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Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist ein doppelsträngiges Makromolekül, das aus Nukleotiden besteht und durch spezifische Basenpaarung sowie eine antiparallele Helix-Struktur die genetische Information stabil speichert. In der Zelle wird sie als Chromatin verpackt und vor jeder Teilung semi-konservativ repliziert; Fehler werden durch Korrekturlesen und Reparatursysteme korrigiert.
Die DNA ist ein Polymer aus Grundeinheiten, den sogenannten Nukleotiden. Jedes Nukleotid setzt sich aus drei Komponenten zusammen: einem Phosphatrest, einem Pentose-Zucker namens Desoxyribose und einer von vier stickstoffhaltigen Nukleobasen. Die Kombination aus Base und Zucker allein (ohne Phosphat) wird als Nukleosid bezeichnet. Während der Phosphatrest und der Zucker das schützende Rückgrat bilden, tragen die Basen die eigentliche Information.
Die Verknüpfung der Nukleotide erfolgt über Phosphodiesterbindungen. Dabei bindet die Phosphatgruppe am 5'-Kohlenstoffatom eines Zuckers an die Hydroxygruppe am 3'-Kohlenstoffatom des nächsten Zuckers. Dadurch entsteht eine klare Richtung des Stranges, die wir als 5'-zu-3'-Richtung bezeichnen. Man kann sich das Rückgrat wie die Holme einer Leiter vorstellen, die für Stabilität sorgen.
Es gibt zwei Klassen von Basen: Die Purine (Adenin und Guanin) bestehen aus einem Doppelringsystem, während die Pyrimidine (Cytosin und Thymin) nur einen einfachen Ring besitzen. Eine Eselsbrücke für die Pyrimidine ist 'CUT the PY' (Cytosin, Uracil, Thymin), wobei Uracil nur in der RNA vorkommt. In der DNA paart sich immer eine Purinbase mit einer Pyrimidinbase.
Die Stabilität der Doppelhelix beruht auf der komplementären Basenpaarung. Zwischen Adenin (A) und Thymin (T) bilden sich zwei Wasserstoffbrückenbindungen aus, während zwischen Guanin (G) und Cytosin (C) drei Wasserstoffbrückenbindungen entstehen. Aufgrund dieser stärkeren Bindung ist ein hoher GC-Gehalt thermisch stabiler als ein hoher AT-Gehalt.
Die beiden Einzelstränge der DNA verlaufen antiparallel. Das bedeutet, wenn ein Strang in 5'-3'-Richtung verläuft, liegt ihm der Gegenstrang in 3'-5'-Richtung gegenüber. Nur in dieser Orientierung können die Basen im Inneren der Struktur optimal miteinander interagieren und die charakteristische Doppelhelix bilden.
Die Helix-Struktur ist rechtsgängig und weist zwei unterschiedlich tiefe Einbuchtungen auf: die große Furche und die kleine Furche. Diese Furchen sind entscheidend, da dort Proteine (wie Transkriptionsfaktoren) an die spezifischen Basensequenzen binden können, ohne die Helix aufwinden zu müssen. Neben den Wasserstoffbrücken stabilisieren auch Stapelwechselwirkungen (Van-der-Waals-Kräfte zwischen den flachen Basenebenen) das Molekül.
Für die Organisation im Zellkern wird die DNA durch basische Histonproteine verpackt. Acht Histonmoleküle bilden ein Oktamer, um das sich die DNA etwa 1,7-mal windet – diese Einheit heißt Nukleosom. Die Nukleosomenkette wird durch Linker-DNA und Histon H1 zu einer 30-Nanometer-Faser komprimiert. Bereiche mit dichter Packung, die wenig transkribiert werden, bezeichnet man als Heterochromatin, während lockerer vorliegende, aktive Regionen als Euchromatin vorliegen.
Vor jeder Zellteilung wird die gesamte DNA verdoppelt – die Replikation. Sie verläuft semikonservativ: Jeder Tochterstrang besteht aus einem alten (konservierten) und einem neu synthetisierten Strang. Die Replikation startet an Replikationsursprüngen und schreitet in beide Richtungen fort. Zunächst entspiralisiert die Topoisomerase die Helix, dann öffnet die Helikase (unter ATP-Verbrauch) die Wasserstoffbrücken, wodurch eine Replikationsgabel entsteht. Da die DNA-Polymerase ausschließlich in 5'-3'-Richtung synthetisieren kann, legt die Primase einen kurzen RNA-Primer an, der das notwendige freie 3'-OH-Ende liefert.
Am Leitstrang erfolgt die Synthese kontinuierlich, da er in der Matrizenrichtung 3'-5' verläuft. Der Folgestrang wird diskontinuierlich in kurzen Stücken, den Okazaki-Fragmenten, synthetisiert; hier müssen mehrfach Primer gesetzt werden. Anschließend entfernt die DNA-Polymerase die Primer und füllt die Lücken auf, die DNA-Ligase verknüpft die Fragmente. Die DNA-Polymerase besitzt eine Korrekturlesefunktion (Proof-reading), die Fehlpaarungen erkennt und korrigiert. An den Enden der Chromosomen sitzen Telomere, repetitive Sequenzen, die sich bei jeder Replikation verkürzen und so mit dem Alterungsprozess in Verbindung gebracht werden.
Trotz Korrekturlesens kommt es gelegentlich zu Schäden. Die Mismatch-Reparatur erkennt und behebt Fehlpaarungen direkt nach der Replikation. Schäden durch Chemikalien oder Strahlung werden über die Basenexzisionsreparatur (BER) – bei kleinen Basenschäden – oder die Nukleotidexzisionsreparatur (NER) – bei sperrigen Läsionen wie Thymindimeren – repariert.
