Was ist DNA?
Du hast schon in vielen Filmen die spiralförmigen DNAs gesehen, aber was machen die eigentlich? Die DNA, oder auch DNS genannt, bildet das Erbgut aller Lebewesen. Sie besteht aus Nukleotiden, die den genetischen Code tragen und durch die Paarung komplementärer Basen eine beeindruckende Doppelhelix-Struktur bilden. Erfahre mehr über DNA, die eine immense Bedeutung in der Forensik, Gentechnik und Genmanipulation hat.
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Grundlagen zum Thema Was ist DNA?
DNA – Definition
In Krimis, aber auch in der Realität, überführen die Kriminalisten der Polizei mit ihrer Hilfe oft die Täter. Sie ist eines der faszinierendsten Moleküle der Biologie. Die Entschlüsselung ihres Aufbaus wurde sogar mit dem Nobelpreis prämiert. Wir reden von der DNA.
Die DNA stellt das Erbmaterial aller Lebewesen dar. Sie enthält die Gene, welche Aussehen und Eigenschaften eines Lebewesens bestimmen (Erbinformationen). Die DNA ist eine Nukleinsäure, die im Zellkern einer jeden Zelle vorliegt. Der Unterschied zwischen DNA und DNS liegt lediglich in der Schreibweise. Während DNS für das deutsche Wort Desoxyribonukleinsäure steht, ist DNA ausgeschrieben die englische Abkürzung für deoxyribonucleic acid. Biologisch können beide Begriffe synonym verwendet werden.
DNA – Aufbau
1953 entwickelten Watson und Crick ein DNA-Modell für die räumliche DNA-Struktur des DNA-Moleküls und erhielten dafür den Nobelpreis.
Wusstest du schon?
Wie du bereits gelesen hast, wurde die Struktur der DNA von James Watson und Francis Crick entdeckt. Sie fanden heraus, dass DNA eine Doppelhelix ist, die aussieht wie eine verdrehte Strickleiter. Was viele nicht wissen ist, dass Forschungsergebnisse von Rosalind Franklin wohl die Grundlage für ihren Erfolg waren.
Durch ihre Entdeckungen wurde die Grundlage für weitere Genforschung und die Entwicklung von Gentechniken geschaffen. Die Aufklärung zahlreicher Verbrechen wäre ohne dieses Wissen außerdem nicht denkbar. Kommen wir zum Aufbau der DNA. Die DNA-Stränge kann man sich als gewundene Strickleiter vorstellen. Daher werden die DNA-Stränge auch als DNA-Doppelhelix bezeichnet. Schauen wir einmal genauer auf die einzelnen Bestandteile der DNA.
DNA – Bestandteile
Warum nennt man DNA eigentlich DNA? Das ist die englische Abkürzung für deoxyribonucleic acid, zu Deutsch Desoxyribonukleinsäure (DNS). Der Name verrät uns auch schon die einzelnen Bausteine der DNA. Diese sind:
- Zucker/Ribose
- Basen
- Phosphat
Zucker/Ribose
Die DNA enthält einen bestimmten Zucker, bestehend aus fünf Kohlenstoffatomen. Man nennt diese Form von Zucker auch Ribose. Weil der Ribose in der DNA aber eine OH-Gruppe am zweiten Kohlenstoffatom fehlt, ist es eine Desoxyribose. In der DNA ist die cyclische Form der Desoxyribose enthalten.
DNA Basen
Vielleicht hast du schon einmal von den Basen der DNA gehört – Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Jeweils eine dieser organischen Basen ist an eine Desoxyribose gebunden. Dabei handelt es sich um eine kovalente Bindung zwischen einem Stickstoffatom der jeweiligen Base und dem ersten Kohlenstoffatom der Desoxyribose. Eine solche Einheit aus Desoxyribose und Base definiert man in der Biologie als Nukleosid.
Die vier Basen der DNA kann man weiterhin in Purinbasen und Pyrimidinbasen unterteilen.
