Struktur & Zusammensetzung von Nukleinsäuren einfach erklärt

Stell dir vor, du müsstest eine komplette Bauanleitung für einen Menschen schreiben – mit allen Details zu Augenfarbe, Körpergröße und der Funktion jeder einzelnen Zelle. Diese Anleitung wäre Millionen Seiten lang. Die Natur hat einen Weg gefunden, all diese Informationen auf einer winzigen biologischen Festplatte zu speichern, die in jede deiner Zellen passt: der DNA. Genau das schauen wir uns bei der Struktur und Zusammensetzung von Nukleinsäuren genauer an.

In dieser Lektion schauen wir uns an, wie dieses faszinierende Molekül aufgebaut ist. Du wirst lernen, aus welchen einfachen Bausteinen die DNA besteht, wie sie ihre berühmte Form erhält und was sie von ihrer kleinen Schwester, der RNA, unterscheidet.

Vorwissen

• Makromoleküle: Sehr große Moleküle, die aus vielen kleinen, sich wiederholenden Bausteinen zusammengesetzt sind.

  Beispiel: Proteine sind Makromoleküle, die aus vielen aneinandergereihten Aminosäuren bestehen.

• Wasserstoffbrückenbindungen: Eine schwache, magnetähnliche Anziehungskraft zwischen Molekülen.

  Beispiel: Wasserstoffbrücken halten einzelne Wassermoleküle zusammen, sodass Wasser bei Raumtemperatur flüssig und nicht gasförmig ist.

Aufgabentyp 1: Bausteine und Aufbau der DNA

Die Desoxyribonukleinsäure (kurz DNA oder auf Deutsch DNS) ist ein riesiges Makromolekül. Um ihren Aufbau zu verstehen, stellen wir sie uns am besten als eine in sich verdrehte Strickleiter vor. Diese Form nennt man Doppelhelix.

Jede Strickleiter besteht aus zwei Teilen: den seitlichen Holmen (dem Rückgrat) und den Sprossen in der Mitte. Schauen wir uns an, woraus diese bestehen.

Der Grundbaustein: Das Nukleotid

Die gesamte DNA ist aus Millionen von kleinen Bausteinen aufgebaut, den sogenannten Nukleotiden. Ein einzelnes Nukleotid besteht immer aus drei Teilen:

1. Einer Phosphorsäure.
2. Einem Zucker namens 2-Desoxyribose (ein Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen, also eine Pentose).
3. Einer von vier organischen Nukleobasen.

Das Rückgrat der Leiter (Die Holme)

Die Seiten der Leiter entstehen, indem sich abwechselnd ein Zucker und eine Phosphorsäure aneinanderreihen. Sie werden durch feste chemische Bindungen (Esterbindungen) zusammengehalten.

Die Kohlenstoffatome im Zucker sind von 1 bis 5 durchnummeriert. Die Phosphorsäure verbindet immer das 3. Kohlenstoffatom (das 3'-Ende) des einen Zuckers mit dem 5. Kohlenstoffatom (dem 5'-Ende) des nächsten Zuckers. Wichtig: Die beiden Stränge der DNA verlaufen antiparallel. Das bedeutet, wenn der linke Strang von oben nach unten verläuft, steht der rechte Strang quasi auf dem Kopf und verläuft von unten nach oben.

Die Sprossen der Leiter (Die Basenpaare)

In der Mitte der Leiter ragen die Nukleobasen wie halbe Sprossen nach innen. Es gibt vier verschiedene Basen, die in zwei Gruppen unterteilt werden:

• Purinbasen (große Moleküle): Adenin (A) und Guanin (G).
• Pyrimidinbasen (kleine Moleküle): Thymin (T) und Cytosin (C).

Damit die Leiter überall gleich breit ist, muss sich immer eine große Base mit einer kleinen Base paaren. Aufgrund ihrer chemischen Form passen sie wie Puzzleteile perfekt zusammen. Es gilt die strenge Regel der komplementären Basenpaarung:

• Adenin (A) paart sich immer mit Thymin (T).
• Cytosin (C) paart sich immer mit Guanin (G).

Diese Basenpaare werden in der Mitte durch schwache Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten. Das ist genial, denn so hält die Leiter zwar fest zusammen, kann aber bei Bedarf (z. B. wenn die Zelle sich teilt) in der Mitte wie ein Reißverschluss geöffnet werden.

Aufgabentyp 2: Struktur der RNA und Vergleich zur DNA

Neben der DNA gibt es in unseren Zellen noch eine zweite wichtige Nukleinsäure: Die Ribonukleinsäure (RNA).

