Die Desoxyribonukleinsäure (DNA), im Deutschen auch DNS genannt, ist ein Biomolekül (biologisch aktive Verbindungen bzw. Moleküle, die in Lebewesen vorkommen) mit der Eigenschaft, Gene und deren Erbeigenschaften in sich zu tragen. Sie kommt in allen organisierten Einheiten mit den Fähigkeiten Stoffwechsel, Fortpflanzung, Reizbarkeit, Wachstum und Evolution vor sowie bei einigen Virustypen.

Der Aufbau der DNA ist in Form einer Doppelhelix (eine Art Helix, bei dem das Windungsmotiv jedoch doppelt auftaucht). Der Doppelhelix wird parallel zueinander von den zwei DNA-Strängen umlaufen. Diese zwei DNA-Stränge werden Polynukleotide genannt, da sie aus sogenannten Nukleotiden zusammengesetzt sind. Bestandteile eines Nukleotides sind einer der vier stickstoffhaltigen Nukleinbasen, welche entweder Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin sind, die häufig mit ihren Anfangsbuchstaben abgekürzt werden. Zudem setzen sich Nukleotide aus dem Kohlenhydrat Desoxyribose und einem Phosphat-Rest zusammen. Durch Molekularbindung sind die Nukleotide in einer sich abwechselnden Zucker-Phosphat-Kette miteinander verbunden.

Nach dem Prinzip der Doppelhelix bildet Adenosin (Nukleosid, welches die Nukleinbase Adenin vorweist) immer eine Wasserstoffbrücke zu Thymidin (Nukleosid, welches die Nukleinbase Thymin vorweist) aus.

Guanosin (Nukleosid, welches die Nukleinbase Guanin vorweist) bildet dagegen eine Wasserstoffbrücke zu Cytidin (Nukleosid, welches die Nukleinbase Cytosin vorweist) aus.

Die DNA ist dazu in der Lage, sich selbst zu erneuern, was DNA-Replikation genannt wird. Dabei werden die zwei DNA-Stränge voneinander getrennt. Diese werden durch das Enzym Helikase katalysiert und die vom jeweiligen Strang zu ergänzende DNA wird neu erzeugt (DNA-Synthese). Für diesen Vorgang ist ein Enzym aus der Gruppe der DNA-Polymerase sowie ein RNA-Primer, der der Polymerase als Startpunkt dient, zuständig. Dieser Prozess ist vor allem bei der Zellteilung essentiell.

In bestimmten Fällen kann es zu Schäden an der DNA kommen. Dieses verursachen sogenannte Mutagene, welche chemischen (z. B. durch Röntgenstrahlen oder Ultraviolettstrahlen) oder physischen Ursprunges sind. Sie führen zu Veränderungen an der DNA-Sequenz. Je nach Mutagen kommt es zu unterschiedlichen Formen von DNA-Schäden. Die meisten Schäden entstehen durch Oxidationen, zu welchen freie Radikale oder Wasserstoffperoxide gehören. Diese können schädliche Basenmodifikationen (Änderungen einer Nukleinbase) verursachen, jedoch auch die weitaus gefährlicheren und häufig auch krebsverursachenden Punktmutationen wie Deletionen (Verlust einer DNA-Sequenz) oder auch Insertionen (Neugewinn von ein oder mehreren Basenpaaren innerhalb einer DNA-Sequenz) sowie chromosomale Translokationen (durch Neuanordnung verursachte chromosomale Abnormalität).

Mitochondriale DNA

Im Inneren der Mitochondrien befindet sich die mitochondriale DNA, auch mtDNA oder mDNA genannt, welche wie die DNA doppelsträngig ist, jedoch zu einem Ring geschlossen ist. Die Mitochondrien regenerieren über die Atmungskette das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat (universelle und unmittelbar verfügbare Energieträger in Zellen und wichtiger Regulator energieliefernder Prozesse). Des Weiteren erfüllen sie essentielle Aufgaben für die Zelle. Die Mitochondriale DNA enthält nur 37 Gene, von welchen 13 für auf der Atmungskette lokalisierte Proteine codieren. Der Rest wird in tRNA sowie rRNA transkribiert, die die Codierung der 13 genannten Gene ermöglichen.

Die mtDNA wird ausschließlich maternal vererbt, das heißt von der Mutter. Die mitochondriale DNA gibt es sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren. Sie ist evolutionären Ursprunges und stammt von kreisförmigen Genomen von Bakterien ab.

Entstehungsgeschichte

Der aus der Schweiz kommende Arzt Friedrich Miescher isolierte im Jahre 1869 eine mikroskopische Substanz aus einem eiterbestehenden Extrakt, welches aus dem Zellkern eines Lymphozyten kam. Diese nannte er Nuklein. Im Jahre 1878 isolierte der deutsche Biochemiker die Nukleinsäure aus dem Nuklein und später deren vier Nukleinbasen.

Im Jahre 1919 entdeckte der litauische Biochemiker Phoebus Levene den Zucker Desoxyribose und den Phosphat-Rest der DNA.

Im Jahre 1937 stellte William Astbury mithilfe von Röntgenstrahlen erstmals die reguläre DNA-Struktur dar. Dass die DNA eine wichtige Rolle bei der Vererbung spielt, bestätigten die Genetiker Alfred Day Hershey und Martha Chase im Jahre 1952 aufgrund ihrer Entdeckung, dass es sich bei der DNA um genetisches Material handelt. Ein Jahr später legte James Watson zusammen mit Francis Crick im Journal Nature dar, was heute als das erste korrekte Doppelhelixmodell der DNA-Struktur gilt. Dabei stammten die Grundlagen ihres molekularen Doppelhelixmodells von einem im Mai 1952 gemachten Röntgenbild von Rosalind Franklin.