DNA einfach erklärt: Aufbau, Basen und Doppelhelix

Dein Körper besteht aus unzählig vielen winzigen Zellen. Eine Zelle ist der kleinste lebende Baustein eines Lebewesens. In fast jeder Zelle steckt ein Bauplan für den ganzen Körper. Er sorgt dafür, dass aus dir ein Mensch wird und aus einem Apfelkern ein Apfelbaum. Er bestimmt auch mit, welche Augenfarbe du hast. Dieser Plan heißt DNA. Eltern geben ihn an ihre Kinder weiter. Deshalb spricht man auch von Erbinformation oder Erbgut.

DNA ist die Abkürzung für Desoxyribonukleinsäure. Das Wort klingt schwierig. Du kannst es aber in zwei Teile zerlegen:

• Desoxyribo steht für Desoxyribose. Das ist ein Zucker, der in der DNA steckt.
• Nukleinsäure ist der Name der Stoffgruppe, zu der die DNA gehört. „Nuklein“ kommt von „Nucleus“, dem lateinischen Wort für Kern. Die DNA wurde nämlich zuerst im Kern von Zellen gefunden.

Stell dir die DNA wie ein riesiges Kochbuch vor. Die einzelnen Rezepte heißen Gene. Viele Gene sind eine Anleitung für ein bestimmtes Eiweiß, auch Protein genannt. Proteine erledigen viele Aufgaben in deinem Körper. Das Protein Hämoglobin bringt zum Beispiel Sauerstoff durchs Blut. Antikörper sind auch Proteine. Sie wehren Krankheitserreger ab.

Geschrieben ist das Kochbuch mit nur vier Buchstaben: A, T, G und C. Das sind die Anfangsbuchstaben der vier Basen. Ihre Reihenfolge ist die Information. Das ist wie bei Wörtern: „Rot“ und „Tor“ haben dieselben Buchstaben und bedeuten doch etwas anderes.

Mehr als 99 Prozent der Basen sind bei allen Menschen gleich. Der kleine Rest unterscheidet sich von Mensch zu Mensch.

Fast jede Zelle in deinem Körper hat einen Zellkern. Das ist ein Bereich in der Zelle mit einer eigenen Hülle. Dort liegt der größte Teil der DNA.

Im Kern ist die DNA in 46 Stücke aufgeteilt. Jedes Stück ist ein einziger, sehr langer DNA-Faden. Er ist um Spulen aus Eiweiß gewickelt. So ein aufgewickelter Faden heißt Chromosom. Die 46 Chromosomen bilden 23 Paare. Von jedem Paar stammt ein Chromosom von dem einen Elternteil und eins von dem anderen. Ei- und Samenzellen haben nur 23 Chromosomen, von jedem Paar eins.

Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA mit einer bestimmten Anleitung. Viele Gene enthalten den Bauplan für ein Protein. Davon hat der Mensch etwa 20.000. Zusammen machen diese Abschnitte nur etwa 1 Prozent der DNA aus. Die gesamte DNA eines Lebewesens heißt Genom. Ein Satz Chromosomen des Menschen enthält rund 3 Milliarden Basenpaare. Ein solches Paar sind zwei Basen, die sich gegenüberstehen. Mehr dazu gleich.

Die bekannte X-Form haben Chromosomen nur bei einer Zellteilung. Dann ist jedes Chromosom verdoppelt und ganz dicht gepackt. Die meiste Zeit liegt die DNA als lockeres Knäuel im Kern.

Ein kleiner Teil der DNA liegt woanders, nämlich in den Mitochondrien. Das sind die Kraftwerke der Zelle. Ihre DNA ist meist ringförmig und klein: etwa 16.500 Basenpaare mit 37 Genen. Sie wird in der Regel nur von der Mutter vererbt. Pflanzen haben außerdem DNA in ihren Chloroplasten. Das sind die grünen Körnchen, in denen die Photosynthese abläuft. Und Bakterien? Sie haben gar keinen Zellkern. Ihre DNA liegt als Ring frei in der Zelle.