Während die DNA der sichere, riesige Hauptbauplan im Tresor der Zelle ist, ist die RNA eher wie eine kurze, schnelle Arbeitskopie eines einzelnen Rezepts. Die RNA ist der DNA sehr ähnlich, weist aber drei wesentliche strukturelle Unterschiede auf:

1. Die Stranganzahl: Die DNA ist eine Doppelhelix (zwei Stränge). Die RNA ist typischerweise einzelsträngig. Sie sieht also aus wie eine in der Mitte durchgeschnittene Leiter. Manchmal faltet sich dieser Einzelstrang jedoch um und bildet durch Basenpaarung mit sich selbst kleine Schleifen.
2. Der Zucker: Das Rückgrat der RNA enthält den Zucker Ribose. (Erinnerung: Die DNA enthält 2-Desoxyribose. Das "Desoxy" bedeutet, dass der DNA im Vergleich zur RNA ein Sauerstoffatom fehlt).
3. Die Basen: Die RNA verwendet ebenfalls Adenin, Cytosin und Guanin. Aber anstelle von Thymin (T) verwendet die RNA die Pyrimidinbase Uracil (U). In der RNA paart sich Adenin also mit Uracil.

Zusätzlich ist noch wichtig zu wissen, dass RNA-Moleküle im Allgemeinen wesentlich kürzer sind als DNA-Moleküle, da sie meist nur die Information eines einzigen Gens kopieren, während die DNA die Information von Tausenden Genen aneinanderreiht.

Aufgabentyp 3: DNA-Extraktion aus einer Banane

Zweck: Sichtbarmachen der DNA als reales, riesiges Makromolekül.

Materialien: 1 halbe Banane, 10 mL Spülmittel, 1 Teelöffel Salz, 100 mL eiskaltes Ethanol (Alkohol), Wasser, Filter, Becherglas, Glasstab.

⚠️ Sicherheitshinweis: Ethanol ist leicht entzündlich. Von offenen Flammen fernhalten. Schutzbrille tragen.

Durchführung:

1. Zerdrücke die Banane mit etwas Wasser, dem Salz und dem Spülmittel zu einem Brei.
2. Filtere den Brei durch den Filter in das Becherglas, sodass du eine klare Flüssigkeit erhältst.
3. Gieße nun ganz vorsichtig die 100 mL eiskaltes Ethanol an der Innenwand des Becherglases hinab, sodass sich der Alkohol wie eine Schicht auf die Bananenflüssigkeit legt. Nicht umrühren!
4. Warte einige Minuten und tauche dann den Glasstab in die Grenzschicht der beiden Flüssigkeiten.

Beobachtung: An der Grenze zwischen der wässrigen Lösung und dem Alkohol bilden sich weiße, schleimige Fäden und Klumpen. Diese Fäden lassen sich mit dem Glasstab herausziehen.

Erklärung: Das Spülmittel zerstört die Zellwände der Banane und befreit die DNA. Das Salz hilft, die DNA-Stränge zusammenzulagern. Da DNA in eiskaltem Alkohol nicht löslich ist, fällt sie aus (sie wird fest). Die weißen Fäden, die du siehst, sind Millionen von ineinander verhedderten DNA-Doppelhelices!

Aufgabentyp 4: Den komplementären DNA-Strang ermitteln

Wenn du die Abfolge der Basen (die Sequenz) eines DNA-Strangs kennst, kannst du den gegenüberliegenden Strang ganz einfach vorhersagen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Leserichtung umkehren: Da die DNA antiparallel ist, beginnt der Gegenstrang genau umgekehrt. Wenn der Originalstrang mit 5' beginnt, beginnt dein Gegenstrang mit 3'.
2. Basenpaare übersetzen: Gehe den Strang Buchstabe für Buchstabe durch und wende die Regeln der komplementären Basenpaarung an: Aus A wird T (und umgekehrt), aus C wird G (und umgekehrt).
3. Ende markieren: Schließe den Strang mit der passenden End-Markierung ab (3' wird zu 5').

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• DNA-Bausteine: Ein Nukleotid besteht aus Phosphorsäure, 2-Desoxyribose (Zucker) und einer Base.
• Basenpaarung (DNA): Adenin paart mit Thymin, Cytosin paart mit Guanin.
• Struktur: Die DNA ist eine antiparallele Doppelhelix, die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten wird.
• Unterschiede der RNA: Sie ist einzelsträngig, enthält den Zucker Ribose und verwendet die Base Uracil (U) anstelle von Thymin (T).