Die Struktur des Adenins und des Guanins leitet sich von dem des Purins, einem bicyclischen Amin, ab. Daher zählen sie zu den Purinbasen.
Die Struktur des Cytosins und des Thymins leitet sich von dem des Pyrimidins, einem monocyclischen Amin, ab. Daher zählen sie zu den Pyrimidinbasen.
Aufgabe der Basen Über Wasserstoffbrückenbindungen verbinden sich zwei Basen miteinander, wobei nur die Paarungen Adenin/Thymin und Cytosin/Guanin möglich sind. Diese Basen sind komplementär. Eine Purinbase verbindet sich folglich mit einer Pyrimidinbase. Die Hauptaufgabe der Basen ist die Bildung des genetischen Codes. Dieser entsteht durch die spezifische Abfolge der Basen. Im genetischen Code sind die Baupläne des gesamten Organismus gespeichert.
DNA Phosphat
Wir haben bereits geklärt, für welchen Bestandteil die ersten Silben in Desoxyribonukleinsäure stehen. Aber warum handelt es sich bei der DNA um eine Nukleinsäure? Damit kommen wir zum dritten und letzten Baustein – dem Phosphatrest. Während am ersten Kohlenstoffatom der Desoxyribose die DNA-Base bindet, ist am fünften Kohlenstoffatom ein Phosphatrest kovalent gebunden. Die Einheit aus Phosphatrest, Desoxyribose und Base nennt man Nukleotid.
Die Phosphatreste der Nukleotide wirken als Säure. Ebenso wie Säuren geben sie Protonen in Form von positiv geladenen Wasserstoffatomen ab. Das verbleibende Nukleotid in der DNA ist demzufolge negativ geladen.
Nun weißt du, warum die DNA eine Nukleinsäure ist: Sie besteht aus Nukleotiden, deren Phosphatreste als Säuren wirken.
Merke:
* Nukleosid = Desoxyribose + Base
* Nukleotid = Desoxyribose + Base + Phosphatrest
DNA Aufbau beschriftet
Im Bild siehst du den Aufbau der DNA, ausgeschrieben deoxyribonucleic acid.
DNA – Einzelstrang
Nachdem wir alle Bestandteile der DNA kennengelernt haben, schauen wir uns nun die Struktur eines DNA-Stranges an. Ein DNA-Strang setzt sich aus zahlreichen, aneinandergereihten Nukleotiden zusammen. Das sogenannte Rückgrat der DNA wird dabei von den Desoxyribose- und den Phosphateinheiten gebildet. Die Verknüpfung der Nukleotide findet abermals kovalent über eine weitere Bindungsstelle an der Desoxyribose statt. Das dritte Kohlenstoffatom der Desoxyribose des einen Nukleotids ist mit dem Phosphatrest des nachfolgenden Nukleotids verknüpft. So endet der DNA-Strang auf der einen Seite mit der OH-Gruppe am dritten Kohlenstoffatom der Desoxyribose und am anderen Ende mit einer Phosphatgruppe am fünften Kohlenstoffatom der Desoxyribose. Daher spricht man auch von einem 5’-Ende und einem 3’-Ende des DNA-Stranges. Die DNA „wächst“ immer nur in eine bestimmte Richtung – vom 5’-Ende zum 3’-Ende. Das kannst du auch in der oben stehenden Abbildung sehen.
Die Reihenfolge der Basen ist für jeden Organismus einzigartig. Sie definiert den genetischen Code jedes einzelnen Organismus. Während der Transkription wird diese Information, die Reihenfolge der Basen, in die RNA umgeschrieben. Die RNA ist somit, bis auf kleine Besonderheiten, eine exakte Kopie der DNA. Die RNA enthält die genetische Information für die Proteinsynthese an den Ribosomen.
Die einzelsträngige DNA ist aber keineswegs stabil. Daher lagern sich zwei Einzelstränge zusammen. Dabei kommt es zu ganz bestimmten Paarungen von Pyridin- und Pyrimidinbasen:
Merke:
* Adenin paart sich mit Thymin und bildet zwei Wasserstoffbrückenbindungen aus,
* Guanin paart sich mit Cytosin und bildet drei Wasserstoffbrückenbindungen aus.
