DNA-Stränge

Die meisten Menschen haben die berühmte Doppelhelix der DNA gesehen – zwei DNA-Stränge, die wie eine Wendeltreppe ineinander verschlungen sind. Alle Lebewesen haben DNA. Einfache Lebewesen wie Bakterien haben nur ein langes, kreisförmiges Stück DNA, das aus zwei ineinander verschlungenen DNA-Strängen besteht. Das menschliche Genom, der DNA-Satz des Menschen, besteht aus viel mehr DNA-Strängen.

Der größte Teil der menschlichen DNA ist normalerweise in 46 Chromosomen verpackt, die sich im Zellkern befinden, einem speziellen Raum zur Speicherung der DNA. Jedes der Chromosomen im Zellkern besteht aus zwei linearen DNA-Strängen, die umeinander gewickelt sind.

Menschliche Zellen enthalten auch eine kleine Menge extrachromosomaler DNA, die sich in einem anderen Teil der Zelle, den Mitochondrien, befindet. Diese mitochondriale DNA ähnelt eher der bakteriellen DNA – ein einziges langes, kreisförmiges Stück DNA, das aus zwei DNA-Strängen besteht.

Ein DNA-Strang ist ein langes, dünnes Molekül – im Durchschnitt nur etwa zwei Nanometer (oder zwei Milliardstel Meter) breit. Das ist so dünn, dass ein menschliches Haar etwa 40.000 Mal so breit ist. Die unglaubliche Dünne der DNS-Stränge ermöglicht es, dass sie sehr dicht gepackt sind, da die meisten DNS-Moleküle sonst nicht in das Innere der Zellen passen würden.

Zum Vergleich: Würde man jeden DNS-Strang, der in einer einzigen menschlichen Zelle enthalten ist, von Ende zu Ende ausdehnen, würde er fast zwei Meter lang sein. Wäre der Kern einer Zelle so groß wie ein Baseball, entspräche dies einer Länge von 8,3 Meilen DNA.

Teile eines DNA-Strangs

Ungeachtet ihrer Länge und ihres Standorts in der Zelle haben alle DNA-Stränge eine gemeinsame Struktur. Sie bestehen alle aus Bausteinen, den so genannten Nukleotiden, die in einer Reihe aneinandergereiht sind. Die Nukleotide selbst bestehen aus drei miteinander verbundenen Teilen: einem Zuckermolekül, einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Base.

Die Zucker eines Nukleotids verbinden sich mit den Phosphaten des benachbarten Nukleotids und bilden so die Außenseite des DNA-Strangs, das so genannte Zucker-Phosphat-Grundgerüst. Das Innere des DNA-Strangs besteht aus den stickstoffhaltigen Basen. Diese Basen sind paarweise miteinander verbunden und bilden schwache Bindungen, die jedoch die beiden DNA-Stränge in einer Doppelhelix zusammenhalten. Ihre Sequenz kodiert die genetische Information eines Organismus.

Wie werden die beiden DNA-Stränge zusammengehalten?

Die beiden DNA-Stränge einer Doppelhelix werden durch die Paarung der Stickstoffbasen in den Nukleotiden jedes Strangs zusammengehalten. Die Stickstoffbase eines DNA-Nukleotids kann eines von vier verschiedenen Molekülen sein: Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C). Paare von stickstoffhaltigen Basen auf gegenüberliegenden Strängen werden durch Anziehungskräfte, so genannte Wasserstoffbrücken, zusammengehalten, die in einem bestimmten Muster auftreten.

Jedes Adenin auf einem DNA-Strang bildet zwei Wasserstoffbrücken mit einem Thyminmolekül auf dem komplementären Strang und umgekehrt. Und jedes Guaninmolekül auf einem Strang bildet drei Wasserstoffbrücken mit einem Cytosinmolekül auf dem anderen Strang und umgekehrt. Auf diese Weise sind die beiden DNA-Stränge über ihre gesamte Länge durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden und bilden die „Stufen“ der Wendeltreppe, die die Doppelhelix darstellt.

Warum müssen DNA-Stränge antiparallel sein?

Die beiden komplementären DNA-Stränge, aus denen ein doppelsträngiges DNA-Stück besteht, werden als antiparallel zueinander bezeichnet. Der Begriff antiparallel bedeutet, dass die beiden Stränge zwar physisch parallel zueinander sind, aber in entgegengesetzte Richtungen verlaufen – ähnlich wie die rechte und linke Spur einer Straße.

Mit anderen Worten: Während das Rückgrat des einen DNA-Strangs mit einem Zuckermolekül beginnt und in einer Phosphatgruppe endet, beginnt das Rückgrat des komplementären Strangs mit einer Phosphatgruppe und endet in einem Zuckermolekül. Die antiparallele Ausrichtung der beiden DNS-Stränge macht die DNS strukturell stabiler und ermöglicht die komplementäre Basenpaarung, die die DNS-Stränge zusammenhält.

Die Richtung jedes DNS-Strangs ist für den Prozess des Kopierens der DNS (DNS-Replikation) und des Ablesens der in den Genen der DNS enthaltenen Informationen (Transkription) von Bedeutung, da die Zellen die DNS nur in einer Richtung lesen können. So wie wir einen Text nur von links nach rechts lesen, lesen Zellen die DNA nur, indem sie mit dem Zuckerende des Rückgrats beginnen und mit dem Phosphatende enden.