Wie sieht die DNA aus?
Vier Buchstaben, zwei Stränge, eine verdrehte Leiter: Die DNA ist das wohl berühmteste Molekül der Biologie. Ihr Bau erklärt gleich zwei Dinge – wie Erbinformation gespeichert wird und wie sie bei jeder Zellteilung fast fehlerfrei kopiert werden kann.
Einfach erklärt
In der DNA speichern alle Lebewesen ihre Erbinformation. Die DNA ist eine lange Kette aus Bausteinen. Jeder Baustein trägt eine von vier Basen. Das sind die Buchstaben A, T, G und C. Die Information steckt in ihrer Reihenfolge.
Die DNA hat zwei Stränge. Sie liegen einander gegenüber. A paart immer mit T. G paart immer mit C. Die beiden Stränge passen also genau zusammen. Ein Strang verrät damit den anderen. Die Stränge sind wie eine Wendeltreppe gedreht. Das nennt man Doppelhelix. Dieses Modell stellen Watson und Crick 1953 vor. Wichtige Messdaten dafür stammen von Rosalind Franklin.
Vor jeder Zellteilung kopiert die Zelle ihre DNA. Diesen Vorgang nennt man Replikation. Ein Eiweiß trennt dazu die beiden Stränge. Ein anderes Eiweiß ergänzt jeden alten Strang mit passenden Bausteinen. Am Ende gibt es zwei gleiche DNA-Moleküle. Jedes hat einen alten und einen neuen Strang.
Merke: In der DNA paart A immer mit T und G immer mit C.
Das lernst du hier
- Du beschreibst den Bau eines Nukleotids und nennst die vier Basen der DNA.
- Du wendest die Regel der komplementären Basenpaarung an.
- Du beschreibst die Doppelhelix mit ihren antiparallelen Strängen.
- Du erklärst das Prinzip der semikonservativen Replikation.
- Du stellst die Entdeckung der DNA-Struktur und die Rolle von Rosalind Franklin differenziert dar.
Was ist DNA? Die Kurzantwort
Definition: DNA
DNA ist die Abkürzung für das englische deoxyribonucleic acid, auf Deutsch Desoxyribonukleinsäure (deshalb auch DNS). Sie ist das Molekül, in dem alle Lebewesen ihre Erbinformation speichern – verschlüsselt in der Reihenfolge von vier Basen.
Bei Menschen, Tieren und Pflanzen liegt die DNA vor allem im Zellkern, verteilt auf die Chromosomen. Ein Abschnitt der DNA, der die Bauanleitung für ein Protein enthält, heißt Gen. Wie die DNA aufgebaut ist, zeigen die folgenden Abschnitte.
Woraus besteht DNA? Die Bausteine (Nukleotide)
Die DNA ist eine lange Kette aus vielen gleichartigen Bausteinen, den Nukleotiden. Jedes Nukleotid besteht aus drei Teilen:
- einer Phosphatgruppe,
- dem Zucker Desoxyribose mit fünf Kohlenstoffatomen, die man von 1′ bis 5′ („eins Strich“ bis „fünf Strich“) nummeriert. Am 2′-Kohlenstoff fehlt ein Sauerstoffatom – daher „Desoxy“,
- einer von vier Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) oder Cytosin (C).
Mit den „vier Bausteinen der DNA“ sind meist diese vier Nukleotide gemeint. Sie unterscheiden sich nur in ihrer Base und werden deshalb nach ihr abgekürzt: A, T, G und C. Phosphat und Zucker sind bei allen gleich – die Information steckt allein in der Reihenfolge der Basen. Wie sich die Bausteine der RNA davon unterscheiden, zeigt der Vergleich DNA und RNA: Unterschied.
Adenin und Guanin sind Purine mit einem Doppelring, Thymin und Cytosin sind Pyrimidine mit einem Einfachring. In einem DNA-Strang ist die Phosphatgruppe eines Nukleotids mit dem 3′-Kohlenstoff des Zuckers im vorherigen Nukleotid verbunden. So entsteht ein stabiles Zucker-Phosphat-Rückgrat, von dem die Basen seitlich abstehen. Jeder Strang hat dadurch eine Richtung: ein 5′-Ende mit freier Phosphatgruppe und ein 3′-Ende.
Basenpaarung: A mit T, G mit C
In der DNA liegen zwei Stränge einander gegenüber. Ihre Basen sind über Wasserstoffbrücken verbunden, und zwar immer nach derselben Regel: Adenin paart mit Thymin (zwei Wasserstoffbrücken), Guanin paart mit Cytosin (drei Wasserstoffbrücken). Die beiden Stränge sind deshalb komplementär: Kennst du die Basenfolge des einen, kennst du automatisch die des anderen.