Würdest du die DNA aus einer einzigen Körperzelle ausrollen, wäre sie etwa 2 Meter lang. Das kannst du nachrechnen. Eine Körperzelle hat zwei Sätze Chromosomen, also rund 6 Milliarden Basenpaare. Jedes Paar ist 0,34 Nanometer hoch. Ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter.

6 Milliarden · 0,34 nm ≈ 2 m

Denn 1 Milliarde Nanometer sind genau 1 Meter. Der Kern ist aber nur wenige tausendstel Millimeter groß. Deshalb ist die DNA mehrfach aufgewickelt. Zuerst windet sie sich um Spulen aus Eiweiß, die Histone. Diese Spulen legen sich zu immer dickeren Fasern zusammen. Das ist wie ein sehr langer Faden auf vielen kleinen Garnrollen.

Die DNA ist ein riesiges Molekül. Ein Molekül ist ein Teilchen aus mehreren verbundenen Atomen, den winzigen Bausteinen aller Stoffe. Die DNA ist aus vielen gleichartigen Bausteinen aufgebaut, wie eine Kette aus Perlen. Diese Bausteine heißen Nukleotide.

Jedes Nukleotid hat drei Bestandteile:

• eine Phosphatgruppe, kurz Phosphat. Sie besteht aus einem Phosphoratom und mehreren Sauerstoffatomen.
• einen Zucker namens Desoxyribose. Er hat fünf Kohlenstoffatome.
• eine Base. Sie trägt die Information. Es gibt vier verschiedene: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin.

Phosphat und Zucker sind bei allen Nukleotiden gleich. Nur die Base wechselt. Deshalb nennt man die Nukleotide einfach nach ihrer Base: A, T, G oder C.

Warum heißt der Zucker „Desoxy“-Ribose? Er ist mit dem Zucker Ribose verwandt. Ihm fehlt aber an einer Stelle ein Sauerstoffatom. „Des-oxy“ bedeutet ungefähr „ohne Sauerstoff“.

Die Nukleotide verbinden sich zu einer langen Kette, dem DNA-Strang. Dabei hängt immer der Zucker des einen Nukleotids am Phosphat des nächsten. So entsteht ein Band aus Zucker, Phosphat, Zucker, Phosphat und so weiter. Es heißt Zucker-Phosphat-Rückgrat. Die Basen stehen seitlich davon ab, wie die Zinken eines Kamms.

Die fünf Kohlenstoffatome der Desoxyribose sind nummeriert, von 1′ bis 5′. Sprich: „eins Strich“ bis „fünf Strich“. Die Base hängt am Kohlenstoffatom 1′, das Phosphat am Kohlenstoffatom 5′. Über das Kohlenstoffatom 3′ ist der Zucker mit dem Phosphat des nächsten Nukleotids verbunden.

Deshalb hat jeder Strang zwei verschiedene Enden. Am 5′-Ende sitzt ein freies Phosphat. Am 3′-Ende sitzt eine freie OH-Gruppe, also ein Sauerstoff- mit einem Wasserstoffatom. Neue Stränge wachsen in der Zelle immer vom 5′-Ende zum 3′-Ende.

Die vier Basen der DNA heißen:

• Adenin, kurz A
• Thymin, kurz T
• Guanin, kurz G
• Cytosin, kurz C

In der DNA liegen sich immer zwei Basen gegenüber, eine aus jedem Strang. Dabei gilt eine feste Regel: Adenin paart sich immer mit Thymin, Guanin immer mit Cytosin. Basen, die so zueinanderpassen, heißen komplementär. Das bedeutet „sich ergänzend“. Zusammen bilden sie ein Basenpaar.

Kennst du die eine Hälfte, kennst du deshalb auch die andere. Zu ATGCCTAG gehört der Gegenstrang TACGGATC.

Warum passen nur diese Paare? Das liegt an Größe und Form. Adenin und Guanin sind große Basen mit zwei Ringen. Sie heißen Purine. Thymin und Cytosin sind kleiner und haben nur einen Ring. Sie heißen Pyrimidine. In jedem Paar steht eine große einer kleinen Base gegenüber. Deshalb ist die DNA überall gleich breit.