DNA – Doppelhelix
Infolgedessen wird die berühmte Doppelhelix‑Struktur ausgebildet. Du kannst dir die DNA wie eine Wendeltreppe vorstellen: Der Handlauf der Wendeltreppe ist das Desoxyribose‑Phosphat‑Rückgrat und die Stufen sind die Basen der DNA. Betrachten wir noch einmal kurz, was es mit der Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur der DNA auf sich hat.
Primärstruktur der DNA-Doppelhelix
Der sogenannte Polynukleotidstrang – das ist der DNA-Strang, der sich aus zahlreichen, aneinandergereihten Nukleotiden zusammensetzt – bildet die Primärstruktur der DNA-Doppelhelix.
Sekundärstruktur der DNA-Doppelhelix
Wie du bereits weißt, besteht die DNA aus zwei gegenläufig zueinander verlaufenden Polynukleotidsträngen, die durch die komplementäre Basenpaarung über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft sind. Hierbei spricht man von der Sekundärstruktur der DNA-Doppelhelix.
Tertiärstruktur der DNA-Doppelhelix
Die schraubig umeinander gewundenen DNA-Stränge bilden die Doppelhelix aus, die durch die Tertiärstruktur beschrieben wird.
Chromosomen – DNA Verpackung
Später wirst du darauf aufbauend die Verpackungsstufen der DNA kennenlernen. Die höchste und bekannteste Verpackungsstufe stellen die Chromosomen dar. Sie sind die am höchsten aufgewickelte (kondensierte) Form der DNA in der Zelle. Jeder Mensch besitzt in der Regel einen Chromosomensatz von 46 Chromosomen in jeder Körperzelle. Die Gesamtheit der zellulären DNA wird als Genom bezeichnet.
Fehleralarm
Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass DNA und Chromosomen dasselbe sind. Tatsächlich ist DNA ein Bestandteil von Chromosomen – sie sind sozusagen daraus "gebaut".
DNA – Funktion
Die DNA dient der Speicherung aller Erbinformationen, die ein Organismus zum Leben braucht. Vor einer Zellteilung repliziert sich die DNA, das heißt, sie verdoppelt sich. Somit werden identische Kopien der DNA weitergegeben. Während der Zellteilung verdichtet sich die DNA und Chromosomen werden unter dem Mikroskop sichtbar. Außerdem bestimmt die DNA, wann welche Proteine von der Zelle hergestellt werden. Eine spezifische Abfolge von drei DNA-Basen kodiert für eine spezifische Aminosäure, der Grundbaustein der Proteine. Daher nennt man diese Abfolge auch Codon. So wird zum Beispiel die Aminosäure Methionin durch das Codon ATG kodiert.
DNA – Bedeutung für die Forensik
Die DNA von Mensch, Tier oder Pflanze ist einzigartig für jeden Organismus, genauso wie die Länge der verschiedenen DNA-Abschnitte. Das Muster der variablen DNA-Abschnitte wird auch als genetischer Fingerabdruck bezeichnet. Die Forensik nutzt die DNA-Analyse, um Tatortspuren und Vergleichsproben auszuwerten. Dazu erfolgt im Labor unter anderem die DNA-Extraktion aus Zellen, zum Beispiel aus einer Speichel- oder Gewebeprobe.
Wusstest du schon?
Über die Forensik hinaus wird das Wissen über unser Erbmaterial beispielsweise auch für die Klonforschung genutzt. Das wohl berühmteste Schaf der Welt ist das Schaf Dolly – das erste geklonte Säugetier weltweit, es wurde 1996 geboren. Mittlerweile wurden viele weitere Tiere geklont – darunter sogar ein Rhesusaffe.
