Folge 030 – Aufbau der DNA | Genetik Teil 2

Inhalt der Folge:

• In der heutigen Podcastfolge sprechen wir zusammen über den Aufbau der DNA.

Der Aufbau der DNA

Einleitung

• Wie wir im ersten Teil der Genetik-Reihe gelernt haben, befindet sich die DNA in den Chromosomen und stellt den Träger der Erbinformationen dar.
• Bestimmte Abschnitte der DNA enthalten „Baupläne“ für Proteine. Diese Abschnitte nennt man Gene.
• Jetzt gucken wir uns aber erstmal den genauen Aufbau der DNA an:
• Die DNA (deutsch Desoxyribonukleinsäure) besteht aus zwei aneinander gelagerten, unverzweigten Einzelsträngen.
• Auf molekularer Ebene zeigt sich, dass diese beiden Einzelstränge wiederum aus vielen ähnlich aufgebauten Einzelbausteinen bestehen, den sogenannten Nukleotiden.
• Aber was genau ist ein Nukleotid?

Der Aufbau der Nukleotide

Ein Nukleotid setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen:

1. 1. Aus einem Zuckermolekül (Desoxyribose bei der DNA).
   2. Einem Phosphatrest.
   3. Und einer organischen, stickstoffhaltigen Base.

Gucken wir uns die drei Bestandteile etwas genauer an:

1. Das Zuckermolekül Desoxyribose

• Das Zuckermolekül „Desoxyribose“ ist die Basis des Nukleotids.
• Man bezeichnet die Nukleotide der DNA deshalb auch als Desoxyribonukleotide.
• Und so sieht ein Desoxyribose-Molekül aus:
  
•  Wie wir sehen, befindet sich am 1′-, 3′- und 5′-Kohlenstoff-Atom jeweils eine OH-Gruppe (Hydroxylgruppe).
• Diese OH-Gruppen können sich durch sogenannte Kondensationsreaktionen (Verbindung von zwei Molekülen unter der Abspaltung von Wasser) leicht mit anderen Molekülen verbinden.

2. Der Phosphatrest

• Die Summenformel eines Phosphorsäure-Moleküls lautet H₃PO₄.
• An der Desoxyribose befindet sich jedoch kein vollständiges Phosphorsäure-Molekül (H₃PO₄) sondern nur noch ein Phosphatrest (HPO₄^2-).
• Die Desoxyribose wird durch eine Kondensationsreaktion am 5′-Kohlenstoff-Atom mit einem Phosphatrest verknüpft.
• Man nennt diese chemische Reaktion auch Veresterung, da durch die beschriebene Kondensationsreaktion ein Ester entsteht.
• Nach diesem Schritt hat sich noch kein vollständiges Desoxyribonukleotid, sondern ein Zucker-Phosphat-Molekül gebildet:
  

3. Die organische, stickstoffhaltige Base

• Die 4 verschiedenen organischen, stickstoffhaltigen Basen der DNA sind:
  1. Adenin
  2. Guanin
  3. Cytosin
  4. Thymin
• Die Desoxyribose wird durch eine Kondensationsreaktion am 1′-Kohlenstoff-Atom mit einer der vier verschiedenen Basen verknüpft.
• Das Endprodukt bezeichnet man jetzt endlich als Nukleotid bzw. Desoxyribonukleotid.
• Aufgrund der vier verschiedenen Basen (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin) muss es natürlich auch vier verschiedene Nukleotide geben:
  1. Desoxyadenosinmonophosphat (dAMP)
  2. Desoxyguanosinmonophosphat (dGMP)
  3. Desoxycytidinmonophosphat (dCMP)
  4. Desoxythymidinmonophosphat (dTMP)
• Und so sehen die Desoxyribonukleotide aus:
  

Wie genau die Nukleotide miteinander verbunden sind und so die Einzelstränge der DNA bilden, schauen wir uns jetzt an.

Der Aufbau der DNA Einzelstränge

• Die Einzelstränge der DNA bestehen aus vielen, miteinander verknüpften Desoxyribonukleotiden.
• Den Aufbau der Desoxyribonukleotide kenne wir bereits. Jetzt geht es nur noch darum, wie diese Desoxyribonukleotide miteinander verbunden sind.
• Wie wir bereits gelernt haben, hängt der Phosphatrest eines Nukeotids immer am 5′-Kohlenstoff-Atom der Desoxyribose.
• Dieser Phosphatrest kann sich nun aufgrund seiner freien OH-Gruppe mit der Desoxyribose eines zweiten Nukleotids verbinden, da die Desoxyribose des zweiten Nukleotids am 3′-Kohlenstoff-Atom auch eine freie OH-Gruppe hat.
• Nukleotide sind also immer durch einen Phosphatrest miteinander verbunden.
• Bei dieser sich ständig wiederholenden Abfolge von Phosphatrest und Desoxyribose handelt es sich um das sogenannte Rückgrat der DNA.