5’– A T G C C G T A –3′
3’– T A C G G C A T –5′
Weil sich immer ein großes Purin mit einem kleinen Pyrimidin paart, ist der Doppelstrang überall gleich breit. Daraus folgt auch die Chargaff-Regel, die der Biochemiker Erwin Chargaff schon um 1950 messend entdeckte: In jeder DNA ist der Anteil von Adenin gleich dem von Thymin und der von Guanin gleich dem von Cytosin.
Die Wasserstoffbrücken sind einzeln schwach. Deshalb lassen sich die Stränge leicht trennen – etwa beim Ablesen eines Gens oder beim Kopieren. Die Bindungen innerhalb eines Strangs sind dagegen feste Atombindungen, sodass die Basenfolge erhalten bleibt.
Merke
Ein Nukleotid besteht aus Phosphat, Desoxyribose und einer Base. In der DNA paaren sich A mit T und G mit C über Wasserstoffbrücken. Die beiden Stränge sind komplementär und laufen antiparallel: Dem 5′-Ende des einen Strangs liegt das 3′-Ende des anderen gegenüber.
Die Doppelhelix
Die beiden Stränge sind nicht flach wie eine Leiter, sondern wie eine Wendeltreppe um eine gemeinsame Achse gewunden: die Doppelhelix. Die Basenpaare bilden die Stufen, die Zucker-Phosphat-Rückgrate die Geländer. Weil die Rückgrate nicht genau gegenüberliegen, entstehen abwechselnd eine große und eine kleine Furche. Dort können Proteine an die Basen „herantasten“ und bestimmte Sequenzen erkennen.
| Kennzahl | Wert |
|---|---|
| Durchmesser der Doppelhelix | ca. 2 nm |
| Abstand zweier Basenpaare | ca. 0,34 nm |
| eine Windung | ca. 3,4 nm, rund 10 Basenpaare |
| Basenpaare im Chromosomensatz des Menschen | rund 3,1 Milliarden |
| DNA-Länge in einer Körperzelle (zwei Sätze) | ca. 2 m |
Die DNA kopiert sich selbst: Replikation
Vor jeder Zellteilung muss die gesamte DNA verdoppelt werden. Dieser Vorgang heißt Replikation. Die Basenpaarung macht ihn möglich, denn jeder Strang enthält die Information für seinen Partner:
- ÖffnenDas Enzym Helicase trennt die beiden Stränge, indem es die Wasserstoffbrücken löst. Es entsteht eine Replikationsgabel.
- ErgänzenDie DNA-Polymerase liest jeden alten Strang ab und hängt passende Nukleotide an: gegenüber A ein T, gegenüber G ein C. Sie kann neue Stränge nur in 5’→3′-Richtung verlängern.
- ErgebnisEs entstehen zwei identische Doppelstränge. Jeder besteht aus einem alten und einem neuen Strang – die Replikation ist semikonservativ („halb bewahrend“).
Die DNA-Polymerase arbeitet sehr genau und korrigiert sich zum Teil selbst. Zusammen mit Reparatursystemen bleibt am Ende nur etwa ein Fehler pro eine Milliarde kopierter Nukleotide. Wie die Zelle Schäden repariert, erfährst du unter Reparatur der DNA. Den Ablauf mit allen Enzymen erklärt die Seite DNA-Replikation Schritt für Schritt.
Wusstest du?
Wolltest du die Basenfolge eines einzigen menschlichen Chromosomensatzes laut vorlesen – eine Base pro Sekunde, ohne Pause –, bräuchtest du dafür rund 100 Jahre.
Wer entdeckte die Doppelhelix?
Die Struktur der DNA wurde nicht von einem einzelnen Genie gefunden, sondern in einem Wettlauf mehrerer Forschungsgruppen – mit Daten, die nicht immer fair geteilt wurden.