Kontrovers diskutiert:
Diverse Methoden der Gentechnik bauen ebenfalls auf Kenntnissen über die DNA auf. In gentechnischen Verfahren wird gezielt in das Erbgut von Lebewesen eingegriffen und dieses dadurch künstlich verändert. Forschende züchteten beispielsweise leuchtende Fische. Auch in der Lebensmittelindustrie wird Gentechnik eingesetzt. Da gesundheitliche Risiken dabei bislang nicht ausgeschlossen werden können, sind Lebensmittel in Deutschland grundsätzlich gentechnikfrei.
Ausblick – das lernst du nach DNA Aufbau
Vertiefe dein Wissen über die DNA und ihre Funktionen. Spannende Informationen über die Replikation der DNA und den Zellkern bringen dir die faszinierenden Mechanismen der Vervielfältigung und Verpackung der DNA näher.
DNA und ihr Aufbau – Zusammenfassung
- DNA (dt. DNS) steht für das Wort Desoxyribonukleinsäure.
- Der DNA-Strang besteht aus aneinandergereihten Nukleotiden. Diese sind eine Einheit aus Phosphatrest, Desoxyribose und Base.
- Komplementäre Basen sind über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden.
- Infolge der Bindungen wird die berühmte DNA-Doppelhelix-Struktur ausgebildet.
- Die DNA enthält die Erbinformationen eines Organismus. Die spezifische Basenabfolge bildet den genetischen Code.
Häufig gestellte Fragen zum Thema DNA Aufbau
Transkript Was ist DNA?
Alle Informationen, die benötigt werden, um Leben zu erschaffen, sind in diesem Molekül verschlüsselt - der DNA. Verpackt in eng gewundenen Strukturen, den Chromosomen, ist sie im Kern all unserer Zellen gespeichert. Die DNA ist das, was jedes Lebewesen unterscheidet. Sie bestimmt unsere körperlichen und persönlichen Eigenschaften. Die Aufgabe unserer DNA besteht darin, die Zelle anzuweisen, bestimmte Proteine herzustellen. Und darüber hinaus kann sie sich selbst replizieren, sodass identische Kopien weitergegeben werden, wenn sich Zellen teilen. Beide Funktionen sind nur aufgrund der einzigartigen Form der DNA möglich, einer Doppelhelix. Im Innern der Spirale befinden sich vier Moleküle. Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin. Diese sind Basen, besser bekannt unter ihren Anfangsbuchstaben: A, T, C, G. Die Abfolge dieser Basen unterscheidet sich bei jeder Art und in jedem einzelnen Lebewesen. Und um sicherzugehen, dass diese einzigartige Abfolge bei der Zellteilung weitergegeben wird, sind die A T C G-Basen so beschaffen, dass sie sich auf eine ganz bestimmte Weise paaren. A paart sich immer mit T und C paart sich immer mit G. Wenn sich die Stränge nun trennen, enthält die offene Helix alle Informationen, um identische neue Stränge zu bilden. Diese einfache Regel ist der Schlüssel dazu, wie DNA von Zelle zu Zelle weitergegeben werden kann. Die DNA enthält die Baupläne, um Proteine in unseren Zellen herzustellen, die für jeden von uns einzigartig sind. DNA-Stränge sind wirklich die Fäden des Lebens.
Was ist DNA? Übung
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Skizziere den Ort, an dem sich die DNA befindet.
TippsDie DNA findest du in nahezu jeder einzelnen Zelle eines Lebewesens!
LösungDie DNA ist aus Basenpaaren aufgebaut.
Die Chromosomen enthalten die DNA.
Sie befinden sich im Zellkern nahezu jeder Zelle des Lebewesens.Übrigens: Mit einem Mikroskop kannst du die Zellkerne als dunkle Punkte in den Zellen erkennen.
-
Fasse die Funktionsweise der DNA-Replikation zusammen.
TippsReplizieren heißt frei übersetzt eine Kopie herstellen.
Helix kannst du mit Spirale übersetzten.
LösungDie DNA kann sich selbst replizieren, sodass identische Kopien weitergegeben werden, wenn sich Zellen teilen. Dies ist aufgrund der einzigartigen Form der DNA möglich, einer Doppelhelix.