Die beiden Basen eines Paares sind über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden, kurz Wasserstoffbrücken. Das sind schwache Anziehungskräfte zwischen den Basen. Zwischen A und T gibt es zwei davon, zwischen G und C drei. Sie passen nur bei den richtigen Partnern genau zusammen.

Weil die Wasserstoffbrücken schwach sind, kann die Zelle die DNA wie einen Reißverschluss öffnen. Das muss sie, wenn sie die DNA abliest oder kopiert.

1950 veröffentlichte der Forscher Erwin Chargaff eine wichtige Entdeckung. In der DNA steckt genauso viel Adenin wie Thymin. Und genauso viel Guanin wie Cytosin. Das passt genau zu den Paaren: Zu jedem A gehört ein T, zu jedem G ein C.

Damit kannst du rechnen. Enthält eine DNA 30 % Adenin, dann hat sie auch 30 % Thymin. Zusammen sind das 60 %. Für Guanin und Cytosin bleiben 40 %, also je 20 %.

In der Zelle besteht die DNA meist aus zwei Strängen. Sie liegen sich gegenüber, und ihre Basen zeigen nach innen. Stell dir eine Strickleiter vor:

• Die beiden Seile sind die zwei Zucker-Phosphat-Rückgrate.
• Die Sprossen sind die Basenpaare.

Jetzt hältst du die Leiter oben und unten fest und drehst sie. Sie windet sich wie eine Wendeltreppe. Diese Form heißt Doppelhelix. „Doppel“ steht für die zwei Stränge. „Helix“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet Windung oder Spirale.

Die DNA ist rechtsherum gedreht, Fachleute sagen rechtsgängig. Das ist dieselbe Drehrichtung wie bei fast allen Schrauben. Außerdem laufen die beiden Stränge gegenläufig. Der eine läuft von 5′ nach 3′, der andere von 3′ nach 5′. Das Fachwort dafür ist antiparallel.

Zwischen den Windungen bleiben zwei Rillen frei, eine breite und eine schmale. Sie heißen große Furche und kleine Furche. In der großen Furche liegen die Basen besonders frei. Dort docken viele Proteine an, die bestimmte Stellen der DNA erkennen.

Eine einzelne Doppelhelix ist viel zu dünn, um sie mit bloßem Auge zu sehen. Große Mengen DNA kannst du aber sichtbar machen. Wie das geht, zeigt der Versuch weiter unten.

1869 untersuchte der Schweizer Arzt Friedrich Miescher in Tübingen weiße Blutkörperchen. Die Zellen gewann er aus Eiter. Darin fand er einen Stoff, der kein Eiweiß war. Weil er aus dem Kern der Zellen stammte, nannte er ihn „Nuklein“. Das war die DNA.

Wie die DNA aussieht, blieb lange ein Rätsel. Anfang der 1950er-Jahre machten Rosalind Franklin und Raymond Gosling am King’s College in London Röntgenbilder von DNA. Am selben College forschte Maurice Wilkins. In Cambridge bauten James Watson und Francis Crick mit diesen Daten ein Modell. Am 25. April 1953 erschien es in der Zeitschrift Nature: die Doppelhelix. Im selben Heft standen zwei Artikel aus London, einer von Franklin und Gosling, einer von Wilkins und zwei Kollegen.

Am Ende ihres kurzen Artikels schrieben Watson und Crick einen berühmten Satz. Übersetzt heißt er: „Es ist uns nicht entgangen, dass die von uns angenommene Paarung sofort auf einen möglichen Kopiermechanismus für das Erbmaterial hindeutet.“ Sie ahnten also schon, wie sich die DNA verdoppelt.

1962 bekamen Watson, Crick und Wilkins dafür den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Rosalind Franklin war 1958 mit nur 37 Jahren gestorben. 2023 werteten zwei Forscher einen Brief und einen nie gedruckten Artikel aus dem Jahr 1953 aus. Sie zeigen: Franklin war an der Entdeckung gleichberechtigt beteiligt.