Zwischen den Nukleotiden bestehen sogenannte Phosphodiesterbindungen.
Phosphodiesterbindungen sind chemische Bindungen, bei denen zwei OH-Gruppen eines Phosphatrests eine Esterbindung mit anderen Molekülen eingehen und diese dadurch verbinden.

• Und so sieht beispielhaft eine Verbindung von drei Desoxyribonukleotiden aus:
  
• Man kann hier schön erkennen, dass der skizzierte DNA-Einzelstrang logischerweise zwei Enden hat.
• Am einen Ende des DNA-Einzelstrangs befindet sich am 5′-Kohlenstoff-Atom der Desoxyribose ein Phosphatrest mit einer freien OH-Gruppe.
  Man nennt dieses Ende deshalb 5′-Ende.
• Das andere Ende des DNA-Einzelstrangs hört mit einer Desoxyribose auf, die am 3′-Kohlenstoff-Atom noch eine freie OH-Gruppe besitzt.
  Man nennt dieses Ende deshalb 3′-Ende.

Jetzt kennen wir auch den Aufbau der DNA Einzelstränge. Damit sind wir aber noch nicht ganz am Ende.

Die doppelsträngige DNA

• Ich habe zu Beginn bereits erwähnt, dass DNA aus zwei aneinander gelagerten, unverzweigten Einzelsträngen besteht.
• Den genauen Aufbau dieser Einzelsträngen kennen wir mittlerweile sehr gut.
• Aber wie genau sind die Einzelstränge miteinander verbunden?
• Der Schlüssel dafür sind die 4 verschiedenen organischen, stickstoffhaltigen Basen Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin.
• Die Einzelstränge sind so aneinander gelagert, dass sich immer zwei Basen gegenüberstehen.
• Zwischen den Basen, die sich gegenüberstehen, herrschen Wasserstoffbrückenbindungen, die dafür sorgen, dass die DNA Einzelstränge fest miteinander verbunden sind.
• Auf molekularer Ebene sieht das folgendermaßen aus:

• Man kann sich die DNA vereinfacht wie eine Leiter vorstellen.
• Die beiden Holme der Leiter stellen das Rückgrat der DNA, bestehend aus Phosphatresten und Desoxyribosen, dar.
• Die Sprossen der Leiter stellen die 4 verschiedenen organischen, stickstoffhaltigen Basen Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin dar.
• Jeder Leitersprosse stellt zwei Basen dar, die sich gegenüberstehen und zwischen denen Wasserstoffbrückenbindungen herrschen.

Die beiden Einzelstränge sind komplementär zueinander

• Wenn man die beiden aneinander gelagerten Einzelstränge vergleicht, fällt einem auf, dass sich immer die gleichen Desoxyribonukleotide gegenüberstehen: [dAMP & dTMP] und [dCMP & dGMP].
• Das liegt daran, dass jeweils nur zwei Basen komplementär zueinander sind [Adenin & Thymin] und [Guanin & Cytosin].
• Man bezeichnet diese zwei verschiedenen Basenpaare als komplementäre Basenpaaren der DNA.
• Zwischen Adenin & Thymin bestehen genau zwei Wasserstoffbrückenbindungen.
• Und zwischen Guanin & Cytosin bestehen drei Wasserstoffbrückenbindungen:

Die beiden Einzelstränge verlaufen antiparallel

• Die beiden Einzelstränge einer Doppelsträngigen-DNA verlaufen antiparallel.
• Das bedeutet, dass die Einzelstränge zwar parallel verlaufen, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind.
• Mit anderen Worten: Dort wo der eine DNA-Einzelstrang sein 3′-Ende hat, hat der andere Strang sein 5′-Ende und umgekehrt.

Die Doppelhelix

• Im Normalzustand ist die DNA in Form einer Doppelhelix aufgebaut.
• Die Doppelhelix beschreibt in der Biochemie eine bestimmte Sekundärstruktur eines Makromoleküls.
• Es handelt sich hierbei um zwei parallel verlaufende Einzelstränge, die einander schraubenförmig umlaufen:

Hier kommst du zurück zur Folgenübersicht!