Wie ist die DNA aufgebaut?

Wie ist die DNA aufgebaut? Übung

• Benenne die Elemente der DNA.

  Tipps

  Adenin und Thymin bilden ein Basenpaar.

  „Desoxy“ in Desoxyribose bedeutet, dass am C-2 die OH-Gruppe fehlt.

  Lösung

  Die DNA-Doppelhelix kann mit einer in sich gedrehten Strickleiter oder einer Wendeltreppe verglichen werden. Dabei bilden Phosphatgruppen und Zucker (hier: Desoxyribose) das Geländer der Treppe und die organischen Basen, welche durch Wasserstoffbrücken verbunden sind, die Treppenstufen. Es paaren sich stets Guanin und Cytosin durch drei Wasserstoffbrücken und Adenin und Thymin durch zwei Wasserstoffbrücken. Sie sind jeweils komplementär, also zueinander passend. Ein Nucleotid besteht aus der Phosphatgruppe und der Desoxyribose, welche durch Diesterbindungen verbunden sind, sowie einer organischen Base (Guanin, Cytosin, Thymin und Adenin). Ohne eine Phosphatgruppe, also nur Base und Desoxyribose, stellt es ein Nucleosid dar. Beide Stränge der DNA verlaufen antiparallel, d.h., sie verlaufen in entgegengesetzter Richtung.

• Beschreibe zentrale Elemente der DNA.

  Tipps

  Verdeutliche dir die räumliche Struktur der DNA-Doppelhelix. Welche Strukturen findet man nur außen und welche nur innerhalb der Helix?

  Die DNA-Doppelhelix könnte man auch mit einer gezwirbelten Strickleiter vergleichen.

  Eine „Treppenstufe“ besteht aus zwei über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbundenen Nucleinbasen.

  Lösung

  Das DNA-Molekül wird ganz oft mit einer Wendeltreppe verglichen. Diese Art von Vergleichen hilft uns manchmal, die Zusammensetzung und den Aufbau des Moleküls zu verstehen.

  Bei diesem Vergleich wird das Geländer der DNA-Doppelhelix durch das Zucker-Phosphat-Rückrat gebildet. Die Treppenstufen bilden die organischen Basen, wobei sich stets Guanin und Cytosin sowie Adenin und Thymin paaren. Dabei werden entweder drei oder zwei Wasserstoffbrücken ausgebildet, die die beiden Einzelstränge wie Holzleim zusammenhalten.

• Ordne den Kurven im Diagramm den richtigen DNA-Strang zu.

  Tipps

  Die Zusammensetzung der DNA-Doppelhelix bestimmt die Absorptionseigenschaften.

  Beim Erhitzen wird der DNA-Doppelstrang in seine Einzelstränge aufgespalten. Je stabiler die beiden Teilstränge zusammenhalten, desto mehr Energie muss in Form von Wärme zugeführt werden, um diese zu trennen.

  Guanin paart sich nur mit Cytosin und Thymin nur mit Adenin.

  Die Gesamtmenge der Basen einer DNA entspricht 100% (z.B. Typ A: 35+65=100).

  Eine Absorption bei 260 nm erhält man erst, wenn die DNA als Einzelstrang vorliegt.

  Lösung

  Um eine Absorption bei 260 nm aufnehmen zu können, muss die DNA als Einzelstrang vorliegen. Durch Erhitzen der DNA-Doppelhelix kann man bewirken, dass sich die DNA in zwei Einzelstränge auftrennt. Es gilt: Je größer der Anteil an Guanin-Cytosin-Paarungen im DNA-Doppelstrang ist, desto stabiler ist der Doppelstrang gegen Temperatur. Man benötigt dadurch mehr Energie, also höhere Temperaturen zum Aufspalten in Einzelstränge als bei DNA-Doppelsträngen mit einem großen Anteil von Adenin-Thymin-Basenpaaren. Der Grund dafür ist die Anzahl der ausgebildeten Wasserstoffbrücken. AT-Basenpaare bilden nur zwei Wasserstoffbrücken aus, während GC-Basenpaare drei Wasserstoffbrücken ausbilden.

  Typ B enthält den größten Anteil an GC-Paarungen. Deshalb benötigt man für diese DNA die höchste Temperatur, um sie in ihre Einzelstränge aufzutrennen und sie bei 260 nm messen zu können. Typ B ist die Kurve ganz rechts auf der Temperatur-Achse.