Die wichtigste Funktion der DNA ist das Speichern der Erbinformation. Sie ist wie ein Archiv voller Baupläne. Viele Arbeiten in der Zelle erledigen die Proteine. Damit die Zelle ein Protein bauen kann, holt sie sich die passende Anleitung aus der DNA. Das läuft in zwei Schritten ab:

In Proteinen kommen vor allem 20 verschiedene Aminosäuren vor. Eine Dreiergruppe von Basen heißt Basentriplett, auf der mRNA Codon. Mit vier Basen gibt es 4 · 4 · 4 = 64 verschiedene Dreiergruppen. Das reicht für alle 20 Aminosäuren und für Stoppzeichen am Ende eines Gens. Zweiergruppen würden nicht reichen, denn 4 · 4 = 16 ist weniger als 20. Diese Zuordnung von Basen zu Aminosäuren heißt genetischer Code.

Fast alle deine Zellen haben dieselbe DNA. Trotzdem sieht eine Hautzelle ganz anders aus als eine Nervenzelle. Der Grund: Jede Zelle liest nur die Gene ab, die sie braucht.

Auch Enzyme sind Proteine. Enzyme beschleunigen chemische Vorgänge im Körper. Die Amylase in deinem Speichel zerlegt zum Beispiel Stärke.

Bevor sich eine Zelle teilt, kopiert sie ihre DNA. Jede neue Zelle braucht schließlich die ganze Erbinformation. Dieses Kopieren heißt Replikation. Es läuft in drei Schritten ab:

Jede Kopie besteht also zur Hälfte aus altem Material. Deshalb heißt das Verfahren semikonservativ. „Semi“ bedeutet halb, „konservativ“ bedeutet bewahrend. Das bewiesen Matthew Meselson und Franklin Stahl 1958 mit Bakterien.

Die RNA ist eine nahe Verwandte der DNA. Ihr langer Name ist Ribonukleinsäure. Eine Form kennst du schon: Die mRNA bringt die Anleitung zu den Ribosomen. Statt Thymin hat die RNA die Base Uracil, kurz U. Uracil paart sich mit Adenin.

Eine einzelne DNA siehst du nicht. Große Mengen DNA kannst du aber sichtbar machen. Dieser Versuch der Universität Freiburg klappt in der Küche, zum Beispiel mit einer Banane, einer Kiwi oder Erdbeeren.

Du brauchst: ein Stück Banane, Salz, Spülmittel, Leitungswasser und eiskalten Alkohol mit mindestens 80 Prozent. Das kann Brennspiritus sein oder Alkohol zur Desinfektion aus der Apotheke. Dazu kommen eine Gabel, ein Teelöffel, ein Trichter, Küchenpapier, eine Tasse und ein paar kleine, schmale Gläser. Stell vorher etwa 20 Milliliter Alkohol in einem verschlossenen Gefäß ins Gefrierfach.

Was passiert dabei? Beim Zerdrücken brechen die Wände der Pflanzenzellen auf. Das Spülmittel löst die Hüllen der Zellen und ihrer Kerne auf, denn sie bestehen vor allem aus Fett. Das Salz hilft, die Eiweiße von der DNA zu trennen. In der Wärme lösen sich die Hüllen besser auf. Danach ist die DNA im Wasser gelöst. Der kalte Alkohol verdrängt das Wasser um die DNA herum. Dann klumpt sie zusammen, und du siehst sie. Ganz rein ist sie nicht, in den Fäden steckt auch etwas RNA.

Jetzt bist du dran. Die Aufgaben werden nach unten schwerer, die letzten drei sind für Ältere. Überleg zuerst selbst und schau erst dann nach. Was du selbst aus dem Kopf holst, bleibt besser hängen. Warum das so ist, erklärt der Artikel über aktives Abrufen.