| Jahr | Ereignis |
|---|---|
| 1869 | Friedrich Miescher isoliert in Tübingen aus weißen Blutzellen eine neue Substanz, das „Nuklein“ (veröffentlicht 1871). Ihre Funktion als Erbsubstanz kennt er noch nicht. |
| 1944 | Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty zeigen an Bakterien: DNA ist das „transformierende Prinzip“, das Erbmerkmale überträgt. |
| 1952 | Alfred Hershey und Martha Chase bestätigen mit markierten Viren, dass DNA – nicht Protein – die Erbinformation trägt. Am 2. Mai entsteht am King’s College London unter der Leitung von Rosalind Franklin das Röntgenbeugungsbild „Photo 51“, aufgenommen von ihrem Doktoranden Raymond Gosling. |
| 1953 | Maurice Wilkins zeigt James Watson das Bild am 30. Januar ohne Franklins Wissen. Wichtiger noch: Ein Bericht mit Franklins Messdaten gelangt über Max Perutz zu Watson und Francis Crick. Ende Februar steht ihr Modell. Am 25. April 1953 erscheinen in der Zeitschrift Nature drei Artikel: von Watson und Crick, von Wilkins und Kollegen sowie von Franklin und Gosling. |
| 1958 | Matthew Meselson und Franklin Stahl beweisen die semikonservative Replikation. Im selben Jahr stirbt Rosalind Franklin mit 37 Jahren. |
| 1962 | Watson, Crick und Wilkins erhalten den Nobelpreis. Franklin konnte ihn nicht mehr bekommen, da er nicht nach dem Tod verliehen wird. |
Lange hieß es vereinfacht, Watson und Crick hätten Franklins Foto „gestohlen“ und damit sofort die Lösung gehabt. Historische Auswertungen zeigen ein differenzierteres Bild: Entscheidend waren auch Franklins genaue Messdaten, und das Modell entstand durch Modellbau. Die Wissenschaftshistoriker Matthew Cobb und Nathaniel Comfort beschrieben Franklin 2023 als gleichberechtigtes Mitglied eines Quartetts. Und der berühmte Satz, man habe „das Geheimnis des Lebens“ gefunden, ist nur aus Watsons späterer Erinnerung überliefert. Weitere Meilensteine findest du im Zeitstrahl.
Typische Fehler
- „Adenin paart mit Guanin.“ Falsch – A paart mit T, G mit C. Merkhilfe: Die „runden“ Buchstaben G und C gehören zusammen.
- „Die Basen sind fest miteinander verbunden.“ Falsch – zwischen den Strängen wirken nur Wasserstoffbrücken; fest sind die Bindungen innerhalb eines Strangs.
- „Beide Stränge laufen in dieselbe Richtung.“ Falsch – sie sind antiparallel (5’→3′ gegenüber 3’→5′).
- „Watson und Crick haben die DNA entdeckt.“ Falsch – entdeckt hat sie Friedrich Miescher 1869. Watson und Crick stellten 1953 – gestützt auf Daten von Franklin und Wilkins – das Modell der Doppelhelix auf.
Replikation im Detail und das Meselson-Stahl-Experiment
Weil die DNA-Polymerase nur in 5’→3′-Richtung arbeitet, die Stränge aber antiparallel liegen, wird an der Replikationsgabel unterschiedlich kopiert:
- Am Leitstrang läuft die Synthese in Richtung der sich öffnenden Gabel und kann fortlaufend erfolgen.
- Am Folgestrang muss die Polymerase „rückwärts“ arbeiten. Sie bildet kurze Stücke, die Okazaki-Fragmente, jeweils ausgehend von einem kurzen RNA-Startstück (Primer), das die Primase herstellt. Später werden die Primer durch DNA ersetzt und die Stücke von der Ligase verknüpft.
Dass die Replikation semikonservativ ist, war 1953 nur eine Vermutung von Watson und Crick. Möglich wären auch eine konservative Replikation (der alte Doppelstrang bleibt ganz erhalten, ein komplett neuer entsteht) oder eine dispersive (alte und neue Stücke gemischt). Matthew Meselson und Franklin Stahl prüften das 1958 an E. coli:
- Sie zogen Bakterien über viele Generationen auf einem Nährboden mit dem schweren Stickstoff-Isotop 15N heran. Ihre DNA wurde dadurch „schwer“.
- Dann überführten sie die Bakterien auf Nährboden mit dem leichten 14N und entnahmen nach jeder Zellteilung Proben.
- In einer Dichtegradienten-Zentrifugation trennten sie die DNA nach Dichte.
Ergebnis: Nach einer Generation gab es nur eine einzige Bande mittlerer Dichte – das schließt die konservative Replikation aus, die eine schwere und eine leichte Bande ergeben hätte. Nach zwei Generationen fanden sie eine mittlere und eine leichte Bande. Das passt nur zur semikonservativen Replikation; die dispersive hätte wieder nur eine einzige Bande ergeben. Das Experiment gilt als eines der elegantesten der Biologie.