Im Innern der Spirale befinden sich die vier Basen
- Adenin
- Thymin
- Cytosin
- Guanin
Die Basen sind so beschaffen, dass sie sich auf eine ganz bestimmte Weise paaren:
A paart sich immer mit T und C paart sich immer mit G.
Wenn sich die Stränge nun trennen, enthält die offene Helix alle Informationen, um identische neue Stränge zu bilden. -
Nenne Aufgaben und Eigenschaften der DNA.
TippsDie DNA ist der Träger der Erbinformationen.
LösungDie DNA
- sorgt für die Unterschiede zwischen den Lebewesen,
- bestimmt körperliche und persönliche Eigenschaften,
- gibt Anweisungen zur Herstellung der Proteine an die Zellen und
- kann identische Kopien weitergeben.
-
Erläutere die Bestimmung der Blütenfarbe einer Pflanze durch die DNA.
TippsDie Ausbildung der Blütenfarbe ist nur eines von vielen Merkmalen, das von der DNA gesteuert wird.
LösungDie DNA weist die Zelle an, bestimmte Proteine herzustellen. Diese bewirken dann die Ausprägung des Merkmals, hier also der Blütenfarbe. Dieser Prozess wird als Proteinbiosynthese bezeichnet.
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Nenne die Moleküle, die in der DNA vorkommen.
TippsEs handelt sich um vier Moleküle.
Die Anfangsbuchstaben der vier gesuchten Moleküle lauten A, T, C, und G.
LösungDie Namen der Moleküle sind:
- Adenin
- Thymin
- Cytosin
- Guanin
-
Erläutere den Zusammenhang zwischen DNA und dem genetischen Fingerabdruck am Beispiel kriminaltechnischer Untersuchungen.
TippsDNA liegt in nahezu jeder Zelle im Zellkern vor.
LösungWird an einem Tatort DNA-Material (z. B. Hautschuppen, Haare, Speichel oder Sperma) hinterlassen, so kann ein genetischer Fingerabdruck erstellt werden.
Dieser kann dann einer verdächtigen Person zweifelsfrei zugeordnet werden, denn die DNA ist bei jedem Individuum unterschiedlich.
Da die DNA in nahezu jeder einzelnen Zelle vorkommt, werden nur wenige DNA-Spuren benötigt, um einen genetischen Fingerabdruck zu erstellen.
Wie ist die DNA aufgebaut?
Proteinbiosynthese – von der DNA zum Protein
DNA – Verpackung und Chromatin
Was ist DNA?
Entdeckung der DNA – Watson und Crick
Replikation der DNA
Genwirkkette – vom Gen zum Merkmal
RNA – Bau und Funktion
Transkription und RNA Prozessierung
Prozessierung – RNA-Modifikation bei Eukaryoten
Translation
Genetischer Code – Eigenschaften und Bedeutung
Proteinbiosynthese – Vergleich von Prokaryoten und Eukaryoten
Genregulation bei Prokaryoten – Steuerung der Genexpression (Basiswissen)
Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten (Expertenwissen)
Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten
DNA-Schäden und Reparaturmechanismen
Genmutation – Formen und Ursachen
Genmutationen
RNA-Interferenz – Abschalten eines Gens
Apoptose – genetisch programmierter Zelltod
Krebs – Entstehung eines Tumors
DNA-Analysen in der Kriminaltechnik
Proteinarten – Typen von Proteinen
Phenylketonurie – genetische Krankheit
Der genetische Fingerabdruck
Replikation der DNA (Expertenwissen)
Die experimentelle Entschlüsselung des Genetischen Codes
Die experimentelle Entschlüsselung der Proteinbiosynthese
Die experimentelle Entschlüsselung der Genregulation
Wie ist die DNA aufgebaut?
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Bin zwar erst in der 7.Klasse, aber weiß jetzt wenigstens was ist ein DNA.
Da muss ich der Kollegin Recht geben! Die codiert nur den Bauplan!
Ansonsten ist das Material hier ganz toll für den Fernunterricht!
Die DNA "bildet Proteine" NICHT