Bau der DNA

Chemische Struktur der DNA

Bereits Friedrich Miescher (1844 - 1895) hat 1869 bis 1871 in seinem Labor die chemischen Verbindungen entdeckt, die man heute als Nucleinsäuren bezeichnet. Miescher nannte die Substanz, die er im Eiter aus Verbandsmaterial gefunden hatte, Nuklein. Auch im Sperma von Lachsen fand er diese Verbindung. Miescher fiel auch auf, dass das Nuklein sehr viel Phosphat enthielt. Aber insgesamt war das Nuklein für Miescher eine eher langweilige Substanz, und kurze Zeit nach der Entdeckung wandte er sich den Proteinen zu, sie sehr vielversprechender waren.

Der Begriff "Nucleinsäure" wurde erst 1899 von Richard Altmann eingeführt, obwohl bereits Miescher erkannt hat, dass das sein Nuklein saure Eigenschaften hatte.

Schauen wir uns nun den chemischen Aufbau der DNA etwas näher an. Die DNA liegt in Form einer Doppelhelix vor, die aus zwei gegenläufigen Strängen besteht. Jeder DNA-Einzelstrang setzt sich aus drei verschiedenen Komponenten zusammen:

1. Phosphorsäure
2. Desoxyribose, eine Pentose (d.h. ein Zucker mit 5 C-Atomen)
3. Einer von vier möglichen DNA-Basen

Im Folgenden wollen wir diese drei Bausteine näher kennenlernen.

Baustein 1: Phosphorsäure

Schon chemische Analysen Ende des 19. Jahrhunderts ergaben, dass die DNA sehr viel Phosphorsäure-Reste enthält. Schauen wir uns mal ein Molekül der Phosphorsäure H₃PO₄an.

Ein Phosphorsäure-Molekül (links) und eine Phosphatgruppe, die mit zwei Desoxyribose
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Die Phosphorsäure ist eine dreiprotonige Säure. Wird nur ein Proton abgegeben, entsteht das Dihydrogenphosphat-Ion H₂PO₄^-. Nach Abgabe des zweiten Protons bildet sich das Hydrogenphosphat-Ion HPO₄^2-. Wenn dann das dritte Proton abgegeben wurde, liegt die Phosphorsäure als Phosphat-Ion PO₄^3- vor.

Die drei OH-Gruppen können aber noch mehr; sie können sich nämlich mit anderen OH-Gruppen verbinden, zum Beispiel mit OH-Gruppen aus Zucker-Molekülen. Die Desoxyribose ist ein solcher Zucker. Rechts in der Abbildung sehen wir ein Phosphorsäure-Moleküle, das a) ein Proton abgegeben hat und sich b) mit zwei Desoxyribose-Molekülen verbunden hat. Die Phosphorsäure darf in dieser Form nicht mehr als "Phosphorsäure" bezeichnet werden, sondern wir sprechen von einem "Phosphorsäure-Rest" oder von einem "Phosphat-Rest".

Baustein 2: Desoxyribose

Man fand schnell heraus, dass die DNA nicht nur viel Phosphorsäure-Reste enthält, sondern auch genau so viel Desoxyribose-Reste. Desoxyribose ist ein Monosaccharid mit fünf C-Atomen. Hier eine Zeichnung dieses Zuckers.

Ein β-Ribose- und ein Desoxyribose-Molekül
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Streng genommen ist die Desoxyribose gar kein Kohlenhydrat, sondern ein chemisch verändertes Kohlenhydrat. Die Desoxyribose ist nämlich die reduzierte Form des Monosaccharids Ribose. Die OH-Gruppe am C2-Atom wurde durch ein einfaches H-Atom ersetzt. Es bleiben nur noch drei OH-Gruppen an den Kohlenstoff-Atomen 1, 3 und 5, und mit diesen drei OH-Gruppen kann sich die Desoxyribose mit anderen Molekülen verbinden:

Ein Dihydrogenphosphat-Ion reagiert mit zwei Desoxyribose-Molekülen unter Wasser-Abgabe
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Auf diesem Bild sehen wir, wie sich ein Phosphat-Rest mit zwei Desoxyribose-Molekülen verbindet. Ein O-Atom der Phosphatgruppe verbindet sich mit dem C3-Atom des einen Desoxyribose-Moleküls, und ein anderes O-Atom der Phosphatgruppe verbindet dem C5-Atom des anderen Desoxyribose-Moleküls. Das "obere" Desoxyribose-Molekül hat noch eine intakte OH-Gruppe am C5-Atom, daher wird dieses Ende des Gesamtmoleküls als 5'-Ende bezeichnet (gelesen: 5 - Strich - Ende). Entsprechend hat das "untere" Desoxyribose-Moleküle eine intakte OH-Gruppe am C3-Atom, daher bezeichnet man dieses Ende als 3'-Ende.

Damit haben wir die beiden Komponenten des DNA-Rückgrats zusammen. Jeder Phosphorsäure-Rest ist mit zwei Desoxyribose-Resten verbunden, und jeder Desoxyribose-Rest mit zwei Phosphorsäure-Resten:

Ein Trinucleotid sowie ein Nucleotid und ein Nucleosid
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Die Abbildung oben zeigt quasi einen "Mini-DNA-Einzelstrang", der aus nur drei Nucleotiden besteht. Als Nucleotid bezeichnet man die Einheit aus einem Ribose- oder Desoxyribose-Baustein, der am C1-Atom mit einer DNA-Base verknüpft ist (A, C, G oder T) und am C5-Baustein mit einem Phosphatrest. Fehlt der Phosphatrest, spricht man von einem Nucleosid. Die Nucleotide sind die Grundbausteine der DNA, die kleinsten Einheiten der Doppelhelix. Einen langen DNA-Einzelstrang kann man auch als Polynucleotid bezeichnen. Das 5'-Ende besitzt eine Phosphatgruppe am C5-Atom des Zuckers, das 3'-Ende hat eine OH-Gruppe am C3-Atom des Zuckers.

Baustein 3: Die Basen

Kommen wir nun zu der entscheidenden Frage, was die beiden Einzelstränge der DNA eigentlich zusammenhält. Watson und Crick, die beiden berühmten Entdecker der DNA-Struktur, hatten damit am Anfang ziemliche Probleme. Das Rückgrat beider Einzelstränge ist stark negativ geladen, jeder Phosphorsäure-Rest trägt ja eine negative Ladung. An sich müssten sich die beiden DNA-Stränge daher gegenseitig abstoßen.

Wie sehen nun die vier DNA-Basen aus?

Die vier Basen der DNA, im Uhrzeigersinn: Thymin, Adenin, Guanin und Cytosin.

Auf dem Bild sehen wir die vier DNA-Basen. Die beiden großen Basen Adenin und Guanin leiten sich von der Verbindung Purin ab. Sie bestehen aus einem Ring aus sechs Atomen, an den ein kleinerer Ring aus fünf Atomen angeschlossen ist. Die beiden mittleren C-Atome gehören beiden Ringen gleichzeitig an und sind durch eine Doppelbindung verbunden. Auffällig sind die vielen Heteroatome (Fremdatome wie N oder O).

Die beiden kleinen Basen Thymin und Cytosin leiten sich von der Verbindung Pyrimidin ab. Sie bestehen aus einem Ring aus sechs Atomen.

Alle vier Basen sind mit dem C1-Atom der Desoxyribose verbunden, wie schon in Abbildung 4 dargestellt. Achten Sie bitte auf die Tatsache, dass Adenin nahezu die gleiche Größe hat wie Guanin, und Thymin wie Cytosin. Das spielt eine wichtige Rolle bei der Struktur der DNA-Doppelhelix, wie wir gleich noch sehen werden.