Vertiefen: zwei Kapitel zur DNA
Fachbegriffe
- Nukleotid
- Baustein der DNA aus Phosphat, Desoxyribose und einer Base.
- Desoxyribose
- Zucker mit fünf C-Atomen; dem 2′-C fehlt ein Sauerstoffatom.
- Purine / Pyrimidine
- Basen mit Doppelring (A, G) bzw. Einfachring (T, C).
- komplementär
- Zueinander passend: A gegenüber T, G gegenüber C.
- Wasserstoffbrücke
- Schwache Bindung zwischen den Basen zweier Stränge.
- Doppelhelix
- Zwei umeinander gewundene DNA-Stränge, ähnlich einer Wendeltreppe.
- antiparallel
- Die beiden Stränge verlaufen in entgegengesetzter 5’→3′-Richtung.
- semikonservativ
- Jede neue Doppelhelix enthält einen alten und einen neuen Strang.
Aufgaben
- AFB INenne die drei Bestandteile eines Nukleotids und die vier Basen der DNA.
Lösung anzeigen
Phosphatgruppe, Desoxyribose, Base. Basen: Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin. - AFB IIErmittle den komplementären Strang zu 5′-ATGCGTTAC-3′ und gib beide Enden an.
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3′-TACGCAATG-5′. In der üblichen Leserichtung von 5′ nach 3′ geschrieben: 5′-GTAACGCAT-3′. - AFB IIEine DNA-Probe enthält 30 % Adenin. Berechne die Anteile der übrigen Basen und begründe.
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Thymin 30 % (paart mit A, Chargaff-Regel). Für G und C bleiben 100 % – 60 % = 40 %, also je 20 % Guanin und Cytosin. - AFB IIDNA mit hohem Anteil an G und C trennt sich beim Erhitzen erst bei höherer Temperatur in Einzelstränge als DNA mit viel A und T. Erkläre diese Beobachtung.
Lösung anzeigen
G–C-Paare sind über drei Wasserstoffbrücken verbunden, A–T-Paare nur über zwei. Zudem stapeln sich G–C-Paare stabiler übereinander. Um GC-reiche DNA zu trennen, muss deshalb mehr Energie (höhere Temperatur) zugeführt werden. - AFB IIIm Meselson-Stahl-Experiment (siehe Vertiefung) wachsen Bakterien mit „schwerer“ 15N-DNA zwei Generationen lang auf 14N-Nährboden. Stelle für die konservative und die semikonservative Replikation dar, welche Banden nach einer und nach zwei Generationen zu erwarten sind.
Lösung anzeigen
Konservativ: 1. Generation eine schwere und eine leichte Bande; 2. Generation eine schwere und eine (stärkere) leichte Bande. Semikonservativ: 1. Generation nur eine mittlere Bande (jede Doppelhelix halb schwer, halb leicht); 2. Generation eine mittlere und eine leichte Bande. Beobachtet wurde das semikonservative Muster. - AFB IIIIn einem Schulbuch steht: „Watson und Crick entdeckten 1953 die DNA, Rosalind Franklin lieferte nur ein Foto.“ Beurteile diese Darstellung.
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Die Darstellung ist in zwei Punkten falsch bzw. verkürzt: Die DNA als Substanz entdeckte Friedrich Miescher bereits 1869; Watson und Crick entwickelten 1953 das Strukturmodell der Doppelhelix. Franklin lieferte nicht nur „ein Foto“: Unter ihrer Leitung entstanden Photo 51 und präzise Messdaten, die über einen Bericht an Watson und Crick gelangten – ohne ihr Wissen. Ihre eigene Arbeit erschien in derselben Nature-Ausgabe. Heute sieht man sie als gleichberechtigte Mitentdeckerin. Eine angemessene Darstellung nennt deshalb Franklin, Wilkins, Watson und Crick gemeinsam und erwähnt auch den unfairen Umgang mit Franklins Daten.
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Quellen & Stand
- Cobb, M.; Comfort, N.: What Rosalind Franklin truly contributed to the discovery of DNA’s structure. Nature 616, 2023 (nature.com).
- Scientific American: February 28: The Day Scientists Discovered the Double Helix.
- Meselson, M.; Stahl, F. W.: The replication of DNA in Escherichia coli. PNAS 44, 1958, S. 671–682.
- Museum der Universität Tübingen: The Discovery of Nucleic Acid (Friedrich Miescher).
- NHGRI Talking Glossary: Deoxyribonucleic Acid, Double Helix.
Stand: Oktober 2026. Fachlich überarbeitet für Klasse 9–13.