1. Wofür steht die Abkürzung DNA, und was speichert die DNA?
2. Nenne die drei Bestandteile eines Nukleotids.
3. Welche Base paart sich mit Adenin, welche mit Cytosin?
4. Schreib den Gegenstrang zu TTAGCGTA auf.
5. Ein Stück DNA hat oben die Basen AGCT und unten TCGA. Wie viele Wasserstoffbrücken verbinden die Paare?
6. Eine DNA enthält 20 % Guanin. Wie viel Cytosin, Adenin und Thymin enthält sie?
7. Warum ist die Doppelhelix überall gleich breit?
8. Was ist der Unterschied zwischen DNA, Gen und Chromosom?
9. Wie viele Chromosomen hat eine Körperzelle des Menschen? Und wie viele hat eine Eizelle?
10. Ein DNA-Stück hat 150 Basenpaare. Wie viele Windungen hat es, und wie lang ist es?
11. Für Ältere: Ein Strang lautet 5′⁠-⁠GATTACA⁠-⁠3′. Schreib den Gegenstrang mit seinen beiden Enden auf.
12. Für Ältere: Warum braucht der genetische Code Dreiergruppen von Basen und keine Zweiergruppen?
13. Für Ältere: Eine DNA wird einmal kopiert. Aus wie vielen alten und neuen Strängen besteht jede der beiden Kopien?

1. DNA steht für Desoxyribonukleinsäure. Sie speichert die Erbinformation, also den Bauplan eines Lebewesens.
2. Ein Phosphat, der Zucker Desoxyribose und eine Base.
3. Adenin paart sich mit Thymin. Cytosin paart sich mit Guanin.
4. Der Gegenstrang lautet AATCGCAT.
5. A mit T hat 2, G mit C hat 3, C mit G hat 3 und T mit A hat 2. Zusammen sind das 2 + 3 + 3 + 2 = 10 Wasserstoffbrücken.
6. Cytosin hat genauso viel wie Guanin, also 20 %. Für Adenin und Thymin bleiben 100 % − 40 % = 60 %, also je 30 %.
7. In jedem Paar liegt eine große Base (Purin) einer kleinen Base (Pyrimidin) gegenüber. So ist jede Sprosse gleich lang.
8. Die DNA ist das ganze Molekül mit der Erbinformation. Ein Gen ist ein Abschnitt davon. Ein Chromosom ist ein langer DNA-Faden, der um Eiweiße gewickelt ist.
9. Eine Körperzelle hat 46 Chromosomen, also 23 Paare. Eine Eizelle hat 23.
10. 150 : 10 = 15 Windungen. Die Länge ist 150 · 0,34 nm = 51 Nanometer.
11. Der Gegenstrang lautet 3′⁠-⁠CTAATGT⁠-⁠5′. Von 5′ nach 3′ gelesen heißt er 5′⁠-⁠TGTAATC⁠-⁠3′.
12. Mit zwei Basen gibt es nur 4 · 4 = 16 Kombinationen. Das ist zu wenig für 20 Aminosäuren. Mit drei Basen gibt es 4 · 4 · 4 = 64, das reicht.
13. Jede Kopie besteht aus einem alten und einem neuen Strang. Das heißt semikonservativ.

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Das regelt jedes Bundesland in seinem Lehrplan selbst. Ein Beispiel ist das Gymnasium in Nordrhein-Westfalen. Dort kommt die DNA zwischen Klasse 7 und 10 dran, im Themenfeld Genetik zusammen mit Chromosomen und Zellteilung. In der Oberstufe lernst du dann den Bau der DNA genauer kennen, dazu die Replikation, die Transkription und die Translation.

So bleibt das Thema hängen:

• Bau ein Modell. Bastle die Doppelhelix aus Pfeifenputzern und Perlen. Gib jeder Base eine eigene Farbe, und denk an die richtigen Paare.
• Erklär es laut. Erklär einer anderen Person, wie die Basen zusammenpassen. Wo du stockst, fehlt noch etwas. So funktioniert die Feynman-Technik.
• Verteil das Lernen. Wiederhol die Fachwörter an drei Tagen kurz, statt einmal lang. Warum, steht im Artikel zu Spaced Repetition.
• Plan die Bio-Arbeit. Wie du den Stoff auf eine Woche verteilst, zeigt der Plan Klausur in 7 Tagen.

Du willst mit deinen eigenen Aufgaben üben? Dafür gibt es Lerntwin, eine Lern-App für Schulkinder von Klasse 1 bis 13. Du fotografierst die Aufgabe und bekommst Schritt für Schritt Hilfe genau dazu. Lerntwin fragt nach, statt die Lösung vorzusagen, und erklärt es anders, wenn etwas noch hakt. So funktioniert Lerntwin.