Basenpaarung

Was die beiden Einzelstränge zusammenhält, haben wir aber immer noch nicht geklärt, und damit treten wir in die Fußstapfen von Watson und Crick. Die wussten nämlich zuerst auch nicht, was die DNA eigentlich zusammenhält, weil beide recht wenig Ahnung von Chemie hatten. Die beiden Forscher haben die Basenpaarung erst ganz am Ende erkannt, nachdem sie zunächst ein föllig valsches Modell der DNA gebaut und sich damit heftig vor konkurrierenden Wissenschaftlern blamiert hatten.

Die A-T-Paarung

Das Basenpaar Adenin-Thymin
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Adenin und Thymin können sich mit Hilfe von zwei H-Brücken paaren. Um das zu verdeutlichen, wurden in der Abbildung einige H-Atome eingezeichnet, die man normalerweise nicht mit zeichnet, zum Beispiel an der NH₂-Gruppe des Adenins. Die H-Brücken sind ungefähr gleich lang, knapp 0,3 nm.

Die G-C-Paarung

Das Basenpaar Guanin-Cytosin
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Guanin und Cytosin können sich mit Hilfe von drei H-Brücken paaren. Auch hier sind die H-Brücken ungefähr gleich lang, knapp 0,3 nm.

Die Bindung zwischen Guanin und Cytosin ist deutlich stärker als die zwischen Adenin und Thymin, schließlich ist hier eine H-Brücke mehr am Werk. Außerdem werden die beiden komplementären DNA-Basen nicht ausschließlich durch H-Brücken zusammengehalten, auch van-der-Waals-Bindungen spielen eine Rolle. Auf diese wird aber in der Literatur meistens nicht eingegangen, weil sie viel schwächer sind als die Wasserstoffbrücken-Bindungen.

Bedeutung der Basenpaarung

Die vier Basen sind die vier Buchstaben des genetischen Codes. Die Reihenfolge der Basen auf dem einen DNA-Strang, dem so genannten codogenen Strang, stellt die eigentliche Erbinformation dar. Näheres dazu finden Sie beim Thema "Genetischer Code". Der andere Strang, der nicht-codogene Strang, ist quasi eine komplementäre Kopie des codogenen Strangs.

Dieses Prinzip der Komplementarität macht erst dann so richtig Sinn, wenn die DNA-Doppelhelix verdoppelt werden soll. Dann teilt sich nämlich die Doppelhelix in zwei einzelne Stränge, die Basenpaare lösen sich voneinander, und anschließend sorgen bestimmte Enzyme dafür, dass die "einsamen" Basen der beiden Einzelstränge komplementär wieder ergänzt werden. An jedes "einsame" Adenin setzt sich also ein Thymin-Rest, an jedes "einsame" Guanin dockt ein Cytosin-Rest an - vereinfacht gesprochen. Auf diese Weise entstehen aus den beiden DNA-Einzelsträngen zwei neue DNA-Doppelhelices. Aber dazu kommen wir noch beim Thema "DNA-Replikation".

Zu guter Letzt wollen wir uns noch ein schönes Bild aus der Wikipedia anschauen, das alles bisher Gesagte im Zusammenhang darstellt.

Ein winziger DNA-Doppelstrang aus vier Basenpaaren A-T, C-G, T-A und G-C.
Quelle: Wikipedia, Artikel "Basenpaar", Autor: Madeleine Price Ball (Madprime), Lizenz:  Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic, 2.0 Generic and 1.0 Generic license.

Auf diesem schönen Bild sieht man eine Mini-DNA-Doppelhelix mit vier Basenpaaren. Achten Sie darauf, dass die beiden DNA-Stränge gegenläufig sind. Bei dem links dargestellten Strang ist das 3'-Ende unten und das 5'-Ende oben, bei dem rechten DNA-Strang ist es genau umgekehrt.

Würden die beiden DNA-Stränge in der gleichen Richtung verlaufen, was ja prinzipiell möglich wäre, dann hätte die DNA-Doppelhelix eine völlig andere, "verdrehte" oder "gekrümmte" Struktur. Andererseits würde die Replikation der DNA dann vielleicht wesentlich einfacher verlaufen, aber dazu kommen wir noch später.