  Typ C besitzt den geringsten Anteil an GC-Paarungen und ist deshalb schon bei geringen Temperaturen in seine Einzelstränge aufgetrennt und bei 260 nm messbar. Typ C ist die Kurve ganz links auf der Temperatur-Achse.

  Von links nach rechts lautet die Abfolge also:

  Typ C - Typ D - Typ A - Typ B.

• Interpretiere das Diagramm bezüglich des Basengehalts der DNA-Moleküle der verschiedenen Organismen.

  Tipps

  Guanin und Cytosin bilden aufgrund ihrer räumlichen Struktur drei Wasserstoffbrücken aus. Adenin und Thymin können nur zwei Wasserstoffbrücken ausbilden.

  Je mehr Wasserstoffbrückenbindungen in der DNA vorhanden sind, desto stabiler ist dieses Molekül.

  Je stabiler das DNA-Molekül ist, desto mehr Energie muss in Form von Wärme aufgewendet werden, um sie zu schmelzen.

  Lösung

  Der prozentuale Anteil an Guanin-Cytosin-Paarungen im DNA-Molekül bestimmt seine Stabilität maßgeblich, denn so steigt auch der Anteil an Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Einzelsträngen der DNA-Doppelhelix.

  Deshalb muss mehr Wärmeenergie aufgewendet werden, um die DNA zu entspiralisieren und die Einzelstränge zu trennen. Somit kann aus dem Diagramm ermittelt werden, dass sich die Schmelztemperatur maßgeblich nach der Basenzusammensetzung richtet.

• Kennzeichne den komplementären Basenstrang.

  Tipps

  Es paaren sich nur Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin.

  Die Stränge der DNA-Doppelhelix verlaufen antiparallel, also mit entgegengesetzter Orientierung.

  Das 3'-Ende des einen Einzelstrangs steht dem 5'-Ende des komplementären Einzelstranges gegenüber.

  Lösung

  Da die Einzelstränge der DNA-Doppelhelix antiparallel laufen und zueinander komplementär sind, kann ein Thymin nur einem Adenin und ein Guanin nur einem Cytosin gegenüberstehen. Des Weiteren passt der komplementäre Strang nur dann, wenn dem 3'-Ende ein 5'-Ende gegenübersteht und umgekehrt.

  Behalte immer im Kopf, dass es sich bei der DNA um ein Molekül handelt und versuche es dir räumlich vorzustellen. So wirst du dir vorstellen können, dass sowohl die Basenabfolge 3' -TATCGTTACGTT- 5' als auch das umgekehrte Molekül 5' -TTGCATTGCTAT- 3' der komplementäre Strang zum Ausgangsmolekül sind.

• Vergleiche ein DNA-Molekül und RNA-Molekül bezüglich ihres Aufbaus miteinander.

  Tipps

  Lies noch einmal genau die Namen der Moleküle und versuche, daraus ihren chemischen Bau abzuleiten.

  Die RNA spielt in sehr vielen Prozessen eine wichtige Rolle. Sie wird bei der Transkription synthetisiert. Die DNA dient dabei als Vorlage.

  Lösung

  Ein wesentlicher Unterschied zwischen der DNA und der RNA besteht in dem Zucker. Bei der DNA wird dieser von Desoxyribose gebildet. Diesem Zucker-Molekül fehlt am zweiten Kohlenstoffatom eine OH-Gruppe. Ist diese OH-Gruppe jedoch vorhanden, so spricht man vom Zucker Ribose. Ribose ist in der RNA enthalten. Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht in der Basenzusammensetzung. Statt Thymin ist in der RNA die organische Base Uracil enthalten. Gemeinsam ist beiden Molekülen die Phosphat-Gruppe und die drei organischen Basen Adenin, Cytosin und Guanin. Die DNA liegt stets in der Doppelhelix-Struktur vor, während die RNAs als Einzelstränge gebaut werden. RNA-Moleküle sind auf Grund der noch vorhandenen OH-Gruppe am zweiten Kohlenstoffatom recht instabil. Dies ist jedoch kein Problem, da die RNA-Moleküle ohnehin nur temporäre Überträger von genetischen Informationen sind. Die DNA-Moleküle sind auf Grund der fehlenden OH-Gruppe am zweiten Kohlenstoffatom stabiler und das müssen sie auch sein. DNA-Moleküle übernehmen nämlich eine langfristige Speicherfunktion von genetischen Informationen.