichert DNA Information?
Nicht die Form eines einzelnen Nukleotids, sondern die Reihenfolge der Basen trägt die genetische Information. Du kannst sie mit der Buchstabenfolge in einem Text vergleichen: Dieselben Buchstaben können in einer anderen Reihenfolge eine andere Information ergeben.
Gen
Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt mit einer bestimmten Basenreihenfolge, der für eine funktionelle Einheit codiert. Viele Gene enthalten die Information für die Bildung eines Proteins.
Proteine übernehmen zahlreiche Aufgaben in Zellen und im Körper. Sie wirken beispielsweise beim Aufbau von Zellen, bei der Verdauung oder bei der Abwehr von Krankheitserregern mit.
Bei der Transkription wird die Information eines DNA-Abschnitts in mRNA umgeschrieben. Bei der Translation wird die mRNA-Information zur Bildung eines Proteins genutzt. Der vereinfachte Informationsweg lautet daher:
DNA → mRNA → Protein
DNA erledigt diese Zellaufgaben also nicht unmittelbar. Sie stellt die gespeicherte Information bereit, nach der Proteine hergestellt werden können.
Gene wirken nicht losgelöst von allen anderen Einflüssen. Die Ausprägung vieler Merkmale hängt von mehreren Genen, biologischen Abläufen und äußeren Einflüssen ab. DNA ist deshalb ein Bauplan, aber keine vollständige Vorhersage jedes Merkmals.
Wie passt lange DNA in den Zellkern?
DNA-Moleküle sind sehr lang. Damit sie in den Zellkern passen und bei einer Zellteilung geordnet verteilt werden können, werden sie zusammen mit Proteinen mehrfach aufgewickelt und gefaltet.
DNA kann sich um Histon-Proteinkomplexe legen. Eine solche Einheit heißt Nukleosom und erinnert an eine Perle auf einer Kette. Viele Nukleosomen bilden zusammen Chromatin.
Locker gepacktes Chromatin ist für das Ablesen oder Kopieren von DNA leichter zugänglich. Vor und während der Zellteilung wird das Material besonders stark verdichtet. In dieser kompakten Transportform sind Chromosomen erkennbar.
Die meisten menschlichen Körperzellen mit Zellkern besitzen 46 Chromosomen, geordnet in 23 Paaren. Diese Zahl beschreibt Chromosomen, nicht einzelne Gene oder DNA-Bausteine.
Vergleiche die DNA mit einem sehr langen Faden. Für die Arbeit muss ein Abschnitt zugänglich sein. Für einen geordneten Transport wird der Faden dagegen kompakt aufgewickelt. Das Modell erklärt, warum DNA unterschiedliche Verpackungszustände besitzt.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Ein DNA-Abschnitt, der funktionelle Information trägt, heißt . DNA und Proteine bilden gemeinsam . Eine Einheit aus aufgewickelter DNA und einem Histon-Proteinkomplex heißt . Bei der Zellteilung liegt DNA besonders vor.
Vertiefung: Was bedeuten 3′ und 5′?
Die Desoxyribose besitzt fünf nummerierte Kohlenstoffatome. Daraus ergeben sich zwei chemisch verschiedene Enden eines DNA-Strangs:
- Am 3′-Ende befindet sich eine freie OH-Gruppe am dritten Kohlenstoffatom.
- Am 5′-Ende befindet sich eine Phosphatgruppe am fünften Kohlenstoffatom.
Die beiden Stränge der Doppelhelix verlaufen antiparallel, also in entgegengesetzten Richtungen. Zeigt der eine Strang von 5′ nach 3′, zeigt der Partner von 3′ nach 5′.
Zu diesem Strang
5′–A–C–G–T–3′
gehört antiparallel der Strang
3′–T–G–C–A–5′.
Die Basen sind komplementär, und die Enden zeigen entgegengesetzte Richtungen.
Ein DNA-Strang kann nur in 5′→3′-Richtung verlängert werden: Neue Nukleotide werden am 3′-Ende angefügt. Diese Richtung ist beim Kopieren der DNA wichtig. Der genaue Ablauf der Replikation ist ein eigenes Thema.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- DNA
- besteht aus Nukleotiden
- verbindet A mit T und G mit C
- bildet eine Doppelhelix
- speichert Information in der Basenreihenfolge
- enthält Gene als funktionelle Abschnitte
- wird als Chromatin und Chromosomen verpackt
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du vom Nukleotid über Doppelhelix und Gen bis zum Chromosom erklären kannst, wie DNA aufgebaut, gelesen und verpackt wird.